基于模式约束三维变分技术的连续循环同化试验研究

由于模式约束三维变分同化技术中考虑了模式的动力和物理过程,因此能保证各物理量间的平衡关系,从而滤除由于观测资料引入导致的高频波动,减小模式与初始场的协调时间.由于能在较短时间调整到稳定状态,采用模式约束三维变分同化进行连续循环同化可用较少的计算量达到同化多时次的多种观测资料的目的.该研究利用模式约束三维变分技术,针对2006年"桑美"台风个例,进行了连续循环同化卫星云导风、QuikSCAT海面风、Bogus海平面气压的试验.在台风数值预报中往往需要使用经验构造的台风信息(如Bogus海平面气压,Bogus风场等),该研究采用了模式约束三维变分同化技术同化Bogus海平面气压.由于模式约束三维变分同化技术充分考虑了各物理量间的约束,因此通过同化Bogus海平面气压也调整了初始场中相应的高度场、温度场、风场等变量,使得初始场中的台风涡旋具有较强的协调性,提高了对台风的模拟能力.采用AVN模式6小时间隔的分析场作为侧边界,2006年8月8日20时的分析场作为初估场,文中对8月8日20时到9日05时"桑美"台风的观测资料进行了连续循环同化.采用连续循环同化后台风路径的模拟精度得到了显著提高,对台风降水结构等的模拟也得到了改善.     

散射计和下投式探空仪资料对台风模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料对台风"Bilis"和"Kat-rina"模拟的影响,通过WRF-3DVAR变分同化系统将QuikSCAT海平面气压场资料和Dropsonde资料同化到WRF模式中,并以未同化任何资料和同化了QuikSCAT海平面气压场以及同化了Drop-sonde资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,并对得到的初始分析场和模拟预报得到的结果与台风实况报文进行了对比,得到的结论是:对台风初始时刻海平面气压场分布、初始台风中心定位、台风初始暖心结构的改善、台风路径、海平面最低气压场、海面最大风速和雷达回波的模拟方面,同化QuikSCAT海平面气压场的效果比同化Dropsonde资料明显,其中二者对海平面最低气压场的改进效果比海面最大风速的要好。但是两种资料的同化对初始相对湿度和台风强度细节变化方面都没有产生明显改善作用。同化QuikSCAT海平面气压场试验虽然仅仅同化了单层海平面气压场,但是在三维变分同化系统的动力约束作用下,也可以影响到中高层的各个要素场。     

应用ATOVS资料和非对称Bogus资料对登陆台风韦帕的4DVAR数值模拟分析

前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征并弃掉了背景场的合理成分,也没有考虑大环境场的影响及湿热要素的同化。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的精细非对称台风Bogus方法,并在MM5的伴随同化系统中引入快速辐射传输模式RTTOV8,通过四维变分同化(4DVAR)技术,加入海面风场和气压场Bogus资料及多颗卫星多条轨道上的ATOVS红外和微波卫星辐射亮温资料并考虑Noah陆面过程方案来对登陆台风韦帕进行数值模拟,结果表明,单独同化海面Bogus资料的BDA方案可间接产生初始场非对称三维环流结构和暖心结构,但对湿度场及台风周围大环境场的调整不足,台风登陆后的路径预报改善也不明显;引入陆面过程方案弥补了Bogus资料对台风登陆后路径预报的不足;加入ATOVS资料能对湿度场及台风周围环境场做出调整,重构了大量中尺度结构信息,取得更为精细的初始台风环流和温压湿场结构,保持BDA方案路径及强度预报的优势的同时,使预报的降水强度增加,降水落区发生改变。     

多源资料循环同化在台风“潭美”预报中的应用

为了检验不同观测资料在台风预报中的作用,以美国NCEP (National Centers for Environmental prediction)业务同化系统GSI (Grid Statistical Interpolation)为平台,选取2013年路径较复杂且登陆后降水持续较强的“潭美”台风过程为例,分别加入常规地面和高空观测资料、极轨卫星NOAA18、NOAA19、METOP-A和METOP-B资料,以及多普勒雷达基数据资料,探讨不同观测资料同化对台风的预报效果。同时,对台风采用Bogus初始化方案以及循环资料同化对台风路径和强度预报效果进行了对比分析。结果表明:常规观测资料对台风路径预报改善效果最明显,卫星资料的融入对海上台风路径的修正较好,而雷达资料则对台风登陆后的路径预报有改善;并且多源资料的融入效果最好。同时,采用Bogus方案可有效调整初始台风的位置和强度,从而对后期台风路径和强度预报有正效应。采用间隔6 h资料循环同化方法,可有效利用各时段资料,对台风路径和强度预报有较好的改善。      

基于海平面气压动力反演的台风涡旋初始化方法

提出了一种基于海平面气压动力反演和变分同化技术初始化数值模式台风涡旋以改进台风预报的方法.使用QuikSCAT海面风资料,针对中纬度和热带地区使用不同的边界层模式反演出与观测风场动力相适应的海平面气压;然后基于三维变分动力约束将海平面气压同化进入中尺度模式.对登陆中国的两个台风个例的初始化敏感性数值试验研究发现,初始化方法在实现台风风场与气压场的动力平衡的基础上,不仅通过调整边界层入流结构和垂直风切变明显改变了大气不稳定状态和对流触发条件,而且,也调整了台风在对流层顶附近的流出结构.尤其值得注意的是,尽管同化只是使初始台风强度略有加强,但随着模式积分时间的增长,这种模式边界层物理过程与资料同化相互耦合的方法对台风预报的影响在逐渐加强,改善了对台风登陆过程中强度维持和迅速减弱阶段的描述;并通过不同程度地调整对流层中低层和高层引导气流,改善了台风路径的数值模拟.     

改进的台风初值化方案及四维变分同化的个例试验

由于洋面上常规观测资料严重不足,使得客观分析的结果难以准确地描写初始台风的热力结构和环流特征,这是造成台风数值预报误差较大的重要原因.传统的Bogus方案虽然对台风预报有很大改进,但是仍有许多不足.文中在前人研究工作的基础上,对Bogus方案进行了改进,提高了对台风强度的描述能力,并结合四维变分资料同化的方法,利用模式动力学约束,自动生成具有非对称环流结构的台风初值,最后进行了四维变分同化试验和数值模拟试验.数值结果表明:这种结合Bogus方法和四维变分同化方法的台风初值化方案对于台风的路径模拟和强度模拟均有较好的改进.     

几种台风初始化方法及其对比实验

利用中尺度MM5V3模式及其伴随系统，运用四维变分同化方法，将Bogus台风作为观测资料进而优化台风初始场，对0422号台风个例进行了数值模拟和试验，并与传统Bogus方法和Nudging方法进行比较。结果表明，经过BDA方案优化的台风初始场更加接近实际台风的结构，有效地提高了台风路径和强度预报的准确率。     

BDA方案对台风背景高温天气预报的改进

广州地Ⅸ的高温天气主要是受副热带高压和台风外围下沉气流的影响所致.文中采用BDA(Bogus Data Assimila-tion)方法,探讨BDA方案对广州地区台风背景条件下高温预报的改进能力.选取2005年7月中旬广州地区出现的高温天气进行研究.这是比较典型的受副热带高压和台风(海棠)共同影响造成高温的天气过程.分析有无采用BDA方案的模式初始场.结果表明:采用BDA方案同化Bogus模型可以调整台风中心位置和强度,使所得到的初始场中心位置与观测更为接近,台风强度(气压梯度力、风速)比末用Bogus的情况强,与观测值更为接近.数值模拟的结果表明,采用了BDA方案的敏感试验可以更好地预撤台风路径和台风中心强度变化,从而更好地预报高温天气,对高温区分布、日平均温度大小等的预报都有改进.文中对引起这种预报差异的原因进行了讨论,并探讨高温预报改进的可能机制.大气下沉运动的增强是高温预报改进的主要原因.敏感试验由于广州中低层大气的水汽减少,大气的下沉增强,致使天空的云量减少,对太阳短波辐射的阻挡减小,从而地面吸收热量增多,温度升高,输送给大气的感热增加,大气气温升高.采用BDA方案可以改进模式在台风"海棠"过程对广州高温的预报.     

雷达资料在登陆台风“桑美”数值模拟中的应用

将国内多普勒天气雷达的反射率因子及径向风资料引入ARPS-3DVar同化系统进行同化,针对2006年登陆浙江苍南并造成严重影响的超强台风“桑美”,探讨多普勒雷达资料同化对台风模拟初始场和预报场的改进作用。结果表明:利用ARPS-3DVar同化雷达资料可以明显改善6 h同化窗口内的降水、风场和回波结构,并能提高模式对中尺度雨团位置、强度的模拟能力;雷达资料初始场同化后模拟的台风涡旋和台风眼结构与位置更加接近实况,各物理量空间分布结构更具有明显中尺度特征,从而改善了台风路径和降水的预报。但模拟过程中台风强度模拟偏弱,有待进一步改进。     

基于WRF-EnKF系统的雷达反射率直接同化对台风“天鸽”（1713）预报的影响

利用基于中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)的集合卡尔曼滤波(EnKF,Ensemble Kalman Filter)同化系统直接同化广东地区雷达反射率资料,对2017年台风“天鸽”(1713,Hato)近海发展以及降水预报效果进行数值模拟分析研究。结果显示,直接同化雷达反射率资料后,台风的回波强度和范围有了明显改善,可更好地调整水汽场、水凝物和温度场。当台风风场和水汽场调整后,进入台风主体部分的水汽量显著增加,使得台风强度增强,台风中心最低海平面气压降低,与实况更接近。同化雷达反射率资料后,6 h和24 h降水强度和落区预报效果有显著改善,尤其是能提高大暴雨和特大暴雨量级的TS评分,此外地面2 m温度和2 m相对湿度的预报效果也有改进。      

基于BDA扰动法的台风路径集合预报试验研究

提出一种新的方法（BDA扰动方法）对台风路径进行集合预报。BDA扰动方法是基于BDA同化方案。通过扰动台风的中心位置和台风强度得到一系列模型台风，将之分别同化到同一环境场中得到一系列扰动初始场，从而对台风进行集合预报的方法。本文选取四个台风个例进行数值试验，将直接用BDA方案同化初始场的模拟结果与采用BDA扰动方法模拟的结果进行比较，发现：利用BDA扰动方法对台风路径进行集合预报能进一步提高路径预报精度；同时发现：对于BDA扰动方法，若与初始定位扰动相结合，5hPa的台风强度扰动幅度可能比10hPa的更适宜。     

EXPERIMENTS OF ENSEMBLE FORECAST OF TYPHOON TRACK USING BDA PERTURBING METHOD

A new method, BDA perturbing, is used in ensemble forecasting of typhoon track. This method is based on the Bogus Data Assimilation scheme. It perturbs the initial position and intensity of typhoons and gets a series of bogus vortex. Then each bogus vortex is used in data assimilation to obtain initial conditions. Ensemble forecast members are constructed by conducting simulation with these initial conditions. Some cases of typhoon are chosen to test the validity of this new method and the results show that: using the BDA perturbing method to perturb initial position and intensity of typhoon for track forecast can improve accuracy, compared with the direct use of the BDA assimilation scheme. And it is concluded that a perturbing amplitude of intensity of 5 hPa is probably more appropriate than 10 hPa if the BDA perturbing method is used in combination with initial position perturbation.     

CMA-GFS全球预报系统中的台风初始化

在CMA-GFS(CMA Global Forecast System)全球四维变分资料同化系统(4DVar)基础上,参照BDA(Bogus Data Assimilation)方法,建立了一个全球模式台风初始化方案.该方案通过4DVar同化窗口吸收诊断处理后的1 h间隔台风中心定位及中心气压信息,利用模式动力物理约束...     

台风过程数值模拟中4种初值化方案对比分析

了解、比较并改善各种Bogus技术,对台风数值模拟和数值预报具有重要意义.介绍了4种不同的台风初值化方案:基于四维变分资料同化原理的BDA方案、MM5模式附带的Bogus方案、王国民的Bogus方案,以及广州热带海洋所业务上曾使用的Bogus方案,具体台风个例,对这几种方案在台风数值模拟中所起的作用,进行对比讨论.数值...     

台风"云娜"的热动力结构模拟试验研究

对2004年8月登陆我国的台风"云娜"的热动力结构及其演变进行了数值模拟。试验从大尺度环境场、台风中尺度动力和热力场三维结构、台风云雨特征等多角度,对模拟结果与实际观测进行了对比。结果表明,模式不仅较准确地再现了台风登陆前24h移动和演变的全过程,在移向、移速和登陆时间、地点上与实况十分接近,而且对台风系统中尺度结构、云雨特征的模拟与分析场及卫星观测也有较好的一致性。采用的模拟工具是新开发的双重嵌套AREM模式,该模式是静力模式,但对台风仍有较强的模拟能力。此外,本试验无任何人为台风模型的嵌入是其中的一个特点,从而增加了试验的可信度。     

NUMERICAL STUDIES OF PLANETARY BOUNDARY LAYER PARAMETERIZATION SCHEMES ON SUPER TYPHOON SANBA (2012) DURING ITS INITIAL STAGE

The formation and development of typhoons are closely related to the disturbed low vortexes at the planetary boundary layer (PBL). The effects of five PBL parameterization schemes (PBL schemes hereinafter) on the trajectory, intensity, and distribution of physical quantities are studied using the mesoscale WRF model on Super Typhoon Sanba (2012) during its initial stage. Results show that the five PBL schemes exhibit significant different effects on the simulated intensity and path. The results simulated by QNSE and ACM2 without the Bogus method are close to the best track data in the numerical experiments. When the Bogus method is adopted, the simulated trajectories improve significantly because the initial field is close to the true data. Among the five PBL schemes, QNSE and ACM2 with the Bogus method present improved simulated path and intensity compared with the three other schemes. This finding indicates that the two schemes deal with the initial PBL process satisfactorily, especially in the formation and development of disturbed low vortexes. The differences in the treatment methods of the five PBL schemes affect the surface layer physical quantities and the middle and upper atmospheres during the middle to late periods of the typhoon. Although QNSE and ACM2 present better simulation results than other schemes, they exhibit a few differences in the internal structure of the typhoon. The results simulated by MYJ are worse, and this method may be unsuitable for studying the formation and development of typhoons.     

环境流场和“派比安”结构变化对其异常北抬路径影响的诊断分析

利用NCEP的全球数据同化系统(GDAS)1°×1°分析资料、CIMSS微波亮温资料等,对0606号台风派比安的异常移动路径特征作了诊断分析。结果表明:"派比安"出现的两次异常北抬路径与中纬度西风槽活动、热带西南季风、副热带高压以及热带气旋结构影响密切相关,西风槽槽后经向风活动和台风最大风速中心轴向对台风未来移向有一定的指示意义。