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。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（二）伴随模式系统的检验？…

在《中尺度数值模式的资料同化系统－－－（一）伴随模式的设计》一文的基础上,进一步对伴随模式码地检验问题做了讨论。表明采用共轭码方法是可行的。其的伴随模式与理论推导的共轭方程是相容的。试验发现该同化系统有消除随机干扰的能力,同化效果好。在同化过程中,系统是先同化大尺度信息,然后逐渐同化中小尺度信息。     

中尺度数值模式的资料同化系统——(二)伴随模式系统的检验与试验

在《中尺度数值模式的资料同化系统——（一）伴随模式的设计》一文的基础上,进一步对伴随模式码的检验问题做了讨论。表明采用共轭码方法是可行的。其导出的伴随模式与理论推导的共轭方程是相容的。试验发现该同化系统有消除随机干扰的能力,同化效果好。在同化过程中,系统是先同化大尺度信息,然后逐步同化中小尺度信息。     

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。     

有限区域变分四维同化系统的设计和试验

使用共轭码技术，构造了中尺度模式的伴随模式，研究了模式侧边界条件。基于伴随模式技术的原理，设计了伴随同化和Derber同化方法两套方案；下降算法采用共轭梯度法，使用准真实资料，进行子同化数值试验和预报试验。结果表明，两套同化方案都取得了一定的同化效果，Derber同化方法比伴随同化更令人满意。证明了变分同化是提高预报准确率的一种非常有效的手段。     

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。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

中尺度数值模式的资料同化系统——(一)伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码的方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

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。     

卫星云导风资料应用于伴随同化系统的数值试验研究

以2002年6月14日00时至15日00时发生在江南、华南一带的暴雨过程为例,利用MM5伴随模式同化系统,同化常规观测资料以及卫星云导风资料,研究MM5伴随模式对降水预报的改善以及云导风资料对于提高暴雨预报的作用。设计了4种数值试验方案,试验结果表明：MM5伴随同化系统对降水预报有较好的改善作用;GMS-5卫星云导风资料的加入增加了高空风场资料,将其同化到伴随同化系统中能有效改善模式初始场,提高了降水预报质量,特别对暴雨强降水的预报起到了较好的改善作用。     

THE SENSITIVITY INFLUENCE OF NUMERICAL MODEL INITIAL VALUES ON FOUR-DIMENSIONAL ASSIMILATION—STUDY BASED ON LORENZ SYSTEM

Numerical experiments of adjoint variational assimilation have been performed using the knownLorenz system.With the increase of sensitivity of model's initial values,it is more and more difficultto use the adjoint method to get the initial values which are consistent with the dynamics of the fore-cast model.Under some circumstances the algorithm completely fails.This shows that four-dimen-sional assimilation is related to the limit of predictability.On the other hand.with the increase ofmodel equation's error,the result of variational assimilation may become worse and worse so that theprediction has no meaning.But if the model parameters are corrected when variational assimilation ismade,the forecast results can be greatly improved based on Lorenz model.     

THE SENSITIVITY INFLUENCE OF NUMERICAL MODEL INITIAL VALUES ON FOUR-DIMENSIONAL ASSIMILATION-STUDY BASED ON LORENZ SYSTEM*

Numerical experiments of adjoint variational assimilation have been performed using the known Lorenz system.With the increase of sensitivity of model's initial values,it is more and more difficult to use the adjoint method to get the initial values which are consistent with the dynamics of the forecast model.Under some circumstances the algorithm completely fails.This shows that four-dimensional assimilation is related to the limit of predictability.On the other hand.with the increase of model equation's error,the result of variational assimilation may become worse and worse so that the prediction has no meaning.But if the model parameters are corrected when variational assimilation is made,the forecast results can be greatly improved based on Lorenz model.     

伴随方程在水汽资料四维同化中的应用I.理论

由于水汽相变等过程为快过程,再考虑到水汽观测误差不服从正态分布,可以认为将水汽资料与其他观测误差进行正态分布的气象资料联合同化是一种不合适的方法.故应单独对水汽资料进行同化.在下边界为第三类边界条件下,推导了适合于数值天气预报的水汽方程的伴随方程;利用目标函数的极值性,得出了水汽的四维资料同化问题的伴随算法;证明了目标函数给出的极值点为最小值点,且是惟一的.     

利用伴随法反演风应力系数

基于无结构网格有限体积法的正模型和伴随数据同化模型,建立了风应力系数反演表达式,将风应力系数的确定变成依赖于区域内观测值的数值迭代过程,实现了风应力系数确定的自动化,并成功进行了概化河口一系列风应力系数反演的伴随同化实验,反演得到的结果精度较高,实验结果表明：1）伴随法反演风应力系数是合理可行的;2）充分的观测数据能够提高反演的精度;3）风速在10 m/s或15 m/s的情况下,对于风应力系数反演的结果影响不大。     

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。     

GRAPES伴随模式底层数据栈优化

GRAPES伴随模式是其四维变分同化系统的核心组成部分。由于其计算过程复杂,临时数据较多,实现中采用断点存储策略可以有效减少伴随模式的计算时间和存储空间。极限断点存储策略是在单积分步内以全存储策略实现为基础,将其中部分基态以计算代替的一种类断点存储策略。在该策略的支持下,需要一种新的数据管理结构,来保证程序的正确运行。文章提出了在已有栈基础上优化的新数据存储管理方式——嵌套多链栈,这种结构可有效满足使用极限断点存储技术实现GRAPES伴随模式的初态管理需求。试验表明:相比断点存储技术,在总内存增加不超过30%的情况下可使GRAPES的运行效率提高1倍。