用二步变分法反演的单多普勒雷达 风场研究中尺度暴雨

采用二步变分法反演多普勒雷达风场来研究中尺度暴雨过程.首先采用多元最优插值方法将常规探空资料插值生成初始风场,在此基础上在不考虑背景场约束以及三维风场平滑量约束的条件下极小化目标函数,反演出的三维风场作为最终反演所需的背景场,然后再进行反演得到最终的三维风场.将最终反演结果与WRF模式模拟的结果进行对比检验,两者的一致表明此方法具有一定的可用性,并用得出的结果分析了2005年6月发生在江苏中部的一次中尺度暴雨过程,初步揭示了强降水中心形成的原因,印证了采用二步变分法反演多普勒雷达风场可以揭示出中小尺度降水的特征.     

关于车贝雪夫多项式和自然正交函数作气象场展开的收敛性、稳定性问题

车贝雪夫(Чебыщев)多项式和自然正交函数都是气象上常用的正交函数。后者从气象场本身的协方差矩阵引出正交函数,能有效地浓缩气象场信息,且可用不规则格点资料。以往国内外对车贝雪夫多项式的应用都只限于等距格点,周家斌将它推广到不规则格点上,从而扩大了它的用途。 这两种正交函数各有一些优缺点,因而如何充分发挥其优点而避免其缺点就成为一     

利用T106格点场过滤台风环流的一种方法

根据滤波原理,通过平滑的手段,设计了一种利用格点场资料对不同距离采用不同权重进行尺度分离的方法,并给出了物理意义说明和9711号台风的个例计算。本方法计算简单实用,适用于各种格点场。     

国家级格点实况分析产品在江苏地区的适用性评估分析

利用国家级格点实况分析资料与地面气象站实况数据,采用误差分析、技巧评分等方法评估了2017年7月至2018年6月逐时的格点实况产品在江苏地区的地面2 m气温、2 m相对湿度、10 m风和降水要素的一致性和准确性,同时采用MODE检验方法对格点降水产品空间分布偏差进行了分析。结果表明:2 m气温格点实况与自动站观测基本一致,平均绝对误差在0.5~0.8℃,均方根误差在0.8℃左右,其中日最高气温误差较小。格点实况和自动站2 m相对湿度之间的平均绝对误差在5%左右,均方根误差在6%~7%,表现出较高的准确性和稳定性。格点实况10 m风向准确率达到70%左右,而风速准确率仅为56%,与气象站点观测相比有明显差异。格点降水产品的全年有无降水准确率为90%~98%,对于晴雨检验存在带来较大影响的可能。格点实况产品对小雨级别降水的准确率最高,随着降水量级增大,格点实况降水场相比站点观测存在较多的降水漏报,因此,对于降水分量级检验还不适合用格点实况场来替代气象站点观测。设计了一种基于空间形态的降水准确率评分方法对降水空间落区进行检验,格点实况降水场的空间形态准确率评分在0.9左右,较准确地反映了实际降水空间分布。因而,格点实况数据在江苏平原地区都有较高的精度,误差在可接受的范围内,基本可以代替自动站观测作为预报和模式检验的真实实况场,但也存在以下几个方面的问题:(1)格点2 m气温、2 m相对湿度产品在江苏的丘陵地带误差较大,降水产品在海岛气象站准确性较低;(2)格点降水产品一定程度地弱化了大雨以上量级降水强度;(3)格点实况风速产品误差较大,与业务服务需求有一定差距。     

TOVS资料的图形输出及误差分析

对离散的TOVS资料的位势高度和温度进行客观分析并将其图形输出，与相应时次、相应格点上的常规探测资料的客观分析场相比较，计算其平均误差，并对产生误差的原因作了一些分析。     

站点气温格点化方法在贵州区域的研究与应用

利用2019年1—12月国家气象信息中心实况格点资料、贵州地面观测站资料以及ECMWF 2m气温0场资料,讨论了相同插值方案下站点数对空间分布的反演效果以及相同测站数下不同插值方案的表现,同时对国家气象信息中心实况格点场进行了检验,并对本地建立的气温格点分析场进行初步评估。结果表明：相同的插值方案下,站数越多越能反映要素场的实际分布状态;基于贵州特殊地形,在相同站数下双线性插值法优于邻域法;通过对国家气象信息中心实况格点分析场评估,日最高、低气温在贵州区域均存在明显误差,其平均绝对误差分别为1.6 ℃与1.1 ℃左右, 平均RMSE分别达2.2 ℃与1.6 ℃。采用Cressman方案对离散观测资料重建的本地化气温格点分析场,其最高、最低气温平均绝对误差降至0.2 ℃与0.1 ℃左右,大幅度降低了与测站观测值的差异,基本可以代替国家气象信息中心下发气温格点分析场,并将为今后我省业务或研究工作中格点预报的客观订正提供新的更符合实际的参考。     

基于阵风系数模型的百米级阵风客观预报算法研究

京津冀地区经济和文化的快速发展对冬季地面瞬时强风预报要求越来越高。正确估计和预测冬季地面瞬时强风,尤其是复杂地形条件下的阵风高分辨率格点精准预报,对于提升重大活动服务保障、首都及周边地区城市安全运行及防灾减灾能力等方面都具有重要意义。本研究基于京津冀长时间序列的实况观测资料,建立了阵风系数与稳定风速、风向、地形高度各要素之间的关系模型,并结合客观统计分析方法、阵风观测数据融合技术、格点偏差订正技术,发展了一种既保留模式物理参数特征和阵风局地气候特征,又发挥格点偏差订正技术的阵风客观预报方法。冬季奥林匹克赛事期间批量检验和个例分析结果表明,基于阵风系数格点模型和模式后处理订正技术得到的百米级分辨率、分钟级更新的阵风客观预报产品,24 h预报时效内张家口赛区和延庆赛区考核站平均绝对误差分别在2.3 m/s和3.0 m/s以下,延庆赛区8级以上大风,阵风风速预报评分超过0.5,解决了复杂山区数值模式阵风预报误差大、几乎无法业务应用的瓶颈问题,满足冬季奥林匹克运动会现场服务要求。     

卫星云图资料在降水量客观分析中的应用试验

利用葵花8号卫星资料和地面降水观测资料,采用Spark GBT(Gradient Boosted Trees Regression)学习算法对中国西部地区进行定量降水估计(QPE),采用三维Barnes插值方法得到逐时降水格点场。试验结果表明,引入卫星资料估计降水,可以有效地改进站点密度小的区域的降水格点场的客观分析精度。     

气象卫星资料在天气预报分析业务中的应用

对TOVS和云导风非常规反演资料进行了质量控制，并将控制后的反演场与常规观测资料以及T106分析场资料进行变分同化，得到合成分析场。结果表明：在合理的目标函数设计的基础上，合成分析场与仅用常规探空资料相比更接近于实况，弥补了实况资料的不足。运用MICAPS中特有的网格点绘图功能实现了机器自动绘制历史天气图工作。经检验误差较小，线条平滑。该方法为在实时天气图和历史图分析中使用非常规资料提供了一条新的途径，具有一定的实用价值。     

四维EOF分析检验数值模式模拟气候及其变化能力研究

文章提出了一个四维经验正交函数(4D-EOF)方法,原理是三维经验正交函数(3D-EOF)与扩展经验正交函数(EEOF)简单的组合,此方法不仅提供空间水平分布特征场及其对应的月际变化特征和年际变化特征,而且还提供空间垂直结构特征。利用这个新方法分析东亚季风国际区域模式比较计划(RMIP)MM5V3模拟的1989—1998年10a积分结果———包括中国大部分区域(4941个格点,格距60km)月平均100,500,700,1000hPa4个位势高度场(模拟场)及其距平场;同时分析对应的NCAR/NCEP再分析资料(观测场),进而对比两者检验模式模拟东亚季风气候及其变化能力。对比分析结果表明:对于月平均高度场的第一特征向量场,模式能比较准确地模拟出平均气候场的分布及其垂直相当正压性的结构特征;对于月平均高度距平场第一、二特征向量场,模式对于距平场的模拟也较成功,垂直方向有明显的相当正压性特征;月平均高度场及其距平场相应的月际变化和年际变化特征也在模拟中得到较好的反映。本研究表明:4D-EOF具有综合检验数值模式模拟气候及其变化的能力,而MM5V3模拟20世纪90年代东亚气候及其变化能力是令人满意的。     

A three-dimensional variational single-Doppler velocity retrieval method with simple conservation equation constraint

Summary In this paper, a new three-dimensional variational analysis scheme capable of retrieving three-dimensional winds from single Doppler observations of convective storms is developed. The method incorporates, in a single cost function, Doppler radar observations, a background field, smoothness and mass continuity constraints, and the residual of reflectivity or radial velocity conservation. By minimizing this cost function, an analysis with the desired fit to these constraints is obtained in a single procedure. In tests with both simulated and real thunderstorm cases, detailed structures of the storms are well retrieved in comparison with reference analysis. Unlike most kinematic retrieval methods, our scheme is capable of directly dealing with data voids. When an analysis background is available, say from a proximity sounding, a wind profiler, or a numerical model forecast, the method naturally blends Doppler radar observations with it. Thus, a smooth transition is obtained between data-rich and data-void areas. These features, among others, are important if the analysis is to be used to initialize storm-scale numerical models or for diagnostic studies of storm structures.     

中央气象台探空资料客观分析业务系统的研究与实现

研发了基于Cressman线性插值方法的探空资料客观分析业务系统。针对客观分析在业务工作中的问题,提出几种解决方法：①提出了在观测场中找出可疑站点的检测算法,避免了可疑观测值对分析场的影响;②通过对分析的等值线进行后处理操作,做到分析结果与观测数据一致,不增加或者漏掉高低值中心;③提出了对分析场进行自适应平滑处理的方法,即保留了小面积高低值中心,又提高了等值线的光滑与美观程度。试验结果显示：使用该方法得到的探空资料客观分析结果与观测数据较一致,在等值线的光滑程度上接近预报员的手工分析结果,从而证明了本文所提方法的可行性和有效性。     

FY-3A卫星微波资料的集合变分混合同化试验

以2012年"北京7.21暴雨"为例,实现了集合变分混合同化方法对FY-3A的微波温度仪和微波湿度仪资料的直接同化,并与三维变分方法进行了比较。结果表明:虽然两种同化方法同化FY-3A微波资料都能改进降水模拟效果,但是与实况相比,集合变分混合同化方法改进效果更为明显,其能有效减少虚假强降水的模拟,改进强降水中心位置的模拟,SAL评分定量检验也同样表明,集合变分混合同化方法对暴雨的模拟效果要优于三维变分同化方法;无论是热力学变量还是动力学变量,集合变分同化得到的初始场均方根误差均显著小于三维变分同化的结果;两种方法同化FY-3A微波资料均能改变初始场中的各种物理量信息,但不同方法得到的同化增量大小和分布却有明显的差异:三维变分同化方法对初始场的调整区域和强度都要大于混合同化方法,且其同化增量表现出均匀和各向同性的分布特点;而利用集合信息的混合同化方法得到的同化增量分布表现为非均匀性和各向异性,具有"流依赖性"的特征,这使得初始场的分布更合理,有利于改善降水的模拟效果。     

有限区域卫星云图资料变分分析的试验研究

资料分析在数值预报中的重要性受到越来越多的关注，星目前常规探测网的时空局限性，利用分辨率较高的非常规资料势在必行。该文利用一个有限区域中尺度模式ＭＭ４，采用变分分析技术对有限区域的常规探空资料和非常规云图资料进行变分分析和数值模拟。     

变分方法在渤海海域ASCAT风场订正中的应用

利用渤海观测站风场对ASCAT风场进行检验,发现其风速、风向均有较大误差,尤其在渤海中部以外的海域可信度相对较低。为提高ASCAT风场在渤海海域的精度,基于变分方法,利用渤海观测站风场对2017年9月—2018年2月的ASCAT风场进行订正,得到空间分辨率为12.5 km×12.5 km的订正风场。并对辽东湾、渤海湾、莱州湾、渤海中部和渤海海峡5个海域风场的订正误差进行检验,结果表明:ASCAT风场订正后精度提高显著,风速平均偏差从4 m·s-1减小为1 m·s-1,风向平均偏差从-30°~30°减小为-7°~4°,可见变分方法对渤海ASCAT风场有很好的订正效果,尤其对误差较大的渤海湾订正效果最为明显。对2017年12月18日的一次大风过程进行订正分析,结果表明:订正风场可以很好地反映沿岸风场信息和大风过程中的风速极值区,并能动态监测大风变化过程。变分方法解决了海面观测数据空间分辨率低、ASCAT数据精度低的问题,能够实时监测海上大风,且对大风预报有很好的指导意义,能够为海洋模式提供更精确的初始场。     

Representations of inverse covariances by differential operators

In the cost function of three- or four-dimensional variational data assimilation, each term is weighted by the inverse of its associated error covariance matrix and the background error covariance matrix is usually much larger than the other covariance matrices. Although the background error covariances are traditionally normalized and parameterized by simple smooth homogeneous correlation functions, the covariance matrices constructed from these correlation functions are often too large to be inverted or even manipulated. It is thus desirable to find direct representations of the inverses of background error correlations. This problem is studied in this paper. In particular, it is shown that the background term can be written into f dx|Dv(x)|^2, that is, a squared L2 norm of a vector differential operator D, called the D-operator, applied to the field of analysis increment v(x). For autoregressive correlation functions, the D-operators are of finite orders. For Gaussian correlation functions, the D-operators are of infinite order. For practical applications, the Gaussian D-operators must be truncated to finite orders. The truncation errors are found to be small even when the Gaussian D-operators are truncated to low orders. With a truncated D-operator, the background term can be easily constructed with neither inversion nor direct calculation of the covariance matrix. D-operators are also derived for non-Gaussian correlations and transformed into non-isotropic forms.     

用卡尔曼滤波确定变分方法中的权重系数进行雨量校正

利用1999年淮河流域能量与水分循环试验(HUBEX)获得的雷达及遥测雨量计资料,用卡尔曼滤波方法确定变分法的权重系数,对1999年6月27日5:00到6月27日18:00的一次降水过程进行雨量校正,并将校正结果同其他校正方法的结果进行比较分析.     

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。     

Variational Data Assimilation for a Lorenz Model Usinga Non-Standard Genetic Algorithm

Summary  Data assimilation in meteorology and oceanography for strongly nonlinear dynamical systems is challenging. The dynamical system studied here is the classical three-variable Lorenz model. In this context data assimilation with weak-constraint variational methods performs better than other methods like strong-constraint variational methods or Kalman filters. The difficulty in tracking the chaotic Lorenz orbit by assimilation of noisy observations results from the inherent instability in the system. In variational methods a cost function has to be minimized. It is known, that in the Lorenz case the structure of the cost function becomes more and more complex with increasing length of the assimilation time interval and with reduction of the observational data quality. This paper proposes a non-standard implementation of a genetic algorithm for searching the global minimum in case of a weak-constraint formulation. The good performance of this non-local search is shown, but the algorithm is computationally demanding due to a very large number of control parameters within the weak-constraint formulation and, thus, the algorithm is applicable for simple systems only. Received December 12, 1998 Revised May 11, 1999     

The outlook for precipitation measurements from space*

Abstract

To provide useful precipitation measurements from space, two requirements must be met: adequate spatial and temporal sampling of the storm and sufficient accuracy in the estimate of precipitation intensity. Although presently no single instrument or method completely satisfies both requirements, the visible/IR, microwave radiometer and radar methods can be used in a readepiction, manner. Visible/IR instruments provide good temporal sampling and rain area depiction, but recourse must be made to microwave measurements for quantitative rainfall estimates. The inadequacy of microwave radiometric measurements over land suggests, in turn, the use of radar. Several recently developed attenuating‐wavelength radar methods are discussed in terms of their accuracy, dynamic range and system implementation. Traditionally, the requirements of high resolution and adequate dynamic range have led to fairly costly and complex radar systems. Some simplifications and cost reduction can be made, however, by using K‐band wavelengths, which have the advantages of greater sensitivity at low rain rates and higher resolution capabilities. Several recently proposed methods of this kind are reviewed in terms of accuracy and system implementation. Finally, an adaptive‐pointing multi‐sensor instrument is described that would exploit certain advantages of the IR, radiometric and radar methods.