四维资料同化的试验研究

四维资料同化是近年来气象科学上的一个新课题,为了探讨一些基本问题,本文用正压原始方程模式进行了高度观测资料的更新和同化的初步试验研究。 试验结果表明,将测站的实测资料内插到网格点上,再用这种资料作更新或四维资料同化可以减小观测误差的影响,避免所谓排斥现象;四维资料同化方案中需要有气压场和风场间的调整。本文提出了一种简便的四维资料同化方案,用这种方案对观测资料进行同化,得到某一时刻的分析场,再用这种分析场作初值与直接用该时刻的观测场作初值分别作数值预报,其预报结果是前者比后者明显地好,进一步说明了四维同化工作有其重要意义,不但使用非定时的气象观测资料需要四维资料同化,而且在四维同化基础上可以改进数值预报。     

谱模式T63L9正规模初值化方案及试验

推导了全球谱模式T63L9的正规模,对求得的垂直和水平正规模做了分析,与其他文献进行了比较.在此基础上,为其资料四维同化系统研制了一套合适的绝热非线性正规模初值化方案,并进行了一系列试验.分析表明:方案的研制是成功的,它有效地消除了模式早期积分中虚假的高频振荡,明显改进了短期预报的效果;初值化不仅对随后的一次预报有明显的改进,而且通过同化循环,提高了整个资料同化和预报的质量.     

数值模式误差对降水四维变分资料同化及预报的影响

利用一个无量纲的水汽发展方程,针对同化时间窗口内出现和不出现降水两种情况,分析了不同模式误差和初始误差对降水四维变分资料同化预报效果的影响。结果表明,应用四维变分资料同化方法进行降水预报前,应该充分考虑数值模式中的误差,才能得到比较满意的同化及预报结果。假定同化窗口内获得的比湿观测场是准确的,当不存在模式误差时,四维变分资料同化方法可以有效地消除初始场误差,找到比湿真实初始场;而存在模式误差时,四维变分资料同化后的模式初始场会偏离真实的比湿初始场,并且模式误差越大,偏离程度越严重。在一些模式误差情况下,由于模式误差在同化窗口及延伸预报时段的作用不同,进行四维变分资料同化处理后,尽管累积降水量的预报结果在同化时间窗口内优于同化前的预报,而在最终预报时刻反而差于同化前。     

江苏省公路网络复杂性分析

利用美国研制的WRF-Var同化系统以及中国的云迹风资料,对2008年6月10日长江流域的一次暴雨过程做了三维和四维变分同化试验。试验结果表明：上述两种方案均能提高模式对大到暴雨预报的准确率,特别是四维方案在提高大暴雨的准确率方面表现更好,这是降水预报的重要方面;两个同化试验均能在一定程度上改善对要素场的预报,使用四维同化方案能够更有效地调整初始场、降低各要素场的预报误差。诊断结果表明：此次大暴雨过程是在高空低槽和低层切变线的共同作用下发生的,并有高、低空急流与之配合,具有较好的动力条件;低空的西南急流,不但为产生暴雨提供了所需的水汽输送,也为造成暴雨强对流所需的位势不稳定提供了必要的能量。     

中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统

应用伴随方法求解以数值预报方程作为约束条件的四维变分资料同化方案，关键问题是如何构造伴随模式。以中尺度数值模式MM5为例，讨论了如何用伴随码技术建立MM5伴随模式，以及伴随模式系统中权重、尺度因子的选取；最后对MM5伴随模式系统进行了梯度检验，并利用实际资料进行四维变分资料同化试验。试验表明该系统有较强的同化能力，能够提高MM5降水预报的准确性。     

一种四维同化方法的试验研究

文章利用一个有限区模式对一种资料四维同化过程作了试验研究，以考察四维资料同化对模式的预报过程的作用。试验结果表明:四维资料同化可以为模式提供一组四维动力协调的积分初值。对由于资料或模式原因造成的积分开始时的高频振荡有很好的抑制作用，使模式的积分稳定性增强。      

自动站资料在WRF 3DVAR中的同化敏感性试验

为了了解国家级地面自动观测站不同观测要素对数值预报作用,利用WRF三维变分同化系统对自动站资料的不同观测要素开展同化＆预报试验。两个月的数值预报检验结果表明：1）只同化自动站温度观测对位势高度、温度和相对湿度场预报的影响作用最大,且主要为负作用,而同化气压或风向风速观测对上述要素预报影响作用比同化温度小,但会改善位势高度预报和部分温度预报,对相对湿度预报改善作用不明显;2）对于降水预报,同化风向风速方案的评分结果最差,同化温度的方案次之,同化气压的方案可以改善24h降水预报结果。由此看出用WRF 3DVAR同化地面观测资料时,气压观测十分重要,同时也说明要想用好地面观测资料,让其为数值预报提高发挥最大作用仍需开展很多研究工作。     

国家气象中心T63四维资料同化试验

文章简单地介绍了国家气象中心T63四维资料同化系统试验方案及试验的初步结果。试验结果表明，该系统计算稳定，是一个较好的同化方案;T63L16中期数值天气预报谱模式利用它提供的初始条件制作了7天全球预报，预报结果优于T42L9业务系统。     

“8.19”西北东部大到暴雨诊断分析和数值模拟

利用MICAPS系统T213资料、NCEP再分析资料及实况观测资料，对2004年8月19日发生在西北地区东部的暴雨天气过程的大尺度环流背景和物理量场进行分析发现：这次暴雨天气过程中西太平洋副热带高压有一次明显的西伸，是一次较典型的副高西北侧西南气流型暴雨。降水水汽主要来自南海和孟加拉湾，中低层的水汽输送十分充沛，并在甘肃河东和宁夏形成辐合。运用三重嵌套的中尺度数值预报模式MM5，对这次暴雨过程进行了两种方案的高分辨率数值模拟，结果表明，运用四维资料同化后的方案在形势和降水预报方面优于未进行资料同化的方案。     

台风模拟中QuikSCAT风场的非对称加强订正及同化应用

针对QuikSCAT 散射计风场资料对台风级别的强风速区还无法准确刻画这个技术问题,引入台风移速、移向、摩擦等客观因素对该风场产品资料进行非对称加强订正;然后利用四维同化技术,并设计了先同化后预报两个阶段的试验方案,对“云娜”台风进行了数值模拟试验。试验结果表明：通过模式约束调整,四维同化技术可以把QuikSCAT 海面风场资料引入到整层模式大气中,并对整层风场和气压场的强度及路径模拟都有很大的改进,而且该资料还提高了预报阶段台风强度的模拟效果,并对登陆点的预报起到了积极作用。     

THE LIMITED AREA ANALYSIS AND FORECAST SYSTEM AND ITS OPERATIONAL APPLICATION

The limited area analysis and forecast system(LAFS)was developed and has been put intooperational use at National Meteorological Center since January 1991.This system can be regardedas a branch system attached to the global assimilation and medium-range forecast system which isbased on a spectral model T42L9.The main advancements as an upgrade operational system are asfollows:the use of a regional fine mesh optimum interpolation(OI)analysis scheme:the realiza-tion of the nonlinear normal mode initialization for the regional model:the development of a 15L-spherical grid primitive equation model(with real topography and enstrophy conservation)and itsnesting forecast with the spectral model T42L9.     

有限区分析预报系统及其业务应用

中国国家气象中心在新开发的有限区多元最优插值分析技术及１５层球面网格原始方程模式的基础上建立了一个新的有限区分析预报系统。１９９１年投入业务使用，主要用于２４－４８ｈ降水预报。这个系统是依附于全球同化预报系统的一个分支系统。亦即使用全球谱模式６ｈ预报作为初估值进行有限区细网格分析及使用其１２—６０ｈ预报作为侧边界值进行非同步嵌套预报。作为一个升级模式系统，它的进步表现在：较充分使用了卫星测湿资料及地面资料的细网格多元最优插值分析；同时使用同场及质量场初值，成功地实现了有限区非线性正规模初始化处理；采用位涡拟能守恒差分格式，包含较真实地形的球面坐标原始方程模式；实现了具有不同模式地形的差分模式与谱模式的嵌套及设计了分级降水客观检验系统。     

用业务有限区模式预报台风路径的初步试验

利用国家气象中心新的有限区业务分析预报系统（ＬＡＦＳ）￣［１］，根据实例台风资料的一些参数和客观分析场，形成包含理想台风模型的模式初值，并将一个和业务有限区预报模式基本相同的、水平分辨率更高的预报模式和有限区预报模式单向嵌套，进行台风路径预报的初步试验。      

AMSU-A全空辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)发展的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统和GSM(Global Spectral Model)全球频谱预报模式作为循环同化系统,选用2017年第13号台风为研究个例,采用全空和晴空两种同化方案对AMSU-A(The Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射率观测开展同化对比试验,并对台风"天鸽"个例进行5 d预报,研究AMSU-A全空辐射率同化对台风天鸽发展过程预报的影响。结果表明,全空同化方案相比晴空同化方案预报的台风路径、台风中心气压以及台风最大风速预报误差更小;全空同化方案对台风"天鸽"生命周期的模拟更加准确,更接近中国气象局发布的台风天鸽最佳路径的最低气压,而晴空同化方案预报的台风发展较弱,无法预报出成熟期的台风强度;全空同化方案能够增加低层通道海上厚云覆盖区域辐射率资料同化量,增幅占AMSUA同化观测总量10%,从而改进海洋区域天气系统的热力场结构。     

雷达反射率资料的三维变分同化研究

应用天气研究和预报模式(WRF)三维变分系统中一种新的雷达反射率资料间接同化方法来进行反射率资料的三维变分同化研究,评估雷达反射率资料对夏季短时定量降水预报的作用.该方法不直接同化雷达反射率资料,而是同化由反射率资料反演出的雨水和估计的水汽.以2009年夏季北京地区发生的4次强降水过程为例,考察了北京市气象局业务运行的快速更新循环同化预报系统对京津冀地区雷达网的雷达反射率资料的同化性能以及雷达反射率资料和径向风资料同时同化的效果.数值试验结果表明:(1)同化反演雨水或水汽都能改善降水预报,但同化反演水汽对降水预报效果的改善起了更重要的作用;(2)同化反射率资料能极大地提高短时降水预报的效果,其稳定的正面效果可以延伸到6h的预报时效,而同化径向风资料不能得到稳定的正效果;(3)同化雷达资料时,应用快速更新循环同化预报系统是提高短时定量降水预报的一个有效途径.     

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟（GNSS-ZTD）观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:（1）Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;（2）天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;（3）对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。      

华北地区地基GPS天顶总延迟观测的质量控制和同化应用研究

地基GPS天顶总延迟由于其解算误差来源少于目前广泛应用的可降水量资料,其同化应用将会为数值预报初值场更好地提供大气信息。面向同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案的研发将会有效推进该资料在中国数值预报中的广泛应用。基于2013-2014年华北地区天顶总延迟观测资料,发展了一套针对数值预报同化应用的天顶总延迟观测质量控制方案。该方案从测站稳定性和解算精度、离群值、系统偏差及标准差等考察点切入,从不同角度检查和标记出致使观测序列统计特性偏离高斯分布特征的样本。质量控制后序列统计特征量更接近三维变分系统对观测资料的性质假设,表明了所建立质量控制方案的合理性。基于北京市气象局数值预报业务系统BJ-RUC开展了连续11 d的快速更新循环预报试验。评估结果表明：同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果明显优于同化未质控天顶总延迟试验,表明所建立质量控制方案的有效性。同化质控后天顶总延迟试验的降水预报效果优于未同化GPS资料试验,表明天顶总延迟资料的同化应用可以有效提升预报系统的降水预报效果,特别是在无探空资料参加同化的预报时次;同化质控后天顶总延迟资料试验的降水预报效果也优于同化可降水量的试验,表明使用天顶总延迟资料代替可降水量资料在数值预报业务中开展同化应用是可行的。在天顶总延迟观测质量控制方案研发和同化应用得到了一些有意义的结果,有助于推进该观测资料在数值预报科研和业务中的应用,为提升预报性能提供技术支撑。     

台风预报误差的流依赖特征及混合资料同化中最优耦合系数

基于集合卡尔曼变换与三维变分(ETKF-3DVAR)混合资料同化系统和欧洲中期天气预报中心(ECWMF)的全球集合预报,以"梅花"台风为例,分析了台风系统预报误差的流依赖特征,讨论了耦合系数在混合同化和预报中的敏感性及其对预报质量的影响。结果显示,台风系统的预报误差协方差具有显著的中小尺度结构特征,集合估计的预报误差协方差结构能够再现其流依赖属性。相对于3DVAR方案,混合资料同化方案的最优耦合系数对台风系统的分析和预报质量具有更好的改善;但不同的耦合系数对台风路径预报有明显的影响,不合适的耦合系数甚至可能导致更坏的结果,只有耦合了相对合适的预报误差协方差的流依赖信息,混合资料同化方案才可能对分析和预报质量有正效果。这表明在混合资料同化系统中,构造一种具有自适应能力的耦合权重函数,实现相对最优权重的自动选择,对充分发挥混合资料同化方案的潜在优势具有重要意义。