应用奇异向量方法的适应性观测实例研究

近年来,通过适应性观测技术来减小预报误差已成为国际上数值预报中的一项关键技术,然而实施适应性观测对减小预报误差的影响评估是一个需要深入讨论的问题。文中利用奇异向量方法以2007年3月4日东北地区暴风雪天气过程为研究对象,考察了预报误差对不同观测区域观测资料的敏感性,在确定能量范数的基础上,分析了奇异向量的水平分和特征和垂直分布特征,利用奇异向量的空间结构确定了敏感区域。通过伪逆初始扰动场作为分析误差,研究验证区域的预报误差对不同区域增加观测的敏感性,试验结果表明,在敏感区域内进行补充观测来改善分析误差,能够最有效地提高验证区域内的预报水平;而减小非敏感区域内的分析误差对减小预报误差的贡献相对较小。这些结果表明,利用奇异向量法定义敏感区进行适应性观测,能够和有限的观测资源和计算资源的条件下,最大程度地减小验证区域的预报误差,从而达到提高验证区域预报准确率的目的。     

适应性观测及其策略问题

从适应性观测(目标观测)概念提出后,确定进行适应性观测的时间、敏感区域的方法,即适应性观测策略得到不断发展,本文介绍了目前最主要的几种适应性观测策略,其中包括奇异矢量、繁殖矢量、伴随敏感性、集合转换Kalman滤波等适应性观测策略,以及用于台风的适应性观测策略.总结了适应性观测及其策略的相关理论问题,以及各种适应性观测策略之间的相关关系和不同,讨论了适应性观测对预报改进的影响因素,如观测误差、同化方案、模式误差等.为了实施适应性观测的业务应用、比较不同的适应性策略的适用性,国际上针对不同的高影响天气过程,在不同地区开展了一系列适应性观测外场试验.本文总结了近几年来开展的适应性观测外场试验.这些试验结果表明,平均而言适应性观测可有效地改进高影响天气过程的数值天气预报,但实施高影响性天气的适应性观测业务仍然是一个挑战性任务.     

适应性观测与集合变换卡尔曼滤波方法介绍

给出适应性观测理论和集合变换卡尔曼滤波方法及其研究现状的综述。重点介绍了集合变换卡尔曼滤波方法及其相关的一些问题。在数值预报领域,一种新的途径是利用数值预报系统信息在预报时效内确定出某些区域,如果在这些区域进行补充观测,可以最有效地改进预报技能。这种方法被称为适应性或目标观测,所确定的观测区域称为敏感区,敏感区内增加观测后分析质量将得到改善,对后续的预报技能可产生最大的预期影响。目前适应性观测研究已经成为世界气象组织(WMO)组织的THORPEX计划的一个子计划。集合变换卡尔曼滤波(The Ensemble Transform Kalman Filer,简称ETKF)是一种次优的卡尔曼滤波方案,最早是作为一种适应性观测算法提出的,现在还被用于集合预报初始扰动的生成。ETKF方法不仅可以同化观测资料,而且可以估计出观测对预报误差的影响。它与其它集合卡尔曼滤波方案不同之处在于:ETKF利用集合变换和无量纲化的思想求解与观测有关的误差协方差矩阵,可以快速估计出不同附加观测造成的预报误差协方差的减少量,预报误差减少最多的一组观测所对应的区域就是所寻找的敏感区。     

基于条件非线性最优扰动的目标观测中瞄准区 不同引导性变量的影响试验研究

基于GRAPES区域业务预报模式,采用一种快速算法计算出来的条件非线性最优扰动对实际台风个例麦莎(No.0509)开展了目标观测研究,应用数值模式,进行一系列的敏感性试验,讨论了与目标观测设计相关的一些问题,包括确定瞄准区时使用不同的引导性变量对目标观测效果的影响、及瞄准区范围变化对预报效果的影响。文中分别以提高麦莎在检验区(20.125°—35.3125°N,116.8125°—129.75°E)内的24 h海平面气压预报和24 h累积降水量预报为目的,基于条件非线性最优扰动使用了3种不同的引导性变量寻找敏感区(又称瞄准区),对这些敏感区的分布特点和有效性进行了比较和讨论。试验结果表明,在使用的3种引导性变量中,用不同的引导性变量识别的敏感区是有差别的,总体上说,文中使用的3种引导性变量识别的瞄准区对提高预报都是有效的,特别是第2和第3种的效果更好些,且两者识别的瞄准区常显示出类似的特点。文中进一步针对检验区内24 h累积降水量预报误差问题,将前面确定的瞄准区范围扩大相同的幅度,讨论瞄准区范围变化对改进预报的影响。试验结果表明,增加瞄准格点数,有可能使预报效果得到改善,但是试验结果同时也暗示了单纯靠扩大瞄准...     

北京地区一次空气重污染过程的目标观测分析

针对北京市2016年12月16~21日的空气重污染过程进行了回报试验,探讨了该次事件预报的目标观测敏感区。使用新一代高分辨率中尺度气象模式（Weather Research Forecasting,WRF）和嵌套网格空气质量模式（Nested Air Quality Prediction Model System,NAQPMS）,针对初始气象场的不确定性,通过4套初始场资料识别了影响北京地区细颗粒物（PM2.5）预报水平的目标观测敏感变量及其敏感区。结果表明:当综合考虑初始气象场的风场、温度、比湿不确定性的影响时,发现改善黑龙江区域上述气象要素的初始场精度,对北京地区PM2.5预报不确定的减小最显著;当分别考察风场、温度、比湿的不确定性的影响时,发现初始风场精度的改善,尤其是黑龙江区域风场精度的改善,能够更大程度地减小北京地区PM2.5的预报误差,对北京东南地区的PM2.5预报误差的减小甚至可达到40%以上。因此,优先对黑龙江区域的气象场,尤其是该区域的风场进行目标观测,并将其同化到预报模式的初始场中,将会有效提高初始气象场的质量,进而大大减小北京地区PM2.5浓度的预报误差,提高北京地区空气质量的预报技巧。初始风场代表了北京地区该次空气重污染事件预报的目标观测变量,而黑龙江地区则是该目标观测的敏感区域。     

一种求解条件非线性最优扰动的快速算法及其在台风目标观测中的初步检验

条件非线性最优扰动(CNOP)是Mu等2003年提出的一个新的理论方法,它是线性奇异向量在非线性情形的推广,克服了线性奇异向量不能代表非线性系统最快发展扰动的缺陷,成为非线性系统可预报性和敏感性等研究新的有效工具.然而,由于以往CNOP的求解需要采用伴随技术,计算量相当巨大,限制了该方法的推广应用.为了克服这一困难,本文基于经验正交分解(EOF),提出了一种求解CNOP的快速算法,利用GRAPES区域业务预报模式实现了CNOP快速计算,并在台风"麦莎"的目标观测研究中得到初步检验,通过观测系统模拟实验(OSSE)检验了该方法确定敏感性区域(瞄准区)的有效性和可行性.试验结果表明,用快速算法求解的CNOP,其净能量随时间快速地发展,而且发展呈非线性.在台风"麦莎"个例的目标观测试验中,用快速算法得到的预报时间为24 h的CNOP可以有效地识别瞄准区,并通过瞄准区内初值的改善,可明显减少目标区域(检验区)内24 h累计降水预报误差.尤其,累计降水预报的这种改进效果能够延伸到更长时间(如72 h),尽管检验时间是设在第24小时.进一步分析发现,24 h累计降水预报误差的减少是通过利用瞄准区内改善的初值改进初始时刻台风暖心结构、高空相对涡度以及水汽条件等而得以实现的.     

内蒙古区域数值预报对探空和地面观测资料的敏感性试验研究

基于内蒙古睿图预报系统的低分辨率版本和WRFDA-FSO诊断工具,评估2021年7月现有探空和地面观测对内蒙古睿图预报系统预报的影响。该方法计算代价相对低廉,并允许根据观测变量、观测类型、气压层次、地理区域等观测的子集对观测影响进行划分。代价函数为以干总能量为度量的背景场和分析场的预报误差之间的差异。结果表明:观测影响的总体总和为负,观测对预报起正贡献作用。对12 h预报误差减小贡献最大的观测来自探空观测的动力变量(U、V风分量)。而单时次单位数量平均观测影响,探空观测的贡献约为地面观测的1/2。探空观测对12 h预报误差减小从近地面层至模式层顶均保持正贡献作用,并在对流层中低层和对流层高空急流层存在两个极大值区域;地面观测在850 hPa以下低层正贡献占比明显。探空观测在被同化系统同化时均总体具有有利的影响,也反映出探空观测数据稳定、质量较高的特征;地面观测对12 h预报误差减小起正贡献作用次数最多的区域在河套地区尤为显著。同时,探讨了需进一步提高地面观测资料同化率的问题。     

WRF-DA中地面观测资料同化方案的改进与应用

为了改善地面自动气象站观测数据在WRF-DA（the Weather Research and Forecasting Model-Data Assimilation）系统中的同化应用效果,提高数值模式的预报性能,对WRF-DA地面资料同化方案中温度和风速订正方案进行改进,形成地面资料同化更新方案。通过考虑地形高度差异对同化效果的影响,调整同化方案中地面要素由实际地形高度订正到模式高度的同化订正方案,提升地面观测温度及风速订正值的合理性。并进一步分析了2017年7月5日个例试验结果及2017年7月整月的批量试验,发现相比于使用原方案同化后的预报效果,选取更新方案同化地面自动气象站观测资料的模式预报效果在前9 h温度和风速的预报误差明显降低,且在24 h预报时效内更新方案对于模式预报均起到改善作用。      

广东省能见度自动观测系统资料评估分析与订正

利用广东省能见度自动观测系统22个站点2011年的人工观测和自动观测的能见度资料,分析了人工观测与自动观测的能见度资料的相关系数、均方根误差等,并对自动观测资料进行了订正。分析结果显示:人工观测与自动观测能见度的分布大致相同,表现为沿海的能见度高于内陆,粤东高于粤西,主要低能见度区域集中在珠江三角洲和粤西的内陆地区;自动观测能见度的准确性主要受到仪器工作原理局限性、气溶胶类型和气象条件的影响。对能见度自动观测资料订正结果显示:订正后,在低能见度时,大部分站点的均方根误差在3km以内;在高能见度时,大部分站点均方根误差在8km以内,平均为6km左右。利用统计方法对器测能见度值作数据订正,能有效减小测量误差,使能见度自动观测系统能基本满足能见度自动化观测需要,特别是低能见度事件的服务需求。     

基于测风塔观测资料的近地层风速平面订正

利用辽宁和吉林省24座测风塔风速观测资料,应用线性回归方法对高分辨率中尺度模式近地层风速预报产品进行订正。首先通过4组不同的订正实验分析训练样本长度、样本滚动方式等对订正效果的影响,确定单点订正最佳方案,并综合线性方法在东北地区不同下垫面条件下的适用性;然后应用24座测风塔已确定的单点订正关系,尝试区域风速的平面订正,并基于剩余23座测风塔资料对全场订正效果进行评估。结果表明：训练样本的长度对订正效果影响较明显,在东北地区训练样本长度取20 d效果最佳;当训练样本长度取最优天数时,滚动系数的订正效果与固定系数的订正效果基本一致;各种下垫面通过线性订正均能取得较明显提高,其中丘陵地区效果最明显,通过订正均方根误差整体降低1.61 m·s^-1,平原地区为0.95 m·s^-1,沿海地区为0.91 m·s^-1;平面风速订正实验显示,订正关系平面外推可取得明显的订正效果,全场平均绝对误差降低0.20 m·s^-1,该方法可为订正资料匮乏区域的预报提供参考。     

AN IMPACT STUDY OF A NEW TYPE OF DATA OF ADAPTIVE OR TARGETING OBSERVATION ON TYPHOON FORECAST

There was a new concept of ‘adaptive or targeting observation’ in recent years, which is an additional and targeting observation based on the existing and fixed observing network for the atmosphere on the impacted region. Dropsonde is one of the important observing instruments in the adaptive or targeting observation. In this paper, GRAPES, the next generation of numerical weather prediction system of China has been used. The impacts on the typhoon Dujuan (No.200315) forecast in experiments with dropsonde have been studied and experiments on sensitivity have also been done. It was found that the forecasts of the elements have been improved obviously with the use of dropsonde, such as the path, the center location, and the intensity of typhoon. It was also found in the sensitivity studies that the setting of deviation structure also has obvious impacts on the forecast for typhoons. It is not true that the simulation is better when the proportion of the data of dropsonde is larger in the course to modify the background.     

一种新型的适应性观测资料应用对台风预报的影响试验研究

近年来，气象界提出了一个“适应性（或目标）观测（adaptive or targeting observation）”的新概念，它是根据数值预报的敏感区在现有的、固定的气象观测网基础上增加的、有目标的特别观测。下投式探空仪（Dropsonde）是适应性观测的重要观测仪器。利用我国新一代数值预报系统GRAPES，初步研究了应用热带气旋适应性观测的下投式探空仪探测资料对台风（2003年杜鹃台风）预报的影响，并进行了敏感性试验。结果表明，数值天气预报中增加下投式探空仪观测资料之后，对台风的移动路径、台风中心位置和强度，以及其它要素的预报都有所改善；敏感性试验还指出，下投式探空仪观测资料的误差结构设置对台风的预报也有明显的影响，该类观测资料在修正背景场的过程中权重并不是越高越好     

雷达遥感新技术及其在灾害性天气探测中的应用

为了推进我国雷达新技术的发展及其在灾害性天气监测和预测中的应用，分析了国内外雷达遥感新技术的发展现状，总结了我国特别是中国气象科学研究院在双多普勒雷达、双基地多普勒雷达、双线偏振雷达、相控阵雷达、激光雷达在灾害性天气的热力、动力和微物理中尺度结构探测中的应用研究所做的部分工作及其在外场试验中的应用情况。这些技术大部分是在新一代天气雷达技术上发展起来的。     

基于新型观测算子的双偏振雷达雨滴谱变分反演

提出一种基于变分理论的双偏振多普勒天气雷达反演雨滴谱方法,最优反演雨滴谱的同时可实现衰减订正。反演过程中使用一种新型观测算子,利用滴谱仪实测数据计算状态变量和双偏振参量,使观测算子更能代表本地降水特性。将新型观测算子、误差协方差矩阵和状态变量的先验估计用于代价函数中,基于高斯-牛顿迭代方法求解代价函数得到最优雨滴谱。利用理想模拟试验和南京信息工程大学C波段双偏振多普勒天气雷达实测个例对算法进行验证和评估。结果表明:算法反演得到的状态变量(液态水含量LWC和质量权重平均直径D_m)与滴谱仪数据计算结果的相关系数达到了0.96和0.80,相对偏差为25.19%和10.63%,均方根误差比常规反演结果改善了50%左右,比基于模拟观测算子的变分反演结果改善了30%左右,最优反演雨滴谱得到的降雨率R和雨量计数据相关系数达到0.89,相对偏差为14.78%。      

云的立体观测研究进展

对云的立体观测的研究历史做了回顾,按照具有代表性的观测平台的变化划分了4个发展阶段,分别予以介绍,内容包括典型平台、技术途径和特点、同步精度、云高指定精度等。重点介绍了双星联合观测的云高指定技术,分析了关键技术和可能存在的问题,为技术实现做了较好的准备。     

基于集合卡尔曼变换的目标观测敏感区识别系统优化及影响试验

在基于集合卡尔曼变换(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)方法的适应性观测系统的基础上,考虑湿度因子作用并增加对流层低层的大气运动信息,发展了更加适用于我国中尺度高影响天气系统敏感区识别的优化方案。针对环北京夏季暴雨和冬季降雪的高影响天气个例,分别设计4组试验进行观测敏感区识别试验,考察了优化方案目标观测敏感区识别质量,并对分析和预报结果进行了评估。结果表明:优化方案的目标观测敏感区识别效果最佳,对环北京夏季暴雨和冬季降雪天气的目标观测敏感区质量有明显改善,湿度因子可使最强观测敏感区更加集中,对夏季降水敏感区的影响比冬季降雪天气更加明显。低层大气信息的引入对最强观测敏感区的准确识别也具有重要的积极作用。目标观测敏感区的目标资料对分析和短期预报质量具有明显的正贡献。     

国内外气溶胶观测网络发展进展及相关科学计划

气溶胶是气候变化研究中的一个极大的不确定性因素,国内外在此方面开展了大量的观测和科学研究。本文首先对当前全球两大气溶胶观测网络,世界气象组织(WMO)的全球大气观测计划(GAW)和气溶胶自动观测网(AERONET)的组织、规模、设备、数据和气溶胶网络的规范作了介绍,并对近年来国际上的重大气溶胶科学计划的目标、实验方法、步骤作了介绍,说明观测网络的重要性。在此基础上对中国气溶胶观测网络的地位做了分析,并指出其在正在开展的中国气溶胶科学研究中的重要性。     

适应性观测研究现状和展望

适应性观测是指为了有针对性地提高高影响天气数值预报的质量,在已有观测系统基础上对特定敏感区域/特定时段进行补充性加强观测。十多年来,这种旨在提高数值预报质量的新策略在国际上引起高度重视,成功开展了多个系列外场观测试验,并在适应性观测敏感区识别方法的发展和适应性观测资料同化后对数值预报质量影响的定量评估等方面均取得了重要的研究成果。文中简述了适应性观测问题及其目的,着重分析和总结了目标敏感区识别方法及其特点和适应性观测对数值预报质量的影响等方面的研究进展,并讨论了适应性观测资料改进未来数值预报质量需要解决的关键科学问题。     

超大城市综合气象观测试验之测风激光雷达数据评估

为评估用于超大城市综合气象观测试验的测风激光雷达,从最大有效探测高度和数据获取率两方面对测风激光雷达的探测能力进行分析,同时使用测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的测风资料从不同观测高度、不同观测值等方面进行对比分析,结果表明:测风激光雷达与深圳气象梯度观测塔的风速、风向一致性较好,相关系数分别为0.96、0.99,平均绝对误差分别为0.54 m/s、9.95 °,且不同高度层的测风结果也较为一致,但雨天和雾天条件对测风激光雷达的最大有效探测高度和数据获取率影响较大,设备探测能力受到一定的限制。