伴随模式同化系统在修正模式地形中的应用

任何模式都只是实际大气的一种近似模拟，存在误差。鉴于传统的四维资料伴随模式同化系统都是假设模式完全正确仅对初始场进行修正。将伴随模式同化系统应用于修正模式地形误差，通过对不同初始地形的修正试验表明，MM5伴随模式同化系统能很好地对地形误差进行修正，能够反演出与初始气象要素场分辨率相匹配、与模式更协调的地形场，为伴随模式同化系统的广泛应用提供了一种新的思路。     

伴随同化系统中用云导风修正模式地形的试验

以2002年7月23日的天气过程为例,利用中尺度模式MM5伴随模式同化系统,进行了修正模式地形高度的试验研究。结果发现,MM5伴随模式同化系统可以对地形进行修正,并得到与资料更为协调一致的地形高度。另外,利用非常规云导风资料能够比仅使用常规资料更有效地修正模式地形高度。将修正后的地形场作为模式地形,所得的预报结果比未经修正的地形有所改进。     

云导风资料同化在伴随模式同化系统中的应用

以一次发生在长江流域的暴雨过程为例,设计了几种数值试验方案,并进行模拟。结果表明,MM5伴随模式同化系统能有效改善初始场与模式的协调能力,提高模式对于降水场和其它要素场的预报;使用云导风资料修正初始场后直接模拟的效果比未使用时直接模拟的效果要好,对部分区域的强降水预报精度有一定程度的改善;使用伴随模式同化系统后,加入云导风资料的同化试验对其它要素的改善与直接同化常规资料的效果相比,改善优势不明显,但从各要素的误差来看,对于风场的改善最好。     

单多普勒雷达资料在伴随模式同化系统中的应用研究

利用变分方法反演单多普勒雷达资料,得到风矢量场。同时,利用MM5伴随模式同化系统,结合一次暴雨过程,设计四种方案,进行数值模拟试验。结果表明,通过变分方法反演的雷达资料的应用对于暴雨的分布预报有明显的改善作用;运用伴随方法同化雷达资料后可改善对暴雨中心的预报;对于各个物理量误差的减少,雷达资料的应用也起到重要作用,尤其是对于风场作用较为明显;雷达资料的应用可加快伴随模式同化系统目标函数的收敛,得到最优初始场。     

区域四维变分资料同化的数值试验

针对中尺度数值预报模式预报误差的主要来源,尝试利用四维变分资料同化的方法来改善预报效果。在已建立的中尺度模式（ＭＭ４）四维变分资料同化系统基础上,进行了若干数值试验,通过比较同化前后的预报来检验同化的效果。这些试验中初始场、模式误差和侧边界条件被分别或同时作为控制变量来进行调整,主要探讨了模式误差和侧边界条件对同化及预报的影响,以及同时结合两者或三者的途径和方法。对两组个例分别进行的试验结果表明,区域中尺度模式预报误差除了来源于初始误差外,模式误差、侧边界条件也有不可忽视的作用。同化时应同时考虑初始场、模式误差和侧边界条件这三方面的共同作用,仅修正其中某一个或某两个会把由于其它方面造成的预报误差转嫁到它们之上,从而出现尽管目标函数下降很快而预报结果并没有相应改善的现象。     

数值模式误差对降水四维变分资料同化及预报的影响

利用一个无量纲的水汽发展方程,针对同化时间窗口内出现和不出现降水两种情况,分析了不同模式误差和初始误差对降水四维变分资料同化预报效果的影响。结果表明,应用四维变分资料同化方法进行降水预报前,应该充分考虑数值模式中的误差,才能得到比较满意的同化及预报结果。假定同化窗口内获得的比湿观测场是准确的,当不存在模式误差时,四维变分资料同化方法可以有效地消除初始场误差,找到比湿真实初始场;而存在模式误差时,四维变分资料同化后的模式初始场会偏离真实的比湿初始场,并且模式误差越大,偏离程度越严重。在一些模式误差情况下,由于模式误差在同化窗口及延伸预报时段的作用不同,进行四维变分资料同化处理后,尽管累积降水量的预报结果在同化时间窗口内优于同化前的预报,而在最终预报时刻反而差于同化前。     

变分四维同化方法若干问题的数值试验

资料误差和模式误差都可能影响变分四维同化的结果,针对这一问题利用浅水方程模式进行了变分四维同化的数值模拟试验。试验分三种情况进行：（１）仅修正初始场,（２）仅修正模式;（３）二者同时修正。试验结果表明,当模式有误差时,传统的变分四维同化方法（仅修正初始场）可能将模式的误差混淆到初始场中去,尽管在同化期间可得到较好的拟合,但却不一定能保证同化后有好的预报。如果不修正初始场而修正模式,当模式误差不大时     

ATMS和CrIS卫星资料同化对青藏高原天气预报的影响

利用WRF模式和GSI同化系统同化美国最新一代的ATMS和Cr IS卫星资料,探讨卫星辐射资料同化对青藏高原天气要素预报准确性的影响。进行了四组试验模拟,即无资料同化的控制试验(CTRL)和三组同化试验,三组同化试验分别为:只用常规观测资料进行同化(CONV)、常规观测资料和ATMS卫星资料同化(ATMS)、常规观测资料和Cr IS卫星资料同化(CRIS)。分析了2015年1月及7月的温度场、相对湿度场和风场的预报能力,除了分析近地表2 m温度场、2 m相对湿度场及10 m风场外,也分析了高地形区域以及低地形区域不同高度层上气象要素的预报能力。结果表明:ATMS和CRIS同化对青藏高原天气要素预报效果改进并不具有普遍性,ATM S同化试验可以有效的增进7月低地形区域的2 m温度场、7月高地形区域2 m相对湿度场以及1月高地形区域10 m风场的24 h、48 h预报能力;CRIS同化对1月高地形区域2 m温度场24 h预报、1月与7月高地形区域10 m风场24 h与48 h预报有改善效果。就垂直分层来讨论,CRIS同化试验不管在哪个高度分层都无法有效地改进模式预报能力,ATMS同化试验则在不同分层、不同变量场有着不一样的预报效果。资料同化后温度场预报主要的误差来源是系统性误差,而相对湿度场和风场在同化后主要误差是由非系统性误差造成的。整体上ATMS同化试验效果优于CRIS同化试验。     

REM模式伴随系统的建立及其四维变分资料同化初步试验

Regional-Eta-Coordinate-Model(REM)中尺度模式对中国区域性降水显示出公认的较高预报能力,建立其四维变分资料同化系统是完善该模式,进一步提高其预报效果的重要工作。本研究编写了REM模式的切线性模式和伴随模式,介绍了建立REM模式伴随系统的过程,并利用实际天气个例资料,分别对REM模式的切线性模式、伴随模式及定义的目标函数梯度进行了正确性检验,检验结果表明对REM模式的切线性模式及伴随模式编写是成功的。利用REM模式的伴随系统,对1998年06月08日00时到09日00时和2000年08月01日00时到02日00时两个实际天气个例进行了四维变分资料同化试验。从数值试验的结果分析可以看到,进行四维变分资料同化后,两个天气个例在预报结束时刻其预报结果对风场和湿度场的预报都有明显改善,对温度场和高度场的预报也有所改善。对于累积降水的预报,两个个例利用四维变分资料同化后得到的初始场进行的预报结果则有较大不同,在个例1中,变分同化后对降水中心的位置和降水强度的预报都有明显改善,预报结果更接近于观测场;个例2中,变分同化后对降水中心位置和强度的预报则没有改善,产生这种现象的原因可能是由于定义的目标函数中没有加进背景场项,也可能是由于采用的观测资料时次比较少,还需要进一步进行研究和试验。     

卫星和雷达资料在暴雨数值预报中的应用研究

采用美国风暴分析预报中心开发的中尺度模式（Advanced Regional Prediction System,ARPS）的资料分析系统ADAS（ARPS Data Analysis System）,把中国CINRAD/SA、SB多普勒雷达反射率、风云-2E卫星的红外和可见光资料引入模式初始场,利用高分辨率中尺度模式WRF对2012年7月21日中国华北地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：加入雷达和卫星资料的WRF数值模拟,由于修正了中低层水汽,对降水系统预报有一定的调整,预报的降水落区位置和降水量中心值更接近实况;同时加入卫星和雷达资料同化后,明显改善了WRF降水系统预报偏慢的情况。雷达与卫星资料同化对WRF模式降水预报影响不同,雷达资料影响的时间短,只在6 h内预报起作用,而卫星资料影响时间较长,能够改善24 h内的预报。加入卫星和雷达资料,修正了水汽场,使降水预报在开始时间、量级和范围上均有改善,更接近实况。     

A Sensitivity Study of Single Column Model

A single column model (SCM) is constructed by extracting the physical subroutines from the NCAR Community Climate Model version 1 (CCM1).Simulated data are generated by CCM1 and used to validate the SCM and to study the sensitivity of the SCM to errors in its input data.It is found that the SCM temperature predictions are moderately sensitive to errors in the input horizontal temperature flux convergence and moisture flux convergence.Two types of error are concerned in this study,random errors due to insufficient data resolution,and errors due to insufficient data area coverage.While the first type of error can be reduced by filtering and/or increasing the data resolution,it is shown that the second type of error can be reduced by enlarging the data area coverage and using a suitable method to compute the input flux convergence terms.     

Errors in taking account of the runoff of the rivers with diurnal variations of the water level at the absence of increased-frequency observations

Estimated are additional errors in taking account of the river runoff during different phases of high water and snowmelt floods using the observational data from gaging stations at the absence of increased-frequency measurements of the water level (due to the lack or downtime of recorders). Described is a method for determination of these errors. Using the data collected on 118 gaging stations on 58 rivers in different regions of Russia and the former USSR for seven years of observations, determined are the possible additional errors of average daily, monthly and annual water flows of the rivers of different sizes as well as the total errors that take account of the additional errors.     

CINRAD／SC天气雷达系统“太阳法标校”数据修正研究

提出CINRAD／SC天气雷达系统的“太阳法标校”数据中合有比较明显的随机误差分量,建议这类数据不宜直接作为调整天线电轴空间指向读数的依据。通过对CINRAD／SC天气雷达系统“太阳法标校”数据生成步骤的分析结果表明：引起“太阳法标校”数据误差的主要因素是“时间错位”。根据这种“时间错位误差”的产生原理,提出了消除这类误差的方法和步骤,并给出了相应的计算公式。以“时间错位误差”修正后的“太阳法标校”数据作为依据来调整天线电轴指向,将有助于新一代天气雷达系统定向精确度的提高。     

CINRAD/SC天气雷达系统“太阳法标校”数据修正问题研究

提出CINRAD/SC天气雷达系统的“太阳法标校”数据中含有比较明显的随机误差分量,建议这类数据不宜直接作为调整天线电轴空间指向读数的依据。通过对CINRAD/SC天气雷达系统“太阳法标校”数据生成步骤的分析结果表明：引起“太阳法标校”数据误差的主要因素是“时间错位”。根据这种 “时间错位误差”的产生原理,提出了消除这类误差的方法和步骤,并给出了相应的计算公式。以“时间错位误差”修正后的“太阳法标校”数据作为依据来调整天线电轴指向,将有助于新一代天气雷达系统定向精确度的提高。     

FY-4A卫星云导风观测误差优化及同化效果影响研究

为了推进FY-4A卫星资料在数值模式中的实际应用,本研究选择云导风产品作为研究对象,首先统计了FY-4A高层水汽通道和红外通道云导风的观测误差,进一步基于WRFDA(Weather Research and Forecasting model Data Assimilation system)系统,利用默认观测误差和新...     

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。     

GRAPES全球三维变分同化中卫星微波温度计亮温的背景误差及在质量控制中的应用

模式变量背景误差在观测空间的投影,也即观测变量的背景误差包含了变分同化系统的重要信息,其在诊断和分析变分同化系统中资料的影响等方面具有重要作用,特别是在背景场检查质量控制中。在GRAPES全球三维变分同化(3DVar)系统中仅给定了控制变量的背景误差,并未直接给定观测变量的背景误差。为了能够对GRAPES全球3DVar进行全面的诊断和分析,改进卫星微波温度计资料的质量控制,推导出GRAPES全球3DVar同化系统控制变量随机扰动方法估计观测变量的背景误差的公式,为分析和改进GRAPES全球3DVar提供了一个有力工具,并进而估计了AMSU-A亮温的背景误差,分析了AMSU-A不同通道亮温的背景误差特征,将其应用于GRAPES全球3DVar的AMSU-A亮温的背景场检查质量控制中。结果表明,控制变量随机扰动方法估计的GRAPES全球3DVar同化系统AMSU-A亮温的背景误差正确合理。同化循环预报试验结果表明,亮温的背景误差在背景场检查中的应用显著提高了GRAPES全球3DVar同化的亮温资料的数量,显著提高了GRAPES南半球对流层中高层位势高度场的预报技巧。在GRAPES全球3DVar同化系统中推导和实现的控制变量扰动方法为诊断和分析GRAPES全球3DVar观测资料同化效果提供了有力工具。      

AERMOD空气扩散模型在沈阳的应用和验证

根据2003年1～12月沈阳逐日大气环境监测数据、气象数据以及AERMOD模式系统建立并验证了空气扩散模型;同时,应用污染源排放清单管理工具软件建立了排放清单,其输出的数据格式满足AERMOD空气扩散模型的要求。验证结果表明:颗粒物的监测日平均值与模拟日平均值的相关性较好,81%的数值落在模拟值与监测值的2倍误差范围内,模拟值与监测值的相关系数为0.68;SO₂有72%的数值落在模拟值与监测值的2倍误差范围内,模拟值与监测值的相关系数为0.64。     

确定Fourier展开式最佳截断项数的探讨

本文用理论估计及数值实验两种方法研究了有限调和分析中考滤资料误差情况下如何确定Fourier展开式最佳截断项数的问题。理论估计表明最佳截断项数与物理量本身的变化及资料的误差有关。数值实验的结果证实了这一点。     

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。