用“舍入误差表”审核气表

我们在审核气表过程中发现,由“四舍五入”引起的计算误差存在某些规律性。如用数理统计方法去研究这些规律性,并应用于气表审核工作,则能收到多、快、好、省的效果。 一、舍入误差及其规律性 1.平均值的舍入误差 在求某些气象观测数据的平均值时,一般都是计算到某一位后“四舍五入”,得出其近似值。 如设所得近似值为X′,并用X代表准确值,则△X=X′-X     

舍入误差对大气环流模式模拟结果的影响

此文旨在研究气候数值模式的长期计算时受舍入误差的影响。通过对大气环流谱模式SAMIL采用不同CPU数计算时获得的长时间积分结果进行分析,发现使用不同CPU数进行单精度计算时,其十年平均月平均500 hPa高度场随机误差在正负6～8 gpm范围内,而使用双精度计算时相应的误差为正负3～4 gpm。对于气候平均场而言,作者的试验表明SAMIL在并行计算时由于计算顺序改变而引起的误差在可接受范围之内。然而,虽然舍入误差的全球平均值不大,但其误差分布的差别范围并不小。数值试验得到的不同模拟结果之间误差大小与模拟结果的自身年际变化大小在同样的量级,因此对于“年际变化”这样的问题来说,其影响是不可忽略的,必须要使用集合预报的办法来减小误差的影响。文中列出了3种研究复杂数值模式舍入误差的实验方法,指出其一定条件下的等效性和不同适用范围,对于其他模式的舍入误差影响研究有一定的参考价值。在舍入误差分析的基础上,介绍了一种新型的专门针对舍入误差的集合预报方法（舍入误差平均集合,RME）,指出了其在气候模拟研究中的应用价值。     

气候数值模拟研究中初始场衰减理论的理解和应用

根据对大气原始方程的定性理论和相空间的理论研究,初始场对数值模拟的作用会随着时间的增长而逐步衰减.文章分析初始场作用衰减理论的关键问题,通过对大气环流谱模式SAMIL和ECHAM的数值试验,在实际的计算环境中研究其初始场作用的变化情况.研究中使用到对舍入误差干扰的一种集合消减方法(REME),保证了验证试验所受舍入误差的影响小于给定的范围.结果表明有舍入误差存在的计算环境中,当初始差别较大时,其逐步衰减到一个波动值.而对于特别微小的初始场差别,其长期影响也应是衰减的,但由于计算精度有限,可能会出现增大到一个波动值的现象,这些结果与非线性误差理论所描述的误差饱和现象一致.试验得到了具体模式的衰减速率曲线,发现衰减需要的时间范围大约为40-60 d.文中还利用初始场作用衰减的理论探讨了如何解释初始场集合预报(IME)能够减少模拟结果误差的现象.     

用“补去法”对几项统计进行预审的简便方法

要保证报表质量,预审员要把好关,按照要求对每项记录认真审查。这里介绍用“补去法”对日统计进行预审的简便方法。 由于四舍五入的影响,用日平均值乘以观测次数,其乘积与日合计之差,有一定的范围,四次项目在 0.2～-0.1(相对湿度在 2％～-1％,气温、地温为负值时在     

四舍六入法程序

四舍五入是大家熟悉的一种数字修约规则,但大量实践表明,采用四舍五入法修约数据会造成系统误差,使结果误差增大。因采用四舍五入法处理数据,进位的项数有5个,舍去的项数则是4个,这样修约的数据进位的可能性比舍去的可能性要大,因此,处理后的数值会偏离原来的实际数值。     

侧向边界条件处理方式对局部地区数值天气预报误差的影响

在[1]中,已以最简单的正压模式为例,根据守恒定律构造了差分格式,并证明在一定条件下,这些格式都是可以预报的,其可预报期的长短则与格式参数、粘性系数、初始条件观测误差,计算舍入误差和大气变化剧烈程度等因素有关。在[2]中,还分析了侧向边界     

数值模式预报时效对计算精度和时间步长的依赖关系

通过数值计算研究Lorenz非线性动力系统,探讨了非线性动力系统中初值问题的解对时间步长和计算精度的依赖关系,从新的角度研究动力系统的预报时效问题,讨论了评价舍入误差对预报时效影响程度的方法。实验结果表明:动力系统的预报时效不仅与初值误差有关,而且在一定条件下敏感地依赖于计算采用的时间步长和计算精度。     

数值积分过程中截断误差和舍入误差的分离方法及其效果检验

本文讨论数值积分过程中截断误差和舍入误差的分离方法和理论,解析地给出某些数值计算方法的理论截断误差,并以此来分离计算结果中的误差.然后引入参考解的办法,用来分离更为一般的微分方程求解过程中的截断误差和舍入误差.以参考解算法为基础,对一个偏微分方程的数值解进行计算,所得结果与采用理论截断误差得到的结果进行了对比,发现:(...     

数值天气预报中的差分方法——非线性差分格式的误差估计

在数值天气预报的差分方法中应考虑:一是根据物理定律构造合适的格式,二要估计初始条件观测误差,计算舍入误差或侧向边界条件计算误差对预报值的影响,三要克服非线性不稳定现象。一般把格式的守恒性当作克服不稳定性的一种重要手段,但只有定性的说明,可见[1]-[4]。1965年作者提出了加权平均守恒法,也提供了严格估计误差的一种方法,本文以最简单的全球预报正压模式为例来说明它。     

利用大气环流模式讨论舍入误差对东亚和西北太平洋夏季气候模拟的影响

采用单精度和双精度编译的大气环流模式对东亚以及西北太平洋气候进行集合模拟,分析舍入误差对大气环流模式在东亚和西北太平洋区域夏季气候模拟的影响,结果表明采用双精度编译的模式在850 hPa环流场比单精度模式模拟效果要好。为了进一步分析双精度模式模拟效果优于单精度模式的原因,集中研究了850 hPa纬向风场的模拟情况。结果表明,双精度模式对东亚以及西太平洋850 hPa纬向风场第1模态有着更好的模拟,而且第2模态的时间序列与再分析资料850hPa纬向风场的第2模态时间序列有着更好的相关。这些结果表明,由于舍入误差的影响使得该区域大气内部噪音更强烈,从而使得海温强迫导致的气候变率变弱,进而使得双精度编译的模式对东亚和西北太平洋区域气候的模拟要优于单精度模式。     

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。      

基于空间梯度信息的质量控制方法在红外高光谱AIRS资料同化中的应用研究

本文利用中尺度非静力WRF(Weather Research Forecast, Version 3.4)模式, 针对1013号“鲇鱼”台风个例, 通过对红外高光谱AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料经过基于空间梯度信息的质量控制之后同化进入模式, 来评估新的质量控制方法对同化效果的影响以及对台风数值模拟的改善情况。研究结果发现, 如果仅仅基于WRFDA(WRF Data Assimilation system, Version 3.4)模式自带的质量控制系统, 将会有部分梯度距平值明显较大超过阈值的资料被同化进入模式, 而这些可能受到“污染”且误差较大的资料同化进入模式必将会导致同化结果有较大误差, 影响分析结果的质量。而对AIRS资料经过基于空间梯度信息质量控制之后再同化进入模式, 确实可将梯度距平值大于阈值的“坏点”剔除掉, 从而使初始场的描述更加准确, 台风路径的模拟精度在一定程度上得到提高。综上可知, 基于空间梯度信息的质量控制方法整体上对改善同化效果有较好的正效应, 对台风的数值模拟也起到一定的促进作用。     

谈谈高空气象探测的内在质量问题

高空气象探测自1983年以来,相继推广《PC—1500计算机探空程序系列》和《PC—1500计算机测风、探空联机运行程序系列》,起到了大幅度提高时效和减轻高空气象探测人员劳动强度,减少原手工处理资料时产生视差环节(含四舍五入进位的精度误差)和出错机率等作用,同时统一了技术规定标准,避免了人为理解差异所造成的执行差异,提高了记录质量。但是,随着高空气     

全球探空站附近掩星观测资料误差估计北大核心

利用2016年1月1日至2020年10月1日GPS无线电掩星观测、探空观测、美国微波综合反演系统(MiRS)卫星微波资料反演产品、美国国家环境预报中心全球预报系统(Global Forecast System,GFS)分析资料和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料这5种资料,采用“三角帽”方法,估计GPS掩星资料的观测误差,分析了资料集之间偏差和误差相关性对观测误差估计值的影响。结果表明,用MiRS资料替代ERA5再分析资料后所得到的掩星观测误差大于用掩星、探空观测、GFS分析和ERA5再分析资料的掩星观测误差。掩星观测误差随纬度增加而减小。本文对即将到来的掩星资料的合理应用具有重要意义。     

预报台风路径的“RSWA”*方法性能分析

本文通过大量样本计算分析,试图阐明“RSWA”台风路径预报方法的性能。得出预报结果的优劣主要依赖台风初始位置及前期路径的局部特征(如移动方向和速度),从而找出了“RSWA”的不足之处。 并从预报误差方面展开了对模式性能的讨论。结果表明,“RSWA”用于预报台风路径,尤其是C类台风路径,具有一定参考价值,且比原方案优越。 经分析表明,一个方法的预报误差,应由模式引起的误差(EM)和台风移动过程中诸因素引起的误差(E_T)组成。而台风移动过程中所引起的误差应是依赖于台风初始定位、初始移动,台风强度及季节等要素的一个连续函数。     

NCAR分析资料在大气边界层内误差的初步分析

通过比较1998年南海季风试验(SCSMEX)期间(1998年5月5日～5月25日,6月4日～6月20日)7个站点的探空加密观测资料与NCAR分析资料,分析了在大气边界层内分析资料存在的误差.结果表明:在大气边界层内,NCAR分析资料存在较大的误差.位温和比湿误差随着高度的增加呈现下高上低的特征.比湿的误差要大于位温的误差,7个站点的位温均方差最小值基本都小于1 K,最大均方差也不大于2 K,而比湿均方差最小值基本都大于1.0 g·kg~(-1),部分站点的误差最大值超过2.0 g·kg~(-1).初步说明,下垫面对NCAR分析资料误差的产生有较大影响,内陆地区和海岛地区的分析资料位温的误差比沿海地区大,而比湿数据则相反;在垂直方向上,分析资料的位温误差在0.98～1.33 K之间,比湿误差介于1.39～1.60 g·kg~(-1)之间.     

基于观测路径的集合预报样本优选对热带气旋的模拟研究

集合预报是从一定误差范围内的一组初值出发,这组初值(样本)代表了大气状态的概率分布,集合预报中集合样本的好坏严重影响分析质量。质量较差样本进入集合预报中难免会降低集合预报的整体质量。由于集合样本是模拟大气可能状态的概率分布,因此样本的优选是提高分析质量的关键。通过对集合样本优胜劣汰来分析样本优选对模拟效果的影响。由于台风预报中台风路径的模拟至关重要,因此样本优选的方案为将样本模拟的路径信息与观测的台风报文路径相比较后,保留误差较低的样本,剔除误差较高的样本,从而提升样本的整体质量。但过多的样本被替换将导致集合离散度的大幅下降,因此替换样本的数量要适度。研究结果表明样本优选极可能有利于热带气旋路径和强度模拟的改进,其中对“妮妲”路径误差的改进为4% ~13%,对“鲇鱼”路径误差的改进为11%~28%,对“妮妲”的强度误差改进为5%~37%,“鲇鱼”的强度误差改进为1%~27%。      

不同降水条件下风廓线仪水平风评价

利用北京市观象台2014—2018年风廓线仪资料和同期探空及MICAPS地面资料,对不同降水条件下风廓线仪水平风与探空资料的误差和相关性进行分析,为风廓线仪资料在降水预报中的深入应用提供参考。结果表明:(1)总体上,各高度层风廓线仪的U分量风均比探空资料偏小;有降水时U分量风误差小且相关性好,其在850 hPa的均方根误差和相关系数均有较大变化,说明云底对风廓线仪探测U分量风有一定影响。500 hPa以上U、V分量风误差较大。(2)风廓线仪探测的U分量风在降雨和雷阵雨时均比探空资料偏小,且在降雨时误差相对较小,相关性较好;阵雨(雪)时不同高度误差变幅大;雷阵雨时700 hPa平均误差绝对值最大,850 hPa次之,其他降水情况基本是高层误差大于低层。降雪时V分量风比探空资料偏大,且700 hPa高度以下均方根误差比降雨、阵雨(雪)和雷阵雨时小,700 hPa以上则相反;雷阵雨时700 hPa误差大,相关性较差;降雨时均方根误差、相关系数在各高度层变化幅度较小。     

华北平原地区春季降水渗透深度和“透雨”的农业气象估算方法

本文利用土壤中重力水渗透的模式,提出华北平原降水渗透深度的计算式。根据降水量和降水前的土壤湿度计算渗透深度,其百分误差约为11％,误差的平均值为4.6厘米。 综合作物、土壤、底墒和蒸发(散)四方面的因素,提出了华北平原春季的“透雨”指标。它包括必需的降水量和渗透深度,“透雨”的计算结果与实测资料是相符的。     

雷达方程在雨强不均匀雨区中的应用

由于目前雷达方程不能用于雨区边界,通过对有一定宽度的均匀雨强雨区的雷达测雨试验,得知引起雷达测雨误差在雨区离边界一定距离的范围内为负误差,最大值为－65％;在雨区外为正误差,误差的大小取决于边界上雨强的大小。通过对模式不均匀雨强分布雨区和由实际降水资料转化成的不均匀雨强雨区的模拟试验,得到在雨强极大值处引起雷达雨强偏小,雨强极小值处和在”强”雨区旁的“弱”雨区引起雷达雨强偏大。