风云三号卫星微波辐射率资料的质量控制

利用双权重算法对观测增量（卫星观测亮度温度与用辐射传输模式模拟的背景场亮度温度之差）进行质量控制,模式背景场采用的是NCEP再分析资料,观测算子使用的是RTTOV（9．3v）（thefast radiative transfer for （A）TOVS model）。质量控制分两步进行：粗检验和离群值检验,目的是剔除受地表发射率或云影响的离群资料。结果表明：质量控制后观测增量标准差显著减小,偏差接近无偏正态分布,FY-3卫星微波温度探测器辐射率数据的质量得到很大的改善,为FY-3微波温度计观测亮温资料在数值预报资料同化系统中的应用奠定基础。     

云区卫星微波通道亮度温度的数值模拟

目前多数资料同化系统中对卫星的观测值都是采用晴空模拟,然而用晴空辐射传输模式模拟云区卫星微波通道的辐射值会造成与观测较大的偏差,导致大量云区卫星资料被直接抛弃无法进入同化系统,因而有必要改进云区卫星辐射亮温的模拟能力,进而提高同化系统中云区卫星资料利用率。以2010年台风“圆规”、“凡比亚”和“鲇鱼”为例,基于先进的微波扫描辐射计AMSR-E观测应用一维变分算法反演台风区域的云宏观参数,包括云液水含量廓线、云冰水含量廓线和雨水含量廓线;然后,以大气温度、湿度廓线及这些反演的云参数作为快速辐射传输模式CRTM的输入参数,模拟AMSR-E各通道的辐射亮温。通过对比晴空、有云两种情况下模拟亮度温度与实际观测亮度温度间的偏差,发现增加云参数作为辅助参数、启动辐射传输的散射模块,可以有效地改进台风外围云区卫星辐射亮温的模拟效果,大幅减少模拟亮温与观测亮温间的偏差,增加了同化进数值预报系统的卫星观测数据量。      

边界层湍流参数化改进对雾的模拟影响

为了提高边界层参数化在我国复杂下垫面上的描述能力,改善边界层能量和物质输送计算和检验其数值模拟效果,本文选取WRF三维模式,采用基于我国不同下垫面上的边界层观测资料改进的新MYNN（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino）参数化方案对2009年3月17日黄海海雾以及2011年12月4日华北地区两次大雾过程进行模拟检验,探讨边界层参数化方案对雾和边界层结构模拟的影响。参照卫星云图和探空资料,边界层内云水混合比垂直积分的水平分布的模拟能力明显提高,反映了改进的MYNN方案能够更好地模拟出两次雾过程的发生、移动和雾区空间分布,更精确的云水混合比和温度的垂直分布能更好地给出雾区的垂直结构和稳定层结,同时可改善雾区低层位温以及比湿垂直分布的模拟。     

散射计风场的三维变分对海雾数值模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海面风场资料对海雾模拟的影响,对发生在2006年4月3—5日的海雾过程,首先通过3个敏感性试验,研究了不同边界层参数化方案对海雾模拟的影响,发现YSU边界层参数化方案更适合海雾过程的模拟。然后对2006年4月3—5日平流雾过程和2005年6月23—24日辐射雾过程利用WRF-3DVAR系统将QuikSCAT海面风场资料同化到模式中,并以未同化和同化了QuikSCAT海面风场资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,同时对模拟预报得到的结果与实况 (卫星云图和地面观测) 进行对比,结果表明:QuikSCAT海面风场资料的三维变分同化能够改善低层其他要素场,对海雾预报有明显的正效应,但对高层的影响相对有限。     

珠江口附近春季一次海雾的观测分析及三维数值模拟

为了探讨南海春季海雾的成因及数值模式的预报能力,利用边界层观测资料对2006年3月21—22日珠江口附近春季一次海雾的形成和发展过程进行了分析,然后用WRF中尺度模式对该次海雾过程进行了三维数值模拟。观测表明,该次海雾属于北方冷空气南下到达南海,然后减弱消失,南海北部受到偏南暖湿气流影响后迅速增暖,冷海面与近海面的暖湿空气相互作用而形成的一次平流冷却雾。模拟结果显示,模式模拟的这次海雾形成时间和发展演变过程与观测非常相近,模拟的海雾空间变化、边界层大气层结变化、地面感热通量变化以及海雾形成原因与观测事实均比较吻合,数值模式对这次海雾过程表现出了较高的模拟能力。这次海雾的形成和发展主要与冷的下垫面、暖湿空气的影响和近地面稳定的大气层结有关。     

卫星资料变分同化在一次中尺度强暴雨模拟中的应用

利用ATOVS资料和常规观测资料, 采用GRAPES 3D-Var同化系统和中尺度数值模式MM5设计了仅同化常规观测资料的NOATOVS试验和同化常规观测资料及ATOVS辐射率资料的ATOVS试验, 对2004年6月22—24日长江中下游和西南地区东部的特大暴雨进行了分析和模拟。结果表明:直接同化ATOVS辐射率资料获得的分析场可以有效改进对流层温、湿场分布, 对风场也有一定的影响。对比试验结果表明:ATOVS试验可以较好地模拟出暴雨天气形势、主要影响系统, 对降雨的落区、强度也有较好的反映, 模拟的局地暴雨强度与实际降雨量基本一致, 同化卫星资料的改善效果较为明显。即同化ATOVS资料对于改进中尺度局地暴雨过程模拟效果是可行的。     

辐射传输模式对地基微波辐射计观测亮温的模拟能力分析

提供高时间分辨率大气温度湿度廓线的地基微波辐射计近年来广泛使用,多通道观测亮温的数据质量是大气廓线产品合理性的基本保障。一般定期液氮绝对定标可以更好维护亮温数据质量,但实际操作颇为不易。辐射传输模式作为一种辅助工具,可以检验和认识地基微波辐射计观测亮温的数据质量。本文针对三个辐射传输模式:MonoRTM、ARTS和MWRT,结合北京探空观测资料、北京观象台和河北香河站同类型的德国RPG地基微波辐射计观测资料,分析比较了三个模式的模拟与观测亮温差异,评估不同辐射传输模式对地基微波辐射计观测的模拟能力。地基微波辐射计14个通道观测亮温与模式模拟的差异统计比较发现:三个模式的模拟结果与地基微波辐射计大部分通道的观测亮温都很接近,与观测结果具有很好一致性（如相关系数高达0.99）,而对温度通道ch8（51.26 GHz）和ch9（52.28 GHz）,三个模式模拟与观测相关系数明显较低（<0.80）,并且存在显著的绝对偏差（4～5 K）,表明模式在这两个通道的模拟能力有待提高。三个模式中,MonoRTM模式在温度通道ch8、ch9和ch10（53.86 GHz）存在明显的系统性偏差,尤其是ch8高达5 K;ARTS模式对水汽通道ch1（22.24 GHz）的模拟能力相对较弱;MWRT模拟与观测亮温在多个通道上相对更为接近和稳定,尤其系统性偏差最小。此外,探空廓线与地基观测站的空间位置不一致,对地基微波辐射计水汽通道的模拟结果影响较为显著,而对水汽不敏感的温度通道影响甚微。两地观测亮温与模式模拟的比对,初步表明北京观象台地基微波辐射水汽通道的观测质量有待改进。     

AMSU-A资料在台风模拟中的循环同化研究

以WRF(V3. 7)中尺度模式及其三维变分同化系统(WRF-3Dvar)为平台,GFS(0. 5°×0. 5°)提供模式背景场,对AMSU-A微波辐射资料进行循环同化试验,研究台风数值模拟中AMSU-A资料的可用性及循环同化方法的可行性。以2014年第19号台风"黄蜂"为例,开展了控制试验和多组同化试验。同化试验主要包括循环同化常规观测资料和不同卫星测得的AMSU-A微波辐射资料。在对各试验初始场进行对比的基础上,比较了不同同化试验方案的模拟效果,结果表明:1) AMSU-A资料同化能有效地调整初始场,模拟的台风路径和强度都有一定的改善; 2)不同卫星探测的AMSU-A资料同化效果存在较大的差异,其中NOAA-15资料同化模拟台风"黄蜂"的路径和强度与实况最为接近; 3)循环同化是增加数值模式中资料使用量、改善台风模拟效果的有效方法。     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

一次黄海海雾的数据同化试验与形成机制研究

选取2012年4月14日的一次存在东西2片雾区的黄海春季海雾为研究对象,借助WRF（Weather Research and Forecasting）模式,采用循环3DVAR（3-Dimensional Variational）数据同化方案,考虑了湿度控制变量的背景误差协方差CV6,进行了AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）卫星温度与湿度廓线数据的同化试验,并基于同化试验结果探讨了此次海雾的形成机制。同化试验结果表明：同化 AIRS 卫星温度与湿度廓线数据后,模式能成功再现海雾的形成过程,特别是东西2片雾区之间的晴空区的存在,这归功于AIRS数据的同化能够显著改善海上大气边界层的温湿结构、影响海雾的低层高压的范围与强度;机制分析揭示：东西2片雾均为典型的平流冷却雾,但二者厚薄和气团来源不同;海上高压控制黄海西岸陆地的暖空气入海,受低海温的冷却作用降温先形成逆温层,然后逆温层底部生成了较薄的西侧雾区;来自黄海中部的空气向东北移动至朝鲜半岛西部海域,高压下沉增温形成一个顶部较高的稳定层,从而生成较厚的东侧雾区;高压中心下沉区内,近海面风速小使得机械湍流弱,空气增温与海温暖舌共同作用下使得近海面气海温差小,海雾无法生成导致了晴空区的存在。     

黄渤海一次持续性大雾过程特征和成因分析

利用日本MTSAT1R卫星数据、常规地面和高空观测数据、NCEP FNL客观再分析资料和NEARGOOS（NorthEast Asian Regional Global Ocean Observing System）的海表温度（SST）数据,分析了2010年5月31日至6月5日发生在黄渤海及周边地区的一次持续性海雾天气的形成、维持、消散特征及其物理机制。结果表明：大雾形成前低层水汽非常充沛,入海变性冷高压的稳定维持为这次持续性海雾过程提供了有利的背景条件,海雾在夜间辐射冷却作用下形成;大雾期间黄渤海     

Polar WRF模式海冰密集度方案对北极海雾模拟效果的个例研究

全球变暖的背景下,北极航线的常规通航甚至商业运营有望实现,而海雾会严重影响航道上船只的航行安全。海冰的存在使海气之间相互作用变得更为复杂,是研究北极海雾不可忽略的因素。船载观测发现,与中纬度常见平流冷却雾形成时气温下降速度往往超过海水降温速度不同,北极海雾发生时海冰的存在还会使海水降温速度超过空气降温速度。然而目前海冰分布是否会影响模式模拟海雾的准确性还不得而知,因此本文利用Polar WRF（Polar Weather Research and Forecasting）模式模拟了中国第七次北极考察中观测到的一次海雾过程,并进行海冰密集度敏感性试验。通过与船载观测和欧洲中期天气预报中心再分析数据比对发现,在低浮冰区内（海冰密集度小于50%）考虑海冰分布时可以更加准确地刻画潜热通量与水汽通量,模拟出与观测事实相符的表层空气降温与增湿过程以及相对湿度的变化,因此能够更好地刻画海雾的三维结构及其生消演变。     

不同卫星微波遥感资料同化对台风路径模拟的影响

本文以2015年13号超强台风“苏迪罗”为个例,利用WRF模式及其3DVar同化系统对NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A微波遥感资料分别同化及组合同化,探究同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟效果的影响。结果表明:同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟具有不同的调整,本文中NOAA15的同化效果最好,其次是NOAA18,最后是NOAA19;同时同化NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A资料并没有取得最好的同化效果,而组合NOAA15和NOAA18则取得了最好的同化效果,即不是同化的卫星数量越多,同化效果越好;同化试验3个时刻的增量场表明同化不同卫星的同一种微波遥感资料对物理场具有不同的调整,这与其对台风模拟路径的调整有着较好的对应,相对于温度场、海平面气压场、位势高度场和风场的增量结构与模拟台风路径的调整更为密切。     

上合组织青岛峰会期间海雾维持和消散阶段的环境场特征

利用常规观测、地面加密自动站及NCEP再分析资料,针对上合组织青岛峰会的气象服务过程,对海雾维持和消散两个阶段的气象要素特征进行了分析。结果表明：1）当能见度低于1 000 m时,相对湿度为99%,能见度介于1 000～2 000 m之间时,相对湿度为95%～99%。2）近地面层30°N以北黄海海域持续吹东南风,并在青岛形成水汽辐合中心,有利于青岛形成海雾;当东南风转为东北风,水汽辐合中心减弱或消失时,海雾趋于消散。3）在海雾维持阶段,逆温层最低高度稳定在980 hPa以下,总逆温差逐渐增强,逆温梯度跃升与海雾强度增强同步;最大逆温层厚度和逆温层总厚度下降12 h后海雾逐渐减弱,逆温层最低高度上升时能见度也随之上升。4）白天逆温层之上为下沉运动,之下为上升运动,夜间700 hPa之下均为上升运动,且上升运动中心位于逆温层之下,这种垂直结构有利于逆温层和海雾的维持;当逆温强度减弱,垂直运动穿越逆温层贯穿700 hPa以下对流层时,海雾趋于消散。     

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART（Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed）临近空间资料同化预报系统中加入SABER（Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry）和MLS（Microwave Limb Sounder）臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温（SSW）过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5（Fifth Generation of ECMWF Reanalyses）再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层-中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层-中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层-中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。     

不同边界层参数化方案对江苏地区一次平流雾过程的模拟影响

边界层参数化方案的选取在平流雾的预报准确度上起着决定性的作用。本文利用WRF模式对2013年3月18~19日发生在江苏地区的一次平流雾过程进行数值模拟试验,对耦合不同闭合方式边界层参数化方案的试验结果与实测气象数据进行对比分析,评估了他们对此次平流雾的模拟效果,探讨了边界层高度对此次平流雾的生成和发展的影响。研究结果表明:（1）耦合不同边界层方案的WRF模式对地面气象要素的模拟结果均呈现气温偏低、湿度和风速偏大的特征。（2）QNSE方案对气温的模拟能力最强;ACM2方案对相对湿度的模拟性能最好;YSU方案对风速的模拟效果最佳。不同边界层方案的模拟结果在垂直方向上的差别主要表现在低空相对湿度上:QNSE方案预报的湿度更大。（3）综合TS（Threat Score）和BS（Bias Score）两个评分指标来看,ACM2方案对雾区分布的模拟效果最好。三个边界层方案对此次平流雾的模拟结果在江苏沿海站点的预报评分较高,在距海较远站点的预报评分表现较差。YSU方案对东南沿海地区的雾区预报评分较高;QNSE方案对长江沿江区域的雾区预报评分较高;ACM2方案对沿海地区、尤其对沿海北部地区的有较好的预报效果。（4）QNSE方案对此次平流雾的生成时间、出现地点预报比较准确。（5）平流雾的生成与发展阶段模拟雾区覆盖范围与边界层高度关系十分紧密,适当强度的湍流混合作用有助于平流雾在地面的生成与发展;但是过强的湍流混合作用会导致大雾过早的消散。     

华北地区一次大雾过程的三维变分同化试验

文中采用WRF非静力数值预报模式及其三维变分同化系统(WRF3D-Var),对2006年1月13—14日发生在华北地区及山东半岛的一次大雾过程进行了包括GTS(Global Telecommunication System)资料、AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料和9210资料的不同资料组合的三维变分同化试验,以及时间间隔分别为6、3和1h不同时间频率的循环同化试验,并以同化分析场为初始场进行了36h的模拟试验。对同化分析场和模拟结果进行了分析,分析结果表明,采用三维变分方法同化AMDAR等多种非常规观测资料后,分析场均有明显的改变,对雾区的模拟结果也有局部不同程度的修正。进一步分析起修正作用的原因得知同化资料后对低层的湿度和层结趋稳性有所改善。同化GTS资料对低层的增湿贡献明显,但对层结趋稳性贡献不大;而同化AMDAR资料主要使层结趋稳性明显,对增湿无贡献;9210资料对低层湿度和层结趋稳性均有贡献。不同时间间隔的循环同化试验表明,多时次的循环同化比单时次的同化分析增量要大,逐时循环同化与6和3h循环同化相比,可明显改善模拟效果。     

不同辐射参数化方案对南京地区大雾过程数值模拟的影响

为了比较不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟效果,本文利用WRF模式,通过设计不同长、短波辐射参数化方案,对江苏省2015年5月18—21日和12月20—21日2次典型大雾过程进行了数值模拟,讨论了模式中不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟影响。采用平均绝对误差(MAR)、均方根误差(RMSE)、皮尔逊相关系数(r)及中国气象局颁布的雾区预报规定,评价得到不同条件的最优模拟方案。结果表明:(1)热力条件与水汽条件,模拟最优方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案组合。(2)动力条件,最优辐射参数化方案组合为CAM方案与FLG方案组合。(3)雾区的模拟,效果最好的方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案的组合。