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。     

基于WRF模式的一种台风人造涡旋构建方案

为了使台风路径的数值预报更加精确,本文对人造(Bogus)涡旋构建方案进行了改进,形成了一种新的Bogus方案.该方案直接采用台风外围的风圈观测信息,并成功地植入到WRF(weather research and forecasting)模式中.本文利用该方案,选取2011年9号台风"梅花"这一典型案例展开讨论,结果表明:1)新构造的台风切向风廓线更加真实地反映了台风风场的实际情况;2)新的Bogus方案对台风中心位置的预报,更有利于对台风路径的预报;3)台风内核风场强度,对其非对称结构起到关键的作用,直接影响对台风路径的预报.     

台风"卡努"的数值模拟试验

台风“卡努”(Khanun,200515)是近年来登陆台风中给沿途造成重大灾害的台风之一。本文以第五代中尺度气象模式(MM5V3)为基础,采用三重嵌套的高分辨率网格设置,分别用四种初始化方案,对台风“卡努”进行了数值模拟试验,分析和探讨了模式的初始化对预报效果的影响。结果表明,MM5模式对台风的模拟预报具有一定的能力,按照常规的方法利用Bogus人造台风涡旋对初始场进行调整以及加入常规观测资料,路径和强度的预报效果都有明显的改进;再加入Quikscat卫星海面风非常规资料,能够减小台风路径预报逐小时预报误差,台风的强度预报也有所改善。     

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。     

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。     

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。     

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。     

不同控制变量的AMSR2资料同化方法对台风“山神”预报的影响研究

以2012年生成于太平洋西岸的第23号台风"山神"(Son-tinh)为个例,在WRFDA-3DVar同化系统中结合新型AMSR2同化模块,探讨两种不同的同化背景误差协方差(CV5、CV7)和不同的模式背景场启动机制(冷,热启动)对台风预报影响的研究。结果表明:(1)同化系统的分析场相对于背景场,对AMSR2辐射率资料亮温的模拟,在观测残差、标准差、均方根误差方面均有不同程度的减小。可以很好地模拟出台风的热力学结构,提高模式分析场的质量,从而进一步提高台风预报的准确度;(2)总体而言使用UV风的控制变量方案(CV7)的效果略好于使用流函数和势函数的方案(CV5)。CV7方案的正向温度增量区域大于CV5,尤其是在台风中心区域附近,正向温度增量有助于台风暖心结构的形成;(3)热启动的spin-up过程可以改善模式的热力结构和水汽特征;CV7方案可以在更小尺度上将背景场和观测联系起来且在边界附近产生的误差更小。热启动结合CV7方案对于台风路径的预报最为有效。     

不同 AMDAR资料同化时间窗对台风“摩羯”预报影响研究

2018年第14号台风“摩羯”对山东造成了大范围暴雨和大风天气,基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式及其Hybrid-3DVAR混合同化预报系统,对Hybrid-3DVAR不同集合协方差比例和不同航空气象数据转发（aircraft meteorological data relay,以下简称AMDAR）资料同化时间窗对台风“摩羯”预报的影响进行了数值研究。结果表明：加大集合协方差比例对台风“摩羯”路径预报有较大影响和改进;当全部取来自集合体的流依赖误差协方差时,预报的台风路径最好,降水预报也最接近实况;AMDAR资料同化对于台风路径和降水预报也有正的改进作用,但加大集合协方差比例到100%时对台风路径预报影响更大;不同资料同化时间窗会影响同化的AMDAR资料数量,从而影响台风降水精细化预报;45 min同化时间窗的要素预报误差最小,对台风造成的强降水精细特征预报最接近实况;不同资料同化时间窗主要影响台风降水预报落区分布,对台风路径预报影响相对较小。     

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。     

An experimenal analysis for the impact of 2D variation assimilation of satellite data on typhoon track simulation

A series of test simulations are performed to evaluate the impact of satellite-derived meteorological data on numerical typhoon track prediction. Geostationary meteorological satellite (GMS-5) and NOAA‘s TIROS operational vertical sounder (TOVS) observations are used in the experiments. A twodimensional variation assimilation scheme is developed to assimilate the satellite data directly into the Penn State-NCAR nonhydrostatic meteorological model (MM5). Three-dimensional objective analyses fields based on T213 results and routine observations are employed as the background fields of the initialization. The comparisons of the simulated typhoon tracks are also carried out, which correspond respectively to the initialization scheme with two-dimensional variation (2D- Var), three-dimensional observational nudging and direct assimilation of satellite data. It is found that, comparing with the experiments without satellite data assimilation, the first two assimilation schemes lead to significant improvements on typhoon track prediction. Track errors reduce by 18% at 12 h for 2D- Var and from about 16% at 24 h to about 35% at 48 h for observational nudging. The simulated results based on assimilating different kinds of satellite data are also compared.     

An experimental analysis for the impact of 3D variation assimilation of satellite data on typhoon track simulation

A series of test simulations are performed to evaluate the impact of satellite-derived meteorological data on numerical typhoon track prediction. Geostationary meteorological satellite (GMS-5) and NOAA‘ s TIROS operational vertical sounder (TOVS) observations are used in the experiments. A three-dimensional variational (3D-Var) assimilation scheme is developed to assimilate the satellite data directly into the Penn State-NCAR nonhydrostatic meteorological model (MM5). Three-dimensional objective analysis fields based on the T213 results and conventional observations are employed as the background fields of the initialization. The comparisons of the simulated typhoon tracks are carried out, which correspond respectively to assimilate different kinds of satellite data. It is found that, compared with the experiment without satellite data assimilation, the 3D-Var assimilation schemes lead to significant improvements on typhoon track prediction. Track errors reduce from approximately 25% at 24 h to approximately 30% at 48 h for 3D-Var assimilation experiments.     

Sequential assimilation in the wind wave model for simulations of typhoon events around Taiwan Island

We investigate the effect of data assimilation in the Wind Wave Model (WWM, Hsu et al., 2005) for wind wave simulations of typhoon events using an Optimal Interpolation (OI) method in the coastal waters of Taiwan. The main point of the present study is that the assimilation is conducted for typhoon events with short-time periods around an island. Five real typhoon events were used for numerical assimilation experiments with different combinations of the key parameters: the correlation length, the ratio of the errors between the observation and the prediction, and the number of measuring stations. The retrieved wind velocity is obtained using the wave energy growth curve computed from the WWM. The wave energy dissipation function suggested by Makin and Kudryavtsev (1999) was adopted in the data assimilation. This study shows that assimilation can improve the initial performance of the wave model, but it becomes insignificant after about 12 h. In summary, the OI approach is shown to be a reliable assimilation scheme for the WWM applied to typhoon events in the coastal waters of Taiwan Island.     

三维斜压台风模式 Ⅱ.预报试验

一种斜压多重移动套网格台网模式在国家海洋环境预报中心已被应用于海洋环境预报。本文第一部分已描述了模式方程组和数值方法。本文继续概述模式网格、变分调整初始化和预报试验结果。最外粗网格域固定,内部细网格域随台风中心轨迹移动。模式中,粗细网格变量采用双向耦合。平衡方程和方程,理想台风场和变分调整方案被用于台风模式初始化。一种简单而有效的资料同化方法,即用第6h台风报和弱约束变分原理调整初始场,被应用于提高预报结果。最后本文给出预报试验结果。预报误差统计显示本模式对台风路径预报具有相当能力,而且可以提供海面风和气压场较好的预报。本模式已经与海浪模式联结,得到满意的波高预报结果。     

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.     

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...     

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。     

基于四维变分同化方法的南海中尺度涡后报实验

海洋中尺度涡在本质上是属于满足准地转平衡的大尺度运动,因此理论上,其在短时间内的运动将主要受到准地转平衡关系的约束,而外部强迫场的影响在短期内不会明显改变其运动特征。基于上述思想,我们提出了一种基于四维变分同化初始场的中尺度涡旋预报方案。为了检验该方案的可行性,本文使用区域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和其内建的增量强约束四维变分同化(incremental strong constraint four dimensional variational, I4D-Var)模块,建立了一个南海海洋同化模拟系统。首先,通过I4D-Var方法将AVISO卫星高度计资料同化到海洋数值模拟中,获得了理想的中尺度涡同化模拟结果。同化、模式模拟和观测三者的中尺度涡统计结果表明,该同化系统模拟的南海中尺度涡的路径、半径、海表高度异常和振幅等特征信息与AVISO(Archiving ValidationandInterpolationofSatelliteOceanographicData)观测结果高度吻合,同时在深度上的分析表明,涡旋对应的温度、盐度和密度均得到有效的调整。然后,将该同化系统的模拟结果做为初始场,对某一特定时段的南海中尺度涡进行了后报模拟和结果的定量化分析。通过比较后报模拟与观测资料中对应涡旋的海表面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)相关系数、涡心差距和半径绝对误差,证明该方案的中尺度涡后报时效至少可达10 d以上。后报实验结果验证了该中尺度涡预报方案的可行性,从而为中尺度涡的预报提供一定的理论基础和可行性方案。