气象卫星探测资料在数值天气预报中的应用

卫星遥感技术和其他非常规观测技术的发展和成熟，提供了大量的非实时、非完全、准连续的观测资料。与其他非常规观测资料相比，卫星观测资料具有水平分辨率高，观测面广阔，测量误差易于掌握等优点。分析和总结了目前卫星观测资料在数值天气预报模式中的应用情况，并对其未来发展做了一些有益的探讨。     

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。     

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。      

卫星微波观测资料在混合同化中的应用

利用美国环境预报中心(NCEP)的GSI(Gridpoint Statstical Interpolation)业务同化系统,采用三维变分同化方法(3DVAR)和三维变分混合同化方法(3DVAR-Ensemble),针对2013年5月8日发生在我国华南地区的一次强降水天气过程进行了数值模拟试验研究,设计了不同组试验方案,将常规观测资料和AMSU-A\MHS\ATMS辐射率亮温资料直接同化进入区域大气模式WRF中,对比分析不同同化试验方案对模式初始场及降水预报效果的影响。数值试验结果表明:从初始时刻的同化增量来看,各试验组均改变了初始场结构,但增量的大小和分布却不同。加入ATMS微波资料的分析增量要小于同化AMSU-A+MHS的;Hybrid同化方法使用具有"流依赖"的背景误差协方差在一定程度上减小了模拟区域周围的虚假增量,使初始场的分布更真实和合理。从降水模拟的强度和空间分布评估结果来看,使用Hybrid方法同化ATMS的资料可以比较准确预报出降水中心的位置。综合而言,采用Hybrid的方法同化ATMS的资料最优。     

AMDAR资料在北京数值预报系统中的同化应用

该文针对北京市气象局业务快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC),通过对有无飞机观测资料参加同化的预报试验客观要素预报均方根误差和降水量TS评分的对比分析,探讨了飞机观测资料对短期数值天气预报的影响。结果表明:飞机观测资料的同化对于前9 h预报时效内的高空风和温度预报有明显的正面影响。其中,对风预报的正面影响集中在925~250 hPa高度上;而对温度预报的正面影响主要体现在850~400 hPa之间的各层内。在快速更新循环的暖启动模式下,飞机观测资料同化比冷启动模式下带给预报结果更明显的正面贡献。飞机观测资料参加同化对于降水预报技巧的提高也有正面效应,对24 h和12 h累积降水量TS评分以及12~18 h和18~24 h时段内的6 h累积降水TS评分有明显提高,提高的最大幅度达50%,并对相应阈值和时段内无飞机观测资料参加同化的试验中雨区偏大现象有改善。分析增量分布特征与同化带来的风温要素3 h预报改进的垂直特征基本对应,表明飞机观测资料参加同化对初始场中风场和温度场质量的改进。     

ATOVS 不同卫星资料在台风模拟中的同化试验研究

利用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的中尺度模式WRF(ARW)V3.2 及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,以1011 号超强台风“ 凡亚比” 为个例,采用连续循环同化的方法对ATOVS 卫星资料进行同化试验,探讨了同化ATOVS 不同卫星资料对“ 凡亚比” 模拟的影响。结果表明,强度影响方面:同化ATOVS不同资料均可有效改善台风强度,台风中心海平面气压平均偏差从42 hPa 下降到18 hPa,但不同资料间的差异并不显著,平均在6 hPa 以内,这表明仅同化ATOVS 资料对台风强度的改善相对有限。路径影响方面:(1)不同卫星的同一种传感器资料效果略有不同,同化NOAA-18 和NOAA-15 的AMSU-A 资料效果较好,NOAA-16 的AMSU-A 效果较差;同化NOAA-15 和NOAA-16 的AMSU-B 资料效果相当,且均优于AMSU-A 资料。(2) 同一颗卫星不同传感器资料的差异较大,同化AMSU-B 资料的改善较为明显,HIRS-3 次之,AMSU-A较差,而同时同化不同资料并没有带来更为明显的改善。(3) 同时同化多颗卫星ATOVS 资料的试验表明,将多种资料引入到同化系统的同时,也带来相应的累积误差,因而仅同化一颗卫星可能比同时同化两颗或三颗卫星ATOVS 资料的效果要好。      

资料同化方法研究进展

数值天气预报模式的不断完善和大气观测探测资料（特别是卫星、雷达等非常规探测资料）的大量涌现,推动着资料同化方法的逐步发展.文章主要回顾了资料同化方法研究的发展过程、目前的应用现状以及对未来同化方法的展望.随着人们对资料同化含义的深入理解,对于资料同化的研究由初始的探索阶段逐步发展到以经验性为主的同化方法,主要包括SCM和nudging;统计方法的引入,成为资料同化方法研究发展道路上具有重要意义的一个里程碑,从而出现了多元统计插值同化,比如OI,3D-Var以及PSAS;针对背景误差协方差固定不变与实际情况的差异,考虑时间维的四维资料同化方法成为目前国际上较为主流的同化研究方法,其中以4D-Var和Kalman滤波为代表;随着计算机技术的进步,更加合理的四维资料同化方法将会成为未来业务预报中主要的资料同化方法.     

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。     

Parameterized Forward Operators for Simulation and Assimilation of Polarimetric Radar Data with Numerical Weather Predictions

Many weather radar networks in the world have now provided polarimetric radar data(PRD)that have the potential to improve our understanding of cloud and precipitation microphysics,and numerical weather prediction(NWP).To realize this potential,an accurate and efficient set of polarimetric observation operators are needed to simulate and assimilate the PRD with an NWP model for an accurate analysis of the model state variables.For this purpose,a set of parameterized observation operators are developed to simulate and assimilate polarimetric radar data from NWP model-predicted hydrometeor mixing ratios and number concentrations of rain,snow,hail,and graupel.The polarimetric radar variables are calculated based on the T-matrix calculation of wave scattering and integrations of the scattering weighted by the particle size distribution.The calculated polarimetric variables are then fitted to simple functions of water content and volumeweighted mean diameter of the hydrometeor particle size distribution.The parameterized PRD operators are applied to an ideal case and a real case predicted by the Weather Research and Forecasting(WRF)model to have simulated PRD,which are compared with existing operators and real observations to show their validity and applicability.The new PRD operators use less than one percent of the computing time of the old operators to complete the same simulations,making it efficient in PRD simulation and assimilation usage.     

气象卫星资料在天气预报分析业务中的应用

对TOVS和云导风非常规反演资料进行了质量控制，并将控制后的反演场与常规观测资料以及T106分析场资料进行变分同化，得到合成分析场。结果表明：在合理的目标函数设计的基础上，合成分析场与仅用常规探空资料相比更接近于实况，弥补了实况资料的不足。运用MICAPS中特有的网格点绘图功能实现了机器自动绘制历史天气图工作。经检验误差较小，线条平滑。该方法为在实时天气图和历史图分析中使用非常规资料提供了一条新的途径，具有一定的实用价值。     

两种非常规探测资料在天气预报中的应用

分析了GPS水汽和中尺度自动气象站两种非常规探测资料在天气预报中的作用,结果表明:非常规探测资料可以弥补常规探测资料在时间和空间上密度的缺陷,GPS水汽资料的时间演变特征与强降水有较好的对应关系,不同天气系统、不同降水类型和不同季节有着不同的分布特征,在降水过程分析及短时临近预报预警中有重要的参考意义;自动站资料可以分析中小尺度天气系统的强度、范围、维持时间和演变特征,对于局地性强降水的预报预警有重要的作用。     

卫星资料变分同化在一次中尺度强暴雨模拟中的应用

利用ATOVS资料和常规观测资料, 采用GRAPES 3D-Var同化系统和中尺度数值模式MM5设计了仅同化常规观测资料的NOATOVS试验和同化常规观测资料及ATOVS辐射率资料的ATOVS试验, 对2004年6月22—24日长江中下游和西南地区东部的特大暴雨进行了分析和模拟。结果表明:直接同化ATOVS辐射率资料获得的分析场可以有效改进对流层温、湿场分布, 对风场也有一定的影响。对比试验结果表明:ATOVS试验可以较好地模拟出暴雨天气形势、主要影响系统, 对降雨的落区、强度也有较好的反映, 模拟的局地暴雨强度与实际降雨量基本一致, 同化卫星资料的改善效果较为明显。即同化ATOVS资料对于改进中尺度局地暴雨过程模拟效果是可行的。     

天气预报分析型数据模型及生成

将原始数据转换为分析型数据,增强用户对海量数据的分析能力,是数据仓库技术最核心、最有价值的思想,也是数据仓库在气象领域应用的基础。该文针对天气预报领域数据空间性、瞬变性、物理性和多尺度性等特点,提出了五元组描述的天气预报分析型数据概念模型;总结了生成分析型数据的固定区域统计、划分区域统计、基本天气系统识别和天气学概念模型识别4种聚集变换,并对其关键技术进行了讨论。提出了基本天气系统自动识别的滤波-划分-测量算法,探讨了针对气象数据特点的模糊空间关系,定义了进行天气学概念模型识别的空间模糊产生式规则,并针对空间数据给出了定位条件等扩展。     

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。     

物理滤波初始化四维变分在临近预报中的应用

运用WRF模式(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)和WRFDA同化(WRF Data Assimilation,WRF资料同化)系统,探究采用物理滤波初始化四维变分同化方法提高数值预报在临近预报时效的预报能力的可能性。通过采用12 min同化窗,在不显著增加计算量的情况下,得到更协调的模式初始场,从而提高模式预报能力。选取2018年8月华北地区17个降水个例进行研究,结果表明:采用物理滤波初始化四维变分同化技术能够明显改进模式短时临近降水预报能力,明显提高对大量级降水预报的ETS评分,6 h累积降水大于25.0 mm量级的ETS评分由0.125提高到0.190,且6 h累积降水大于60.0 mm量级的ETS评分由0.016提高到0.081。研究还表明:同化雷达风场通过改进初始动力场使次网格尺度降水过程(积云参数化)快速响应,可提高短时临近时段的降水预报能力。     

数据仓库技术在天气预报决策中的应用探讨

文章概述了数据仓库的概念和特点。讨论了数据仓库的数据存储、联机分析处理 (OLAP) 和数据挖掘 (DM) 要解决的主要技术问题, 侧重于数据仓库技术在天气预报领域中的应用。数据仓库技术将原始数据转换为便于分析的数据, 并增强了管理和使用历史数据及特种观测数据的能力, DM能够帮助预报员快速积累经验, OLAP使预报员的分析突破了过去固有框架的限制。文章针对天气预报决策特点提出以天气系统分析为主的数据聚集处理、在OLAP的多维分析之外增加比较分析、多元分析和相似分析功能等扩展, 还指出关联规则的挖掘是目前预报方法研究中值得尝试的新方法。