数值天气预报中集合-变分混合资料同化及其研究进展

数值天气预报中混合资料同化是结合集合预报与变分同化方法各自优势研究发展的一种新型资料同化方案。它在变分资料同化框架的基础上,利用集合预报扰动场信息的优点,构造具有流依赖属性的背景误差协方差结构,克服变分同化中固定、均匀及各向同性的背景误差协方差的缺陷,改善对不同天气系统预报误差协方差的表达能力,从而改善分析和预报的质量。近年来,基于集合与变分方法的混合资料同化快速成为数值预报资料同化发展的新趋势,具有良好的业务应用潜力。对集合与变分混合资料同化的研究进展进行综述,在简要介绍数值天气预报中资料同化发展趋势的基础上,分析混合资料同化方案的理论框架和优势,总结混合资料同化的发展和研究成果,并讨论我国研究和发展混合资料同化的基础和前景及面临的问题,指出混合资料同化发展中亟需研究的关键科学问题。      

TOVS卫星反演资料变分分析的试验研究与应用

为弥补海洋、高原等地带常规资料的不足,分析使用非常规卫星资料得到越来越多的重视,其中TOVS资料的精度及与常规资料的误差减少的研究尤为重要。本文采用变分分析技术对TOVS卫星反演资料进行同化分析研究,结果表明,变分结果分析场能充分体现常规与非常规资料的优势,使得天气系统能得到更精确的表示。     

集合四维变分资料同化研究进展

背景误差协方差矩阵的精确定义是构建高水平资料同化系统的先决条件。传统四维变分资料同化(4D-Var)方法将观测资料处理转化成以动力模式为约束的泛函极小化问题,通过调整控制变量,使指定时间窗口内由控制变量得到的模式预报结果与实际观测资料之间的偏差达到最小。该方法在同化窗口内可以利用模式的切线性和伴随隐式地改变背景误差协方差,能够在某种程度上满足快速发展的天气过程。但是大部分业务中心的四维变分资料同化系统仍采用静态化的背景误差协方差矩阵模型来缓解背景误差协方差矩阵的维度问题,即矩阵维数远大于可用信息量。随着计算机科学的迅猛发展,维度问题可以进一步通过集合的方法缓解。集合四维变分资料同化就是基于这一目标通过构造多个能反映出背景误差协方差分布特征的样本集合来弥补可用信息量的不足。该方法目前已在ECMWF、Mete-France等业务中心实现业务化,为确定性四维变分资料同化系统提供流依赖背景误差协方差估计。简要介绍了集合四维变分资料同化方法的基本原理;其次以ECMWF为例,概述了四维变分资料同化系统的业务现状,重点阐述了系统在开发过程中需要解决的扰动、滤波、校正等一些关键技术;最后探讨集合四维变分资料同化系统目前存在的问题和未来可能的研究方向。     

"7·8"特大暴雨过程雷达风场资料的三维变分同化研究

基于中尺度暴雨预报模式AREM和三维变分同化系统GRAPeS-3dvar对2003年7月8日发生在长江中游的一场特大暴雨过程,进行了武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化研究,结果表明:(1)增加了武汉、宜昌多普勒雷达反演风场资料后,模式对湘-鄂交界处特大暴雨区的模拟效果改善非常显著.(2)分别单独增加武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化后,降水模拟都有明显改进,但要差于对两部雷达风场资料同时进行变分同化的结果,表明同化的中尺度初始风场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好.(3)雷达风场资料的三维变分同化,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,使得模式在积分初期就能模拟出与实况相近的强降水.     

GPS折射角资料的变分同化试验

越来越多的新型观测资料为数值天气预报水平的进一步提高提供了许多新的机会。在各种新型的观测资料中,GPS(全球定位卫星系统)折射角资料无疑是非常重要的。GPS折射角资料具有分辨率高、全天候探测、覆盖全球等优点,实现对GPS折射角资料的变分同化,将具有非常重要的意义。文中介绍了如何获得及同化GPS折射角资料的原理。对GPS折射角资料的变分同化可以分为两种:间接同化和直接同化,文中对这两种方法都作了具体介绍。在变分同化的最小化过程中,计算效率无疑是最重要的,而优化步长的计算又直接关系到算法效率的成败。根据最小化算法的特点,通过数学推导,得出一种适合于各种最小化算法的计算优化步长的自适应方法。最后,还利用1995年10月11日的GPS折射角资料进行了数值试验,结果表明了变分同化方法和计算优化步长方法的有效性。     

有限区域卫星云图资料变分分析的试验研究

资料分析在数值预报中的重要性受到越来越多的关注，星目前常规探测网的时空局限性，利用分辨率较高的非常规资料势在必行。该文利用一个有限区域中尺度模式ＭＭ４，采用变分分析技术对有限区域的常规探空资料和非常规云图资料进行变分分析和数值模拟。     

吉林省高速路面温度的时空变化特征

采用吉林省特种观测资料中的柏油路面温度资料,分析高速路面温度的时空变化特征.分季节、分月份计算气温与高速路面温度的偏差值,并分不同天空状况(晴天、雨天、多云天)进行讨论.分析发现:全省高速路面温度和气温均具有明显的日变化特征,变化趋势大体一致.各季节高速路面温度的日变化幅度明显大于气温.夏季高速路面温度与气温的偏差值最...     

非高斯分布观测误差资料的变分质量控制对暴雨预报的影响

观测资料的质量控制直接影响数值预报资料同化的分析质量。本文针对GRAPES区域同化和预报的三维变分资料同化系统,发展了基于观测误差为"高斯分布+均匀分布"模型的变分质量控制方案,讨论了该方案的初始启动和关键参数,并检验分析了其适用性与有效性。同时,以全球预报系统(GFS)资料作为背景场,利用探空、地面、船舶、飞机、云迹风等常规观测资料和COSMIC卫星反演资料进行同化和预报,分析了华南地区特大暴雨的个例试验和2013年8月共31 d的批量试验。试验结果表明:变分质量控制能够依据观测资料的不同质量对观测权重进行合理调整,对位势高度、气压、风、比湿的分析增量场和分析场改善显著,尤其在强降水区具有更加明显的效果;对降水落区、降水强度及中心位置的预报质量具有较好的提高,特别对暴雨、大暴雨等较大降水量级的预报能力反映出更好的改善效果,充分显示了变分质量控制在中小尺度剧烈天气过程中对同化分析和预报的重要作用。     

GPS可降水量资料应用于MM5模式的变分同化试验

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中13个站点的资料对2002年6月27~28日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5背景误差调节和可降水量资料的三维变分同化试验。试验结果表明:背景误差对三维变分同化的效果起着关键作用,模式变量(u,v,T,p和q)误差的水平尺度与NMC方法的平均时间长度有直接的关系。利用NMC方法重新构建的背景误差更接近实际的背景误差。三维变分技术能有效地同化GPS可降水量资料。GPS可降水量资料的同化使用不仅能调整模式初始湿度场,而且也能相应地调整模式初始气压场、温度场和风场。GPS可降水量资料的同化有利于减小模式初始场对可降水量的分析误差,并且有利于减小模式积分初期(3~6 h)可降水量的预报误差。与没有进行GPS可降水量同化相比,通过GPS可降水量资料的三维变分同化,使MM5模式6 h和24 h累计降水能力得到提高,改善了MM5模式降水预报性能。总体上,GPS可降水量资料的变分同化有利于模式降水预报能力的提高。     

三峡库区降水—径流关系及径流量预报模型研究

利用2000—2007年长江上游各分流域面雨量实测资料、雷达遥测面雨量资料以及各水文站的历史资料,对流域降水量、洪水传播时间、径流数据以及基流值进行了针对性处理;通过单日产流Pa+P—R(降水量加前期影响雨量—径流)分析和场次洪水总量Crr—P(a径流系数—前期影响雨量)分析,结合各分流域拟合效果及检验,研究了三峡库区降水—径流关系,证明采用雷达遥测的降水数据作为降水量输入来预报各分流域未来时段内产流量是最佳选择,由此建立了三峡库区径流量的预报模型。     

用变分法修正黑河试验数据的初步研究

为了对黑河试验观测资料进行订正,利用一个一维边界层垂直扩散模式和以拟牛顿极小化算法为基础的最优化方法建立了一个变分同化系统,其中,目标函数相对于控制变量的梯度用扰动法求取.并利用模式资料和黑河试验若干时刻的观测资料进行了一些数值试验.试验证明,将初始场变量与模式误差系数同时作为控制变量加以调整,能够有效调整初始场观测资料.并且,用变分同化方法能够较线性插值(时间、空间)方法更有效、合理的修正黑河试验观测资料场的种种缺陷.     

4种再分析资料在中国区域的适用性研究进展

根据NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-40和JRA-25共4种比较常用的再分析资料在中国区域的适用性研究作了概述。结果表明：4种资料既呈现出一定的共性,又在不同区域、不同时间尺度上差异显著;再分析资料的可信度普遍表现为在东部地区好于西部地区,低纬地区好于高纬地区,这可能与中国地面气象站点＂东密西疏＂有关;1979年前的再分析资料存在较大的不确定性,因此在应用该时段NCEP/NCAR资料研究长期气候变化研究时需要谨慎;再分析资料的不同要素在不同时间、不同地域的适用性不同,因此应分区域、分要素和分季节选择合适的资料。从不同角度探讨了再分析资料的优缺点及在中国区域的适用性,旨在为中国区域气候变化研究选用再分析资料提供借鉴和参考。     

低纬高原地区多元信息综合变分分析试验

利用高分辨率雷达、卫星降水反演数据和地面降水观测资料,建立联合降水估算场并对其进行变分订正,得到0.1°×0.1°细网格降水同化场。同化资料包括2008年6～8月逐日4次FY-2卫星和CINRAD/CC雷达降水估算资料、地面自动站降水观测资料,试验结果表明,采用变分方法对卫星及雷达联合降水估算场进行同化后,所得结果既较真实地反映了地面观测网天气尺度信息,也对低纬高原地区降水离散性分布特征的描述有较大的改善。     

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.     

气象遥感资料变分校准方案改进及应用试验

针对常见气象遥感资料变分校准方案的不足，提出了一个改进方案。该方案不需要将校准参照量插值到遥测资料的格点上，既避免了对稀疏的校正参照量进行客观分析的困难，也避免了校正参照量稀缺区域不准确插值分析带来的不利影响，使遥感资料的整体偏差得到修订的同时，能够更好地保持遥测资料的空间分布形态不变。利用国家卫星气象中心通过9210下发的ATOVS反演产品进行了试验，结果表明改进方案校准效果好；并将校准后的ATOVS反演资料用于Grapes三维变分同化系统，应用试验表明校准后的ATOVS反演资料在三维变分同化系统中具有应用价值。     

一种新的资料同化方法

为寻求一种快速有效的四维变分资料同化(英文缩写4DVar)作了有意义的尝试,提出了映射观测的新概念和反向四维变分资料同化的新思路,并以此为基础建立了三维变分映射资料同化(英文缩写为3DVM:3-DimensionalVariational data assimilation of Mapped observation)。该方法与传统的四维变分资料同化一样,不仅考虑了模式的动力和物理约束,使得同化后的初值与模式协调,而且通过模式方程对同化窗口中不同时刻的观测资料作了最佳拟合。与传统四维变分同化方法不同的是,由3DVM得到的初值不在同化窗口的始端,而在窗口的末端。正是所求初值时刻的改变,使得该方法的计算代价大大减少,几乎与三维变分资料同化(英文缩写3DVar)相当,这实际上是用3DVar的代价实现了4DVar的功能。同时,由于3DVM不再需要切线性和伴随近似来计算代价函数的梯度也提高了同化的精度。对具体的台风个例(Dan)用AMSU-A反演的温度场进行变分同化模拟试验,发现3DVM能比传统4DVar产生更好的初值,而且所花计算时间只需4DVar的1/7。     

用变分方法校准天气雷达测定区域降水量的数值计算和精度分析

本文应用武汉地区1987年5月25日和5月12日二次降水过程的WSR—81S型数字化雷达的彩色分层数字资料和自动雨量计校准子系统的雨量资料。分别用变分方法和平均校准方法去校准雷达测定区域降水量,并对这两种方法进行比较,发现变分校准技术的效果最佳,能够达到一定的精度。同时介绍了变分方程的数值解法及其权重系数的选择,分析比较了Column Max和ZPPI两种图像数字资料的使用效果。     

2019年汛期大渡河流域面雨量多模式预报效果检验

基于站点观测资料、格点实况资料和智能网格、西南区域中心业务运行的中尺度模式系统(southwest center WRF ADAS real-time modeling system,SWCWARMS)及欧洲中期天气预报中心(ECMWF)模式资料,以面雨量为研究对象,采用平均绝对误差、模糊评分、正确率、TS评分、偏差分...     

“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估

针对2000年7月4～5日北京地区的一次特大暴雨过程(24 h降水量达240 mm),文中利用MM5/WRF三维变分系统和MM5非静力模式,对此次特大暴雨过程中的各种气象监测资料(地基GPS大气柱水汽含量、常规探空、高空测风、地面常规观测和地面自动气象站)的同化作用通过观测系统数值试验进行了评估.结果表明与传统的客观分析方案相比较,MM5/WRF三维变分同化系统可直接引入非常规地基GPS大气柱水汽含量监测资料,提供更好的大气初始分析场.在三维变分同化方案下,各种大气监测资料均对改进此次特大暴雨模拟有不同程度的贡献,其中,常规探空和高空测风监测资料对改进预报结果的影响最大,地面常规观测和地面自动气象站观测资料作用次之,地基GPS大气柱水汽含量资料在与其他大气监测资料相互优势互补后,可很好地改善模式大气的分析质量,通过三维变分同化技术在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测网资料,使此次强降水个例的6 h和24 h测站降水预报的TS评分值在1,5,10和20 mm预报检验阈值下分别提高了1%～8%.研究结果对利用三维变分数值系统,评估气象监测网资料在改进高影响天气事件预报中的作用有借鉴意义.     

4种再分析资料在中国区域的适用性研究进展

根据NCEP/NCAR、NCEP/DOE、ERA-40和JRA-25共4种比较常用的再分析资料在中国区域的适用性研究作了概述。结果表明：发现4种资料既呈现出一定的共性,又在不同区域、不同时间尺度上差异显著。再分析资料的可信度普遍表现为在东部地区好于西部地区,低纬地区好于高纬地区,这可能与中国地面气象站点“东密西疏”有关;1979年前的再分析资料存在较大的不确定性,因此应用该时段NCEP/NCAR资料研究长期气候变化研究时需要谨慎;再分析资料的不同要素在不同时间、不同地域的适用性不同,因此应分区域、分要素、分季节选择合适的资料。从不同角度研讨了再分析资料的优缺点及在中国区域的适用性,旨在为中国区域气候变化研究选用再分析资料提供借鉴和参考。