应用多普勒天气雷达资料对四川“7·3”暴雨的变分同化试验

针对2011年7月3日四川地区一次强降雨过程,以NECP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用中尺度数值天气预报模式WRF及其三维变分同化系统3DVAR,同时对多普勒天气雷达的径向速度和反射率因子进行了三维变分同化对暴雨模拟效果影响的研究.结果表明:同化了雷达资料后的初始场能够更加精细的刻画初始风场和水汽通量场的分布与数值,能展现出风场的辐合辐散区域,对水汽通量的中心位置有较大影响,大风速区域和水汽通量高值中心有较好的对应关系;同化了多普勒雷达资料后能较为明显的改变降雨落区及强度的预报精度,前6h有明显的改善作用,随着时间的增加改善作用逐渐减小,前9小时改进作用仍很明显,对比24小时实况降雨仍存在一定的改善作用;经过质量控制后的雷达资料对暴雨预报的改善作用要优于未进行质量控制的雷达资料以及每隔一小时加入一次雷达资料要优于每隔半小时加入雷达资料对于暴雨预报的改善作用.     

风廓线雷达资料在降水数值预报中的应用探讨

风场是水汽输送的主要动力,也是影响降水数值预报的重要因子。针对目前常规探空测风的分辨率不高、资料获取时间长、不能及时反映风场中小尺度变化的不足,以及在数值预报中应用受限的问题,采用同化风廓线雷达资料的方法,分析高分辨率的单点风场数据对初始场和预报场的作用。结果表明,把单点风廓线雷达资料在WRF模式中同化是可行的。同化后对风廓线雷达站点初始场的风场、湿度场改善明显,对站点周围一定范围内的流场也有不同程度的影响。同时降水强度和落区的预报结果也有不同程度的改善,尤其是风廓线雷达站下风方向比未同化前更接近实况,在其他方向上距离雷达越近改善效果越明显。另外,同化风廓线资料后,模式预报的涡度散度分布和水汽输送场也有不同程度的改善。     

FY-3A卫星MWHS资料同化及四川盆地暴雨数值模拟分析

为研究中国FY-3A(风云三号A卫星)资料在数值模式中对暴雨模拟的作用,以2012年07月03日发生在四川盆地的一次暴雨过程为个例。利用WRF(V3.3)模式和三维变分同化系统WRF-3DVAR,对FY-3A的MWHS(微波湿度计)资料进行同化试验研究。研究结果表明:同化MWHS资料后,相比控制试验,(1)同化方案A在降水区出现+3K的正增量中心和+10%的正增量湿中心,改善了大气能量场和湿度场信息;(2)同化方案A提高了降水区垂直速度和涡度场的数值和分布位置,并较好的刻画出风场的辐合辐散区域和水汽通量高值中心,准确模拟出水汽通量的中心位置;(3)对此次暴雨个例试验研究,在中东部、东北部主降水区,同化方案A模拟降水区分布形式较好,尤其是降水强度得到较大提高降水值达230mm,非常接近实况降水值(227mm),同化MWHS资料可以较好提高WRF模式降水预报能力。     

一次川东暴雨的雷达资料同化试验与诊断分析

为了对大尺度暴雨天气过程的雷达资料四维变分同化效果进行验证,选取2013年6月29日至7月2日发生在川东遂宁地区的一次暴雨天气过程,使用WRF中尺度模式进行雷达资料的同化模拟试验,并使用模式输出进行诊断分析。结果表明,高时空分辨率的雷达资料使短时间窗口的四维变分同化成为可能。同化结果能很好地改善由地形和初始场误差等因素带来的模拟缺陷,模拟输出场能完整再现整个暴雨的发生发展过程。副高西南侧低空急流带来的海上水汽与南亚季风自南向北带来的水汽共同构成了本次过程稳定的水汽供应通道。中β尺度涡旋的不断生消交替形成了该次暴雨过程的3次降水阶段。垂直方向不稳定能量的快速累积,缓慢释放以及垂直方向强的水汽输送交换,是造成该次过程降水时间长,量级大的主要原因。     

民航京沪穗数值预报系统在广州的本地化试验

为了调整优化基于WRF模式的民航京沪穗数值预报系统在广州本地的预报效果,使用3组不同的物理参数化方案和资料同化方案组合,对发生在2011年10月13日~14日广东地区的暴雨过程进行模拟。降水预报结果显示不同物理参数化方案和资料同化方案对降水预报有较大的影响,使用香港城市大学大气研究实验室实时预报系统推荐的参数化方案的降水预报好于加拿大温哥华地区业务运行的参数化方案,使用香港的方案,不同化自动站资料的预报效果好于同化自动站资料。而环流形势场、相对湿度场、水汽通量场和CAPE指数场对不同参数化方案的敏感性要小于降水场,另外还分析了系统连续15天预报结果。最终结果表明,不论是降水场还是形势场,使用香港城市大学的方案并且不同化自动站资料的评分优于其他2种方案,可以作为广州本地业务方案使用。     

2011年“7·3”特大暴雨天气过程诊断分析

为了更好的了解暴雨发生的机制且为未来预报奠定基础,需要对暴雨天气过程进行诊断分析.通过利用自动站降水观测资料、台站探空资料和NCEP逐6小时再分析资料,总结分析了成都地区2011年7月03至04日特大暴雨天气过程的环流背景和主要影响系统,并对相关物理量进行了诊断分析,结果表明:(1)这次降雨主要是在高空副高的突然加强西伸、低空西南急流的水汽输送和本地积聚的不稳定能量与弱冷空气侵入共同作用下产生的.(2)暴雨开始前,成都地区位于高空水汽通量散度梯度大值区北侧的辐散区.随着暴雨发展,水汽通量散度梯度区向北移动.(3)水汽通量散度正负临界值区和湿位涡对于本次降水落区的预报有较好的指示意义.在强降水区域,低层湿位涡的垂直正压项为明显的正值中心,斜压项为梯度大值区,斜压性很强.(4)风场在850hPa等压面和低层θe=325K(大约750hPa)等熵面上均表现为气旋式弯曲,有利于强降水的发生.     

2011年“7·3”特大暴雨天气过程诊断分析

为了更好的了解暴雨发生的机制且为未来预报奠定基础,需要对暴雨天气过程进行诊断分析.通过利用自动站降水观测资料、台站探空资料和NCEP逐6小时再分析资料,总结分析了成都地区2011年7月03至04日特大暴雨天气过程的环流背景和主要影响系统,并对相关物理量进行了诊断分析,结果表明:(1)这次降雨主要是在高空副高的突然加强西伸、低空西南急流的水汽输送和本地积聚的不稳定能量与弱冷空气侵入共同作用下产生的.(2)暴雨开始前,成都地区位于高空水汽通量散度梯度大值区北侧的辐散区.随着暴雨发展,水汽通量散度梯度区向北移动.(3)水汽通量散度正负临界值区和湿位涡对于本次降水落区的预报有较好的指示意义.在强降水区域,低层湿位涡的垂直正压项为明显的正值中心,斜压项为梯度大值区,斜压性很强.(4)风场在850hPa等压面和低层θe=325K(大约750hPa)等熵面上均表现为气旋式弯曲,有利于强降水的发生.     

FY-2D云导风在“鲶鱼”台风模拟中的同化试验

为了能给国内的云导风产品在通道的选择和使用方法上提供一些新的参考,以2010年的“鲶鱼”台风为个例,通过对FY-2D云导风产品在WRF模式中的同化对比试验,分析比较了同化了云导风资料之后的台风路径和位势高度场、风场的变化。结果表明,同化之后台风路径的偏差水汽通道要远大于红外通道,随着积分时间的延长,红外通道数据的加入对模拟台风路径的订正作用比水汽通道显著;模式使用不同同化方案的模拟结果也有明显的差别,其中以每24小时一次冷启动的同化循环方案对台风路径有较准确的模拟,而在分析不同通道导风质量优劣方面,则以热循环同化方案最佳。     

深圳“5·11”特大暴雨过程的水汽输送特征分析

利用NCEP/NCAR逐日风场和湿度场再分析资料(1°×1°)和深圳气象站地面气象观测资料,通过水汽通量、水汽通量散度的计算,对深圳2014年"5.11"特大暴雨过程与水汽输送的配置关系进行了分析。研究表明:南海为此次暴雨过程的主要水汽源地,暴雨落区位于边界层偏南风低空急流的前方;此次特大暴雨过程中存在两支低空急流——西南风低空急流和边界层偏南风低空急流,它们作为水汽通道,为暴雨的发生发展提供了充沛水汽,其中,边界层偏南风低空急流对此次暴雨影响更大,边界层的摩擦辐合和水汽堆积,为本次强降水过程提供了十分有利的条件。     

FY-3双星MWHS资料对江西暴雨的循环同化试验

为了提高卫星资料在同化系统中使用率及验证同化卫星资料的预报效果,采用循环同化方案并通过江西2012年5月11~14日的暴雨个例进行验证。试验设计了风三卫星MWHS资料的循环同化双星资料方案和单时次同化单星资料方案,并对方案的运行结果进行了分析。结果表明,使用MWHS资料可以改进湿度场和涡度场。相比单时次同化单星MWHS资料,循环同化双星MWHS资料方案能更好地改善湿度场和动力场,模拟的降水落区和强度更接近实况,其TS评分最优。单时次同化单星MWHS资料,选用降水期间探测的卫星资料同化效果更优。     

Study on the Transport of COD in the Sea Area Around Maidao off Qingdao Coast Using Data Assimilation

A two-layer pollutant advection-diffusion model is built to investigate the pollutant transport in the sea area around Maidao off Qingdao coast. An adjoint data assimilation technique is applied to estimate the optimal values of the model parameters. The experimental results on the initial field of pollutant indicate that the distribution of Chemical Oxygen Demand (COD) concentra- tion is sensitive to the horizontal eddy diffusivity. An appropriate value of horizontal eddy diffusivity is necessary in order to depict the influence of the initial field precisely, and it is also essential to the simulation of the advection-diffusion process of the pollutant. By inversion of the model parameters and optimization of the initial COD concentrations, the simulation results are improved sig- nificantly. The cost function is reduced to 40% of its first step value. The average misfit between the model outputs and the observa- tions in the upper layer decreases from 0.46 to 0.25 mg L-1, and that in the lower layer decreases from 0.22 to 0.14 mg L-1.     

Key nitrogen biogeochemical processes revealed by the nitrogen isotopic composition of dissolved nitrate in the Changjiang River estuary,China

Seasonal variations in the nitrogen isotopic composition of dissolved nitrate(δ 15 NO 3) were investigated in the surface waters of the Changjiang River estuary in 2009 and 2010. δ 15 NO 3 varied between-4.6‰ and 8.9‰ with changes in temperature, salinity, dissolved oxygen concentrations, and the composition of the dissolved inorganic nitrogen pool. In February, biological processes decreased because of low temperature, and the mean δ 15 NO 3 near the river mouth was 2.4‰. In May, δ 15 NO 3 was the highest in the surface waters among all seasons. Analysis on the conservative mixing revealed assimilation, and this fi nding is supported by positive relationship between Chl a and δ 15 NO 3. The fractionation factor of assimilation was estimated to be 2.0‰ by the Rayleigh equation. Nitrifi cation was supported based on the mixing behaviors in November 2010 and the low δ 15 NO 3 values in May and November 2009. The high ammonium concentrations in the adjacent marine area and positive relationships between total organic nitrogen and δ 15 NO 3 in November 2010 indicated that mineralization was taking place.     

双权重质量控制法在FY-3B/IRAS资料中的应用研究

变分同化卫星资料前需要采用严格的质量控制方法以剔除离群资料。文中进行了风云三号B星红外分光计资料的质量控制研究。选取2012年12月26日00时至2013年1月4日18时共10天IRAS全球L1c格式资料作为研究对象,基于通道亮温偏差利用双权重质量控制法,剔除受云、地表发射率影响和误差较大的离群资料。结果表明,通过双权重质量控制后,IRAS通道亮温偏差均值和标准差整体有所减少;偏差均值和标准差随时间变化很稳定。最后把此方法耦合到GRAPES同化系统进行IRAS资料的初步质量控制应用得到结果是可行的。     

局地化方法在集合转换卡尔曼滤波同化的适用性研究

为了探索协方差局地化（Covariance Localization,CL）方法在集合转换卡尔曼滤波（Ensemble Transform Kalman Filter,     

Adjoint Assimilation in Marine and an Example of Application

This paper aims at a review of the work carried out to date on the adjoint assimilation of data in marine ecosystem models since 1995. The structure and feature of the adjoint assimilation in marine ecosystem models are also introduced. To illustrate the application of the adjoint technique and its merits, a 4-variable ecosystem model coupled with a 3-D physical model is established for the Bohai Sea and the Yellow Sea. The chlorophyll concentration data derived from the SeaWiFS ocean colour data are assimilated in the model with the technique. Some results are briefly presented.     

The Nonlinear Interaction Process in the wave Assimilation Model and Its Experiments

This paper presents a composite interaction formula based on the discrete-interaction operator of wave-wave nonlinear interaction for deriving its adjoint source function in the wave assimilation model.Assimilation experiments were performed using the significant wave heights observed by the TOPES/POSEIDON satellite,and the gradinet distribution in the physical space was also analyzed preliminarily.     

Diagnosis of physical and biological control over phytoplankton in the Gulf of Maine-Georges Bank region using an adjoint data assimilation approach

The linkage between physical and biological processes, particularly the effect of the circulation field on the distribution of phytoplankton, is studied by applying a two-dimensional model and an adjoint data assimilation approach to the Gulf of Maine-Georges Bank region. The model results, comparing well with observation data, reveal seasonal and geographic variations of phytoplankton concentration and verify that the seasonal cycles of phytoplankton are controlled by both biological sources and ad-vection processes which are functions of space and time and counterbalance each other. Although advective flux divergences have greater magnitudes on Georges Bank than in the coastal region of the western Gulf of Maine, advection control over phytoplankton concentration is more significant in the coastal region of the western Gulf of Maine. The model results also suggest that the two separated populations in the coastal regions of the western Gulf of Maine and on Georges Bank are self-sustaining.     

中尺度MM4模式及其伴随模式

伴随方法是以数值天气预报的动力模作为约束条件的变分方法，相对传统的资料同化方法有很大的进步。介绍美国NCAR的中尺度MM4模式人它的伴随模式MAMSA1，它以一个有限区域的中尺度非线性预的模式模式为基础，采用伴随模式地其进行资料同化和预报。     

Numerical simulation of scatterometer assimilated wind and ocean wave in eastern China seas and adjacent waters

Using the latest version of Mesoscale Modeling System (MM5v3), we assimilated wind data from the scatterometer and built a model to assimilate the wind field over eastern China seas and adjacent waters and applied the wave model WAVEWATCH-Ⅲ to test the sea area with assimilative wind and blended wind of QSCAT and NCEP as driving forces. High precision and resolution numerical wave results were obtained. Analysis indicated that if we replace the model wind result with the blended wind, better sea surface wind results and wave results could be obtained.