数字滤波初始化(DFI)在高水平分辨率模式中的应用

数字滤波初始化应用的前提假设之一是不平衡重力惯性波在频率谱上与有天气意义的波动不重叠。随着水平分辨率的不断提高,数值模式能够解析的重力波具有波长更短、频率更高的性质,模式中有天气意义的波动与高频噪声的界线更加模糊,因此,数字滤波初始化在高分辨率模式中的应用性能尚未明确。以一次深对流过程为例,在3 km水平分辨率条件下采用不同滤波参数配置进行数字滤波初始化试验,试图对高水平分辨率预报初始场中高频噪声特征、如何区分具有天气意义的高频信号和虚假噪声、数字滤波初始化在数值预报模式(WRF)高水平分辨率条件下的应用性能等一系列相关问题给出初步的认识。试验结果表明,在针对高分辨率模式进行数字滤波初始化时,原有应用于低分辨率模式的初始化配置参数已不适用,必须根据高分辨率噪声的特点重新设计相应的滤波方案。即使在"无噪声"状态下,有天气意义的信息在模式中也具有与虚假高频噪声一致的表现形式,即大的地面气压变化倾向。数字滤波初始化的确能对特定切断频率的高频振荡进行滤波,但无法区分其性质究竟是具有天气意义的高频信号,还仅仅只是虚假的高频噪声。如果要达到滤除初始场中高频噪声的理想效果、并且消除积分过程中的高频振荡,必须延长滤波时间窗,但这是以增加额外的积分时间、以及有可能损害气象上有意义的波动为代价的。滤波效果越显著,滤波结果对初始场的改变越大,这两个方面实质上是有冲突的,因此,在应用数字滤波初始化时必须在滤波效果可接受和保证预报性能两方面之间进行妥协。最后就数字滤波初始化在高分辨率有限区域数值模式中的可能应用提出了具体的建议。     

GRAPES的新初始化方案

四维变分同化由于引入预报模式作为一项约束,理论上它的分析场已经具有较好的平衡性,但实施时还会有诸多因重力波导致的高频振荡过程,因此,四维变分同化(4DVar)分析仍需要初始化。文中描述了GRAPES全球四维变分同化系统(GRAPES-4DVar)的新初始化方案的科学设计、公式演绎以及试验结果。GRAPES-4DVar的新初始化方案采用数字滤波方案作为代价函数的一项约束控制重力波引发的不平衡结构,约束强加在分析增量上与极小化迭代过程同步进行。新的初始化方案是变分同化系统的一部分,数字滤波的积分时间与4DVar的同化时间窗一致,不会对4DVar产生额外的计算资源消耗;并能适应长时间窗的同化,不会因为时间窗的延长而削弱慢波过程。新初始化方案中,模式轨迹的光滑程度可在变分同化中通过重力波控制项的权重系数方便控制。GRAPES全球四维变分同化的理想和循环同化批量试验都表明,在四维变分同化中,重力波的控制依然非常重要,具有初始化的GRAPES试验,无论分析还是预报技巧都较无初始化的有明显优势。与以前分析和滤波独立实施的旧初始化方案相比,新方案的分析和预报效果略优,同时有效地节省循环同化系统的运行时间,这对四维变分同化来说非常重要。     

用数字滤波方法进行数值模式的初始化

将数字滤波原理用于Ｔ４２Ｌ９全球谱模式的初始化。选取两个初值进行了实验。通过对模式短时间积分得到的时间序列进行滤波处理，有效地滤去了初始场中的高频重力波振荡，保留了其中有天气意义的扰动，同时对分析场的改变很小。５ｄ预报的结果说明，经过初始化后的预报较为平稳，场较为光滑。对比实验表明，绝热和非绝热初始化的效果很接近。这种方法简便有效，是一种实用的初值化方法     

数字滤波初值化方案的数值实验

本文以一个有限区域16层斜压原始方程模式为基础,对数字滤波初值化方案进行了数值试验,并与平衡初值及实测风初值等方案的积分结果进行了比较、结果表明：数字滤波初值化能有效地滤掉初始场中的高频重力波和小尺度扰动,使客观分析质量得到明显改进;该方法易于引入非绝热过程,能有效抑制积分初期的Spinup现象;形势预报和降水预报均较其它方案有所改进。     

数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用 II. 保留不同低频过程的效果比较

用数字滤波方法对观测资料序列进行处理，得到初始场用于T42L9全球谱模式的月预报，以去除误差增长较快的高频扰动对低频过程的影响，并且利用多时刻的观测资料提取低频过程的信息。对冬季和夏季两个不同个例进行了实验，并比较了取不同长度的观测序列，截取不同周期的过程作为初值对预报效果的影响。结果说明，经过滤波后对低频分量和平均场的预报都有较显著的改进。而且对于较长时效的预报，应保留更低频的过程（比如10 d以上周期）。最显著的改进是在第2旬。冬季个例经过滤波的初始场在第2旬对北太平洋阻塞形势的预报能力有较明显提高。     

数字滤波方法在月尺度数值预报中的应用：II.保留不同低频过程的效果比较

用数字滤波方法对观测资料序列进行处理，得到初始场用于Ｔ４２Ｌ９全球谱模式的月预报，以去除误差增长较快的高频扰动对低频过程的影响，并且利用多时刻的观测资料提取低频过程的信息。对冬季和夏季两个不同个例进行了实例，并比较了取不同长度的观测序列，截取不同周期的过程作为初值对预报效果的影响。结果说明，经过滤波后对低频分量和平均场的预报都有显著的改进。而且对于较长时效的预报，应保留更低频的过程（比如１０ｄ以上     

非线性正规模初值化及其对资料同化和预报的影响

文章介绍了国家气象中心中期数值预报谱模式（T42L9）的非线性正规模初值化方案（NNMI）。讨论了该方案对资料同化和预报的影响。试验表明，应用前5个垂直模，经2次迭代能够得到一个对分析资料修正较小的平衡初始场。它成功地消除了预报中虚假的高频重力波振荡，对改进资料同化和模式预报起了重要作用。     

从初始化中排除潮汐信号方案在全球模式中的应用

对国家气象中心全球预报模式T106L19原有的标准非绝热正规模初始化方案要求外强迫是准静止这一假定进行了修正,将潮汐信号在初始化条件中适当地表达出来并将其从中排除。与三维变分分析SSI的联接对比试验表明,修正潮汐信号后的新方案在消除高频重力波振荡方面与标准初始化方案有同样的效果,但该方案较标准初始化更好地捕捉住了地面气压的半日变化,更接近于未经初始化的分析场。模式7天预报500hPa高度场与分析场的对比检验表明,新方案的距平相关系数和均方根误差都较原方案有明显的改进。     

克拉玛依大风数值预报中的重力波拖曳方案应用研究

新疆克拉玛依地区位于背风坡,长期受翻山气流形成的局地大风影响。该地区日常大风预报业务主要依托克拉玛依气象局的精细化数值预报系统,为进一步完善该系统的预报效果,本文开展了重力波拖曳参数化方案应用试验,对比分析了三组试验方案:不开启重力波拖曳、只开启外层区域重力波拖曳以及两重嵌套设置下均开启重力波拖曳的结果。试验结果表明:在克拉玛依大风预报个例中,对于山区地形背风坡处的克拉玛依站,不启动重力波拖曳会导致风速偏大和起风时间较早;开启外层重力波拖曳方案可以延迟克拉玛依站起风时间,两重区域均开启可以进一步延迟该站的起风时间,使起风时间更接近实况;对于非山区地形背风坡处的站点,在内层开启重力波拖曳会导致一定的负效果;对内层区域的统计检验结果表明不开启重力波拖曳,会使地形复杂区域风场预报存在一定的正偏差,在外层开启重力波拖曳会使正偏差有一定改善,而两重嵌套均开启重力波拖曳方案会导致非地形陡峭区域的负偏差增加。综合全区域内大风预报检验结果表明,只在外层开启重力波拖曳会获得最小的误差和较好的预报效果。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

NUMERICAL EXPERIMENTS AND ANALYSIS OF DIGITAL FILTER INITIALIZATION FOR WRF MODEL

Initialization and initial imbalance problem were discussed in the context of a three-dimensional variational data assimilation system of the new generation “Weather Research and Forecasting Model”. Several options of digital filter initialization have been tested with a rain storm case. It is shown that digital filter initialization, especially diabatic digital filter initialization and twice digital filter initialization, have effectively removed spurious high frequency noise from initial data for numerical weather prediction and produced balanced initial conditions. For six consecutive intermittent data assimilation cycles covering a 3-day period, mean initialization increments and impact on forecast variables are studied. DFI has been demonstrated to provide better adjustment of the hydrometeors and vertical velocity, reduced spin-up time, and improved forecast variables quantity.     

A COMPARISON OF THE BLENDING AND CONSTRAINING METHODS TO INTRODUCE LARGE-SCALE INFORMATION INTO GRAPES MESOSCALE ANALYSIS

To solve the problem of mesoscale analysis error accumulation after a period of continuous cycle data assimilation (CCDA), a blending method and a constraining method are compared to introduce global analysis information into the Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System mesoscale three-dimensional variational data assimilation system (GRAPES-Meso 3Dvar). Based on a spatial filter used to obtain a blended analysis, the blending method is weighted toward the T639 global analysis for scales larger than the cutoff wavelength of 1,200 km and toward the GRAPES mesoscale analysis for wavelengths below that. The constraining method considers the T639 global analysis data as an extra source of information to be added in the 3DVar cost function. The cloud-resolving GRAPES-Meso system (3 km resolution) with a 3 h analysis cycle update is chosen, and forecast experiments on an extreme precipitation event over the eastern part of China are presented. The comparison shows that the inclusion of large-scale information with both methods has a positive impact on the regional model, in which the 3 h background forecasts are slightly closer to the radiosonde observations. The results also show that both methods are effective in improving large-scale analysis while reserving the well-featured mesoscale information, leading to an enhancement in the balance and accuracy of the analysis. Subjective verification reveals that the introduction of large-scale information has a visible beneficial impact on the forecast of precipitation location and intensity. The methodologies and experiences presented in this paper could serve as a reference for ongoing efforts toward the development of multi-scale analysis in GRAPES-Meso.     

CMA-BJ V2.0系统华北地区降水预报性能评估

利用CMA-BJ V2.0系统在2021年汛期(6—9月)华北地区预报的平均日降水量和24 h内逐时降水量,评估不同水平分辨率(3 km和9 km)在降水量、有效降水时次占比、降水强度、降水日变化等方面的预报性能。结果表明:9 km和3 km分辨率预报均可较好地反映降水量和落区,捕捉平均日降水量大于8 mm的降水区域分布特征,但降水量级的预报较观测偏大;对小时降水量和有效降水时次占比日变化的预报与观测基本一致,但对傍晚的峰值预报偏强,且多个时段空报,同时高估了小时降水量。与9 km分辨率预报相比,3 km分辨率预报对有效降水时次占比随累积降水量的变化趋势与观测更接近,对小时有效降水时次占比日变化、峰谷值出现时间的预报也与观测更接近。9 km分辨率预报对弱降水过程的预报能力更优,而3 km分辨率预报对强降水过程的预报能力更优。     

Organization of convection and monsoon forecasts

Summary In this paper we address the issue of monsoon forecasts in relation to the organization of convection. Given a physical initialization procedure, within a data assimilation, it is possible to use the detailed distribution of rainfall from mesoconvective precipitating elements to define the initial state of a global model. If that is carried out using a very high resolution model then the initial state can carry within it an organization of convection within the resolvable scales. Then the impact of physical initialization on the maintenance and prediction of tropical weather such as the monsoon can be determined. Lacking such an initialization, one can expect the convectively driven energetics to be biased, and a slow degradation of the forecasts can follow. Several examples of forecasts at different resolutions are discussed here. The main findings of this study are that improved forecast results are obtained when physical initialization is invoked where the observed rain and the model resolution are comparable, i.e. the footprint of the highest resolutions rainfall estimates obtained from satellite based data sets (principally we use the SSM/I instrument over the oceans). At this resolution, we note that the model is able to carry an organization of convection in the initialization and in the forecasts through the medium-range time scale.We have compared our results of monsoon studies at a resolution T255 with those at resolution T62. The transform grid separation at the resolution T255 is approximately 50 km and at the resolution T62, it is approximately 200 km. We find that the model at the higher resolution (T255) performs better and has more realistic energy conversions for the convectively driven synoptic scale monsoon.An organization of convection, at the synoptic scales, is not seen in the forecasts at lower resolutions, T62, where the rainfall patterns are generally much broader and tend to be more zonal. Such organization appears more realistic at the resolution T255. Variances of the energy conversion, calculated in the two-dimensional spectral space, from physically initialized short range forecasts at the higher resolution are seen to be largest on the scales of the monsoon. Similar calculations for the reanalyzed fields at lower resolutions show the spectral distribution of variances to be biased towards local Hadley scale overturnings.With 12 Figures     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

基于FSS的高分辨率模式华北对流预报能力评估

目前高分辨率数值预报模式已具有一定的对流系统结构和演变特征预报能力,但对其预报能力的客观评估仍存在较多不足。选取2017年7—9月华北地区在不同天气系统背景下、具有不同组织模态的7次对流天气个例,使用模糊检验方法中的分数技巧评分（fraction skill score,简称FSS）指标评估不同高分辨率模式（包括快速更新同化GRAPES_Meso,GRAPES_3 km及华东区域中尺度模式）对中小尺度对流过程的预报能力。结果表明:分数技巧评分能够实现当模式预报存在位移和强度偏差时仍然给出有价值的评分结果,其优势还在于可以给出表征模式空间位移偏差尺度的预报技巧尺度信息;所用3个模式的雷达回波强度预报均偏弱,当回波强度小于44 dBZ时,华东区域中尺度模式预报最接近实况,而对于44 dBZ以上的较强回波,GRAPES_3 km模式预报偏差最小;采用百分位阈值（通过升序排列求出预报和实况数列的相同百分位数作为其相应的阈值）进行检验发现,对于预报难度更大的高阈值、小尺度的对流事件,GRAPES_3 km模式预报能力更强。