数值预报同化系统中观测资料误差分析

在观测资料同化系统中,观测误差均方差与背景场误差均方差共同决定着观测信息与背景场信息的相对重要性以及这些信息在空间及不同变量间的扩展方式,故在资料同化系统中起到决定性作用.因此,观测误差均方差的合理估计是非常重要的.采用贝塞尔函数拟合方法,从探空观测资料与背景场的偏差(IV)协方差中分离出探空资料的观测误差均方差与模式的背景场误差均方差;再从其他观测资料偏差协方差中扣除背景场误差均方差来估计其它观测误差均方差.观测误差均方差分析使用2006年8月1-31日观测资料,国家气象中心T213L31全球中期分析预报系统的6小时预报作为背景场.结果显示估计的观测误差均方差是比较合理的.     

应用Bayes算法估计核函数误差对大气温度廓线反演的影响

核函数的误差(简称KFE)是引起反演方程数值解不稳定的根本原因之一,也是物理反演法用于TOVS资料业务处理的基本障碍。本文基于Bayes算法和考虑KFE的适当统计假定,导出了估计KFE效应的方法。使用NOAA-7气象卫星测值,依据NFSDIS透过率资料算出的核函数,以及两年二月气候资料计算的协方差矩阵等数据,按此方法估计了KFE效应对温度廓线反演精度的影响,并对KFE引起反演解中的系统偏差和随机误差分量也作了定量计算,揭示出了系统偏差在非适定问题解中的主导作用。     

大气红外间接遥测方程的估计解和验前限制

在线性估计调整方法中研究如何考虑验前信息的方法,是发展估计算法的重要途径.为此,在文中根据十五通道理论权重函数和五个不同估计方法所得到的模拟数值试验结果,从估计模式所涉及的信息形式、不同形式验前限制的效应以及估计解的实际可解性等对估计解的精度和验前限制的内在联系进行了数值分析,确认TPRD1的解和验前信息之间具有最佳的统计结构.     

在厄尔尼诺—南方涛动期间热带对流层环流的经验模式：Ⅰ建立经验模式的方法

文章根据美国国家气象中心的风场客观分析资料提出了建立厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)期间低纬度大气环流经验模式的一些基本原则.提供了划分ENSO演变位相的操作方法,方法基于对该现象发生过程的新观点并可对任何现象实施这种操作,而不必管其起始时间(季节).研究了计算流函数和散度风速度势的方法.根据以后的1994～1995年的ENSO独立资料估计了所提供的方法的可靠性.     

三维变分和物理初始化方法相结合同化多普勒雷达资料的试验研究

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分(3D-Var)同化系统WRF 3D-Var为平台,结合物理初始化方法(Physical Initialization,简称PI)来同化多普勒雷达径向风和回波强度观测资料.其基本做法是首先用物理初始化方法由雷达回波资料估计出比湿、云水混合比和垂直速度,然后用估计的比湿和云水混合比对模式的相应变量进行调整,最后再将估计出的垂直速度作为一种新的观测类型添加到现有的WRF 3D-Var目标函数中,同时以WRF 3D-Var提供的方法直接同化径向风.针对2002年6月19日的一次强对流性降水过程和2003年7月5日的一次梅雨锋暴雨过程进行了一组同化多普勒雷达径向风和回波资料的试验研究.同化结果表明:分析变量的增量场和观测的雷达回波有很好的对应关系.在雷达回波区,有正的比湿增量、云水含量增量和垂直速度增量,并且水平风增量在此辐合;在没有雷达回波的地方有负的垂直速度增量.预报结果表明,调整云水含量对降水预报改善不明显,调整比湿对降水预报改进明显,直接用物理初始化估计出的垂直速度替代模式的初始垂直速度,对降水预报改进不明显,但以新的方案同化雷达资料能有效地缩短模式的起转时间(spin-up time),明显改进短时降水预报.     

WRF模式三维变分中背景误差协方差估计

利用WRF模式2008年5-10月逐日预报结果,通过NMC方法进行背景误差协方差(B)估计.给出其结构特征,进行单点数值试验,并利用不同B进行1个月的数值模拟试验,检验模拟降水效果.结果表明:通过单点数值试验验证估算的B结构合理.不同的B,资料同化过程差别较大,应用重新统计的B,同化效率更高,目标函数收敛更稳定.模式模...     

适合于韦伯分布拟合的风速特征

一、引言近年来,在诸如大气污染模式、建筑物风荷载的估计以及风能分析等等这样一些实际应用中,对于使用特殊分布进行风速资料的拟合已有许多研究,而目前考虑最多的是韦伯(Weibull)分布. 大量研究结果表明,韦伯分布由于它的伸缩性和使用方便(只需估计2～3个参数),常用来作为拟合实际风速分布的理论模型,而且通常能够给出近似的却能令人满意的结果.如果实测风速满足一定条件,则韦伯分布就是一个拟合风速频率的数学函数.     

桐庐50年一遇的日最大降水量的概率估计

本文利用耿贝尔分布理论,根据历史资料建立极值分布函数,而后进行某个时间内出现年一日最大降水量的概率估计,具有一定的实用性。     

全球资料同化中误差协方差三维结构的准确估计与应用Ⅰ:观测空间协方差的准确估计

观测误差与背景误差协方差在四维资料同化和业务资料分析系统中起到决定性作用,它决定着观测信息与背景初猜值信息的相对重要性以及这些信息在空间及不同变量间的扩展方式。由于实际大气的真值并不知道,需要发展不同的技巧来估计观测误差与背景误差协方差,其中在观测空间利用观测与背景初猜值之差来分离观测误差与背景误差协方差的方法估计出的结果较为准确,其估计出的观测误差可直接用于资料分析系统中,背景误差可作为标尺来度量其他方法估计结果的可靠性。文章采用国家气象中心T213L31全球中期分析预报系统的6 h预报作为背景初猜场及同时段冬夏两个季节的北半球探空,利用贝塞尔函数拟合方法来分离观测误差与背景误差协方差,并比较了东亚区、北美区、欧洲区3个探空资料均匀密集区的区域与季节变化结果。结果表明,观测空间拟合方法所要求的水平均质、各向同性在欧洲区和北美区成立程度较好,在东亚区略差,使用时需要斟酌。此外均方差区域间差别较大,在冬季明显大于夏季,温度场偏大0.2 K,风场偏大0.9 m/s。温度场在400 hPa以下与150 hPa以上,背景误差略小于观测误差,而在200—300 hPa,背景误差略大一些。风场的特点与温度场比较一致。温度与风场背景误差主要集中在前40波,并在20波左右达到最大,水平相关季节区域差别不大,而温度垂直相关比风场窄,两者相关范围比较大的波数主要集中在前20波。此外利用贝塞尔函数拟合方法获得结果的分析表明,在质量场中不同区域季节间温度误差的稳定性要明显好于高度场,涡度散度的稳定性要明显好于流函数和势函数,特别是对于特征长度更为明显。这表明利用贝塞尔函数拟合方法获得的结果对校准在全球资料同化中采用温度、涡度散度作为资料同化的分析变量具有一定的优势。     

Parzen概率天气预报模型及其试验

在事件概率天气预报(POP)中,求得在一般条件下的最优概率估计函数,本文从Parzen公式出发,针对事件概率天气预报的特点设计了核函数,推导了概率密度估计式,进而提出了一种非参数回归方法——Parzen概率天气预报模型。对天气事件的条件概率与自变量之间的相关关系的具体函数形式并不已知的事件概率天气预报问题,该模型具有很好的适应性,并有较高的估计精度。数学证明表明,作为一种估计,该模型具有良好的统计学性质。可以认为该模型是直方图估计法(Rectangle method)的一种改进型。     

上海地区盛夏高温分布和热岛效应的初步研究

根据1997～1998年的7～8月高温加密观测资料和卫星遥感资料,应用自然正交函数分解技术(EOF),对上海地区盛夏高温分布的气候平均场和第一特征场进行了分析.上海地区盛夏平均高温场分布具有显著的城市热岛效应特征.作者详细讨论了市区建成面积、土地利用类别、人口密度和人为热等都市化因素对热岛效应范围和强度的影响,并做出定量的估计,提出了缓解城市热岛效应的若干对策.第一特征场分析表明,风向是影响上海地区热岛效应范围和强度变化的最主要的气象因子.     

智能船舶自动舵系统自适应模糊输出反馈控制

针对智能船舶自动舵系统,考虑输入饱和、回转角速度未知和指定性能,提出一种自适应模糊控制算法.本文自适应模糊输出反馈算法采用状态观测器、辅助系统和误差转换系统,模糊逻辑系统用于估计未知非线性函数,状态观测器用于估计未知回转角速度状态,辅助系统和误差转换系统分别用于补偿不匹配控制信号和变换航向角追踪误差.基于Lyapunov方法证明了闭环系统内所有信号是有界的,仿真结果进一步验证了本文算法的有效性.     

应用HIRS/2仪器资料计算长波辐射通量

辐射收支是影响气候演变的基本因素,而长波辐射通量又是辐射收支的重要组成。由于地气系统红外辐射过程的复杂性,如何利用NOAA系列气象卫星资料精确快速地估计长波辐射通量,迄今还存在问题。本文从遥感方程出发,建立了卫星测得辐射率值和(HIRS/2测得)长波辐射通量的准解析函数关系。利用这种准解析函数和精选的NOAA-10 HIRS/2五个通道辐射率测值,提出了精确快速计算长波辐射通量的方法,并得到验证。     

区域三维变分同化中背景误差协方差的模拟

背景误差协方差(B)是变分同化中的一个重要部分,极大地影响同化系统输出的分析场.由于计算和指定B中有关统计量需要巨大的资料存储量和计算量,因此进行相关的研究较为困难.本文首先论述了B在变分同化中的重要性以及进行模拟的必要性;接着介绍了美国NMC方法的原理,并研究将其应用到区域三维变分同化中的方法;然后利用WRF模式生成的预报场差值集合对有关统计量进行了估计.揭示了以下结论:通过使用平衡变换和回归系数,控制变量被限制在较小范围内,保证了分析场的质量;流函数第一全局特征向量在200 hPa附近的最大分量,表示了急流层中强西风误差;流函数前五个全局特征向量在低层与中高层之间是负相关的;非平衡温度和相对湿度的特征长度尺度比流函数和非平衡速度势的值要小,说明它们是局地性较强的量.流函数和非平衡速度势的特征长度尺度随垂直模态数的增大快速减小,而相对湿度和非平衡温度的特征长度尺度随垂直模态数的变化较为平缓.     

伴随方程在水汽资料四维同化中的应用I.理论

由于水汽相变等过程为快过程,再考虑到水汽观测误差不服从正态分布,可以认为将水汽资料与其他观测误差进行正态分布的气象资料联合同化是一种不合适的方法.故应单独对水汽资料进行同化.在下边界为第三类边界条件下,推导了适合于数值天气预报的水汽方程的伴随方程;利用目标函数的极值性,得出了水汽的四维资料同化问题的伴随算法;证明了目标函数给出的极值点为最小值点,且是惟一的.     

卫星面降水估计人工神经网络方法

介绍了人工神经网络原理和卫星云图估计降水的原理.从GMS红外卫星云图资料中抽取12个降水云图特征量,构造了网络结构为12-98-7的降水估计人工神经网络模型,并用1993年的小时地面雨量资料和GMS数字云图资料对神经网络模型进行训练,用1992和1994年资料对该神经网络模型分别进行测试.在日面降水估计试验中,地面雨量计值和卫星估计降水之间的相关系数分别为0.94和0.97,相对误差分别为41%和32%.     

使用美国国家气象局预报改进潜在蒸散估计

这篇论文报告了在内布拉斯用国家气象局预报变量输入到Blaney-Criddle和Penman方程中去尝试改进估计潜在蒸散(ETp)的方法的调查研究结果 1.资料和方法用Blaney-Criddle方程估计ETp所要求的气象资料仅是温度值,而Penman方程要求温度、相对湿度、风速和日射值。国家气象局的地区和农业气象预报是ETp估计的原始数据。对内布拉斯的20个地区的每个地区每天由俄哈马市气象局预报处几个时次(农业气象预报是每天两次)发布预报和进行修正,为这个研究选择了4个预报区     

南京过去100年极端日降水量模拟研究

在南京过去100年日降水资料的基础上,利用极值理论中的区组模型和阈值模型分析了极端日降水分布特征.首先通过广义极值(GEV)模型模拟了日降水的年极值序列(AMDR),用极大似然估计(MLE)方法计算了模型的参数,并借助轮廓似然函数估计出参数的精确误差区间,同时采用4种较直观的诊断图形对模型的合理性进行全面评估,结果表明Frechet是区组模型中最适合描述极端日降水分布特征的函数.其次,将日降水序列分3种情景构建极值分布的阈值模型(GPD),考察了观测数据的规模对应用该模型的限制,重点讨论了如何针对给定观测样本选择合适的阈值收集极值信息.分析结果认为,长度不小于50年的气候序列,采用24 mm的日降水量作为临界阈值均能进行GPD分析.该阈值处于年降水序列第91个百分位附近,即对目前长度为50年左右的日观测资料,第91个百分位点以上的数据基本能满足GPD研究的需要.另外,根据GEV和GPD对未来极端降水重现水平的推断情况,GPD预测值的置信区间要比GEV的窄,极值推断的不确定性相对也较小,更适合用于研究中国目前规模不大的气候资料.最后,对GPD模型的形状参数和尺度参数进行变换,分别引入描述线性变化的动态变量,分析降水序列中潜在的变异行为对极值理论应用的影响.这种变异包括降水序列中长期的均值变化及百分位变化,从模拟结果看,暂未发现资料变异行为对极值分析产生显著于扰.     

卫星云图资料估计湿度的适时回归方法及其影响诊断

提出适时回归方法，由卫星云图资料估计湿度场，数理统计中的回归诊断是查找野点的有力方法，本文成功地运用回归诊断于卫星云图资料估计湿度场，提高了精确度，得到良好效果。     

支持向量机方法在德阳降水分类预报中的应用试验

本文对支持向量机(svm)分类方法的基本原理作了简要的概述,并依据常规观测资料选取预报因子,以经典统计预报方法的方式,利用svm方法,选取不同的核函数对德阳市雨量分类预报进行试验.Ts评分表明采用多项式内积函数作为核函数构造的预报模型具有较好的预报能力.