基于混合集合同化方案的台风“海鸥”的数值模拟研究

混合变分/集合同化是基于变分+集合思路新兴发展起来的一种资料同化方法。利用WRF和WRFDA最新版本3.5构建混合集合同化的流程,通过单点试验直观体现出混合集合同化方案“流依赖”背景误差协方差的影响。对台风“海鸥”路径和强度的模拟和分析表明,混合集合同化方案在台风路径和强度的预报上要强于三维变分同化方案。对比两种方案同化后的分析场表明,混合集合同化方案分析出的台风中心强度优于三维变分同化方案分析结果,其原因一方面是混合集合同化方案初始场是采用集合平均的结果,另一方面是混合集合同化方案采用“流依赖”背景误差协方差的影响,这两个因素对台风的预报准确性有一定作用。      

RTTOV和CRTM对“罗莎”台风卫星微波观测的模拟研究与比较

快速辐射传输模式中水成物辐射效应的考虑对卫星观测模拟具有重要的影响。利用区域中尺度数值模式WRF预报输出水成物含量和温湿廓线等参数,使用欧洲中期数值天气预报中心和美国卫星资料同化联合中心发展建立的快速辐射传输模式RTTOV和CRTM,结合雅可比模式计算得到的响应函数,分析了各种水成物辐射效应对AMSUA/B卫星微波观测各通道亮温模拟的影响,并比较了RTTOV和CRTM结果间的异同。结果表明,RTTOV和CRTM两个快速辐射传输模式计算得到的水成物响应函数和水成物辐射效应对模拟亮温影响特征基本一致,但量级上存在差异。雅可比表征的水成物响应函数和水成物本身的分布层次对应关系良好,云水和雨水的响应函数主要分布在中下层,冰水和雪则分布在中上层。相对于RTTOV,CRTM计算得到的水成物响应函数要大一些。对AMSUA,云水和雨水的辐射效应对通道模拟亮温主要以增温为主,尤其是在低频的窗区通道,冰晶和雪则体现散射效应为主的降温作用。对AMSUB,水成物辐射效应的考虑使得模拟亮温降低,尤其是通道2降温幅度最大。CRTM计算出的水成物辐射效应带来的模拟亮温变化幅度大于RTTOV。目前,CRTM除了考虑云、雨、冰和雪4种水成物外,还考虑霰和雹的辐射效应,对水成物辐射效应的考虑比RTTOV更完善一些。     

基于奇异矢量目标观测的梅雨锋低涡观测系统模拟试验

就江淮梅雨锋低涡预报基于奇异矢量目标观测作了观测系统模拟试验,目的在于对基于奇异矢量目标观测实际实施作预先研究,寻找目标观测中所要遵循原则和实施细节,以及用奇异矢量确定目标观测区的恰当方法。经分析实际奇异矢量相关误差如何影响预报特征,得出在实施目标观测时应遵循的原则：只对奇异矢量相关误差进行订正,不对非奇异矢量相关误差订正;对奇异矢量强相关误差区域优先订正能更为高效率地改进预报;对整个垂直气柱进行订正,而不只对满足阈值区域进行订正;应优先采用效率较高的第一类斜压订正方案。文中两种方法确定的目标观测区与实际奇异矢量相关误差区域在位置、大小、形状上比较相似,两种方法的目标观测区误差影响预报方式与真实奇异矢量相关误差影响预报方式很相近。     

目标观测设计与伴随敏感性分析

介绍了目标观测设计的基本思想和近年来国外相应开展的大气科学外场试验，以及在外场试验中实际应用的目标观测设计方法和取得的重要成果。重点讨论基于伴随模式的敏感性分析与目标观测设计及其相关的一些问题。     

Adjoint-based Sensitivity Analysis of a Mesoscale Low on the Mei-yu Front and Its Implications for Adaptive Observation

An adjoint sensitivity analysis of one mesoscale low on the mei-yu Front is presented in this paper. The sensitivity gradient of simulation error dry energy with respect to initial analysis is calculated. And after verifying the ability of a tangent linear and adjoint model to describe small perturbations in the nonlinear model, the sensitivity gradient analysis is implemented in detail. The sensitivity gradient with respect to different physical fields are not uniform in intensity, simulation error is most sensitive to the vapor mixed ratio. The localization and consistency are obvious characters of horizontal distribution of the sensitivity gradient, which is useful for the practical implementation of adaptive observation. The sensitivity region tilts to the northwest with height increasing; the singular vector calculation proves that this tilting characterizes a quick-growing structure, which denotes that using the leading singular vectors to decide the adaptive observation region is proper. When connected with simulation of a mesoscale low on the mei-yu Front, the sensitivity gradient has the following physical characters： the obvious sensitive region is mesoscale, concentrated in the middle-upper troposphere, and locates around the key system; and the sensitivity gradient of different physical fields correlates dynamically.     

利用NOAA/AMSU资料和GRAPES同化系统对陆面比辐射率计算的改进研究

地表比辐射率计算的不确定性,直接影响到卫星资料在数值预报中同化应用的效果。本文采用美国NOAA/NESDIS的Weng等[1,2]提出的复杂陆面比辐射率模式,同时用NOAA卫星AMSU-ACh1或Ch2反演的地表比辐射率来调整该模式所需的地表参数,从而在缺少详细地表参数的情况下,改进AMSU-A Ch3和Ch15的地表比辐射率计算精度。在积雪地表情况下,用NOAA卫星AMSU-A资料直接反演各通道的比辐射率,在GRAPES同化系统中的应用表明,结果有明显的改进。     

飞机积冰业务预报技术研究

分析研究了飞机积冰的物理过程和影响因子，试验对比积冰算法。采用MM5中尺度数值模式和预报产品，建立了飞机积冰预报模型，用历史飞机报告检验及业务运行验证，预报效果较好。     

FY-3A微波探测资料的直接同化应用及云雨条件下的亮温模拟

针对FY-3A星载微波垂直探测的同化应用,在扩展WRF3Dvar中FY-3A微波资料同化功能和快速辐射传输模式RTTOV微波云雨粒子散射RTTOV-SCATT模块接口的基础上,以2008年“凤凰”台风为研究对象,试验了FY-3A晴空条件下微波资料同化应用对数值预报的影响,并以此为控制试验,进一步讨论云检测方案和偏差订正调整对资料应用效果的作用。在WRF3Dvar同一框架下,使用RTTOV和CRTM云雨散射模块对云雨条件下FY-3A微波亮温进行模拟,分析云雨辐射效应对FY-3A微波温度和湿度传感器观测模拟的影响,并比较两个快速辐射传输模式结果间的异同。结果表明:本个例中FY-3A微波资料的使用对台风强度预报误差的减小比路径预报更为明显。云检测是影响卫星资料效能发挥的关键因素之一,3.0和5.0分别是MWTS和MWHS使用单窗区通道作为云检测时的合适阀值。使用FY-3A资料导出的偏差订正系数可以改善偏差订正结果,并提高预报准确率。此外,对于MWTS,通道1是受云雨粒子辐射效应影响最显著的通道,通道2同样具有明显影响。MWHS全部5个探测通道均受云雨粒子辐射效应影响,云雨条件下通道1、2的模拟偏差最大。RTTOV和CRTM的结果具有相同的统计特征,但CRTM云雨粒子辐射效应带来的偏差比RTTOV要大。      

用奇异谱分析诊断地面气温场低频振荡周期

采用ＳＳＡ方法分析我国东南地区地面气温场，发现明显存在周期为３５－４０天的季节内低频振荡。计算还表明，ＳＳＡ不仅能有效识别振荡分量，同样也是一种很好的时间滤波方法。