理解大气资料同化的内在逻辑和若干共性特征

大气资料同化已发展成为基于估计理论的一门学科。本文试图梳理资料同化学科内容从“性质上分析同化问题是什么”到“过程上资料同化如何实施”再到“结果上分析场有着什么内在要求”这一内在逻辑,相应地综合阐述“逆问题求解和所需要的先验信息”、“观测信息的输入及其权重与传播平滑”和“同化结果的准确性和协调性”等资料同化作为一门学科的这些基本方面;以期这一逐步递进的逻辑及其基本方面有益于对资料同化在条理脉络上的一个整体理解。此外,着重于具体同化方法中的一些等价性和共性特征,本文梳理和归纳了“变分方法分别与最优插值方法之间和与扩展卡尔曼滤波方法之间的等价性”、“同化方法中数学的主要作用”,以及“同化方法中要应用综合学科知识”和“业务同化系统实施中要做好系统工程”等内容;以期这些内容增加对资料同化方法及同化系统研发的理解和思考。     

大气污染资料同化与应用综述

我国正面临以高浓度臭氧和细颗粒物为典型特征的大气复合污染问题,对其进行模拟和预报是有效应对大气污染的关键。大气复合污染预报的不确定性来源复杂,同时存在化学非线性的影响,各种模式输入不确定性对模拟预报影响的时空差异较大,从而导致很多不确定性约束方法难以确定关键的不确定性因子而进行有针对性的约束和订正。利用资料同化方法融合模式、多源观测等信息,减小模式输入数据的不确定性成为提升大气污染模拟预报精度的关键。本文将简要介绍大气污染资料同化相关的模式不确定性、同化算法以及污染物浓度场同化、源反演研究上的进展,探讨大气污染资料同化面临的主要挑战和发展趋势。     

气象卫星资料同化的科学问题与前景

从数值天气预报资料同化的角度,分析了气象卫星观测与常规气象观测的不同特点形成了卫星资料同化的特殊科学问题.由于各类星载遥感仪器所观测到的是一定波长的电磁辐射,不能像传统的直接观测资料一样被预报模式直接应用.又由于卫星观测对象是整个大气层,而不是特定高度的大气,因此确定卫星观测影响的高度和它的潜在垂直分辨率成为一个关键问题.卫星观测还可能存在着系统性的偏差,这与直接观测的误差互相独立也有很大区别.资料同化通常建立在模式预报(即背景信息)与观测量的比较的基础上,为了实现同化,需要将模式的基本大气变量转换成星载仪器所获得的特定波长的电磁波特征量,或者将观测到的电磁辐射特征量反算成大气的特征量.前者需要引入复杂的观测算子,后者则将复杂的反演过程交给了前处理阶段.这就形成了直接与间接同化卫星资料的两种不同策略,策略的选择取决于同化系统处理复杂观测资料的能力,对同化效果有决定性的影响.逐个分析了目前用于数值预报的5种卫星观测资料,即星载大气垂直探测器资料、大气运动矢量资料、散射仪海面风资料、卫星观测的云与降水信息资料与GPS掩星观测资料的同化的进展与有待解决的主要问题,概述了中国近年在大气垂直探测器等卫星资料同化中的研究进展及其业务应用的效果,并提出了今后需要予以特别关注的研究方向.     

基于弱耦合资料同化的冬季北大西洋涛动年际变率预测

北大西洋涛动作为冬季北大西洋地区大气环流的主模态之一,其年际变率对全球许多地区气候变率具有重要影响,但目前其预测技巧并不高。采用降维投影四维变分同化方法,在耦合模式中建立了基于全球大气资料的弱耦合资料同化系统,直接同化月平均再分析资料,并进行了年代际后报试验。结果表明,通过耦合资料同化的手段,可以显著提升耦合模式对冬季北大西洋涛动年际变率及其相关的欧洲北部、美国东部、欧亚大陆北部的冬季近地面温度年际变率的后报效果,相关系数均超过0.05显著水平t检验。该后报效果的改进主要与在耦合同化过程中通过耦合模式中自由发展的海-气相互作用将大气的观测信息储存在耦合模式的海洋分量中,改进了冬季北大西洋地区海表温度“三极”型分布的时空变率及其时间序列的后报效果有关。该研究强调了耦合模式初始状态的准确度对提升冬季北大西洋涛动年际变率的后报技巧具有重要作用。     

加密探空资料同化对北京地区边界层数值模拟的影响

基于2016年8月28日至9月2日在北京市宝联站、朝阳站、大兴站获得的逐3 h加密探空资料,利用WRF V3.9.1模式和WRF-3DVar系统,对北京地区大气边界层进行数值模拟试验,研究加密探空资料同化对边界层数值模拟的影响。结果表明:同化形成的分析场较背景场更接近观测值,更能表现边界层内真实大气的热力、湿度状态及动力特征。位温、比湿、纬向风、经向风、风速分析场的均方根误差分别较背景场的减少了86%、59%、24%、44%、19%,体现出同化的较强修正作用。加密探空资料同化的预报效果在模式积分6 h内最好,之后同化作用的大小及范围逐渐减弱。加密探空资料同化对边界层内大气湿度状态在整个预报时段内均有改进,对边界层内大气热力状态的改进持续6 h,对于边界层内大气动力特征的改进,纬向风改进较多,经向风和风速不明显,这与风的自身属性、北京市的复杂地形有关。另外,加密探空资料的站点数在空间水平方向上比较少也是导致同化在分析场的改善作用明显但是效果难以持续较长时间的原因之一。     

多普勒雷达观测在北京7.21暴雨数值模拟中的三维变分同化研究

基于背景误差的特征长度理论,研究调整背景误差水平分辨率对多普勒雷达资料三维变分同化的影响。首先利用NMC方法针对暴雨落区统计不同水平分辨率的背景误差协方差,分析两种不同分辨率的背景误差的结构特征,研究水平分辨率对背景误差特征长度的影响。将其应用于雷达资料同化中,研究背景误差水平分辨率变化对雷达资料同化的影响。结果表明:背景误差水平分辨率由27 km提高到3 km时,在大气低层体现出更细致的动力场信息,其动力场水平特征长度按水平分辨率的二次根递减,而温度场与水汽场水平特征长度变化不明显。在将不同分辨率的背景误差用于三维变分同化时,更高分辨率的背景误差可以在分析场增量中体现更细致的中小尺度信息,能够明显改善雷达径向速度资料同化效果,并在随后的暴雨数值模拟中雨量及其分布形态更接近实况。     

多普勒雷达风场信息变分同化的试验研究

文中试验研究了一个在三维变分框架中直接同化多普勒天气雷达信息,获取雷达覆盖范围内大气风场的技术方案。径向风速是多普勒天气雷达数据中可直接被三维变分同化系统用来反演大气风场的唯一信息。由于风矢量有二或三个分量,径向风速作为风矢量的一个分量,不能为反演风矢量提供足够的信息。如果三维变分同化系统仅仅同化径向风速,所存在的不确定性将可能会给所反演的风场带来错误。文中提出的方案,不仅同化雷达径向风速,还同化雷达回波的移动信息,其关键是将雷达回波强度时空变化转换成一个新的雷达观测变量———雷达“视风速”。由于“视风速”是包含风场信息的变量,这在三维变分同化系统中增加了风场探测信息。通过联合利用“视风速”和径向风速,由单一径向风速确定风矢量所带来的不确定性可以被克服。使用中国气象科学研究院数值预报研究中心开发的三维变分同化系统(GRAPES-3Dvar)和广东省新一代天气雷达的监测资料进行了实例试验,结果表明本技术方案能够对获取大气系统结构是有用和有效的,也可用于形成模式初始场,这对中尺度天气预报是有作用的。     

基于切比雪夫方法的多普勒激光雷达高空风场垂直探测精度的评估分析

多普勒测风激光雷达是目前探测晴空风场精细结构的重要遥感手段之一。中国第一部车载多普勒激光雷达已经在中国气象局气象探测中心进行准业务化运行。综述了国内外非相干多普勒激光雷达技术发展概况,介绍了多普勒激光雷达风廓线探测方法,分析了测风数据误差。并以2008年9月24—28日,神舟七号飞船回收气象保障试验期间测风数据为例,对多普勒激光雷达风廓线探测进行评估分析。多普勒激光雷达测风数据与神七飞船主着陆场附近的探空资料和北京数值预报同化资料进行对比的结果表明,多普勒激光雷达的测风数据时空分辨率高,是一种可信的高精度大气风场探测手段。为了消除多普勒激光雷达的测风数据较大的高频随机误差,采用切比雪夫多项式正交展开滤波方法得到的低通分量,更好地揭示了在垂直方向上较大空间尺度波动的大气风场信息。利用这一方法对多普勒测风激光雷达测风数据进行质量控制,用于较大尺度的数值预报模式,可以提高初值场同化的效果。而滤波分析分离出的高通分量,尽管主要是高频随机误差,但其中振幅较大的高频分量也许揭示了大气风场更小尺度的波动,这需要有更多的观测事实和更进一步的分析来判定。      

资料同化方法研究进展

数值天气预报模式的不断完善和大气观测探测资料（特别是卫星、雷达等非常规探测资料）的大量涌现,推动着资料同化方法的逐步发展.文章主要回顾了资料同化方法研究的发展过程、目前的应用现状以及对未来同化方法的展望.随着人们对资料同化含义的深入理解,对于资料同化的研究由初始的探索阶段逐步发展到以经验性为主的同化方法,主要包括SCM和nudging;统计方法的引入,成为资料同化方法研究发展道路上具有重要意义的一个里程碑,从而出现了多元统计插值同化,比如OI,3D-Var以及PSAS;针对背景误差协方差固定不变与实际情况的差异,考虑时间维的四维资料同化方法成为目前国际上较为主流的同化研究方法,其中以4D-Var和Kalman滤波为代表;随着计算机技术的进步,更加合理的四维资料同化方法将会成为未来业务预报中主要的资料同化方法.     

基于简单模式的集合卡尔曼滤波与粒子滤波的比较研究

集合卡尔曼滤波和粒子滤波是大气海洋领域两种先进的数据同化方法。理论上讲,粒子滤波克服了集合卡尔曼滤波中先验分布的高斯假定。但现有的关于两种方法的比较研究不够全面和系统,基于简单的洛伦兹63模式,重点对基于确定性集合卡尔曼滤波和均权重粒子滤波的数据同化方法开展对比分析,通过对观测误差和模式误差的不同配置,设计了四组试验着重研究两种方法相同试验条件下的同化效果。试验结果表明:与采用最优膨胀系数的集合卡尔曼滤波的同化方法相比,均权重粒子滤波的均方根误差更加依赖于观测信息的质量,但最优膨胀因子的集合卡尔曼滤波的均方根误差低于粒子滤波同化方法。      

大气数据同化方法的研究与应用进展

简要介绍了大气数据同化的基本思想与方法，阐述了松弛逼近法、Kalman滤波和变分约束法三种大气数据同化方法研究状况和应用进展情况。     

基于守恒重映射的全球非结构网格模式同化及预报初步应用

全球大气模式在发展过程中不断获得改进,并逐渐采用非结构计算网格,如以球面重心Voronoi网格为特点的MPAS-A模式。为改进MPAS-A模式初值,相关的资料同化研究同步在积极开展。本文为实现利用变分方法快速同化多源观测资料的需求,以美国NCEP业务上使用的GSI系统作为同化模块,基于守恒重映射方法进行非结构与结构化球面网格转换,构建了GSI-MPAS同化及预报框架,并进行了网格转换测试和同化预报试验。网格转换检验测试表明,模式物理量的转换误差与其分布特征密切相关,二阶精度守恒重映射转换结果优于一阶精度转换结果。连续一周的滚动循环同化及预报试验表明,基于守恒重映射方法的GSI-MPAS同化及预报框架能够有效同化多源观测资料,改善了初值场的质量并使得MPAS-A预报得到的各个变量更加准确,且对降水预报具有正面效果。进一步分析表明,由于在北半球同化了更多观测资料,所以北半球地区的改进明显优于南半球及赤道地区。     

Preliminary Study on Direct Assimilation of Cloud-affected Satellite Microwave Brightness Temperatures

Direct assimilation of cloud-affected microwave brightness temperatures from AMSU-A into the GSI three-dimensional variational(3D-Var) assimilation system is preliminarily studied in this paper. A combination of cloud microphysics parameters retrieved by the 1D-Var algorithm(including vertical profiles of cloud liquid water content, ice water content, and rain water content) and atmospheric state parameters from objective analysis fields of an NWP model are used as background fields. Three cloud microphysics parameters(cloud liquid water content, ice water content, and rain water content) are applied to the control variable. Typhoon Halong(2014) is selected as an example. The results show that direct assimilation of cloud-affected AMSU-A observations can effectively adjust the structure of large-scale temperature, humidity and wind analysis fields due to the assimilation of more AMSU-A observations in typhoon cloudy areas, especially typhoon spiral cloud belts. These adjustments, with temperatures increasing and humidities decreasing in the movement direction of the typhoon,bring the forecasted typhoon moving direction closer to its real path. The assimilation of cloud-affected satellite microwave brightness temperatures can provide better analysis fields that are more similar to the actual situation. Furthermore, typhoon prediction accuracy is improved using these assimilation analysis fields as the initial forecast fields in NWP models.     

列序分析在大气环境污染分析中的应用

提出了不同于计算相关系数的列序分析的方法,思路来源于变量序列间的几何形状接近程度,几何形状接近的序列,度量其靠近程度的指数应大,反之就小.将靠近程度大小按序排列,就得到变量序列间的联系程度的名次.从实用出发,针对不同性质的数据,提出了4种列序度计算方案.选取了计算加权平方距离的方案对大气污染及其有关的气象要素数据进行了实例计算.通过计算列序度并与相关系数对照,可以更可靠地来使用某个气象要素制作预报,另外,从数学上证明列序分析与绝对值关联度、欧氏距离间的关系,由此论证了列序分析的数学根基.数学推导和数值计算都证实了列序分析的可用性,尤其在量测为小样本的情况下更有使用价值.     

中国区域典型大气廓线样本库的一种选择方法

在模拟大气辐射传输过程、发展大气透过率模式及反演大气参数等许多应用中,大气状态廓线是重要的输入参数,为方便使用,建立具有一定代表性的样本数据库十分必要。目前,国际上有几十种各具特色的大气样本库,但包含中国区域的样本极少。为了弥补国际大气样本库中缺少中国区域大气廓线的不足,以中国区域2002年气象探空资料为基础,利用拓扑学方法建立了包含30条大气温度和湿度廓线的中国区域大气廓线样本库2。通过对所选样本的覆盖区域、观测时间、海拔高度、廓线垂直分布等特征分析,结果表明:该样本库具有样本时空分布均匀、样本独立性和气候代表性好等特点,符合大气样本库建立的基本原则,可为辐射传输研究和业务应用提供大气样本支持。     

GPS"射线打靶”模式的并行计算

全球定位系统（ＧＰＳ）“射线打靶”模式是ＧＰＳ／ＭＥＴ（气象）资料变分同化中联系ＧＰＳ原始观测与大气状况的一种自成一体的观测算子，但因其计算量非常巨大而一直没能得到实用。为了克服这一困难，我们建立一个并行版本的 ＧＰＳ“射线打靶”模式，并在国家重点基础研究发展规划项目“大规模科学计算研究”资助下研制的微机机群系统（ＬＳＳＣ）上成功地实现了并行计算，取得了理想的加速比和并行效率，而且具有良好的可扩展性，为该观测算子达到实用迈出了实质性的一步。     

臭氧卫星观测资料同化系统构建及其试验研究

为检验臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场的影响,基于集合平方根滤波(ENSRF)理论,结合通用地球系统模式(CESM),构建了CESM-ENSRF同化预报系统。系统构建过程考虑了卡尔曼滤波同化中的关键问题:利用全场随机扰动对初始场加扰,结合一般协方差膨胀和松弛协方差膨胀方法实现协方差膨胀,使用五阶距离相关函数进行协方差局地化。将构建的系统用于微波临边探测器(MLS)臭氧廓线数据的同化,分析臭氧卫星资料同化对模式预报的影响。结果表明:构建的CESM-ENSRF同化系统有效实现了臭氧资料同化,臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场精度有较大改进。     

AN INTEGRATION METHOD WITH FITTING CUBIC SPLINE FUNCTIONS TO A NUMERICAL MODEL OF 2ND-ORDER SPACE-TIME DIFFERENTIAL REMAINDER——FOR AN IDEAL GLOBAL SIMULATION CASE WITH PRIMITIVE ATMOSPHERIC EQUATIONS

In this paper,the forecasting equations of a 2nd-order space-time differential remainder are deduced from the Navier-Stokes primitive equations and Eulerian operator by Taylor-series expansion.Here we introduce a cubic spline numerical model(Spline Model for short),which is with a quasi-Lagrangian time-split integration scheme of fitting cubic spline/bicubic surface to all physical variable fields in the atmospheric equations on spherical discrete latitude-longitude mesh.A new algorithm of"fitting cubic spline—time step integration—fitting cubic spline—……"is developed to determine their first-and2nd-order derivatives and their upstream points for time discrete integral to the governing equations in Spline Model.And the cubic spline function and its mathematical polarities are also discussed to understand the Spline Model’s mathematical foundation of numerical analysis.It is pointed out that the Spline Model has mathematical laws of"convergence"of the cubic spline functions contracting to the original functions as well as its 1st-order and 2nd-order derivatives.The"optimality"of the 2nd-order derivative of the cubic spline functions is optimal approximation to that of the original functions.In addition,a Hermite bicubic patch is equivalent to operate on a grid for a 2nd-order derivative variable field.Besides,the slopes and curvatures of a central difference are identified respectively,with a smoothing coefficient of 1/3,three-point smoothing of that of a cubic spline.Then the slopes and curvatures of a central difference are calculated from the smoothing coefficient 1/3 and three-point smoothing of that of a cubic spline,respectively.Furthermore,a global simulation case of adiabatic,non-frictional and"incompressible"model atmosphere is shown with the quasi-Lagrangian time integration by using a global Spline Model,whose initial condition comes from the NCEP reanalysis data,along with quasi-uniform latitude-longitude grids and the so-called"shallow atmosphere"Navier-Stokes primitive equations in the spherical coordinates.The Spline Model,which adopted the Navier-Stokes primitive equations and quasi-Lagrangian time-split integration scheme,provides an initial ideal case of global atmospheric circulation.In addition,considering the essentially non-linear atmospheric motions,the Spline Model could judge reasonably well simple points of any smoothed variable field according to its fitting spline curvatures that must conform to its physical interpretation.     

几种先进大气环境影响评价的技术方法概述

近年来,我国大气污染问题凸显,大气环境越来越受到重视,对大气环境影响评价的要求也越来越高,因而,引入一些新的方法能更全面和细致地评价大气环境影响。本文基于法规模式体系,介绍在实际环评工作中用到的四种方法,包括足迹(footprint)函数法、四维通量法、源解析法和动画演示法,对其原理和适用范围进行了描述。这些方法以大气导则推荐的模式系统为基础,从不同视角深入地描述大气污染物的运动和分布特征,在大气环评工作中可根据实际问题的需要选择合适的方法进行大气环境影响的分析与评估研究。