卫星云图资料反演的质量控制及变化同化数值试验

该文针对数值化的ＧＭＳ红外卫星云图资料的特点,利用改进的统计反演方法分别求出湿度和温度估计场,设计了几种订正方案对反演出的温度和温度进行质量控制：控制后的反演场再与常规资料进行变化分化,最后用ＭＭ４模式进行了模拟对比试验,结果显示,在合理的涵函设计的基础上,质量控制的好坏直接影响预报结果,用分析场格点值进行了正效果优于用测站值直接订正,加上对云图反演的植进行系统误差订正后,有效提高了降水预报准确率     

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。     

卫星云图反演资料质量控制方案在暴雨模拟中的对比研究

本文以2003年7月9～10日发生在江淮流域的暴雨过程为例,应用FY-2B卫星红外云图灰度资料,利用统计回归的反演方法求出高分辨率的温度和湿度的反演场用于改进预报的初始场。设计和对比了几种质量控制方案,再将控制后的反演场与常规资料进行同化,最后用MM5模式进行了模拟对比试验。结果表明：在模式的初始场中引入卫星云图反演场能反映出更为细致的中尺度结构,有效地增强了对降水有重要影响的高湿区;锋生函数质量控制方案改善模式的初始场,从而改善了MM5模式降水预报的落区和强度,提高了降水预报准确性及Ts评分。     

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。     

利用卫星云图变分同化初始场对热带气旋路径影响的数值试验

利用上海台风研究所的东海热带气旋预报模式，讨论用卫星亮温资料变分同化初始温度场及相对湿度场对热带气旋移动路径的影响。结果表明，对400—925hPa模式层的温度场、相对湿度场和温度场的变分同化对热带气旋移动路径预报有较好的实用意义。     

GMS-5反演湿度场的一维变分质量控制试验

应用一维变分方法对GMS5资料反演的相对湿度场进行了变分同化质量控制试验。首先具体分析了1998年6月12～29日的MM5模式12h预报湿度场、卫星反演湿度场和同化分析湿度场的误差统计量(误差平均值、误差自协方差矩阵、均方根误差等)。在此基础上,又应用一维变分方法对1998年7月20～30日的资料进行了同化试验,并以1998年7月21日00时(世界时)的结果为例,详细分析比较了3种湿度场。分析结果表明:MM5模式背景湿度场总体上低层偏湿,中上层偏干,各层面上的干湿区域区分明显;但往往湿区过湿,干区又偏干,均方根误差(RMSE)相对较大,各层面多在10以上,最高达到15.6。GMS5卫星反演湿度场总体与探空实测结果更接近,但整体平均看,各个层面基本上略偏湿,特别在中低层,RMSE为6.3～8.9。经过一维变分质量控制的湿度场基本接近卫星反演湿度场,但同化后的湿度场的RMSE在中低层要比卫星反演场的要小,RMSE下降了0.4～0.7,下降比率达到6%～9%;高层与卫星反演结果基本接近。对模式向前12h预报场而言,同化了卫星反演湿度场后,均方根误差值下降了1.4～9.0,下降比率达到17%～59%,同化后的湿度场与实际大气大大接近。     

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。     

FY-3A卫星微波资料的集合变分混合同化试验

以2012年"北京7.21暴雨"为例,实现了集合变分混合同化方法对FY-3A的微波温度仪和微波湿度仪资料的直接同化,并与三维变分方法进行了比较。结果表明:虽然两种同化方法同化FY-3A微波资料都能改进降水模拟效果,但是与实况相比,集合变分混合同化方法改进效果更为明显,其能有效减少虚假强降水的模拟,改进强降水中心位置的模拟,SAL评分定量检验也同样表明,集合变分混合同化方法对暴雨的模拟效果要优于三维变分同化方法;无论是热力学变量还是动力学变量,集合变分同化得到的初始场均方根误差均显著小于三维变分同化的结果;两种方法同化FY-3A微波资料均能改变初始场中的各种物理量信息,但不同方法得到的同化增量大小和分布却有明显的差异:三维变分同化方法对初始场的调整区域和强度都要大于混合同化方法,且其同化增量表现出均匀和各向同性的分布特点;而利用集合信息的混合同化方法得到的同化增量分布表现为非均匀性和各向异性,具有"流依赖性"的特征,这使得初始场的分布更合理,有利于改善降水的模拟效果。     

在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究

资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一，受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中，弥补常规观测网时空分辨率的不足，成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28-29日发生在江淮流域的暴雨过程为例，依据其中尺度场和能量场特征，分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中，结果表明：经质量控制后，可以明显地改善降水区域及降水量的预报；对降水预报，特别是强降水天气过程的预报，该质量控制方案具有普遍意义。     

用变分法同化卫星云图资料的方案设计

自数值预报问世以来 ,在客观分析方法的研究过程中 ,经历了多项式法、逐步订正法、最优插值法。目前最优插值法仍是业务上用的最广泛的客观分析法。但采用统计方法 ,容易造成分析场的平滑 ,使得一些中尺度系统不能如实得到反映 ,从而影响了中尺度模式的预报。变分法最早是由 Sasaki.Y (1 958)引入客观分析 ,并对此作了理论研究 ,建立了基本框架。Gram.M (1 985)和 L.Kaplan对 GOES的 VISSRAtmospheric Sounder(VAS)探测资料进行了变分同化试验 ,指出对 VAS资料的同化改善了对流不稳定区和强度的预报。我国 1 980年以前 ,分析用的…     

资料同化中雷达VAD风质量控制研究

新一代天气雷达VAD(Velocity Azimuth Display)风作为多层次水平风矢量的垂直廓线,具有时间频次高、易与业务数值预报模式分辨率相匹配、影响质量因素复杂等特点。在数值预报中有效同化该资料,可改善低空风场资料不足等状况。本文根据变分同化中对资料质量的特殊要求,集成现有VAD质量控制方案后,设计了逐步拟合质量控制方案。再根据VAD资料不同误差来源,综合集成了现有的VAD质量控制方案,形成逐级综合质量控制方案。通过分析逐级质量控制方案得到VAD资料在同化中的适应性,发现该资料相对背景场存在偏差。进一步分析表明,出现这种偏差的原因在于选择用以反演VAD径向原始数据中存在许多不符合VAD廓线的数据。据此设计了逐步拟合质量控制方案,该方法可逐步筛选出用以反演VAD的径向速度数据,提取出数据中的简谐波特征。通过北京站雷达获取的VAD廓线与分钟级探空实测对比,发现通过逐步拟合质量控制得到的风速更接近实况。相对背景场偏差分析也表明,通过逐步拟合质量控制,观测相对于背景场的偏差得到有效修正。一个月的连续试验结果显示,质量控制后获取的VAD资料可基本满足同化中对资料的无偏要求。     

AMSU资料变分同化及在暴雨数值模拟中的应用研究

在中尺度数值模拟中,利用中国气象科学研究院数值天气预报创新基地开发的GRAPES三维变分同化系统,对AMSU-A/B微波遥感资料进行了同化试验,研究了这种资料在我国夏季暴雨数值预报中的作用。以2003年7月4日的一次暴雨过程为例,分析了同化结果及模拟结果,结果表明:(1)单独同化AMSU-A资料主要改进了初始温度场,而单独同化AMSU-B资料主要改进了初始湿度场;(2)无论是同化AMSU-A资料还是同化AMSU-B资料,对暴雨预报都有一定的改进作用,但是同化AMSU-B资料的改进作用更明显;(3)同时同化AMSU-A/B资料比只使用其中一种资料的模拟效果好,可以更好地改进模拟的暴雨落区及强度,使结果与实况更加接近。使用AMSU资料,对我国夏季暴雨数值预报有改进作用。     

Variational Quality Control of Non-Gaussian Innovations in the GRAPES m3DVAR System: Mass Field Evaluation of Assimilation Experiments

The existence of outliers can seriously influence the analysis of variational data assimilation. Quality control allows us to effectively eliminate or absorb these outliers to produce better analysis fields. In particular, variational quality control(VarQC) can process gray zone outliers and is thus broadly used in variational data assimilation systems. In this study,governing equations are derived for two VarQC algorithms that utilize different contaminated Gaussian distributions(CGDs): Gaussian plus flat distribution and Huber norm distribution. As such, these VarQC algorithms can handle outliers that have non-Gaussian innovations. Then, these VarQC algorithms are implemented in the Global/Regional Assimilation and PrEdiction System(GRAPES) model-level three-dimensional variational data assimilation(m3 DVAR) system. Tests using artificial observations indicate that the VarQC method using the Huber distribution has stronger robustness for including outliers to improve posterior analysis than the VarQC method using the Gaussian plus flat distribution. Furthermore,real observation experiments show that the distribution of observation analysis weights conform well with theory,indicating that the application of VarQC is effective in the GRAPES m3 DVAR system. Subsequent case study and longperiod data assimilation experiments show that the spatial distribution and amplitude of the observation analysis weights are related to the analysis increments of the mass field(geopotential height and temperature). Compared to the control experiment, VarQC experiments have noticeably better posterior mass fields. Finally, the VarQC method using the Huber distribution is superior to the VarQC method using the Gaussian plus flat distribution, especially at the middle and lower levels.     

空气质量数值模式预报中资料同化的初步研究

利用嵌套网格空气质量预报模式,在对上海市环境监测中心提供的观测数据进行必要的质量控制后,采用最优插值方法对可吸入颗粒物(PM10)、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2)进行资料同化。选取2004年8月1～20日做作逐日同化试验的结果表明,无论是PM10、NO2还是SO2,其同化偏差平均值均在20μg.m-3以下,比同化前减少了至少50%;3种污染物的同化偏差小于其未同化偏差的天数均在16天以上。在大气清洁和污染两种情况下,对PM10分别作10天的同化试验表明,同化后的均方根误差均小于同化之前。此同化方法能利用观测数据较好地修正空气质量模式预报场,从而为模式提供与实际更加接近的初始场。     

Rainfall Assimilation Using a New Four-Dimensional Variational Method: A Single-Point Observation Experiment

Accurate forecast of rainstorms associated with the mei-yu front has been an important issue for the Chinese economy and society. In July 1998 a heavy rainstorm hit the Yangzi River valley and received widespread attention from the public because it caused catastrophic damage in China. Several numerical studies have shown that many forecast models, including Pennsylvania State University National Center for Atmospheric Research’s fifth-generation mesoscale model (MM5), failed to simulate the heavy precipitation over the Yangzi River valley. This study demonstrates that with the optimal initial conditions from the dimension-reduced projection four-dimensional variational data assimilation (DRP-4DVar) system, MM5 can successfully reproduce these observed rainfall amounts and can capture many important mesoscale features, including the southwestward shear line and the low-level jet stream. The study also indicates that the failure of previous forecasts can be mainly attributed to the lack of mesoscale details in the initial conditions of the models.     

基于卫星资料梯度信息的新型变分同化方法对于台风数值模拟的研究

卫星资料凭着卫星遥感的全球性、连续性和高频次观测等优势,成为一种重要的非常规资料源,但卫星观测仍然存在各种各样的观测误差,其中包含由于观测偶然性所造成的统计学上的随机误差及仪器本身和辐射传输模式等造成的系统性偏差,这些误差在很大程度上影响了卫星资料的质量。文中提出了一种能有效订正卫星观测资料系统性偏差的梯度信息同化算法,该方法用一个梯度算子进行模式变量与观测变量的梯度变换,从而达到订正系统性偏差的目的。本文利用WRF（Weather Research Forecast）模式及其同化模式WRFDA（WRF Data Assimilation system）,以及AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）资料,对台风“圆规”进行了实际的数值模拟和同化试验,数值结果表明,梯度信息同化方法能明显改善台风路径的模拟,在处理可信度较低的资料时仍然适用。另外,通过同化诊断分析,发现卫星资料的系统性偏差对于台风数值模拟有较大影响,而文中提出的梯度信息同化方法能较好的解决此类问题。     

一次降水过程的GPS可降水量资料同化试验

选取2005年7月23—24日北京、天津、河北地区的一次强降水过程,利用MM5模式进行数值模拟试验和GPS可降水量资料的伴随同化试验。为了检验GPS可降水量资料对模式湿度场的改善程度和伴随同化效果,采用24h降水TS评分、模拟湿度场与真实场的均方差和实况降水等检验方法,通过温度场、高度场和风场的均方差试验,结果证明加入GPS可降水量资料在改善初始湿度场的同时对初始温度场、高度场和风场也有不同程度的改善。     

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。