GRAPES_Meso背景误差特征及应用

基于2015年6月—2016年5月GRAPES_Meso有限区域中尺度数值预报模式产品,采用美国国家气象中心（NMC）方法和高斯函数拟合方案统计中国区域的背景误差和水平相关尺度随纬度、高度和季节的变化特征。结果表明:控制变量的背景误差与水平相关尺度不仅随高度和纬度有明显变化,其中非平衡Exner气压和比湿具有明显的局地性和季节变化特征。非平衡Exner气压的背景误差在青藏高原地区较大,且冬季最大,夏季最小。比湿背景误差在低纬度热带季风区较大,且夏季最大,冬季最小。非平衡Exner气压和比湿的水平相关尺度在冬季最大,夏季最小。同时文中采用随高度变化的水平相关尺度替换GRAPES-3DVar中单一尺度参数,1个月的分析和模式预报试验表明,6 h的位势高度预报在对流层有明显改进;风场分析及其12 h内的预报在平流层改进明显;对24 h不同量级降水的预报有显著正贡献,也显著改善24 h内的小雨、中雨和大雨的空报现象,明显改善12~24 h特大暴雨的漏报现象。     

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统Ⅱ：区域分析及集合预报

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化方法能够分批同化常规观测资料,GRAPES集合卡尔曼滤波同化系统的设计及其与GRAPES三维变分同化系统的对比试验结果表明,GRAPES集合卡尔曼滤波系统能够得到合理的分析,并且具有实际运行能力。在此基础上,进行集合卡尔曼滤波区域同化分析及集合预报试验,对比区域模式面三维变分同化分析预报结果,研究表明,集合卡尔曼滤波分析比三维变分分析具有一定优势,降水预报更接近实况。考察了预报误差特征随天气形势的变化情况,表明预报误差相关场和均方差的分布随着天气形式不同而变化。     

云迹风资料的三维变分同化及对台风预报的影响试验

主要研究云迹风资料对三维变分同化分析场及台风预报的影响。首先分析了不同通道和层次的静止气象卫星云迹风产品的误差特征；然后，把云迹风资料放到GRAPES三维变分同化系统中进行同化，通过将不同观测类型资料的同化结果进行对比，探讨了红外通道和水汽通道云迹风资料对数值预报分析场的影响；最后，把同化后的分析场作为初始场，用WRF模式对2002年“森拉克”台风做24小时预报实验。结果表明，不同通道和层次的云迹风资料具有不同的误差特征；云迹风资料可以提高分析场和预报场中风压场的质量；而且在台风预报试验中可以更准确地预报台风的路径和降水。     

数字滤波初始化方案在高分辨率GRAPES区域模式中的应用研究

高分辨率同化系统中引入的高频率高密度观测信息会造成分析变量之间的不平衡,因而在模式积分中产生的虚假重力波会严重影响模式预报质量和运行稳定。为了抑制虚假重力波在模式中快速增长,文中通过在高分辨率GRAPES区域模式中应用非绝热数字滤波和增量数字滤波初始化方案,研究不同滤波截断周期的初始化方案对分析预报的影响。试验结果表明,不同初始化方案的分析预报效果依赖于截断周期,截断周期越长滤除的高频信息越多,对于3 km分辨率模式,30 min与15 min截断周期的初始化方案既滤除了高频噪音,也基本保留了有意义的分析信息。不同截断周期的数字滤波方案在GRAPES-MESO系统中对气象要素预报场的影响基本可忽略;而在GRAPES-RAFS系统中,初始化方案对分析和预报的影响会逐渐累积,15 min截断周期的初始化方案比2 h截断周期的初始化方案的风场预报和降水预报质量更优。      

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统Ⅰ:系统设计及初步试验

集合卡尔曼滤波资料同化方法,可以用集合样本统计出随天气形势变化的误差协方差,是当前资料同化领域的研究热点。主要介绍了GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的设计以及初步的试验结果。针对集合卡尔曼滤波同化实际观测资料难以实施的问题,采用成批观测同化的顺序同化方法进行多变量的集合卡尔曼滤波同化;为了滤除有限集合数造成的误差相关噪音和缓解求逆矩阵不满秩的问题,在水平和垂直方向都采用了Schur滤波;建立了与GRAPES预报模式的垂直坐标和预报变量一致的模式面集合卡尔曼滤波系统;集合样本的生成考虑了模式变量的空间相关和模式变量之间的相关,通过利用三维变分分析中的控制变量变换得到模式变量扰动场。通过比较GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统和GRAPES区域三维变分资料同化系统的单点观测资料同化分析结果,对比背景误差相关系数的分布,验证了GRAPES集合卡尔曼滤波系统的正确性。此外,同化区域探空观测资料试验结果表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统能够得到合理的分析,并且具有实际运行能力。对分析结果进行12h预报表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的分析协调性不如三维变分资料同化系统。     

非线性平衡方案在三维变分同化系统中的应用

文中考虑气流出现明显的弯曲和辐合时,资料变分同化方案中的风压场间动力学约束问题。在强涡旋、锋面等剧烈变化的系统中,地转平衡和线性平衡方程均不能很好地描述风压场关系,非线性平衡方程考虑了流场曲率的作用,能更恰当地反映风压场的关系。把非线性平衡方案应用于三维变分同化分析系统中,可以得到和天气形势相关联的模式变量背景误差协方差,对热带气旋进行同化试验后得到的分析场更协调。结果表明,非线性平衡方程的应用,可以提高强涡旋系统中三维变分同化分析场的质量,对热带气旋强度预报有一定的改善。     

全球大尺度信息在3 km GRAPES-RAFS系统中的应用

为了缓解快速分析预报循环过程中固定边界条件造成的预报锁定,缩短动力、热力调整时间,提高模式预报能力,全球模式产品的大尺度部分的信息被引入GRAPES-RAFS系统中,通过二维离散余弦变换方法对全球模式产品和区域分析进行谱分解,获得综合全球大尺度和区域中小尺度信息的混合尺度分析。通过2018年5月9日—6月9日1个月间歇分析预报循环,比较对照试验和混合尺度分析试验的冷启动和暖启动预报结果表明,在快速分析预报循环中,全球大尺度信息的加入不仅增加分析的大尺度部分信息和降低地面气压倾向,缩短模式预报的动力、热力调整时间,且地面要素场、分析场和降水的暖启动预报质量有显著提高;台风艾云尼路径预报也更加接近观测。另外,GRAPES-RAFS循环的暖启动与冷启动预报相比,初始场更加协调,但地面2 m气温和10 m风场的预报质量比冷启动预报差,且其ETS降水评分也明显低于冷启动预报。混合尺度方案在RAFS系统中的应用能有效提高初始场的协调性,地面、高空要素和降水预报质量得到提升。      

FY-2C云迹风资料时空分布特征分析

利用统计方法分析我国FY-2C静止卫星红外、水汽通道云迹风资料的数量和误差分布特征,通过分别统计昼夜、不同区域、冬夏季和不同年份的资料分布情况,得到以下主要结论:(1)云迹风资料在白天和黑夜80%以上的可用点资料都集中在200~300 hPa,但白天的资料总个数多于黑夜;误差统计结果表明在资料比较集中层次,昼夜的平均误差、标准误差和均方根误差变化趋势相近。(2)不同区域云迹风资料可用点的数量垂直分布差异不明显,而不可用点的数量分布差异很大;同时发现两个区域的3种误差表现出一定的区域性特征,高原地区的误差整体小于低海拔地区的。(3)冬夏季的统计结果表明云迹风资料在冬、夏季资料总个数及垂直分布变化不同,夏季资料个数多,且主要分布在200~300hPa,而冬季主要分布在100hPa和400hPa;误差统计结果表明夏季误差小、冬季误差大。(4)不同年份的数量统计表明:2005年和2008年的资料个数变化不大,但是IR1资料的数量垂直分布差异很大,而IR3的差异不明显;误差统计结果表明2008年云迹风资料的均方根误差整体比2005年的小。(5)在误差分析中发现,无论IR1资料还是IR3资料都存在一定的平均误差,但标准误差,即随机误差仍是产生均方根误差的主要原因。      

GRAPES全球模式的模式误差估计

现代数值天气模式考虑的物理过程和边界条件越来越复杂, 但是它描述的大气状态和真实的大气流体运动轨迹还有一定的差距, 存在模式误差。在以往的研究中, 模式误差往往被忽略, 在集合卡尔曼滤波同化系统中, 如果忽略模式误差会导致滤波发散现象。本文用不同分辨率的模式预报差异估计了GRAPES全球模式的模式误差, 研究发现模式误差随着分辨率降低而线性增加, 而且模式误差随着预报时效的增加呈现线性增长的趋势。     

CMA-MESO关键技术集成及应用

基于GRAPES-MESO 10 km系统,提高模式动力框架计算精度和稳定性,选择调试适合高分辨率模式的物理过程参数化方案组合,建立面向数值天气预报的全国雷达质量控制拼图系统,通过云分析系统融合全国三维组网反射率因子拼图,建立面向中小尺度系统的对流可分辨同化系统和陆面资料同化系统,实现雷达径向风、风廓线雷达、FY-4A成像仪辐射率、卫星云导风、卫星GNSSRO、地面降水观测以及近地面资料等非常规局地稠密资料的同化应用,发展快速循环技术,建立全国3 km间隔3 h的快速循环同化预报系统——CMA-MESO（GRAPES-MESO 3 km）并实现业务化运行。2020年6—9月汛期业务检验结果表明:CMA-MESO预报的近地面要素（降水、2 m温度、10 m风场）检验评分全面超越GRAPES-MESO 10 km结果;CMA-MESO的24 h累积降水TS评分略低于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的结果,但逐3 h累积降水预报TS评分尤其是对于较大降水阈值评分明显优于ECMWF结果;同时,对于能够表征模式对降水时空精细化特征预报能力的降水频次和降水强度等检验,CMA-MESO对我国汛期的预报准确率超过了ECMWF细网格模式结果。