GRAPES研究开发取得持续进展

资料同化系统:在区域三维变分同化系统中增加TSYNOE SHIP,AIRIER SATOB,雷达径向风等观测算子、非线性平衡约束,用NMC方法重新估算了背景误差协方差;建立了区域／全球一体化的三维变分同化框架;开展了EnKF的前沿性研究;研究开发4D VAR系统,完成切线性模式和伴随模式设计、编程,进行了初步调试。主要工作包括以下几个方面:①全球闭合网格点构造与算法设计;②预调水平变换的谱滤波表示;③用NMC方法估计背景误差协方差参数;④单点观测试验检验系统的正确     

GRAPES-3DVar高阶递归滤波方案及其初步试验

背景误差协方差矩阵B及其逆的求解是三维变分同化研究的核心问题之一.在GRAPES区域三维变分同化系统(GRAPES-3Dvar)中背景误差协方差矩阵的水平变换部分,假定各向同性并进行递归滤波运算.原有方案中采用一阶递归滤波器,但收敛不够迅速,每次循环同化时需滤波10次才能使目标函数收敛.根据Purser等2003年的研...     

纬度依赖背景场误差协方差及其对台风同化和预报的影响研究

合理的背景场误差协方差矩阵是做好变分同化的关键。为进一步认识背景场误差协方差矩阵在中尺度预报中的作用,对背景场误差协方差中平衡关系的纬度依赖特征及其对中尺度同化及预报效果的影响进行了研究。为使得平衡关系既包含纬度依赖特征,又降低纬度依赖带来的非平衡的噪音信息,在背景场误差协方差矩阵构造的平衡变换过程中引入了递归滤波的方法,对平衡变换中的回归系数进行了滤波平滑。同化单点观测的理想试验表明纬度依赖的背景场误差协方差具有更合理的动力关系,且滤波后的背景场误差协方差既保持了纬度依赖特征且明显平滑了噪音信息。台风“莫拉克”同化数值模拟试验表明纬度依赖的背景场误差协方差明显提高了36 h及以上的中心海平面最低气压和路径预报的预报效果。      

GRAPES全球变分同化背景误差协方差的改进及对分析预报的影响：背景误差协方差三维结构的估计

回顾并详细推导了估计背景误差协方差统计特征的美国国家气象中心(NMC)方法及其优缺点;采用NMC方法系统地估计了新版GRAPES全球模式的背景误差方差、水平相关特征尺度和垂直相关结构,并与欧洲中心模式结果进行了比较。结果表明,目前GRAPES全球模式的背景误差方差比以前有了显著减小;水平相关特征尺度随纬度和高度有显著变化;背景误差垂直相关结构与欧洲中心模式结果非常一致,相比经验公式结果更具物理意义,同时,单点试验结果也表明,更新后的垂直相关结构产生的分析增量更合理。通过与欧洲中心模式背景误差协方差三维结构的对比,分析了不同模式间背景误差协方差的异同及GRAPES全球同化分析系统目前存在的一些不足及可能原因。为新版GRAPES全球模式的三维变分系统提供了基本的背景误差协方差的三维结构。     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统Ⅰ:系统设计及初步试验

集合卡尔曼滤波资料同化方法,可以用集合样本统计出随天气形势变化的误差协方差,是当前资料同化领域的研究热点。主要介绍了GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的设计以及初步的试验结果。针对集合卡尔曼滤波同化实际观测资料难以实施的问题,采用成批观测同化的顺序同化方法进行多变量的集合卡尔曼滤波同化;为了滤除有限集合数造成的误差相关噪音和缓解求逆矩阵不满秩的问题,在水平和垂直方向都采用了Schur滤波;建立了与GRAPES预报模式的垂直坐标和预报变量一致的模式面集合卡尔曼滤波系统;集合样本的生成考虑了模式变量的空间相关和模式变量之间的相关,通过利用三维变分分析中的控制变量变换得到模式变量扰动场。通过比较GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统和GRAPES区域三维变分资料同化系统的单点观测资料同化分析结果,对比背景误差相关系数的分布,验证了GRAPES集合卡尔曼滤波系统的正确性。此外,同化区域探空观测资料试验结果表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统能够得到合理的分析,并且具有实际运行能力。对分析结果进行12h预报表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的分析协调性不如三维变分资料同化系统。     

GSI同化系统的背景误差协方差特征及对预报的影响

在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵,并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验,确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明,采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著,同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上,采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果,并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。      

变分同化框架通过背景误差协方差构建动力平衡约束的研究进展

通过背景误差协方差构建动力平衡约束是变分同化框架设计的重要环节。它不仅帮助实现变量间的协同分析,提高观测使用效率,还能改善变分极小化问题的性状。本文在系统梳理通过背景误差协方差引入动力平衡约束的方式、流程的基础上,对求解目前全球和有限区域变分同化系统普遍采用的准地转平衡和静力平衡约束的共性问题和存在的不足作了归纳总结。分析了求解准地转平衡约束的三类方案:动力平衡方程方案、统计方案和动力-统计相结合方案的优缺点。对照比较了不同垂直离散方案下求解静力平衡约束时遇到的欠定问题的表现以及解决途径。最后,展望了基于背景误差协方差构建动力平衡约束在赤道等特殊地区、高分辨率同化系统、以及集合-变分混合同化系统发展中面临的挑战和机遇。     

TRMM降水率资料的三维变分同化及其对"杜鹃"(0313)台风预报的改进

在GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System, 全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统的基础上, 用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子, 来同化TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission, 热带降水监测计划)卫星反演的降水率资料.单点试验表明该方案通过调整背景场的水汽辐合和辐散的垂直结构, 使得同化后观测算子计算的降水率更接近实况.对台风 "杜鹃" (0313)的同     

温湿统计平衡约束关系对GRAPES全球湿度分析的作用

为改进GRAPES全球三维变分同化系统(GRAPES-3DVar)的湿度分析,借鉴Hólm等(2002)的思想,在背景误差协方差结构中引入湿度与温度的统计平衡约束关系。通过扣除湿度变化中与温度有关的平衡部分获取非平衡拟相对湿度,并引入非线性对称变换对其做标准化处理,将处理后的变量作为新的湿度控制变量。统计结果表明,温湿统计平衡约束主要出现在中高纬度对流层中层相对湿度大于80%的区域,与大尺度抬升凝结加热有关;新的湿度控制变量能满足无偏、高斯分布特征。单点理想观测试验结果表明,新的湿度分析具备了流依赖特征,并能有效地抑制负水汽与超饱和水汽的出现。同化循环与预报试验结果表明,新方案给出的湿度分析的偏差和均方根误差均有所减小。而针对降水预报的检验结果表明,引入新方案后的0.1-10 mm降水预报,在ETS评分没有显著降低的情况下,BIAS评分更靠近1,降水空报有所减缓。然而60-84 h的25 mm以上的降水漏报现象更为明显,表明湿度同化分析方案还有改进空间。通过引入温湿统计平衡约束关系,完善了GRAPES-3DVar分析框架,为全球湿度分析的持续改进奠定了坚实基础。      

正斜压模演变所揭示的武汉暴雨过程

对1998年7月21—22日发生在武汉附近的大暴雨过程的大气正、斜压分量演变过程进行了研究，结果表明：大气流场正压分量的演变与此次大暴雨的酝酿、发展和消亡具有内在的联系；正压分量在暴雨区的演变在一定程度上反映高、低空急流耦合形势；正、斜压平均相对模的演变与暴雨生命史相吻合。     

考察日本防灾减灾事业的体会与建议

通过赴日考察，比较系统地介绍了日本国防灾减灾工作的基本情况，并提出了加强江西省防灾减灾工作的体会和建议。     

Aircraft Measurements of a Warm Conveyor Belt – A Case Study

A case study of aircraft measurements in the vicinity of a warm front over the North Sea is presented. Measurements of ozone, carbon monoxide and meteorological parameters were recorded at several altitudes behind a dissipating warm front by the U.K. Met. Office's C130 aircraft, operated by the Meteorological Research Flight on 3rd October 1997. The aim of the study was to investigate the composition of the warm conveyor belt (WCB), the main air flow associated with mid-latitude cyclones, which has the potential to transport boundary layer air containing ozone and its precursors into the free troposphere.Three distinct air masses were identified by changes in the parameters measured. Trajectory analyses together with synoptic charts showed that these air masses corresponded to a WCB and air ahead and behind it, and that the WCB consisted of marine air from the boundary layer and lower free-troposphere. The WCB was clearly identifiable as a distinct chemical air mass that retained its integrity even after the warm front began to dissipate; it contained lower ozone than the surrounding free tropospheric air due to its remote marine origin.     

北京风沙天气基本特征

为了研究自然地表面向大气排放尘埃的源强分布，对北京1961－2000年的风沙天气基本特征进行了初步分析，并且从防治大气尘污染的目的出发，对影响自然地表起尘速率的某些机理进行了探讨。     

广东2008年低温雨雪冰冻灾害及气象应急响应

2008年初我国南方遭受了百年一遇低温雨雪冰冻灾害,广东的受灾程度属80年一遇,造成了重大经济损失和严重社会影响.分析发现:灾害过程在近年来最严重的一次"拉尼娜"事件背景下发生的,与欧亚地区持续大气环流异常密切相关.在"北脊南槽"和西太平洋副高偏北偏强的形势下,冷暖气流在我国南方地区频繁交汇,使对流层中低层形成逆温层和局地经向环流产生异常,造成了此次持续低温雨雪冰冻过程.面对灾害引发的公共事件,广东省气象部门打破常规、准确预警,启动预案,通过媒体和"公共事件预警信息发布平台",及时传播权威的公共预警信息,为安定民心、稳定社会、减少灾害起到积极作用.灾后反思发现,山区冰灾的监测、灾害的评估、公共信息发布等的能力和规范均亟待加强.     

Operational Implementation of the ATOVS Processing Procedure in KMA and Its Validation

The Korea Meteorological Administration (KMA) has processed the data from the advanced TOVS(ATOVS) onboard NOAA-16 satellite since May 2001. The operational production utilizes the AAPP(ATOVS and AVHRR Processing Package) of EUMETSAT and IAPP (International ATOVS ProcessingPackage) of the University of Wisconsin. For the initial guess profiles, the predicted fields (usually 6 to 12hour forecasted fields) from the global aviation model of NOAA/NCEP are used. The average number ofprofiles retrieved from the ATOVS data is about 1,300 for each morning and afternoon orbit at about 18 and06 UTC, respectively. The retrieved temperature and dew point temperatures are provided to forecastersin real time and used for initialization of prediction models. With the advanced microwave sensor (AMSU;Advanced Microwave Sounding Unit), accuracy of the ATOVS products is expected to be better than thatof the TOVS products, especially in cloudy conditions. Indeed, the preliminary results from a validationstudy with the collocated radiosonde data during a 8-month period, from May to December 2001, for theEast Asia region show an improved accuracy of the ATOVS products for cloudy skies versus the TOVS,especially for higher altitudes. The RMS (Root Mean Square) difference between the ATOVS productsand radiosonde data is about 1.3℃ for both clear and cloudy conditions, except for near the ground and athigher altitudes, at around 200 hPa. There is no significant temporal variation of the error statistics at allpressure levels. In case of the water vapor mixing ratio, the largest difference is shown at lower altitudes,while the accuracy is much better for the clear sky cases than the cloudy sky cases. The bias and RMSEat lower altitudes is about 0.557 g kg-1 and 2.5 g kg-1 and decrease significantly with increasing altitude.     

气候变化与海洋生态系统：影响、适应和脆弱性——IPCC AR6 WGⅡ报告之解读

IPCC第六次评估报告(AR6)第二工作组报告第三章开展了气候变化对海洋的影响和风险,以及生态系统及其服务功能、脆弱性和适应评估。AR6明确指出,人为气候变化已经并将继续显著地改变全球和区域海洋的气候影响驱动因子,包括海温升高、海平面上升、海洋酸化和缺氧,以及营养盐浓度变化等海洋物理和化学因子。例如,20世纪80年代以来全球海洋热浪发生的频率已增加了1倍,到21世纪末期可能增加4～8倍。气候影响驱动因子的变化已经对海洋和海岸带生态系统造成了广泛而深远的影响:1)海洋变暖使得海洋物种自1950年代以来以(59.2±15.5) km/(10 a)的速率向极地方向迁移,导致热带海域生物量减少,中纬度海区热带化,极地和亚极地海区浮游植物生长期提前;2)频繁发生的海洋热浪事件已经接近甚至超过了某些海洋生物的耐受极限或其气候临界点,如暖水珊瑚的大规模白化、死亡,海草和大型海藻的大面积消失;3)海洋变暖、缺氧和酸化使得河口区生物群落结构改变,赤潮等有害藻华事件频发,近海和大洋浮游植物生物量和初级生产力下降;4)海平面上升导致海岸带红树林、盐沼和海草床等生态系统的退化;5)未来全球海洋生态系统面临的风险将不断加剧,尤其是在热带和北冰洋海区。其中,当全球升温1.5℃时(最快到21世纪40年代,SSP5-8.5情景),暖水珊瑚礁预计将减少70％～90％;当升温2℃时,几乎所有的(>99％)暖水珊瑚礁将会消失。目前人类社会采取的一些措施(如建立海洋保护区和红树林生态修复)已越来越不能应对日益增长的气候风险,迫切需要发展变革性的行动措施,推动海洋生态系统恢复力的发展,并需尽快采取强有力的减排措施以减缓全球变暖的影响。     

2006年夏季川渝高温干旱的生态气象监测与评估

为了客观定量地监测与评估2006年夏季发生在我国川渝地区历史罕见的高温干旱对生态环境造成的影响，利用所创建的基于植被第一性生产力（NPP）估算的生态气象评价指数（EMI）模型，计算分析了6-8月川渝地区的生态气象评价指数及其等级。结果表明，川渝地区生态气象评价指数较常年同期偏低，其中四川33％、重庆43％的地区生态气象等级较差或很差。两地6月与8月生态气象等级较差的范围大，7月较小。各生态系统中，城镇等生态气象等级很差；农田、草灌等明显偏差；林地生态气象等级正常稍差。干旱造成的生态影响多数是可逆的，气象条件得到改善后可以恢复。因此，应采取适当措施恢复各类生态系统的服务功能，把灾害带来的损失降到最低。     

云南省不同地质地貌条件下滑坡泥石流与降水的关系

利用2001—2005年5—10月逐日降水量资料、滑坡泥石流样本和地质地貌特征等级,分析研究了不同地质地貌条件下滑坡泥石流与降水的关系。结果表明:滑坡泥石流发生与短时强降水和前期累积降水量关系密切,8天累积降水量40～50mm、9天累积降水量70～80mm、10天累积降水量100～110mm和1～2天30～40mm等降水条件最为敏感。在现有降水量观测空间密度不足的情况下,用前期累积降水量来分析与滑坡泥石流之间的关系十分重要;不同地质和地貌条件下滑坡泥石流发生对降水量大小的响应有比较大的差异,在预测预报时,若能综合考虑各类地质地貌特征,将有助于减少空报率。     

呼和浩特市区中小学教学楼的雷电风险评估

根据气象行业标准QX/T85-2007雷电灾害风险评估技术规范,对位于呼和浩特市中东部的中小学教学楼进行了雷电风险评估,得出结论为教学楼的风险值R=36.992×10-5,大于容许值Rt=1×10-5,所以应当采取防雷措施,以减小雷击建筑的风险值。简要提出对学校防雷措施的建议。