陆面气温资料的一种推广三维变分同化方法及其在简化情形的检验

发展了一种同化窗口为1个月的陆面气温推广三维变分资料同化方法,并建立了逐日资料到月平均资料的观测算子.作为对该同化方法的初步检验,以2000年1月中国陆地区域时间分辨率低、空间分辨率较高且在高原地区与台站观测资料比较接近的CRU(Climate Research Unit)月平均陆面气温资料作为观测,以时间分辨率高、空间分辨率较低且在高原地区与台站资料有较大误差的NCEP逐日气温资料作为背景场,采用背景误差协方差矩阵(简称B矩阵)的两种简化对角形式进行同化试验,得到高时空分辨率的格点陆面气温分析场,并进行对比分析和均方根误差检验.结果显示,由两种简化形式得到的逐日资料和月平均资料的质量均得到改善,在我国东南和中部大部分地区与台站观测基本一致,在青藏高原、新疆等台站稀疏地区与地形对应良好,为M-SDGVM模型或其他陆面过程模式高质量陆面气象驱动场的准备提供了一种新的手段.尤其在B矩阵中考虑了方差逐日变化的简化形式所得到的分析场整体上要优于不考虑的,这为最终在B矩阵中考虑协方差(即对推广三维变分同化不作简化)进一步改进同化效果打下了基础.     

在四维变分同化中运用集合协方差的试验

利用浅水方程模式和模式模拟资料进行数值试验比较3种不同的背景误差协方差矩阵处理方法对四维变分(4DVAR)资料同化的影响.3种背景误差协方差矩阵分别是:(1)对单一变量将背景误差协方差矩阵简化为对角矩阵;(2)将背景误差协方差矩阵的作用简化为高斯过滤;(3)由预报集合生成背景误差协方差矩阵并利用奇异值分解技术解决矩阵的求逆.通过一系列数值试验,比较不同观测密度、不同观测误差下3种背景误差协方差处理方法对4DVAR同化效果的影响.结果表明,背景误差协方差的结构对4DVAR有重大影响.当观测资料的空间密度不够高时,采用对角矩阵得不到满意的结果.高斯过滤方案可以明显改善同化结果,但是对背景误差特征长度比较敏感.第3种方法采用的背景误差协方差矩阵是流型依赖的,而且并不以显式的方式出现在目标函数中.避免了对它求逆的复杂运算.由于做了降维处理,在观测点的密度较低和观测误差较大时可望取得较好的同化结果,同化效果较为稳定.     

复杂地形下地面观测资料同化III. 两种解决模式地形与观测站地形高度差异方法的对比分析

模式地形与观测站地形高度差异是地面资料同化方案设计中的一大难点。本文通过个例和单点试验对第I和第II部分 (徐枝芳等, 2007a, 2007b) 中涉及的两种解决模式地形与观测站地形高度差异的地面资料同化方法 (即增加温度地形代表性误差和温度订正方法) 进行对比分析, 并将这两种方法应用于WRF_3DVAR, 进行3个月的连续数值试验。研究结果表明: 随着地形高度差异的增加, 采用增加观测误差方法得到的估计值向其它资料同化分析值 (背景场值) 靠近, 在一定的高度差异下则失去了同化分析地面资料的意义; 温度订正方法对温度递减率的取值较为敏感, 在有探空资料参与同化分析时, 温度递减率取值敏感性相对减弱。当采用的订正值较为准确时, 采用温度订正方法较增加观测误差方法能更好地处理两种地形高度差异, 地面资料信息应用更充分, 得到的估计值最有可能接近真实值。当模式地形与观测站地形高度差异较小 (小于100 m) 时, 两种解决模式地形与观测站地形高度差异的方法达到的效果基本一致。单点及个例试验表明, 有探空资料等高质量观测参与同化分析时, 采用增加观测误差方法得到分析场更接近真实场。三个月连续试验也表明有探空资料参与同化分析时, 采用增加观测误差方法比温度订正法改进的郭永润同化方案 (Guo et al., 2002) 同化地面资料效果好, 且加入地面资料同化对所有量级降水预报都有所改善。当地面资料同化方案没处理好时, 加入地面资料同化的效果反而不如不加地面资料同化。     

多普勒天气雷达资料在数值模式ARPS中的试验

利用中尺度预报模式ARPS及其资料分析系统ADAS和三维变分同化系统ARPS3DVAR,直接加入多普勒天气雷达基数据反射率因子和径向速度资料进行数值预报试验。试验包括：控制试验、反射率因子同化试验、径向速度同化试验,两种资料同时同化,多时次连续同化等试验。通过模拟2009年7月7日发生在江苏省附近一次暴雨过程,分析了多普勒天气雷达反射率因子和径向速度资料不同组合的加入对改进模式初始湿度场、风场及预报结果的影响。结果表明：同化雷达反射率因子和径向速度资料,分别对湿度场和风场有显著调整;同时同化两种资料比单独同化在2 h内更显优势;多时次连续同时同化两种资料的试验比起其他试验预报的风速更接近探空风速,预报的降水位置与雷达3 h累积降水产品较为对应,但降水量的预报仍有偏差。     

复杂地形下地面观测资料同化Ⅲ.两种解决模式地形与观测站地形高度差异方法的对比分析

模式地形与观测站地形高度差异是地面资料同化方案设计中的一大难点.本文通过个例和单点试验对第Ⅰ和第Ⅱ部分(徐枝芳等,2007a,2007b)中涉及的两种解决模式地形与观测站地形高度差异的地面资料同化方法(即增加温度地形代表性误差和温度订正方法)进行对比分析,并将这两种方法应用于WRF_3DVAR,进行3个月的连续数值试验.研究结果表明:随着地形高度差异的增加,采用增加观测误差方法得到的估计值向其它资料同化分析值(背景场值)靠近,在一定的高度差异下则失去了同化分析地面资料的意义;温度订正方法对温度递减率的取值较为敏感,在有探空资料参与同化分析时,温度递减率取值敏感性相对减弱.当采用的订正值较为准确时,采用温度订正方法较增加观测误差方法能更好地处理两种地形高度差异,地面资料信息应用更充分,得到的估计值最有可能接近真实值.当模式地形与观测站地形高度差异较小(小于100 m)时,两种解决模式地形与观测站地形高度差异的方法达到的效果基本一致.单点及个例试验表明,有探空资料等高质量观测参与同化分析时,采用增加观测误差方法得到分析场更接近真实场.三个月连续试验也表明有探空资料参与同化分析时,采用增加观测误差方法比温度订正法改进的郭永润同化方案(Guo et al.,2002)同化地面资料效果好,且加入地面资料同化对所有量级降水预报都有所改善.当地面资料同化方案没处理好时,加入地面资料同化的效果反而不如不加地而资料同化.     

观测资料与模式的协调性对同化效果的影响

针对资料同化时模式与观测资料不协调导致的同化失效问题, 利用国家气候中心NCCo简化海气耦合模式, 基于一种提取观测资料中与模式相协调信息分量 (也称模式可协调信息) 的资料重构方法, 探讨了观测资料和模式的协调性对资料同化效果的影响。结果发现: 利用简单海气耦合模式同化海表温度距平资料时, 由于模式与资料不匹配使同化后的初始场中产生与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 这些小扰动在预报阶段会迅速增长, 污染预报结果, 使得预报失败。研究还发现, 无论在耦合或不耦合同化形式下, 对海温资料中的模式可协调分量进行同化时, 预报效果明显好于对原观测资料的同化。其缘于对观测海温中模式可协调信息分量同化生成的初始场中, 消除了与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 突出了原始资料中与模式协调的ENSO尺度信息分量, 改善了初始场与模式的协调性, 从而提高了模式的预报技巧。     

GSI同化系统的背景误差协方差特征及对预报的影响

在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵,并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验,确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明,采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著,同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上,采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果,并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。      

基于混合集合同化方案的台风“海鸥”的数值模拟研究

混合变分/集合同化是基于变分+集合思路新兴发展起来的一种资料同化方法。利用WRF和WRFDA最新版本3.5构建混合集合同化的流程,通过单点试验直观体现出混合集合同化方案“流依赖”背景误差协方差的影响。对台风“海鸥”路径和强度的模拟和分析表明,混合集合同化方案在台风路径和强度的预报上要强于三维变分同化方案。对比两种方案同化后的分析场表明,混合集合同化方案分析出的台风中心强度优于三维变分同化方案分析结果,其原因一方面是混合集合同化方案初始场是采用集合平均的结果,另一方面是混合集合同化方案采用“流依赖”背景误差协方差的影响,这两个因素对台风的预报准确性有一定作用。      

向量场的经验正交展开及其应用

本文提出了一种向量场经验正交展开的方法。我们对N×T个离散点上的向量所构成的一个N×T维矩阵,设法寻找一组称为经验正交函数的向量,使其中每一个分量都在均方意义下最接近矩阵的每一列。这组向量可以从特征方程确定。对于有N列元素的矩阵(注意每一个元素都是一个向量),有不少于N个经验正交函数分量。用这些分量所作向量场的正交展开级数收敛很快。给出的展开实际例子说明:向量场经验正交展开,可以比一般标量场经验正交展开,取得更好的效果。     

一种基于鲁棒集合滤波的资料同化方法

在集合卡尔曼滤波方法中,根据预报集合的统计特性提供的预报误差协方差矩阵对资料同化起决定性作用。但协方差矩阵低估会引起资料同化滤波发散问题。通过将集合转换卡尔曼滤波方法和时间局地化的H_∞滤波方法相结合,提出一种基于鲁棒集合滤波思想的资料同化方法,放大转移矩阵的特征值,改善估计效果。主要思路是在集合滤波的框架下,按照鲁棒滤波的最小最大准则,实现同化系统性能的改进。利用非线性Lorenz-96混沌系统,考察集合时间局地化的H_∞滤波在系统参数变化时,对同化系统鲁棒性的影响。结果表明:集合时间局地化的H_∞滤波对系统参数变化具有很好的鲁棒性;与传统的滤波方法相比,鲁棒滤波方法提高了同化的效果。     

笛卡儿坐标系的双多普勒天气雷达三维风场反演技术

文中研究了笛卡尔坐标系下双多普勒天气雷达三维风场反演技术 ,提出了包括雷达原始资料的预处理 ,空间插值以及可靠性检验的新方法 ,提高了反演结果的可信度和精确度。使用模拟的双多普勒雷达体扫资料进行了反演试验 ,结果表明 :本文的方法能够比较真实地反映风场的三维结构 ,可以用于真实风场的反演。     

THE INFLUENCE OF INHOMOGENEOUS WIND DISTRIBUTION ON DATA QUALITY FOR WIND PROFILING RADAR

Horizontal wind measured by wind profiling radar (WPR) is based on uniform wind assumption in volume of lateral beam. However, this assumption cannot completely meet in the real atmosphere. The subject of this work is to analyze the influence of atmospheric inhomogeneities for wind measurement. Five-beam WPR can measure two groups of horizontal wind components U and V independently, using the difference of horizontal wind components U and V can evaluate the influence of the inhomogeneity of the atmospheric motion on wind measurement. The influences can be divided into both inhomogeneous distribution of horizontal motion and vertical motion. Based on wind measurements and meteorological background information, a new means of coordinate rotation the two kinds of inhomogeneous factor was separated, and the impact in different weather background was discussed. From analysis of the wind measured by type of PB-II WPR (445MHz) during 2012 at Yanqing of Beijing, it is shown that the inhomogeneity of horizontal motion is nearly the same in U and V direction. Both the inhomogeneities of horizontal motion and vertical motion have influence on wind measurement, and the degrees of both influences are associated with changes of wind speed. In clear air, inhomogeneity of horizontal motion is the main influence on wind measurement because of small vertical velocity. In precipitation, the two influences are larger than that in clear air.     

应用测风资料形成原始方程初值的一个方法

本文给出一个应用实测风和位势场形成原始方程模式初值的方法,取质量散度垂直积分为零作为约束条件。调整实测风,消去初始风场中的重力外波。计算结果是稳定的,预报的场是光滑的。这个方法尤其适用于形成产生暴雨的次天气尺度系统的初值。     

基于MVAD技术的多普勒雷达径向速度退模糊方法的改进研究

对Gong（2003）提出的基于Modified VAD技术的多普勒雷达径向速度退模糊方法进行了改进。原方法从各高度上径向风速的方位梯度信息中估计水平风廓线的分布,在使用各高度参考风进行一次退模糊的基础上,进行连续性检验完成整个退模糊过程。使用参考风进行退模糊能在很大程度上提高退模糊的效率。但是由于中小尺度系统的扰动和复杂的采样覆盖的影响,一般很难获得比较准确的估计水平风速,这将对进一步的退模糊过程产生很大的影响。针对这个问题,在水平风估计过程增加了质量控制参数,使其能够更好地估计水平风。此外,还对原方法中的几项参数的选择进行了讨论和调整。通过对两个个例的退模糊试验,检验了改进后方法的效果。     

四维变分方法反演低层风场能力研究

从新一代天气雷达径向速度资料中反演出可靠的三维风场对提高新一代天气雷达的应用水平有重要的作用，将雷达直接观测的径向速度转换成台站预报员更为熟悉的风场结构，对识别中小尺度信息有很大帮助。为此该文对4DVAR同化技术在风场业务反演中应用的可能性进行了探讨，利用广州、济南新一代多普勒天气雷达观测资料，从是否加入云模式湿过程以及迭代次数、计算时间、背景场、初始场、分辨率和反演区域等方面对干模式的4DVAR系统进行了讨论，并从风场结构、均方根差别等方面对反演结果进行分析。多种试验表明，干模式的4DVAR系统与湿的云模式反演结果差异不大。模式的初始场和背景场对反演结果具有较高的敏感性，利用前一时次的反演结果作为背景场迭代15～20次的干模式结果可以很好地在业务上试运行，对台站预报员提高中小尺度天气预报的准确率有着很重要的作用。     

全球资料分析中重力波的重要性

本文用哈佛(Hough)调和分析方法作全球(实测)资料的展开,发现重力波分量在风场和高度场的客观分析中是重要的。对全球范围内一些重要天气系统的描写若忽略重力波分量,则许多天气系统分析的强度就会明显偏弱,甚至分析不出来。低纬地区高、低压中心值偏弱4—8位势什米,中高纬地区也有较大的误差。含有重力波(一定分量)的风场的分析也比地转流函数的风场分析更合理,而且不零乱。 本文对按频率大小编号的重力波分量和涡旋波分量的截取项数,也提供了一些试验结果,似乎以分别取15和25项为宜。     

单多普勒雷达二维风场反演——Extended VPP方法

文中提出的EVPP(Extended Velocity Plan Processing)方法是根据风场连续及局部分片光滑的性质,假定在一很小的分析窗内风矢量保持线性变化关系,使得在分析窗内反演得到的风场在矢径上的投影与实际观测的多普勒雷达径向速度场之间的误差达到最小,并利用零速度线这一特点对问题的求解做出约束,使得所得解尽可能达到全局最优,即:(1)利用变分的思想求出水平风速的大小及方向;(2)利用风场局部分片光滑,对风的方向做出矫正。虽然由于风场受到线性假设这一限制,使得其使用的范围得到了局限,但是在本文中利用零速度线这一特征使得反演的结果得到了进一步的提高。文中利用模拟的理想个例和实际观测到的个例分别进行了研究分析。为了证明其理论的可行性,首先我们利用三维冰雹云模式模拟了辽宁2005年7月8日的一次冰雹云过程,考虑到个例的代表性,我们选择了辐合、辐散、旋转以及均匀风场等4种类型的流场结构进行了模拟分析,同时为了验证该种方法对于资料质量的依赖性以及噪声的敏感性,我们在理想质量中加入了随机噪声。从对模拟风场的反演,证明了该方法理论上的可行性,而且噪声对其结构的影响不大。然后针对台风、飑线、强对流等实际天气过程作了进一步分析。最后对反演结果进行了误差分析,结果表明这一方法能较好地反演出中尺度系统的水平流场结构。     

卫星OLR资料在低纬风场分析中的应用

目前,几乎所有的数值预报试验和业务模式对热带地区的预报效果都不如中高纬地区那样令人满意。其原因是多样的,也是很复杂的。如对物理过程的参数化不可能很完善,象辐射、凝结潜热等这些非绝热过程的处理都还存在许多问题,而这些物理过程的作用在热带地区更为重要。这样也会导致一些物理量的初始化不准确。另外,热带地区的常规观测资料远少于中高纬地区。上述因素所带来的困难     

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。