自动站资料在WRF 3DVAR中的同化敏感性试验

为了了解国家级地面自动观测站不同观测要素对数值预报作用,利用WRF三维变分同化系统对自动站资料的不同观测要素开展同化＆预报试验。两个月的数值预报检验结果表明：1）只同化自动站温度观测对位势高度、温度和相对湿度场预报的影响作用最大,且主要为负作用,而同化气压或风向风速观测对上述要素预报影响作用比同化温度小,但会改善位势高度预报和部分温度预报,对相对湿度预报改善作用不明显;2）对于降水预报,同化风向风速方案的评分结果最差,同化温度的方案次之,同化气压的方案可以改善24h降水预报结果。由此看出用WRF 3DVAR同化地面观测资料时,气压观测十分重要,同时也说明要想用好地面观测资料,让其为数值预报提高发挥最大作用仍需开展很多研究工作。     

加密自动站数据在睿图-中亚数值模式中的应用

利用睿图-中亚区域数值预报系统（Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Central Asia, RMAPS-CA）以及不同的地面气象自动站观测资料进行同化试验,并将试验结果与实况进行对比,旨在通过加密自动站的同化应用来提高RMAPS-CA对于地面要素的预报性能。通过2020年7月为期15天的批量试验结果表明：在保证数据质量的前提下,相比仅同化国家级自动站而言,同化加密自动站后可以有效提高地面温度、湿度和风速的预报准确性。在使用加密自动站的基础上,将RMAPS-CA的地面资料同化方案由原方案改为更新方案后可以降低地面温度预报和风速预报的均方根误差,提升加密自动站的同化应用效果。综上所述,加密自动站的合理使用可以改善RMAPS-CA的预报性能,而同化更新方案可以进一步提高加密自动站观测资料对于数值预报系统的贡献。     

集合均方根滤波同化地面自动站资料的技术研究

模式地形与观测站地形高度差异一直是地面资料同化面临的棘手问题,合理的同化方案能够将地面自动站资料有效的同化到中尺度数值模式中。本文首先采用Guo et al.(2002)的方案实现了在WRF模式中应用集合Kalman滤波方法同化地面自动站资料;然后对方案进行调整,对10 m高度风场、2 m高度位温、2 m高度露点和地表气压进行同化。通过均方根误差分析,模拟结果和同化增量分析来确定集合平方根滤波(EnSRF)同化地面自动站资料的有效性,并进行敏感性试验分析检验模式对各要素物理量的响应状况。结果表明:在EnSRF同化系统中应用Guo et al.(2002)的方案将地面自动站资料进行同化到数值模式中,能够部分改善模拟结果;地面观测资料(温度、湿度、风场、地表气压)中各物理量分别同化到数值模式都能影响18小时降水预报,但各物理量所起作用大小不同,其中对结果影响最大的是露点;使用位温、露点分别代替温度、比湿进行同化模拟效果更好,对自动站资料的同化也更加有效。     

不同观测资料在西南地区数值预报中的应用

利用3.4版WRF同化与预报系统开展自动站、探空、GPS大气可降水量和云迹风资料的同化对比试验,了解现有业务中已同化观测资料在新版系统中的应用效果,确定资料同化优选方案,为西南区域中心数值预报业务改进提供参考。试验表明:(1)自动站资料测站多、分布不均,对初猜场低层要素调整作用大,会减小温度、相对湿度误差;探空资料站点少、垂直信息丰富,对初猜场各层误差减小均有贡献;云迹风资料垂直分布不均,集中在对流层中高层,因此对初猜场的最大调整集中在中高层,会减小位势高度误差;GPS测站少,被剔除的比例高,对初猜场调整作用很小;(2)单独同化试验发现探空、云迹风资料有助于该地区降水预报改进,而自动站和GPS资料对降水预报有负作用;(3)同时同化探空、云迹风资料有利于西南地区降水预报准确率提高,尤其对大降水中心预报。     

西南区域自动站资料对区域模式预报影响的同化试验分析

为了探讨区域地面站资料对数值预报的影响,本文采用西南区域业务模式系统,设计多组试验方案,开展基于西南区域地面站资料的同化试验,分析区域地面站资料对模式初值及预报的影响。研究表明:西南区域自动站资料的同化有一定的正效果,如对地面要素的改善,提高24h小雨预报TS值,对强降水落区和低涡结构的描述更准确等,但不显著;相对而言,是否同化区域站资料在较强降水过程中的作用更明显,通常同化的自动站资料越多,所起的作用越大,AWS_2015的同化效果略好于AWS_2016的同化效果。如何更好地发挥区域地面站资料在数值同化模拟中的效果,还有待做深入的研究工作。     

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。     

探空加密观测资料对西南地区数值预报的影响分析

应用2013年6月逐日全国探空气象加密观测资料和常规观测资料,WRF模式模拟资料,西南地区地面自动站资料等,采用数值模拟、统计方法和天气学方法,分析了探空气象加密观测资料对数值模拟效果的影响。研究得到:(1)探空资料同化,总体上提高了降水的TS评分值,一定程度降低了降水预报空报率,提高了中雨和大雨的6h累积降水预报准确率。(2)探空资料同化主要使降水区上空位势高度增加,气旋环流减弱,从而影响降水落区和降水强度。(3)探空资料同化减小气象要素分析场和预报场的均方根误差,对高空要素预报的改进在前24h较明显,尤其是前6h,对地面气象要素预报在整个积分时段内总体呈现正效果作用。     

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。      

青藏高原坡面观测信息对我国夏季降水预报的作用

利用不同同化方式分别同化青藏高原地区新一代综合气象观测网的自动站和GPS大气可降水量信息,探讨这些观测资料对我国夏季不同区域降水预报的作用。通过两组数值试验对2008年夏季连续两个月的天气进行分析场和降水预报结果检验,得出以下主要结论：（1）由于同化测站的平均台站高度在2550m以上,因此同化青藏高原地区新一代综合气象观测网资料后,对背景场调整的正作用主要集中在500 hPa以上;循环同化方式对背景场的调整作用比静态同化方式更明显,尤其在500 hPa以上;（2）无论用静态同化,还是循环同化,该观测网资料对华北地区降水预报的改善作用都不太明显,只是对个别降水量级有改善作用;（3）采用静态同化,会对西南地区东部24小时降水预报有改善作用;在多数情况下同化沿99°E附近的7个测站资料得到的降水预报结果比同化24个站的好;（4）对于长江中下游地区,采用循环同化方式更有利于该地区降水预报准确率的提高,尤其是对25～48小时降水的预报;同时,在多数情况下同化24个自动站和GPS大气可降水量信息对降水预报改善比只同化7个站的更好。     

不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟（GNSS-ZTD）观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:（1）Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;（2）天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;（3）对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。      

AMDAR资料在北京数值预报系统中的同化应用

该文针对北京市气象局业务快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC),通过对有无飞机观测资料参加同化的预报试验客观要素预报均方根误差和降水量TS评分的对比分析,探讨了飞机观测资料对短期数值天气预报的影响。结果表明:飞机观测资料的同化对于前9 h预报时效内的高空风和温度预报有明显的正面影响。其中,对风预报的正面影响集中在925~250 hPa高度上;而对温度预报的正面影响主要体现在850~400 hPa之间的各层内。在快速更新循环的暖启动模式下,飞机观测资料同化比冷启动模式下带给预报结果更明显的正面贡献。飞机观测资料参加同化对于降水预报技巧的提高也有正面效应,对24 h和12 h累积降水量TS评分以及12~18 h和18~24 h时段内的6 h累积降水TS评分有明显提高,提高的最大幅度达50%,并对相应阈值和时段内无飞机观测资料参加同化的试验中雨区偏大现象有改善。分析增量分布特征与同化带来的风温要素3 h预报改进的垂直特征基本对应,表明飞机观测资料参加同化对初始场中风场和温度场质量的改进。     

复杂地形下地面观测资料同化Ⅰ. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂, 模式地形与实际观测地形存在一定高度差异, 因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料 (常规地面观测站和地面自动站) 在中尺度数值模式中得到充分利用.作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析, 并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究.研究结果表明: 通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用, 并且地面观测资料 (温度、湿度、风场、地面气压) 中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果, 但各物理量起的作用大小不一样, 其中影响最大的是温度, 其次为湿度; 地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异, 适当考虑这种高度差异能取得较好的结果.     

加密探空资料在华东区域业务模式中的应用试验

采用中国气象局2014年6月1日—30日14时加密探空资料,利用华东区域中尺度数值预报业务系统比较同化加密探空观测资料前后模式预报结果的差异。研究表明,同化加密探空资料后,对模式初始时刻不同高度的位势高度、比湿、温度、风速等变量均有一定的影响;对位势高度、温度和风场的影响在高层100—150 h Pa比较显著,而对比湿的影响主要体现在低层700—750 h Pa。同化加密探空资料后模式初始场更接近实况。批量数值试验的统计检验表明,同化加密探空观测资料后对强降水及形势场预报均有不同程度改进,24 h暴雨和大暴雨量级降水的预报技巧分别提高了2.5%和8.1%。     

地面观测资料同化在GRAPES模式中的应用研究

本文运用GRAPES_Meso业务模式(3.1版)通过四个同化地面不同观测要素方案及没有同化任何地面要素的控制试验对2012年7月初发生在四川的一次降水过程做了数值模拟,结果表明:五个模拟方案对不同区域不同量级的降水皆存在不同程度的空报和漏报现象,空报和漏报相对较严重的是控制试验和同化水平风场的同化方案,随着预报时效的增加各方案模拟可信度减小;四个同化方案的同化作用随着预报时效的增加表现出不稳定,相对较稳定的是同化所有地面观测要素的方案;在模式初期和后期,同化作用表现相对明显的是同化所有地面观测要素的方案,只同化水平风场的方案同化作用较小,同化中期各同化方案同化作用皆不稳定;随着预报时效的增加,几个模拟方案之间的差异程度越来越小,但同实况间的差异越来越大。     

地面报中高山站资料的应用分析

无线电探空仪观测和地面观测资料作为天气分析和数值预报最常用、最重要的两种资料数据源,两者时空分辨率有着明显的差异。如何利用地面观测资料的高时空分辨率特点来补充探空观测资料在一些地区的欠缺和不足,特别是地面高山站资料的使用对对流层底层环流场的影响及对精细化数值天气预报风场分析指示意义等都需要进一步的探究。文章通过对地面高山站资料在资料同化中不同的使用方式的分析,探索其作为探空资料的补充在资料同化中的贡献。个例试验选取2013年6月29日00时地面资料和探空观测资料进行资料同化,试验方法:分别将地面高山站资料作为探空资料和地面资料应用于同化分析中,结果表明:地面高山站资料当探空资料使用时对850和925 hPa风场同化分析有正效果。在地面高山站资料当探空资料使用和当地面资料使用的对比中,其24 h 850和700 hPa高度和风场预报试验差异不显著;但24 h降水预报结果显示:地面高山站资料当探空资料使用对降水强度和位置的预报都有弱的正贡献。连续试验的降水预报检验证明:在地面高山站较多的西南区,高山站资料当探空资料使用在小雨、中雨、暴雨等量级的预报评分要优于高山站资料当地面报使用,且其预报偏差也较小;在中国区降水预报检验高山站资料当探空资料和地面报使用差异不大。     

复杂地形下地面观测资料同化I. 模式地形与观测站地形高度差异对地面资料同化的影响研究

中国地形复杂，模式地形与实际观测地形存在一定高度差异，因此设计合理的复杂地形下地面观测资料的同化方案有利于使我国目前仅用作探测手段的地面观测资料（常规地面观测站和地面自动站）在中尺度数值模式中得到充分利用。作者在MM5_3DVAR同化系统中利用近地层相似理论将地面观测资料进行直接三维变分同化分析，并对地面资料同化方案设计中是否需要考虑模式与实际观测站地形高度差异进行探讨研究。研究结果表明：通过近地层相似理论将地面观测资料同化到数值模式能起到一定的作用，并且地面观测资料（温度、 湿度、 风场、 地面气压）中各物理量同化到数值模式都能影响24小时降水数值结果，但各物理量起的作用大小不一样，其中影响最大的是温度，其次为湿度；地面观测资料同化方案设计有必要考虑模式地形与实际观测站地形高度差异，适当考虑这种高度差异能取得较好的结果。     

基于自动站资料的WRF-EnSRF陆面同化系统的效果检验及应用

基于集合平方根滤波方法(En SRF)同化方法和NOAH陆面模式的WRF-En SRF陆面同化系统,同化了江苏省70个自动站资料进行试验,研究加入不同的同化资料(地表温度、10 cm土壤温度、20 cm土壤温度)及初始扰动强度的大小对陆面数据同化系统性能的影响,以及对不同区域(降水大值区和降水小值区)的分析场进行效果对比,并且检验了同化系统在一次典型的梅雨锋暴雨的同化效果,证明了这个系统的有效性和可行性。对于资料选取试验,比较全场平均的同化时刻分析场模拟观测相对真实观测的均方根误差可以得到:同化地表温度资料并且初始扰动强度1 K的时候同化效果最理想。对于选定的降水大值区和降水小值区来讲,降水大值区的土壤温度和土壤湿度分析场更加接近于真实场。运用于一次梅雨锋暴雨的同化实验,对于最后一个同化时次的分析场作为背景场做集合预报,最终证明预报结果是有效的。土壤温度、土壤湿度、地表温度和近地面风场的预报结果都较用NCEP再分析资料直接做预报作为控制试验的结果有不同程度的改进。这说明该系统应用于实际同化中的性能较为良好,可以应用于实际土壤湿度与温度的预报。     

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

C波段雷达在新疆区域数值预报系统中的应用初探

基于新疆区域数值预报系统（Desert Oasis Gobi Rapid Analysis Forecast System,下称DOGRAFS）,开展了同化C波段雷达资料对2010年10月6日发生在新疆的一次强降水过程预报结果影响的试验分析。其中设计包括不同化任何资料、同化常规资料、同化雷达反射率因子、同化雷达径向风、同时同化反射率因子和径向风五组试验,重点分析了雷达资料同化对此次天气过程降水、温度以及风速模拟效果的影响。结果表明：（1）同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子相对于其他三组试验,对降水预报的TS和ETs评分更高;（2）相对于其他三组试验,同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子对模式垂直方向上的温度、风速预报偏差具有一定的改善效果;（3）对于地面2 m温度和10 m风速而言,同化常规观测资料比其他四组试验预报的平均偏差和均方根误差更小;其它四组试验误差相当,差别不明显,表明同化雷达对近地面层温度和风的影响不明显。本研究旨在探索C波段雷达观测资料在新疆区域数值预报系统中的适用性,为今后雷达观测资料在业务系统中的应用提供参考。     

WRF模式与自动站资料同化相结合的辽宁高分辨2012年1月气温场建立试验

利用2012年1月辽宁省1 410个自动站资料,通过资料质量控制,采用WRF模式分析同化,结合自动站资料观测同化进行了辽宁地区4 km分辨率1月气温场建立的试验,同时与不进行同化观测资料、同化稀疏场资料的模拟试验对比,评估3种不同试验下辽宁地区月平均以及逐日、逐时温度的模拟能力,发现WRF模式与自动站资料同化相结合能建立高质量4 km分辨率的辽宁地区1月气温场,1月平均温度的偏差范围大部分低于±0.5℃,对逐日温度绝对偏差一般低于0.6℃,温度变化与观测序列的相关系数高于0.95;逐时温度的绝对偏差一般低于1℃,相关系数高于0.92。同化自动站资料试验的模拟效果,无论对于逐月温度还是逐日、逐时温度都显著优于未同化试验和同化稀疏场资料试验。在复杂地形下,同化自动站后模拟效果的改善尤为明显,逐日和逐时温度模拟的平均绝对偏差降低幅度都能接近0.5℃。