FY-2E卫星资料在基于LAPS的台风三维云分析中的应用

LAPS(Local Analysis and Prediction System)采用物理初值化与三维变分约束相结合的方法,通过融合多源观测资料,发挥各种资料的优势,分析得到较为客观的三维云场,并可改善数值模式初始场。将FY-2E卫星可见光反照率和红外亮温资料引入LAPS,针对2014年6月登陆我国的台风"海贝思",设计不同水平分辨率的同化试验,研究台风三维云结构和初始场的改善情况。结果表明:1)LAPS云分析中引入卫星可见光反照率资料之后,总云量有显著的调整,能够较清晰地分辨出台风眼区、云墙和螺旋云带,卫星红外亮温资料在云顶高度的调整中发挥了重要作用,而且高分辨率的云分析结果有助于更好地分析出台风结构和强对流区域。2)LAPS物理初值化技术将卫星资料中的云结构和微物理信息添加到初始场中,一定程度上调整了数值模式初始场中垂直速度、云水、云冰和水汽场等变量的分布,提高了模式初值质量,对模拟和预报台风系统将会产生一定的影响。     

2011年“洛克”和“桑卡”双台风预报效果的初值试验研究

采用南海台风模式,对2011年业务预报误差较大的台风“洛克”（1115）和“桑卡”（1116）双台风的初值方案进行试验和研究,目的在于寻求改进预报的线索,从而提升台风模式性能。针对“洛克”和“桑卡”台风设计了几组初值方案对比试验,结果表明,仅对弱台风“桑卡”进行重定位和bogus的初值处理,与对双台风都进行初值处理相比较,两台风的路径预报误差减小。分析认为仅对弱台风作初值处理以改善其涡旋环流的影响是该双台风路径预报得以改进的原因。对2011—2012年所有弱台风进行批量预报试验,结果表明对弱台风采用重定位和bogus的初值处理,台风路径预报和强度预报的误差减小。对弱台风进行重定位和bogus初值处理,可改善模式对弱台风的预报效果。此外,目前南海台风模式中现有的bogus方法构造的涡旋相对于弱台风而言云顶偏高,可考虑发展针对弱台风的涡旋模型。      

一种新型的中尺度暴雨集合预报初值扰动方法研究

提出一种针对对流不稳定构造具有中尺度运动特征的集合预报扰动初值的新方法--异物理模态法, 介绍了异物理模态法产生初值扰动区域和扰动振幅的数学处理方案, 即由不同对流参数化方案预报离差获得集合预报初值扰动区域、扰动结构和扰动振幅的数学处理过程. 利用美国PSU/NCAR的MM5中尺度模式, 对一次典型暴雨进行异物理模态法初值扰动集合预报试验, 详细分析了扰动初值的结构和集合预报结果. 结果表明, 该方法产生的初值扰动场具有合理的中尺度环流结构, 可以反映对流敏感区域的对流不稳定的预报不确定性, 集合预报结果可以明显改善控制预报.     

改进的台风初值化方案及四维变分同化的个例试验

由于洋面上常规观测资料严重不足,使得客观分析的结果难以准确地描写初始台风的热力结构和环流特征,这是造成台风数值预报误差较大的重要原因.传统的Bogus方案虽然对台风预报有很大改进,但是仍有许多不足.文中在前人研究工作的基础上,对Bogus方案进行了改进,提高了对台风强度的描述能力,并结合四维变分资料同化的方法,利用模式动力学约束,自动生成具有非对称环流结构的台风初值,最后进行了四维变分同化试验和数值模拟试验.数值结果表明:这种结合Bogus方法和四维变分同化方法的台风初值化方案对于台风的路径模拟和强度模拟均有较好的改进.     

基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋路径集合预报研究

构建了一个基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报系统，通过积云参数化方案和边界层参数化方案的9个不同组合，采用MM5模式进行了不同时间的短时预报。对预报结果使用“镜像法”得到18个初始成员，为同化提供初始背景集合。将人造台风作为观测场，同化后的结果作为集合预报的初值，通过不同参数组合的MM5模式进行集合预报。对2003～2004年16个台风个例的分析表明，初始成员产生方法能够对热带气旋的要素场、中心强度和位置进行合理扰动。同化结果使台风强度得到加强，结构更接近实际。基于同化的集合路径预报结果要优于未同化的集合预报。使用“镜像法”增加集合成员提高了预报准确度，路径预报误差在48小时和72小时分别低于200 km和250 km。     

条件非线性最优扰动在可预报性问题研究中的应用

本文总结了近年来条件非线性最优扰动方法的应用研究的主要进展.主要包括四个方面:(1)将条件非线性最优扰动(CNOP)方法拓展到既考虑初始扰动又考虑模式参数扰动,形成了拓展的CNOP方法.拓展的CNOP方法不仅能够应用于研究分别由初始误差和模式参数误差导致的可预报性问题,而且能够用于探讨初始误差和模式参数误差同时存在的情形;(2)将拓展的CNOP方法分别应用于ENSO和黑潮可预报性研究,考察了初始误差和模式参数误差对其可预报性的影响,揭示了初始误差在导致ENSO和黑潮大弯曲路径预报不确定性中的重要作用;(3)考察了阻塞事件发生的最优前期征兆(OPR)以及导致其预报不确定性的最优增长初始误差(OGR),揭示了OPR和OGR空间模态及其演变机制的相似性及其局地性特征;(4)研究了台风预报的目标观测问题,用CNOP方法确定了台风预报的目标观测敏感区,通过观测系统模拟试验(OSSEs)和/或观测系统试验(OSEs),表明了CNOP敏感区在改进台风预报中的有效性.具体地,台风OGR的主要误差分布在某一特定区域,空间分布具有明显的局地性特征,在台风OGR的局地性区域增加观测,有效改进了台风的预报技巧,该区域代表了台风预报的初值敏感区.事实上,上述El Ni(n)o事件、黑潮路径变异以及阻塞事件的OGR的空间分布也具有明显的局地性特征,这些事件的OGR刻画的局地性区域可能也代表了初值敏感区.     

多物理ETKF在暴雨集合预报中的初步应用

基于集合转换卡尔曼滤波（ETKF）的初值扰动方法是目前集合预报领域热点方法之一,但应用在短期集合预报中仍存在离散度不够、误差较大等问题。考虑到在区域短期集合预报中,模式不确定性和边界不确定性的影响不能忽略,本文尝试在ETKF生成分析扰动的过程中,同时考虑初值不确定性、物理不确定性与边界不确定性,进而构建多初值、多物理、多边界ETKF集合,并以2010年9月30日到10月8日海南岛特大暴雨作为研究个例,对其在暴雨集合预报中的应用展开初步研究,重点分析多种物理参数化过程对预报结果的影响。结果表明,多物理过程的ETKF（多物理ETKF）和单物理过程的ETKF（单一ETKF）均优于对照预报,多物理ETKF优势更加明显,其均方根误差、离散度等指标均得到很好的改善;对于降水采用SAL方法进行检验,发现多物理ETKF对于降水位置的预报有明显的改善,对于特大暴雨的强度预报也略有改善。研究表明,在ETKF初值扰动中加入多种物理过程,可以有效改善短期集合的离散度,提高预报准确率,有良好的发展前景和应用潜力。     

基于BDA扰动法的台风路径集合预报试验研究

提出一种新的方法（BDA扰动方法）对台风路径进行集合预报。BDA扰动方法是基于BDA同化方案。通过扰动台风的中心位置和台风强度得到一系列模型台风，将之分别同化到同一环境场中得到一系列扰动初始场，从而对台风进行集合预报的方法。本文选取四个台风个例进行数值试验，将直接用BDA方案同化初始场的模拟结果与采用BDA扰动方法模拟的结果进行比较，发现：利用BDA扰动方法对台风路径进行集合预报能进一步提高路径预报精度；同时发现：对于BDA扰动方法，若与初始定位扰动相结合，5hPa的台风强度扰动幅度可能比10hPa的更适宜。     

有限区域非线性正规波初值化方法实验与比较

本文以一个有限区域六层斜压原始方程模式为基础，实现了非线性正规波初值化方案，并做了２４小时积分预报实验，将非线性正规波初值化方案和平衡初值及实测风初值方案积分结果进行了比较。结果表明；非线性正规波初值化方案和对初始场个性较小，初值化后风压场配置合理；积分初期能迅速抑制重力波高频振荡，使模式计算稳定；２４小时形势预报较实测初值预报结果好得多，高层形势预报比平衡初值有改进，降水落区远比另外两种方案好。     

GRAPES业务全球集合控制预报初值的动力升尺度方法

以生成GRAPES全球集合预报业务系统的控制预报初值为目的,基于GRAPES全球模式,开展了控制预报初值生成方法研究,发展了高分辨率初值动力升尺度方法,并检验了不同方法的可行性。通过对比不同方法产生的初始场形态,证实了仅仅对高分辨率初始场进行二维水平插值存在不足,基于静力学方程对Exner气压变量进行三维插值至关重要。结果表明,动力升尺度方法利用静力平衡关系,对全场的温压场进行调整,使之协调平衡,可以改善二维水平插值方法导致的初始位势高度场和温度场的噪音问题,产生适用于GRAPES全球集合预报业务系统的控制预报初值。     

热带有限区数值预报模式的升级及在台风预报中的应用

较详细地描述了作者近年发展的一个新的热带有限区数值预报系统，包括模式的框架、物理过程以及初值的形成。给出了自１９９３－１９９５年应用于中风数值预报的结果。并与过去的热带有限区数值预报模式系统作了比较，新的数值预报系统对台风预报的改进是十分明显的。     

UPGRADING OF TROPICAL LIMITED-AREA NUMERICAL MODEL AND APPLICATION IN TYPHOON FORECAST

A new tropical limited-area numerical model system developed in recent years is described in detail,which includes model formulation, physical processes and data initialization. Results of the application in numerical forecast from 1993 to 1995 are presented. In the forecast of typhoon, the new system shows a distinct improvement over a previous one.     

Application of a Typhoon Initialization Scheme Based on the Incremental Analysis Updates Technique in a Rapid Update Cycle System

Initialization of tropical cyclones has an important role in typhoon numerical prediction. This study applied a typhoon initialization scheme based on the Incremental Analysis Updates (IAU) technique in a rapid refresh system to improve the prediction of Typhoon Lekima (2019). Two numerical sensitivity experiments with or without application of the IAU technique after performing vortex relocation and wind adjustment procedures were conducted for comparison with the control experiment, which did not involve a typhoon initialization scheme. Analysis of the initial fields indicated that the relocation procedure shifted the typhoon circulation to the observed typhoon region, while the wind speeds became closer to the observations following the wind adjustment procedure. Comparison of the results of the sensitivity and control experiments revealed that the vortex relocation and wind adjustment procedures could improve the prediction of typhoon track and intensity in the first 6-h period, and that these improvements were extended throughout the first 12-h period of the prediction by the IAU technique. The new typhoon initialization scheme also improved the simulated typhoon structure in terms of not only the wind speed and warm core prediction but also the organization of the eye of Typhoon Lekima. Diagnosis of the tendencies of variables showed that use of the IAU technique in a typhoon initialization scheme is efficacious in resolving the spurious high-frequency noise problem such that the model is able to reach equilibrium as soon as possible.     

EXPERIMENTAL STUDIES WITH AN OPERATIONAL NUMERICAL MODEL FOR PREDICTION OF TYPHOON TRACKS OVER THE SOUTH CHINA SEA REGION

Experiments for short range forecasting of typhoon tracks over the South China Sea Region were carried out using limited-area numerical model recently developed by the authors.Due to the shortage of sounding data over the sea, typhoon circulations are usually obtained incompletely from objective analysis, or with significant deviation of the centre from reality.Therefore a set of schemes for typhoon initialization are proposed here to construct a bogus typhoon with the circulation being consistent with the physical processes included in the limited-area model.Based on the schemes bogus data over the model grids are created and analysed together with conventional observational data.Then the normal model initialization scheme is issued to further modulate the model typhoon with the numeriCal modeel.Some experiments of sensitivity in various aspects are conducted for further improvement of typhoon track predictions.The experimental results for a number of typhoon landing in southern China in 1993 and 1994 shows that the limited-area model is capable of predicting typhoon tracks in the southern China region.     

A brief review of physical initialization

Summary This review presents a short summary of studies on physical initialization carried out at Florida State University. This summarizes the findings in several areas such as: the formulation of physical initialization, impact (and skill) on the nowcasting and short range prediction of rainfall, medium range prediction of typhoons, mesoscale structures implied by physical initialization, impact on the spread of an ensemble of typhoon forecasts and the improvements of hydrological budget during flooding events. References are provided in each section where further details for each of these areas are presented.A brief summary of the ongoing work on Physical Initialization at Florida State University is presented here. This summary includes the following areas.With 5 Figures     

一种基于分析增量更新技术的台风初始化方案

台风初始化方案最大的困难在于其只能根据有限的观测资料（台风中心位置、最低气压、最大风速和大风半径等）来构造一个与模式动力-物理过程协调的涡旋模型。首先根据实际观测资料对背景场中的涡旋扰动进行重定位和风速调整,然后将分析增量更新（Incremental Analysis Update,IAU）技术应用于台风初始化方案中,将调整后的涡旋当作一个强迫项逐渐加入到模式预报过程中,通过模式自身调整来得到一个协调性较好的台风初始结构,从而改善模式对台风的预报性能。对“山竹”台风的多次预报结果表明:（1）台风初始化对于台风路径误差影响较小,对于强度预报改进则比较明显。特别是在台风生成初期,台风初始化技术能够有效地增强全球模式分析场中的涡旋强度,并解决预报过程中强度较弱的问题。（2）根据预先给定的三维风场,IAU技术能通过模式自身预报过程对其他变量进行调整,从而得到一个热力和动力协调的初始涡旋结构。相对于仅对初始风场的调整,它对24 h之后的路径和强度预报误差会有更进一步的改善。（3）对IAU中的松弛时间进行参数敏感性试验,发现该变量取3—6 h效果较好。      

一种基于位涡反演的变性台风初始化方案

针对变性台风的结构特征和Bogus 方案的局限性,提出了一种新的基于位涡反演技术的台风初始化方案。实际应用效果表明,该变性台风初始化方案既能使初始场中的台风中心位置和强度与观测相吻合,又能维持变性台风的结构特征(斜压性和不对称性),同时能保证初始场中各要素场之间的协调一致性。数值试验结果表明,采用该方案后,在数值模拟的前24 小时对台风中心强度和移动路径的模拟效果有较明显改进。      

CMA-GFS全球预报系统中的台风初始化

在CMA-GFS(CMA Global Forecast System)全球四维变分资料同化系统(4DVar)基础上,参照BDA(Bogus Data Assimilation)方法,建立了一个全球模式台风初始化方案.该方案通过4DVar同化窗口吸收诊断处理后的1 h间隔台风中心定位及中心气压信息,利用模式动力物理约束...     

The role of the land surface processes in the rainfall generated by a landfall typhoon: A simulation of the typhoon Sepat (2007)

Landfall tropical cyclones are a major kind of severe weather affecting China. The typhoon Sepat, declassified as tropical storm after its landfalling, caused a continuous heavy rainfall event over China mainland from 19th to 25th August, 2007. The storm cyclone resided over the Hunan province for 60 hours, causing observed accumulated precipitation larger than 300 mm in a large area of the Hunan province and leading severe flood events. This event was simulated using the Weather Research and Forecasting (WRF) model coupled with the surface layer scheme UTOPIA. The model was able to reproduce the main characteristics of the event, including the typhoon track and the rainfall field and timing. In addition, three sets of sensitivity experiments have been performed. In the first one, the effects of different land surface schemes (RUC, NOAH and UTOPIA) coupled with WRF on the precipitation, sensible and latent heat flux fields associated with the Typhoon Sepat (2007) were investigated. The second set of sensitivity experiments analyzed the role of the surface fluxes (sensible and latent heat flux) on the typhoon evolution. The third set of sensitivity experiments regarded the initialization of the soil moisture content. These experiments showed that both latent and sensible heat fluxes sustained this landfalling typhoon, maintaining the spiral structure of rain belt. Among the two fluxes, the latent heat one played a major role in determining the intensity, the track and the rainfall distribution of the typhoon. In addition, the correct initialization of the soil moisture content has reveled a fundamental parameter to be initialized in order to correctly evaluate the distribution and intensity of the rain field. The intercomparison between the three different land surface schemes coupled with WRF showed that the WRF-UTOPIA and WRF-NOAH outputs seem comparable between each other and physically most realistic than those of WRF-RUC. These analyses were helpful to understand the evolution and the development of the landfalling typhoon, and demonstrated that WRF-UTOPIA and WRF-NOAH could be considered a good tool for managing the risk evaluation connected with the occurrence of such events at regional scale.     

适应性非对称人造台风方案对热带气旋路径的模拟预报

设计了一种新的适应性非对称人造台风方案。该方案中，初始场中植入的非对称人造台风不但与初始场之间更为协调，而且还包括较多的非对称信息。应用此方案对两个台风个例的路径进行了数值模拟试验，模拟结果与实况较为接近。