COSMIC资料在GRAPES全球三维变分同化系统的初步研究

利用COSMIC获得的GPS无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料,在GRAPES全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验,研究了加入COSMIC资料后得到的GRAPES分析场及其5天中期预报是否有所改善。研究结果表明：通过加入COSMIC资料连续循环同化得到的分析场,相对原来没有加COSMIC资料连续同化出来的GRAPES分析场有明显改善,由此GRAPES全球模式全球5天中期预报水平有明显提高,其中加入没有稀疏化后COSMIC资料对南半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都比较显著;加入稀疏化后的COSMIC资料对北半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都有比较显著的效果。     

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。     

THE IMPACT OF DIFFERENT PHYSICAL PROCESSES AND THEIR PARAMETERIZATIONS ON FORECAST OF A HEAVY RAINFALL IN SOUTH CHINA IN ANNUALLY FIRST RAINING SEASON

An ensemble prediction system based on the GRAPES model, using multi-physics, is used to discuss the influence of different physical processes in numerical models on forecast of heavy rainfall in South China in the annually first raining season(AFRS). Pattern, magnitude and area of precipitation, evolution of synoptic situation, as well as apparent heat source and apparent moisture sink between different ensemble members are comparatively analyzed. The choice of parameterization scheme for land-surface processes gives rise to the largest influence on the precipitation prediction. The influences of cumulus-convection and cloud-microphysics processes are mainly focused on heavy rainfall;the use of cumulus-convection parameterization tends to produce large-area and light rainfall. Change in parameterization schemes for land-surface and cumulus-convection processes both will cause prominent change in forecast of both dynamic and thermodynamic variables, while change in cloud-microphysics processes show primary impact on dynamic variables. Comparing simplified Arakawa-Schubert and Kain-Fritsch with Betts-Miller-Janjic schemes, SLAB with NOAH schemes, as well as both WRF single moment 6-class and NCEP 3-class with simplified explicit schemes of phase-mixed cloud and precipitation shows that the former predicts stronger low-level jets and high humidity concentration, more convective rainfall and local heavy rainfall, and have better performance in precipitation forecast. Appropriate parameterization schemes can reasonably describe the physical process related to heavy rainfall in South China in the AFRS, such as low-level convergence, latent heat release, vertical transport of heat and water vapor, thereby depicting the multi-scale interactions of low-level jet and meso-scale convective systems in heavy rainfall suitably, and improving the prediction of heavy rainfall in South China in the AFRS as a result.     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

GRAPES全球集合预报的集合卡尔曼变换初始扰动方案初步研究

初始扰动方案是集合预报研究的核心问题之一.文中根据最新提出的基于集合卡尔曼变换(ETKF)理论的集合初始扰动方案,利用模拟观测系统及其调整的观测误差与放大因子的方案,研究发展了针对中国GRAPES全球预报系统的集合初始扰动方案,建立了GRAPES全球集合预报系统.利用14个集合成员进行了近两个月的集合预报试验,重点研究了初始扰动的结构特征、扰动振幅以及扰动增长特征,分析了集合扰动初始场的质量与性能.初步试验结果表明,基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合初始扰动能够较好地反映分析误差方差的主要模态结构和扰动振幅,并具有比较合理的集合离散度.分析误差方差能够准确地反应模拟观测资料的空间分布特征.初始扰动方差近似等于预报误差方差,并对全球观测系统的空间变化具有准确的响应.集合扰动具有合适的增长率,在96 h的预报时效内可以有效地保持适当的集合离散度.52 d集合预报统计分析显示,北半球集合平均的预报质量评分相对于控制预报具有较明显的优势,副热带高压特征线的个例预报也表明GRAPES全球集合预报在短期预报时效内具有很好的预报效果.基于ETKF初始扰动方案的GRAPES全球集合预报系统显示出良好的发展前景和应用潜力.     

曲率修正线性平衡方程及其在变分同化风压约束中的应用

针对强涡旋系统（热带气旋、一些中尺度系统）变分同化分析中风压平衡约束关系的特点,提出了一个新的风压平衡约束关系——曲率修正线性平衡方程,它具有形式与线性平衡方程相同,并清晰地包含了曲率的作用,同时,当曲率较小时可退化成线性平衡方程。曲率修正线性平衡方程能方便地应用于中国数值预报研究中心开发的三维变分同化分析系统Grapes3DV中,试验结果证明其具有较好的效果和较理想的特性,提高了分析质量,并改善预报水平。     

编后记

正今年是中国气象局广州热带海洋气象研究所成立四十周年,《热带气象学报》编辑部专门编发了这期专刊作为纪念。中国气象局广州热带海洋气象研究所(以下简称热带所)是中国仅有的以热带和海洋气象作为主要研究方向的专业气象研究所。廿十世纪七十年代建所之初,研究工作集中在热带天气系统与热带数值天气预报,同时也开展人工影响天气试验与大气环境评价。在二十世纪七十年代末至八十年代初曾主导了华南前汛期暴雨试验、热带环流     

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。     

GRAPeS三维变分同化系统的理想试验

文中介绍了一种新的、适合格点模式的三维变分同化方案GRAPeS 3DVAR。该方案采用相互独立的流函数、非平衡速度势函数、非平衡位势和水汽作为分析变量。通过变量变换对目标函数进行预调节 ,不仅避免了直接计算背景误差协方差逆矩阵的困难 ,而且改善了Hessian矩阵的性状 ,提高了收敛速度。采用EOF分解方法 ,将三维分析变量投影到垂直摸态上 ,分解成为二维场 ;水平方向采用数字 (递归 )滤波器代替矩阵运算 ,实现和简化了方案的求解。此外 ,还考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系。理想试验结果表明 ,GRAPeS 3DVAR能够正确地反映多变量之间相互作用关系 ,收敛迅速 ,分析结果合理     

EXPERIMENTAL STUDIES WITH AN OPERATIONAL NUMERICAL MODEL FOR PREDICTION OF TYPHOON TRACKS OVER THE SOUTH CHINA SEA REGION

Experiments for short range forecasting of typhoon tracks over the South China Sea Region were carried out using limited-area numerical model recently developed by the authors.Due to the shortage of sounding data over the sea, typhoon circulations are usually obtained incompletely from objective analysis, or with significant deviation of the centre from reality.Therefore a set of schemes for typhoon initialization are proposed here to construct a bogus typhoon with the circulation being consistent with the physical processes included in the limited-area model.Based on the schemes bogus data over the model grids are created and analysed together with conventional observational data.Then the normal model initialization scheme is issued to further modulate the model typhoon with the numeriCal modeel.Some experiments of sensitivity in various aspects are conducted for further improvement of typhoon track predictions.The experimental results for a number of typhoon landing in southern China in 1993 and 1994 shows that the limited-area model is capable of predicting typhoon tracks in the southern China region.