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。     

全球定位系统的可降水量资料在北京地区快速更新循环系统中的同化试验

针对发生于2006年8月和2007年6-8月的28次降水过程,在3 h快速更新循环同化预报系统平台上分别进行了有无同化局地GPS可降水量资料的试验.结果表明,局地GPS可降水量的同化可以使模式对大阈值降水的时段、强度和落区的预报性能均获得全面的提高,此现象在模式积分最初的0-6小时表现得更为明显.由于同化所用的GPS可降水量观测资料主要集中在极为局地的京津冀地区,而且GPS-PWV资料的同化仅能对模式中的水汽含量发生影响,因此该资料的同化与否并不能为模式总体预报性能带来明显差异.但从以54511测站为代表的北京地区局地常规要素预报效果来看,快速更新循环的同化方式能使高时空分辨率的GPS可降水量在北京局地的同化效果得以累积,并为气象要素在局地的预报效果带来显著的正面影响.通过对一次强对流个例进行分析可以发现,以快速更新循环的方式可以同化较高时间频率的GPS可降水量观测,从而对模式大气的初始湿度条件起到持续累积的影响.在一定的动力和热力条件下,由GPS可降水量同化带来的累积的模式大气增湿也有望在模式中形成利于局地对流形成和发展的环境,提高模式对局地对流的预报水平.     

GPS可降水量与掩星折射率资料同化对暴雨模拟的影响

利用WRF-3DVAR系统同化GPS地基可降水量资料和空基掩星探测资料,对2011年6月14日我国夏季江淮流域暴雨天气过程进行数值模拟试验,对比分析可降水量和掩星折射率资料在暴雨天气数值模拟中的影响。结果表明:可降水量和掩星探测对底层水汽都有明显改善,可降水量对水汽的改善更为显著,比掩星同化平均高一个量级,改进了暴雨的强度和暴雨的影响范围;掩星折射率资料的同化通过改善强对流区域的风场和温度场,从而改进暴雨的降水落区;GPS可降水量和折射率资料的同时同化,一定程度上弥补了可降水量探测站点分布的不足和掩星折射率资料稀疏,对暴雨的强度、范围和落区预报都有很好的提高,两者可以很好地相互补充。      

遗传算法同化GPS可降水量资料的研究与应用

利用上海气象台提供的GPS可降水量资料,对2006年7月4-5日发生在江淮地区的一次大暴雨过程进行了分析和模拟研究.此次降雨过程与对流层中低层中尺度低涡的发生发展有密切联系.在高低空环流的共同作用下,高空槽后干冷气流与西南暖湿气流在江淮地区频繁交汇,使得中尺度对流系统得以持续发展.由于造成此次降雨的对流系统尺度较小,仅用常规资料难以理想地模拟出降雨过程.因此,采用遗传算法(GA)同化系统研究了GPS可降水量资料在暴雨模拟中的作用,并做了与伴随同化系统的对比试验.数值模拟结果表明:(1)使用GPS可降水量资料调整初始场后能更准确地模拟出降水的落区与强度.(2)为了进一步检验使用遗传算法同化系统后的效果,通过湿度场,风场,高度场的均方差试验,证明加入GPS可降水资料的遗传同化试验对其它要素的改善与伴随同化GPS可降水资料的试验相比,更能模拟出与实况更为接近的低层风场,湿度场结构.     

用GPS可降水量资料对一次大-暴雨过程的分析

利用2002年9月10～20日GPS的可降水量资料与实况降水场做了分析比较,结果表明,每30分钟的可降水量连续观测资料对实际降水预报有着一定的指导意义.首先,可降水量第一次达到及最后一次出现50mm的时间与实际降水的开始、结束时间有着较好的对应关系,而可降水量≥50mm的持续时间越长,实际降水量也就越大,反之则相反;其次,可降水量的3小时及24小时变化对预报未来降水区域和雨量分布有着一定的指示作用;最后,可降水量在降水过程中不同阶段的趋势变化反映了500hPa流场、700hPa水汽通量场的变化,这为实际降水预报中水汽的来源及输送提供了更有利的依据.     

加密探空资料同化对一次降水预报能力改进研究

通过设计不同的试验方案,将加密探空资料同化到WRF模式中,对一次层状云系的降水过程进行了数值模拟.采用实时四维资料同化的方法,使得背景场和观测资料相协调,在一定程度上解决了模式的spin up问题.将温度同化到模式里,改变了模式原有的热力场,使得模式动力场随之改变,模式模拟的结果更接近实际观测.经过松弛(nudging)之后,得到的雷达回波、高度场、温度和实况很像,降水也要比不加探空资料的降水更接近实况.鉴于只有两个地方的探空资料,并不能覆盖整个模式区域,以及同化过程还需要改进,模式模拟的结果和实际观测之间还有一定的差异,有待更深入的研究.     

中尺度模式的四维伴随同化系统及其同化试验

以中尺度模式MM4为基础，利用伴随码技术改进、完善了MM4伴随模式同化系统，并利用该系统进行了常规资料和非常规资料的伴随模式同化试验，例如加入了可降水量资料等。试验表明：在伴随模式同化系统中加入常规和非常规资料，可以改进初始场，从而改善预报场。     

中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统

应用伴随方法求解以数值预报方程作为约束条件的四维变分资料同化方案，关键问题是如何构造伴随模式。以中尺度数值模式MM5为例，讨论了如何用伴随码技术建立MM5伴随模式，以及伴随模式系统中权重、尺度因子的选取；最后对MM5伴随模式系统进行了梯度检验，并利用实际资料进行四维变分资料同化试验。试验表明该系统有较强的同化能力，能够提高MM5降水预报的准确性。     

用GPS可降水量资料对一次大一暴雨过程的分析

利用2002年9月10～20日GPS的可降水量资料与实况降水场做了分析比较，结果表明，每30分钟的可降水量连续观测资料对实际降水预报有着一定的指导意义。首先，可降水量第一次达到及最后一次出现50mm的时间与实际降水的开始、结束时间有着较好的对应关系，而可降水量≥50mm的持续时间越长，实际降水量也就越大，反之则相反；其次，可降水量的3小时及24小时变化对预报未来降水区域和雨量分布有着一定的指示作用；最后，可降水量在降水过程中不同阶段的趋势变化反映了500hPa流场、700hPa水汽通量场的变化，这为实际降水预报中水汽的来源及输送提供了更有利的依据。     

用一种新的同化方法同化降水量资料

Observations of accumulated precipitation are extremely valuable for effectively improving rainfall analysis and forecast. It is, however, difficult to use such observations directly through sequential assimilation methods, such as three-dimensional variational data assimilation or an Ensemble Kalman Filter. In this study, the authors illustrate a new approach that makes effective use of precipitation data to improve rainfall forecast. The new method directly obtains an optimal solution in a reduced space by fitting observations with historical time series generated by the model; it also avoids the implementation of tangent linear model and its adjoint. A lot of historical samples are produced as the ensemble of precipitation observations with the fully nonlinear forecast model. The results show that the new approach is capable of extracting information from precipitation observations to improve the analysis and forecast. This method provides comparable performance with the standard four- dimensional variational data assimilation at a much lower computational cost.     

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量,也称为可降水量（PWV）,可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的,在个例研究分析的基础上,进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化（3D-Var）改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的刖资料,通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场,逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象,与未同化GPS／刖资料的MM5的相应预报比较,通过多种评分方法,评估了GPS／PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS／PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高,主要是伪击率有较明显的下降,对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。     

地面GPS探测大气可降水量的初步结果

地面全球定位系统（GPS）探测大气可降水量时空分布的可行性和可靠性研究，对地面GPS用于提高预报降水和恶劣天气的准确性和气候变化的研究具有重要作用。收集了覆盖于全国的23个站和我国周边的6个国际GPS服务（IGS）基准站为期6 d的GPS观测资料，组成了一个GPS气象学的区域性地面实验网，进行了我国首次GPS气象学试验。归算用的软件是在美国麻省理工学院GPS分析软件GAMIT基础上发展起来的上海天文台GPS精密定轨定位软件SHAGAP。为了提高对流层天顶延迟的监测精度和分辨率，我们采用了分段的参数估计和随机过程相结合的估算方法来处理对流层延迟，由此获得了分辨率分别为2 h和30 min，精度好于1 cm的天顶延迟量。通过天顶干延迟和天顶湿延迟的分离和天顶湿延迟到可降水量的转换，得到了精度为1～2 mm的可降水量的计算结果。将这些结果与实测探空仪资料计算的结果相比较，两者基本符合。试验的结果初步验证了地面GPS观测为气象服务的可行性和可靠性。同时指出了今后地面GPS在气象上应用的现实性。     

地基GPS遥测大气可降水量应用精度和范围

利用2005年6～8河北省石家庄、张家口两个地基GPS站反演得到的大气可降水量资料,对探空资料计算的大气可降水量和GPS反演的大气可降水量进行比较,并通过2007年7月17～19日河北中南部一次强降水过程的个例分析,发现GPS资料反演的大气可降水量略高于探空站资料的计算结果,但两种资料的可降水量计算结果变化趋势一致,GPS反演的大气可降水量具有较高的使用价值,但单站GPS反演的大气可降水量有效半径距离具有一定限度.     

北斗和GPS反演大气可降水量的对比分析

北斗地基增强系统是我国北斗卫星导航系统重要的地面基础设施,它可以获取高精度、高时间分辨率的水汽产品,满足数值预报、空间天气监测和预警业务的需求。本文利用2017年北斗地基增强系统中北斗单模、GPS单模和GPS+BD双模的数据资料,对同址的北斗气象站、GPS气象站和探空站反演大气可降水量进行对比分析,结果表明:(1)现行北斗地基增强系统所提供的数据,可以有效地用来反演大气柱总水汽含量,所得结果合理,平均偏差都小于1 mm,在变化上与GPS系统和探空系统基本一致,对数值预报有一定的指示作用;(2)与GPS系统相比,GPS单模/PWV和GPS+BD双模/PWV的均方差小于2 mm,相关系数均在0. 97以上,表明两者在反演PWV的精度上与GPS系统相当,而北斗单模/PWV的均方差为3～6 mm,相对方差达到了15%～20%,其精度与GPS系统还有一定的差距;(3)与探空相比,北斗单模在个别时次变化趋势上存在不一致的情况,其均方差为2. 14～6. 12 mm,相对方差为15. 32%～20. 84%,其误差可能是由于探测系统误差等因素造成的,而GPS+BD双模和GPS单模会更加稳定。     

Variational Assimilation of GPS Precipitable Water Vapor and Hourly Rainfall Observations for a Meso-β Scale Heavy Precipitation Event During the 2002 Mei-Yu Season

Recent advances in Global Positioning System (GPS) remote sensing technology allow for a direct estimation of the precipitable water vapor (PWV) from delayed signals transmitted by GPS satellites, which can be assimilated into numerical models with four-dimensional variational (4DVAR) data assimilation. A mesoscale model and its 4DVAR system are used to access the impacts of assimilating GPS-PWV and hourly rainfall observations on the short-range prediction of a heavy rainfall event on 20 June 2002. The heavy precipitation was induced by a sequence of meso-β-scale convective systems (MCS) along the mei-yu front in China.The experiments with GPS-PWV assimilation successfully simulated the evolution of the observed MCS cluster and also eliminated the erroneous rainfall systems found in the experiment without 4DVAR assimilation. Experiments with hourly rainfall assimilation performed similarly both on the prediction of MCS initiation and the elimination of erroneous systems, however the MCS dissipated much sooner than it did in observations. It is found that the assimilation-induced moisture perturbation and mesoscale low-level jet are helpful for the MCS generation and development. It is also discovered that spurious gravity waves may post serious limitations for the current 4DVAR algorithm, which would degrade the assimilation efficiency, especially for rainfall data. Sensitivity experiments with different observations, assimilation windows and observation weightings suggest that assimilating GPS-PWV can be quite effective, even with the assimilation window as short as 1 h. On the other hand, assimilating rainfall observations requires extreme cautions on the selection of observation weightings and the control of spurious gravity waves.     

GPS探测与FY-2反演大气可降水量对比分析

为深入了解FY-2卫星大气可降水量(PW)的反演质量,文章选取2012和2015年地基GPS水汽观测数据,与FY-2的PW反演产品进行了对比分析。结果表明:(1)北京、武汉和海口三站GPS/PW(PW_(GPS))与FY-2/PW(PW_(FY-2))在夏季存在显著正相关,三站的相关系数都达到0.67以上,夏季PW的均方根误差值、月平均偏差绝对值均小于冬季。北京与武汉站PW平均偏差和均方根误差在四季均具有明显日变化特征;(2)当PW_(GPS)20 mm时,北京、武汉、海口和拉萨站FY-2/PW与GPS/PW比较一致,PW偏差均值的绝对值和均方根误差较小,当PW_(GPS)20 mm时,PW偏差均值绝对值和均方根误差随PW_(GPS)值减小而迅速变大。FY-2的PW产品在夏季可以为大部分区域提供高时空分辨率、高精度的大气可降水量,在大气湿度非常低、冬季和夜间条件,反演结果精度有待提高。     

NCEP R1可降水量与西南地区地基GPS反演结果的比较

NCEP/NCAR再分析资料是国内外广泛应用的再分析资料数据集,提供有自1948年以来的全球可降水量数据,为研究全球和区域水汽分布提供了时空分布均匀的资料。地基GPS反演可降水量是近些年新兴的水汽监测手段。自2007年开始,我国西南地区(四川省、重庆市、云南省、贵州省)的GPS气象观测站网提供该区域全天24h的可降水量资料。本文在分析NCEP再分析资料可降水量与地基GPS反演可降水量算法和生成方式等根本性差异的基础上,对西南地区的NCEP再分析资料与地基GPS反演可降水量数据加以对比研究,发现两套资料能够一致地揭示我国西南地区的可降水量分布形势和季节变化特征,均能很好地反映区域水汽特征和变化。同时还发现NCEP再分析资料可降水量数据与地基GPS反演结果具有明显的线性相关特征与一致性。此外,也发现NCEP再分析资料可降水量数据与地基GPS反演可降水量结果存在一定的定量差异。      

应用GPS可降水量分析河北省一次回流降雪天气

利用地基GPS反演的可降水量资料、地面加密自动站和常规天气资料,对2011年2月发生在河北省的一次回流降雪天气过程进行了分析.结果表明:①降雪过程前期,GPS可降水量由西南向东北逐渐增大,后期自北向南减小,与西南暖湿气流的输送和地面冷高压的南压对应.②第1阶段降雪的主要影响系统为高空槽,GPS可降水量不断增加,对应的实际降水也是先增后减;第2阶段的降雪主要表现为回流降雪,降雪前期GPS可降水量迅速增长,实际降水出现在GPS可降水量峰值及下降阶段.随着地面冷高压逐渐南压,GPS可降水量逐渐下降,实际降水也逐渐减弱至停止.③在探空层结曲线上,高湿层位于地面附近和700 hPa附近,而二者之间的近地层存在着低湿层.     

基于地基GPS资料的天山山区夏季大气可降水量特征

基于新疆天山山区2012—2015年夏季的GPS/PWV资料、探空资料和逐日降水资料,运用多种统计方法,分析天山山区夏季大气可降水量(PWV)的时空变化特征,并初步探讨其原因。从夏季平均值分布来看,天山山区各站PWV分布存在明显差异,与海拔高度呈显著负相关关系;且低海拔站点PWV比高海拔站点表现出更大的发散性和可变性,有雨日PWV的极值、中位数等整体高于无雨日。天山山区夏季PWV表现出显著的月变化和日变化。大部分站点7月PWV最大,6月次之,8月最少;一日之中在10时左右出现日最大值,个别站点表现出不同的变化特征,且有雨日和无雨日也存在一定差异。天山山区各站夏季降水量与其PWV关联性不明显,降水量和水分循环指数均与海拔高度呈显著正相关关系。这可能是因为夏季山区高海拔站点更易产生局地对流性降水,从而增加水分循环次数所致。