资料同化方法研究进展

数值天气预报模式的不断完善和大气观测探测资料（特别是卫星、雷达等非常规探测资料）的大量涌现,推动着资料同化方法的逐步发展.文章主要回顾了资料同化方法研究的发展过程、目前的应用现状以及对未来同化方法的展望.随着人们对资料同化含义的深入理解,对于资料同化的研究由初始的探索阶段逐步发展到以经验性为主的同化方法,主要包括SCM和nudging;统计方法的引入,成为资料同化方法研究发展道路上具有重要意义的一个里程碑,从而出现了多元统计插值同化,比如OI,3D-Var以及PSAS;针对背景误差协方差固定不变与实际情况的差异,考虑时间维的四维资料同化方法成为目前国际上较为主流的同化研究方法,其中以4D-Var和Kalman滤波为代表;随着计算机技术的进步,更加合理的四维资料同化方法将会成为未来业务预报中主要的资料同化方法.     

AMDAR资料在北京数值预报系统中的同化应用

该文针对北京市气象局业务快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC),通过对有无飞机观测资料参加同化的预报试验客观要素预报均方根误差和降水量TS评分的对比分析,探讨了飞机观测资料对短期数值天气预报的影响。结果表明:飞机观测资料的同化对于前9 h预报时效内的高空风和温度预报有明显的正面影响。其中,对风预报的正面影响集中在925~250 hPa高度上;而对温度预报的正面影响主要体现在850~400 hPa之间的各层内。在快速更新循环的暖启动模式下,飞机观测资料同化比冷启动模式下带给预报结果更明显的正面贡献。飞机观测资料参加同化对于降水预报技巧的提高也有正面效应,对24 h和12 h累积降水量TS评分以及12~18 h和18~24 h时段内的6 h累积降水TS评分有明显提高,提高的最大幅度达50%,并对相应阈值和时段内无飞机观测资料参加同化的试验中雨区偏大现象有改善。分析增量分布特征与同化带来的风温要素3 h预报改进的垂直特征基本对应,表明飞机观测资料参加同化对初始场中风场和温度场质量的改进。     

T63资料同化中分析增量垂插值方案及其试验

文章介绍了国家气象中心Ｔ６３资料同化系统中分析增量ρ－η坐标变换的垂直插值方案以及与全量插值方案对比试验的结果，试验表明，增量方案可减小垂直插值误差，提高初值质量，从而对改进资料同化和中期数值天气预报起到一定作用。     

变分同化及卫星资料同化

文章介绍了变分同化方法和卫星资料同化，并就其实际应用中的一些问题进行了讨论。     

客观分析和四维同化——站在新世纪的回望（I）客观分析概念辨析

该文专论客观分析的概念。从大家熟悉的名词“分析”入手，给客观分析下一个相当精确的定义。介绍了客观分析定义的历史演变，同时发表了对这些定义的评论。阐述了客观分析乃是应数值预报的需要而诞生，但又有独立于数值预报的多种用途。辨析了客观分析同数值预报的初值、插值和四维同化的关系，强调了客观分析的重要性，希望以此能稍稍改变国内看重模式研究、轻视分析工作的不正确观念。     

对中尺度遥感资料进行四维同化的共轭方法及其数值研究

本文探讨了数值天气预报过程中对非定时观测的常规遥感气象资料进行四维同化，形成预报初始场的新途径，把数值预报初始场的形成提为数学上的一类反问题，运用数值模式及其共轭方程对象气资料进行变分同化的共轭方法，使众多观测资料的四维同化与时变的动力模型在初始场的形成过程中统一考察，克服了以往一些方法的局限性，从理论和数值角度证明该方法的可行性，表明该方法有可能作为发展一个新的初值方案的雏形，有潜在的应用价值。     

数值天气预报中卫星资料同化应用现状和发展

卫星资料已大量应用于数值天气预报,占据了所用观测资料的主体并对数值天气预报效果的改善具有明显的作用。目前卫星资料的同化应用一方面在努力解决受地表辐射、云和降水影响的卫星观测资料的同化问题,以充分利用现有卫星资料并发挥其效能,同时发展适应伴随全球观测系统建立而带来大数量和多种类新类型卫星资料的同化应用。文章介绍了为满足卫星资料在数值天气预报中同化应用现状与发展而建立的两个卫星资料同化研究中心(JCSDA:Joint Center of Satellite Data Assimilation和NWP SAF:Satellite Applications Facility for Numerical Weather Prediction)的基本情况,并简要讨论我国数值天气预报中卫星资料同化应用。     

一个简单的热带有限区资料四维同化方案

根据广州区域气象中心热带有限区数值天气预报的条件和特点,设计了一个简单可行的四维同化方案,并通过模式平行试验,详细地分析了该方案对分析和预报的改进情况,表明该方案可以得到一个较为平衡而又与模式大气状态近于协调一致的分析场,大大缩短了模式的Spin—up时间和减小了积分初期模式调整的幅度,从而改进了预报结果。这种改进在资料稀疏区比资料密集区要大得多。通过四维同化,模式的高度场预报、风场预报、质量场及总动能在积分过程中的演变等都得到了令人满意的改进。通过在同化过程中区别对待20°N以南的资料稀疏区及其以北的资料密集区,进一步使模式降水预报得到显著的改进。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

T63 资料同化中分析增量垂直插值方案及其试验

文章介绍了国家气象中心T63资料同化系统中分析增量p-η坐标变换的垂直插值方案以及与全量插值方案对比试验的结果。试验表明,增量方案可减小垂直插值误差,提高初值质量,从而对改进资料同化和中期数值天气预报起到一定作用。     

国家气象中心T63四维资料同化试验

文章简单地介绍了国家气象中心T63四维资料同化系统试验方案及试验的初步结果。试验结果表明，该系统计算稳定，是一个较好的同化方案;T63L16中期数值天气预报谱模式利用它提供的初始条件制作了7天全球预报，预报结果优于T42L9业务系统。     

观测资料与模式的协调性对同化效果的影响

针对资料同化时模式与观测资料不协调导致的同化失效问题, 利用国家气候中心NCCo简化海气耦合模式, 基于一种提取观测资料中与模式相协调信息分量 (也称模式可协调信息) 的资料重构方法, 探讨了观测资料和模式的协调性对资料同化效果的影响。结果发现: 利用简单海气耦合模式同化海表温度距平资料时, 由于模式与资料不匹配使同化后的初始场中产生与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 这些小扰动在预报阶段会迅速增长, 污染预报结果, 使得预报失败。研究还发现, 无论在耦合或不耦合同化形式下, 对海温资料中的模式可协调分量进行同化时, 预报效果明显好于对原观测资料的同化。其缘于对观测海温中模式可协调信息分量同化生成的初始场中, 消除了与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 突出了原始资料中与模式协调的ENSO尺度信息分量, 改善了初始场与模式的协调性, 从而提高了模式的预报技巧。     

Insights into the Microwave Instruments Onboard the Fengyun 3DSatellite: Data Quality and Assimilation in theMet Office NWP System

正1Met Office, Exeter EX1 3PB, UK2National Satellite Meteorological Center, China Meteorological Administration, Beijing 100081, China     

All-sky Data Assimilation of MWTS-2 and MWHS-2 in the Met Office Global NWP System.

Microwave radiances from passive polar-orbiting radiometers have been, until recently, assimilated in the Met Office global numerical weather prediction system after the scenes significantly affected by atmospheric scattering are discarded.Recent system upgrades have seen the introduction of a scattering-permitting observation operator and the development of a variable observation error using both liquid and ice water paths as proxies of scattering-induced bias. Applied to the Fengyun 3 Microwave Temperature Sounder 2(MWTS-2) and the Microwave Humidity Sounder 2(MWHS-2), this methodology increases the data usage by up to 8% at 183 GHz. It also allows for the investigation into the assimilation of MWHS-2 118 GHz channels, sensitive to temperature and lower tropospheric humidity, but whose large sensitivity to ice cloud have prevented their use thus far. While the impact on the forecast is mostly neutral with small but significant shortrange improvements, 0.3% in terms of root mean square error, for southern winds and low-level temperature, balanced by 0.2% degradations of short-range northern and tropical low-level temperature, benefits are observed in the background fit of independent instruments used in the system. The lower tropospheric temperature sounding Infrared Atmospheric Sounding Interferometer(IASI) channels see a reduction of the standard deviation in the background departure of up to 1.2%. The Advanced Microwave Sounding Unit A(AMSU-A) stratospheric sounding channels improve by up to 0.5% and the Microwave Humidity Sounder(MHS) humidity sounding channels improve by up to 0.4%.     

Coupling Ensemble Kalman Filter with Four-dimensional Variational Data Assimilation

This study examines the performance of coupling the deterministic four-dimensional variational assimilation system (4DVAR) with an ensemble Kalman filter (EnKF) to produce a superior hybrid approach for data assimilation. The coupled assimilation scheme (E4DVAR) benefits from using the state-dependent uncertainty provided by EnKF while taking advantage of 4DVAR in preventing filter divergence: the 4DVAR analysis produces posterior maximum likelihood solutions through minimization of a cost function about which the ensemble perturbations are transformed, and the resulting ensemble analysis can be propagated forward both for the next assimilation cycle and as a basis for ensemble forecasting. The feasibility and effectiveness of this coupled approach are demonstrated in an idealized model with simulated observations. It is found that the E4DVAR is capable of outperforming both 4DVAR and the EnKF under both perfect- and imperfect-model scenarios. The performance of the coupled scheme is also less sensitive to either the ensemble size or the assimilation window length than those for standard EnKF or 4DVAR implementations.     

土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。     

雷达资料同化频次对数值模拟效果影响的试验

采用中尺度数值天气预报模式WRF3.2, 研究了不同的同化时间间隔对2011年7月3~4日成都暴雨模拟的影响。结果表明, 同化了雷达资料后, 使初始场的水汽场、水平风场、垂直速度的分布更加接近实况;除温度场外, 同化频次越高对初始场的影响越大, 水平风场的增量值越大, 呈现的中小尺度信息越多, 更加接近“真实”大气;经过多次同化, 中低层风场的改变已经传递到高层, 引起了高层流场的调整;同化雷达反射率资料是有效的, 能够调整大气中的水汽分布。