基于梯度信息的微波辐射亮温资料质量控制方法

卫星微波垂直探测器的辐射观测资料在数值预报中的同化应用使得数值预报水平有了巨大的飞跃。微波资料的质量控制是保证观测资料成功同化的关键所在。文章提出一种基于AMSU-A(Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射亮温资料梯度信息的新质量控制方法,将亮温梯度距平值明显较大的资料作为被降水污染或因为其他原因出现的"坏"的资料。利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式和区域三维变分同化,针对"海鸥"(2008)和"圆规"(2010)2个个例,对比旧质量控制中的降水检测和阈值检测方法,评估该方法用于AMSU-A资料同化时对台风数值模拟的情况。研究表明,旧质量控制方法将会使一些"坏"的微波观测资料同化进入模式,降低模式分析场的质量,进而导致同化结果有较大误差。相对于旧方法获得的分析场,利用基于亮温梯度信息的质量控制方法可使更多"坏"的观测剔除,同化后模式初始时刻的位势高度场和风场更接近于真实情况。与传统AMSU-A辐射资料的同化相比,新质量控制方案使2个台风路径数值模拟的偏差有明显的减小:"海鸥"个例中,模拟台风路径误差的最大改善比为12,路径误差改善约540km;"圆规"个例的最大改善比为13,模拟路径误差减小118km。     

微波温湿遥感资料在台风路径模拟中的同化试验

基于WRF模式及其3DVar同化系统,针对1513号超强台风"苏迪罗",对NOAA卫星中探测大气温度的AMSU-A资料和探测大气湿度的MHS资料进行同化,考察同化不同类型微波遥感资料对台风路径模拟的影响,结果表明:同化AMSU-A资料对台风路径模拟的改善要大于MHS资料,相对于控制试验,同化AMSU-A资料在预报时间段内将台风平均路径误差最多降低了49 km,而同化MHS资料则最多降低了29 km;组合同化AMSU-A和MHS资料并没有进一步提高台风路径模拟结果,这说明同化更多的资料量不一定能进一步改善台风路径的预报;同化AMSU-A资料对初始场的调整强度和范围大于MHS资料,但经过模式一段时间的积分,同化两类资料对物理场的调整强度接近;同化两类资料对物理场的调整与其对台风路径模拟的调整有着较好的对应。     

ATOVS亮温资料同化在台风数值模拟中的应用

利用三维变分同化技术,通过将ATOVS(Advanced TIROS-N Operational Vertical Sounder)(包括AMSUA和AMSUB微波辐射探测器及高分辨率红外辐射探测器HIRS)亮度温度资料直接同化进中尺度数值预报模式WRF中,以提高模式对台风路径的模拟精度。针对两个台风个例鲇鱼(2010)和纳沙(2011)进行了同化试验,结果表明:1)同化卫星亮温资料能够改善台风初始场结构(大气流场、温度场和水汽场),进而提高对台风路径的模拟精度;2)不同资料的同化效果不一样,同化AMSUA资料对台风的路径模拟有较明显的改善效果,而同化HIRS3资料和AMSUB资料则无明显改善效果;3)卫星资料同化对于改变环境引导气流有较大作用,可以通过影响副高的强弱和位置改变环境气流场,从而影响台风的路径。     

COSMIC掩星资料同化对台风“天兔”预报影响的试验

台风数值预报的关键之一在于给定准确的模式初始场。本文使用气象、电离层和气候星座观测系统(COSMIC)的卫星资料,通过资料同化技术改善数值天气预报模式的初始场,进而评估数据同化技术对台风(或热带气旋)预报的改善效果。使用我国自主研发的数值天气预报模式,对1319号台风“天兔”进行模拟试验,对温度场、湿度场、涡度散度场及假相当位温场进行诊断分析。试验结果表明,与同化常规探空资料相比,COSMIC资料的同化可减小模式预报台风路径误差,台风附近降水落区更为集中。研究评估了掩星资料同化对模式的改进作用,并能为台风预报技术和防灾减灾提供参考。     

0808号台风"凤凰"登陆过程的三维变分同化试验

主要对0808号台风"凤凰"的登陆过程进行模拟试验.首先,利用GPS掩星资料反演的大气气压、温度和水汽资料以及云导风资料,对台风"凤凰"进行了三维变分同化及数值模拟试验.结果表明:同化不同资料,得到的台风初始场各不相同,对台风预报的影响也各不相同.同时同化GPS资料和云导风资料,对台风初始场的调整最大,对模拟台风登陆前...     

FY-3D卫星MWHS-2辐射率资料直接同化对台风“米娜”预报的影响*

文章基于天气研究和预报(weather research and forecasting, WRF)模式中的FY-3D卫星微波湿度计Ⅱ(micro-wave humidity sounder 2, MWHS-2)辐射率资料的直接同化模块, 采用三维变分(three dimensional variation, 3DVar)方法在晴空条件下同化MWHS-2辐射率资料, 考察MWHS-2辐射率资料同化对台风“米娜”(2019)预报的影响。文中设计了4组试验, 第一组试验不同化任何资料, 第二组试验同化了单独的全球通信系统(global telecommunications system, GTS)常规资料, 第三组试验联合同化了GTS常规资料和MWHS-2辐射率资料, 第四组试验将MWHS-2辐射率资料换成先进技术微波探测计(advanced technology microwave sounder, ATMS)辐射率资料同化。研究结果表明: 偏差订正后各通道观测和背景场差值的均值趋于0, 同化后分析场相对观测的标准差与均方根误差较背景场显著减小, 同化过程是有效的。与仅同化GTS常规资料和同化ATMS资料的试验相比, 同化晴空MWHS-2辐射率资料后的增量场在台风中心附近有负的高度增量和正的温度增量, 从动力与热力上有助于台风的维持。在确定性预报最后的12h, 同化晴空MWHS-2辐射率资料的试验能够改进500hPa环流形势的模拟, 加强西南方向引导气流的强度, 从而最终减小台风路径预报的误差。     

大气-海洋-海浪耦合同化模式在台风过程模拟中的应用

基于MCT耦合器,利用中尺度大气模型WRF、海洋模型FVCOM和第三代海浪模型SWAN,实现大气、海洋和海浪的三者实时耦合计算,同时采用卫星微波辐射资料AMSU-A,通过WRF大气模式的资料同化模块WRFDA,实现对风场模拟的连续同化,从而建立起大气-海洋-海浪耦合与卫星数据同化的W-F-S-A耦合同化模式。将该模型应用于2014年台风“威马逊”的数值模拟,并与其他模型进行比较。结果表明,W-F-S-A耦合同化模式对于台风路径和风速的模拟结果优于单独耦合和单独同化结果,并且可以较好地模拟上层海洋对台风的响应特征。     

一次受台风影响的大气波导过程分析和数值模拟

利用NCEP再分析资料及实况探空资料,对2002年8月31日台风"鹿莎"靠近和进入韩国期间,在我国东部地区大气波导的发生情况,以及相对应物理量场进行分析发现:湿度递减以及辐散下沉运动与大气波导的发生有很好的对应关系.运用中尺度预报模式ARPS对这次大气波导过程进行了两种方案的数值模拟试验,结果表明:对大气波导进行数值模拟时,初始场非常重要.在初始时刻同化了探空资料后的初始场更接近真实大气状况,同化探空资料初始场的模拟结果比没有同化探空资料初始场的模拟结果更接近于实际探空资料.     

基于不同背景场条件的雷达资料同化在登陆台风“桑美”中的应用研究

本文针对2006年登陆我国的超强台风“桑美”,分别采用美国国家环境预报中心的全球预报系统(Global Forecasting System, GFS)再分析资料和日本气象厅(Japan Meteorological Agency, JMA)区域客观再分析资料作为背景场,利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)及其三维变分同化系统进行多普勒雷达资料同化和数值模拟试验,考察不同的背景场条件下雷达资料同化对台风初始场、内部结构及其随后确定性预报的影响。结果表明:GFS试验和JMA试验在同化了雷达资料之后分析出的台风700 hPa风场和500 hPa高度场相比其初始场均有所增强,JMA试验在3 h同化窗内的均方根误差和最小海平面气压的改进效果均比GFS试验显著,同时对台风动力和热力结构的改进效果也优于GFS试验;JMA试验对台风降水、路径、强度的预报均优于GFS试验,且能预报出台风前沿的降水,更加接近观测实况。     

WRF Hybrid方法同化HY-2A散射计风资料在台风“菲特”预报中的应用

选取台风"菲特"(Fitow,201323)临近登陆过程为试验个例,在WRF模式基础上,采用4种不同的初始化方案,对台风"菲特"进行了72 h预报试验,并分析了模式的初始化对预报效果的影响。试验结果表明,对于台风路径的预报,使用集合平均作为初始场进行预报,预报结果相对直接使用GFS资料作为初始场进行预报的结果有明显改善,使用3DVAR同化方法,将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径预报进一步有所改善,而使用Hybrid同化方法将HY-2A卫星散射计风场资料同化到集合平均的初始场中,台风路径进而又有明显改善;但是在台风强度方面的预报,4种初始化方案效果不相上下。     

TRMM海表降水率同化在热带气旋Danas(2001) 数值模拟中的应用研究

研究了TRMM/TMI海表降水率资料的四维变分同化在热带气旋(TC)数值模拟中的作用.使用中尺度气象模式MM5设计了若干数值试验模拟了TC Danas(2001)由热带低压初生到台风生成的发展过程.在满足MM5模式动力约束的前提下,将TRMM海表降水率资料直接同化进入较高分辨率(18 km)的模式初始场.结果表明,使用MM5模式的4D-VAR同化系统直接同化TRMM/TMI海表降水率资料是可行的.这种做法提高了TRMM资料的利用率,不仅在模式初始场中加入了更多实测信息,而且避免了两次同化(1DVAR+4DVAR)可能引起的误差.直接同化TRMM资料通过调整气压、温度、湿度等要素初始场,改善了模式对热带气旋结构(如暖心、涡度、散度)的描述和降水的模拟.在此基础上,同化不仅改进了对Danas强度的模拟,而且成功地模拟了热带气旋环境场的演变过程,因而改进了路径的模拟.     

一个区域耦合模式在不同分辨率下对台风“山神”的数值模拟

数值模式是台风研究的主要技术手段之一,但是目前数值模拟的台风强度普遍难以达到实际的强度。本文利用1个高分辨率区域海气耦合模式,以HYCOM同化数据以及NCEP FNL1(°)×1(°)再分析资料为模式,提供初始边界条件,对台风"山神"进行了多组不同水平分辨率下的耦合、非耦合模拟实验。初步证明:适当提高水平分辨率能够改善台风中心热通量等的模拟,进而改善台风路径的模拟效果,并显著提升模拟台风的最大强度;通过耦合、非耦合实验组证明,提升水平分辨率可改善海气耦合对台风强度模拟的负面效应,并分析了在特殊海洋涡旋结构下海洋对台风"山神"的响应过程,包括台风引起的路径右侧海表温度冷异常、相应的不对称环流场以及中尺度冷涡的增强与合并等过程。     

一种非对称台风Bogus方法的数值模拟应用

前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征,也弃掉了背景场的合理成分,有必要改用更精细的非对称台风Bogus模型对BDA方案做出改进。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的非对称台风Bogus方法,针对0613、0704台风个例,通过4DVAR技术,利用MM5模式及其伴随模式对此Bogus资料进行BDA同化试验和模拟预报,数值结果表明:BDA方法同化非对称台风Bogus模型,其路径预报效果优于同化轴对称台风模型,同化两种Bogus资料都使台风强度模拟效果得到极大改善,但改善程度相当,故台风的非对称结构及副高等外围环境场及背景场弱台风中合理信息对台风的准确模拟起到关键作用,同时,Bogus资料同化方法用于远洋上的台风时,需注意台风模型与副高的配置关系。     

FY-2G云导风资料同化在台风"天鸽"数值预报中的应用

以2017年8月登陆我国的13号台风"天鸽"为个例,采用美国全球预报系统资料作为背景场,利用WRF中尺度数值模式及天气研究和预报模式同化系统中的三维变分模块,探究了新一代静止卫星FY-2G云导风资料同化对台风预报的影响.研究结果表明:云导风资料同化模拟的台风路径、强度和最大风速与实况更加接近.与控制试验相比,云导风资料...     

多普勒雷达资料同化在台风“桑美”预报中的应用研究

本文以2006年超强台风"桑美"为个例,考察了同化雷达径向风观测资料对台风初始场和预报场的改进作用。首先对沿海新一代多普勒天气雷达的径向风观测资料进行了去噪音、退模糊等一系列的质量控制,进一步利用美国国家大气研究中心开发的中尺度数值模式WRFV3.5及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,每30min循环同化雷达径向风观测资料。结果表明:同化多普勒雷达径向风观测资料后,对台风在模式中的初始位置进行了很好的修正,同时对台风区的动力和热力结构均有较好的调整。两组同化试验对于台风的路径、强度、降水等预报要优于控制试验,并且对背景误差协方差尺度化因子优化调整可以更有效地吸收雷达观测资料并提供更多的中小尺度信息。     

新一代静止气象卫星葵花8号的晴空红外辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

本文以2017年第13号台风“天鸽”（Hato）为例,在WRFDA同化系统中结合日本葵花8号（Himawari-8）资料,通过同化Himawari-8晴空红外辐射率资料并进一步考察其对台风“天鸽”的结构、强度、路径分析和预报的影响。研究结果表明:同化Himawari-8晴空红外辐射率资料对台风背景场的水汽相关变量分析有显著改进,对背景场中的台风水汽信息有一定的改进作用。与控制实验,即没有同化Himawari-8晴空红外辐射率资料的实验相比,加入同化实验对台风“天鸽”的风场、500 hPa气压场的分析效果有所提高,台风气旋性环流加强,并进一步改进了对台风“天鸽”的路径、台风中心最低气压和近中心最大风速的预报。平均路径误差和降水预报相对于常规观测变量的均方根误差均有所改善。     

GPM微波成像仪资料同化对台风“麦德姆”路径预报的影响研究

基于中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统,自主构建了新的探测仪器GMI(Global Precipitation Measurement (GPM) Microwave Imager)的同化模块。本文以2014年太平洋台风季中台风“麦德姆”为例,实现了GMI资料在登陆台风中的有效应用。试验结果表明:晴空条件下GMI资料同化能够对模式背景场中的台风位置进行有效修正。与没有同化该资料的控制试验相比,同化GMI微波成像仪资料可以有效改进台风暖心结构的分析,同时使得台风涡旋环流结构增强,并进而提高了对台风路径的预报水平。     

四维变分同化技术在风暴潮数值模拟中的应用

利用区域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modelling System)及其四维变分同化模块,建立了具有资料同化能力的东中国海风暴潮数值模式,通过将海洋站水位观测资料同化到风暴潮模式中,提高了模式对风暴潮的模拟精度。四维变分同化技术能够在整个同化时间窗口保持动力协调,使模拟结果在该时间窗口内最大程度的靠近观测,同时,得到了最优预报初始场。利用该模式,对两次温带风暴潮过程进行了数值模拟,结果表明:在同化窗口内,同化对模拟精度有明显的提高;结束同化之后,得到的最优预报初始场对临近预报精度也有一定提高。     

GPS掩星资料三维变分同化对台风模式预报的改进试验

本文尝试了GPSRO COSMIC资料在中尺度数值模式中的应用,利用COSMIC资料受云和降水影响较小,且有高数据精度、高垂直分辨率等优点,以改善模式初始场,进而提高预报准确度。模式采用中尺度气象模式WRF V3.0.1版本及其三维变分同化系统3DVAR,利用NCEP再分析资料、GTS资料和COSMIC资料对2009年第8号台风"莫拉克"登陆台湾岛前到登陆台湾岛的过程进行了模拟试验,并对温度、露点温度、对流有效位能等要素进行了诊断分析。试验结果表明:该项试验成功将COSMIC资料同化进模式,加深对"莫拉克"热力结构特征的了解,有效改善台风降水和路径预报,其中仅屏东县单点降水预报提高600 mm左右,24 h预报路径误差提高80 km以上。同时对提高台风强度预报起到积极作用。     

不同参数化方案试验对南黄海典型台风中心最低气压和最大风速数值模拟影响

为提高对南黄海典型台风的中心最低气压及其最大风速的预报能力,本文以经过南黄海的典型台风——2011年09号台风"梅花"以及2015年09号台风"灿鸿"为例,基于WRF中尺度数值预报模式,以欧洲中期天气预报中心(ECWMF)的再分析资料作为模式的初始场以及侧边界条件,对南黄海台风数值模拟进行了分析。结果表明,不同微物理方案的选择对南黄海典型台风中心最低气压和最大风速模拟结果影响较小;YSU边界层方案以及KF积云对流方案组合模拟效果最佳,可使南黄海典型台风中心最低气压和最大风速的模拟结果误差最小。