卡尔曼滤波方法在天气预报中的应用

从气象应用角度介绍了卡尔曼滤波的基本原理及其递推算法。为了说明卡尔曼滤波递推算法的应用方法，制作了北京１９９３年１月份逐日最低气温３６小时预报。预报结果令人满意，表明该方法很有实用价值，与ＭＯＳ方法相比，它的优点是不需要收集大样本历史资料，因此，它容易适应数值预报模式的变化。     

P-σ坐标系数值模式中气压梯度力的递推算法

在静力关系成立的条件下,推导出气压梯度力的递推算法,用以计算有地形P-σ坐标系模式中的气压梯度力.将递推算法与对应的6种直接计算方案相比后发现,在有气压梯度力的参考大气中,递推算法的计算精度相对于直接计算方案的精度有较大改进,特别是采用递推后的两种经典修正格式和Corby格式,能较大提高水平气压梯度力的计算精度,从而改善数值模式的预报效果和稳定性.     

一种新型的中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究

提出一种针对对流不稳定构造具有中尺度运动特征的集合预报扰动初值的新方法--异物理模态法, 介绍了异物理模态法产生初值扰动区域和扰动振幅的数学处理方案, 即由不同对流参数化方案预报离差获得集合预报初值扰动区域、扰动结构和扰动振幅的数学处理过程. 利用美国PSU/NCAR的MM5中尺度模式, 对一次典型暴雨进行异物理模态法初值扰动集合预报试验, 详细分析了扰动初值的结构和集合预报结果. 结果表明, 该方法产生的初值扰动场具有合理的中尺度环流结构, 可以反映对流敏感区域的对流不稳定的预报不确定性, 集合预报结果可以明显改善控制预报.     

带有回归系数的多层递阶预报模型

本文针对经典多层递阶方法所存在的缺陷,提出了一种改进的多层递阶预报模型。它的基本思想是将回归分析与经典多层递阶方法相结合,使之有效地消除了因子间量值差异所引起的贡献差异,较好地体现了高相关因子的重要作用。实例计算结果表明,该改进方案的预报精度有显著提高。     

随机物理过程扰动方案在克拉玛依区域集合预报中的应用研究

克拉玛依气象局研发了区域集合预报系统并已实现业务运行,该系统仅采用了集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动,导致离散度发展受到限制,为改善区域集合预报的离散度,本文尝试在初值扰动基础上引入随机物理过程倾向(SPPT)模式扰动方案。通过开展SPPT方案关键参数的敏感性试验,确定了适用于本系统的参数设置,构建了初值-物理过程扰动方案(ETKF-SPPT),并与仅采用初值扰动的集合方案(ETKF)进行了对比。结果表明:ETKF初值扰动方法能够产生具有动力学结构的初值扰动,但是随着预报时效的延长,集合离散度增长很快达到饱和,并在侧边界约束下逐渐减小;ETKF初值扰动结合SPPT模式扰动可使集合离散度在各个预报时效均保持增长状态;集合预报检验结果表明,仅采用ETKF初值扰动的集合预报概率分布可靠性较低,概率预报准确性也较差;ETKF-SPPT方法可获得更好的概率预报结果,可靠性更好,均方根误差更低。对克拉玛依城区一次大风预报个例表明,ETKF方案对大风起风时间和量级把握较差,而ETKF-SPPT可以增加集合离散度,起风时间和风速预报更准确。综合而言,增加SPPT扰动可以有效改善克拉玛依区域集合预报系统的预报技巧。     

非线性动态系统预报的一种方法初探

本文提出一种非线性动态系统预报方法，其特点是初步考虑了预报因子的突变性和时变参数的非平稳性。数值实例说明:这种方法的预报准确性比一般多层递阶方法要好。     

有限区域非线性正规波初值化方法实验与比较

本文以一个有限区域六层斜压原始方程模式为基础，实现了非线性正规波初值化方案，并做了２４小时积分预报实验，将非线性正规波初值化方案和平衡初值及实测风初值方案积分结果进行了比较。结果表明；非线性正规波初值化方案和对初始场个性较小，初值化后风压场配置合理；积分初期能迅速抑制重力波高频振荡，使模式计算稳定；２４小时形势预报较实测初值预报结果好得多，高层形势预报比平衡初值有改进，降水落区远比另外两种方案好。     

基于GRAPES_Meso的集合预报扰动方案设计与比较

基于GRAPES_Meso区域集合预报系统,设计了三种集合预报扰动方案,即多初值、多初值多物理、多初值多物理多边值,并针对三种方案进行了连续一个月的批量试验,重点分析了2008年7月23日江淮暴雨过程.结果表明,对于降水预报,三种集合扰动方案均相对于控制预报均有所改善,多初值多物理与多初值多物理多边值方案对小雨、中雨预报改进效果显著,对暴雨预报略有改进;多初值方案仅能产生有限的集合离散度且难以增长,引入物理参数方案扰动及边界条件扰动能显著提高集合离散度,改善各物理量场的预报效果;通过比较,多初值多物理多边值为最优方案.该批量试验表明,模式物理过程及边界条件是影响GRAPES _Meso区域集合预报不确定性的不可忽视因素.     

不同业务预报初值形成方案的数值模拟比较

设计了一个适用于同步，双重嵌套模式的ｐ－面水平插值，双非线性正规模初值形成方案。把新方案与国家气象中心的台风路径数值预报准实时业务模式原预报初值形成方案进行了比较。所选台风个例的４８小时数值模拟结果表明，新的预报初值形成方案优于原方案。     

暴雨数值预报中的初值试验

本文介绍使用五层原始方程有限区域降水预报模式进行汛期暴雨数值预报试验时,引进的新的初值方案。给出了用新初值方案计算的个例和1986年汛期实际预报试验的结果。与其它方案计算结果的比较表明,认真改进初值有助于改进暴雨预报,新的初值方案可以满足暴雨预报业务试验的要求。     

经典Ekman流,Ekman层的平衡风场及其扰动稳定性

本文首先利用变分方法,考察了边界层运动能量的变化,指出经典Ekman流是在不可压缩条件下,能量积分达最小值时的一种平衡运动。这对Ekman层运动的物理本质有了进一步的认识。其次,讨论了Ekman动量近似下的Ekman层的平衡风场特征,研究了该平衡风场附近扰动的稳定性问题,结果表明,在自由大气气压场不发生扰动条件下,Ekman层中存在一类新的与惯性不稳定相类似的动力不稳定,且其不稳定性可与Ekman抽吸相联系,还讨论了一般性条件下的扰动不稳定性问题。     

暴雨中尺度系统不稳定理论的数值试验

针对已有的不稳定理论研究，提出把不稳定问题由求解特征值问题转化为求解初值问题，在考虑扰动气压和水汽作用的基础上建立一个二维线性化的非静力模式，以真实反映不稳定扰动特征。     

非线性正压亚临界不稳定

文中提出了一个新的广义能量作为 L yapunov函数 ,导出了包含两个联立不等式的一种新的非线性正压稳定性判据。并指出其中一个不等式是初始扰动振幅小于某一临界值 ,另一个则是摩擦系数大于另一临界值 ,前者对后者有很强的约束。该判据表明 ,在实际大气中对于有限振幅扰动容易产生正压亚临界不稳定 ,它大大地改进了以前的结果     

最敏感扰动的演变与夏季乌拉尔地区的持续性异常环流

通过数值实验对初始扰动不稳定发展建立异常环流型的过程进行了分析。选择了东亚夏季风异常的１９９１年和１９８５年两个典型年份的平均环流作为基流,以共轭敏感性分析得到的最敏感扰动作为初始扰动,分析其在不同的环流背景下的发展情况。结果说明,１９９１年欧亚地区的基流不稳定性较强,且初始扰动结构有利扰动发展,因而通过能量频散在乌拉尔地区激发扰动并强烈发展,建立起阻塞形势。而１９８５年的扰动在乌拉尔地区形成正涡度距平,不利于阻高的建立。从而导致１９９１年和１９８５年夏季乌拉尔地区几乎相反的异常环流。一系列对比实验说明,异常环流型的建立,不仅依靠能量的频散,更依靠扰动通过正压不稳定过程从基流吸收能量而发展。它既有赖于基流自身的不稳定,又取决于初始扰动的结构以及相对于基流的位置。基流选择了具有特定结构的初始扰动型,只要在有利位置上给予扰动,就能够激发出扰动波列,建立强的持续异常环流型。不论初始波列的位相在一定范围内如何改变,扰动总是倾向于在基流的特定不稳定区域发展。     

Development of a new sea ice growth and lead parameterization

A thermodynamic sea ice model that has been numerically structured to take time steps on the order of a week has been shown to be sensitive to time step size. This sensitivity was caused by the extrapolation of initial ice growth rates over the long time step. A new parameterization of new sea ice growth on open ocean and in leads that can be used over a large range of time step sizes (at least from 0.3 to 12 days) is described here. In this parameterization new sea ice growth is computed as a power law function of the initial energy deficit in the ocean. This power law takes into account the rapid reduction of the ice growth rate as the sea ice gets thicker, and therefore reduces sensitivity to time step size. Tests of this parameterization show that this method does a good job of simulating the rate of new ice growth when compared to data from Mawson, Antarctica, and is relatively insensitive to the length of the time step.     

多维时间序列门限回归模型及其应用

在总结前人工作基础上，提出了一种关于多维时间序列门限回归模型的通用建模新方案，并从理论上证明了此新表达式与经典门限回归模型的一致性。将此模型应用于云南五月雨量的预报中，其平均历史拟合和外推预报准确率分别为71％和68％。表现此通用建模方案可行的；同时说明此类模型具有一定的使用价值。     

海温对月平均环流影响的数值试验

利用 T42L9全球谱模式,在相同初始场的条件下,将不同的 SST 作为外强迫源输入模式,其一个月延伸预报的结果表明,SST 的变化对第三旬的环流预报影响比较大,但对于不同的初值其影响是不同的,对于比较稳定的初值,不同的海温场对月平均环流的影响较小;而对于不稳定的初始场,则影响较大.同时指出了500hPa 高度预报场的均方根误差的增长在中纬度主要与大气中的斜压不稳定有关,如果斜压不稳定度大,则误差随时间增长快;斜压不稳定度小,情况则相反.     

对中尺度遥感资料进行四维同化的共轭方法及其数值研究

本文探讨了数值天气预报过程中对非定时观测的常规遥感气象资料进行四维同化，形成预报初始场的新途径，把数值预报初始场的形成提为数学上的一类反问题，运用数值模式及其共轭方程对象气资料进行变分同化的共轭方法，使众多观测资料的四维同化与时变的动力模型在初始场的形成过程中统一考察，克服了以往一些方法的局限性，从理论和数值角度证明该方法的可行性，表明该方法有可能作为发展一个新的初值方案的雏形，有潜在的应用价值。     

广义非线性亚临界对称稳定性

从含摩擦耗散的f平面上Boussinesq近似下的非线性方程组出发,提出了一种新的广义能量作为Lyapunov函数,取消平均量是(x,z)的双线性函数的限制,并取平均量是(x,z)的任意函数,由此导出了一种新的广义非线性对称稳定性判据。此稳定性判据表明:不仅耗散系数必须大于某一临界值,而且同时初始扰动振幅也必须小于另一临界值。由此可见,后一条件对前一条件附加了一个很强的约束,当初始扰动振幅大于某一临界值时,容易出现非线性亚临界对称不稳定,它大大改进了以前同类工作的结果。     

Comparison of Large-Eddy Simulation Data with Spatially Averaged Measurements Obtained by Acoustic Tomography – Presuppositions and First Results

An attempt is made to compare results oflarge-eddy simulation (LES) in a convective boundarylayer using the model PALM with experimental data obtained from acoustic travel time tomography.This method provides two-dimensional data arrays, which are considered as more suitable forLES-validation than classical local orline-integrated measurements, because the tomographic data are area- or volume-averaged.For a quantitative comparison with experimental data in general, some prerequisites have to be considered: First of all, the initial and boundary conditions of the LES model have to be provided correctly by the experiment. Considering measurement errors, a sensitivity study was performed to investigate the influence of inaccurate initial and boundary conditions on the simulation results.This showed that for determining some boundary conditions, such as the surface temperature and the roughness length, high measurement accuracies are necessary, which are difficult to reach or which at least require considerable extra measurement efforts.The initial and boundary conditions provided by the Lindenberg experiment in 1999 turned out to be of insufficient accuracy to allow quantitative comparisons.However, a qualitative comparison was performed instead to investigate if the acoustic tomography method is a proper method for comparisons with LES models in general.It showed a good qualitative agreement with some quantitative differences. These differences can partly be explained by the sensitivity of the LES to initial and boundary conditions and by the limitations of the acoustic tomography.