区域三维变分同化中背景误差协方差的模拟

背景误差协方差(B)是变分同化中的一个重要部分,极大地影响同化系统输出的分析场.由于计算和指定B中有关统计量需要巨大的资料存储量和计算量,因此进行相关的研究较为困难.本文首先论述了B在变分同化中的重要性以及进行模拟的必要性;接着介绍了美国NMC方法的原理,并研究将其应用到区域三维变分同化中的方法;然后利用WRF模式生成的预报场差值集合对有关统计量进行了估计.揭示了以下结论:通过使用平衡变换和回归系数,控制变量被限制在较小范围内,保证了分析场的质量;流函数第一全局特征向量在200 hPa附近的最大分量,表示了急流层中强西风误差;流函数前五个全局特征向量在低层与中高层之间是负相关的;非平衡温度和相对湿度的特征长度尺度比流函数和非平衡速度势的值要小,说明它们是局地性较强的量.流函数和非平衡速度势的特征长度尺度随垂直模态数的增大快速减小,而相对湿度和非平衡温度的特征长度尺度随垂直模态数的变化较为平缓.     

GSI同化系统的背景误差协方差特征及对预报的影响

在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵,并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验,确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明,采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著,同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上,采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果,并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。     

背景误差协方差变量平衡特征及其对台风同化和预报的影响

构造合理的背景场误差协方差是做好资料同化的关键。分析了背景误差协方差中变量相关关系在台风季节和非台风季节隐含的不同动力平衡特征,并讨论其对台风同化和预报的影响。分析发现,与非台风季节相比,在台风季节温度与非平衡速度势具有更强的动力相关性,拟相对湿度与其他控制变量的相关性也更显著。这些动力相关性在背景场误差中协方差的引入,将在同化分析过程中使得观测信息可以合理地对同化分析场产生影响。台风循环同化和预报的结果验证了对变量平衡特征的分析:背景误差协方差中新平衡关系的建立,对同化和预报有较大的正面影响,尤其是相对湿度和其他控制变量相关的建立,明显改善了台风路径、强度和降水的预报效果。      

WRF-Hybrid背景误差协方差调整在台风同化及预报中的应用研究

利用雷达径向风单点试验和2006年8月超强台风"桑美"个例,首先研究了静态背景误差协方差的尺度化因子和方差在台风系统雷达资料同化中对台风路径和强度预报的影响。结果表明:在高时空分辨率的雷达资料同化中,较小的尺度化因子能显著改进对台风路径的预报;尺度化因子的影响比方差的影响更为显著。基于上述实验结果,进一步研究了WRFDA-Hybrid系统中"流依赖"控制变量的水平局地化和垂直局地化对台风预报的影响。试验结果表明:当"流依赖"的水平局地化距离与静态背景误差协方差的尺度化因子具有等效影响范围的时候,WRFDA-Hybrid能够得到比较合理的分析结果。同时针对雷达观测资料的空间分布特征,本文提出了一种新的基于雷达探测高度的垂直局地化方案,对台风的强度和路径预报均有显著的改进。     

WRF模式三维变分中背景误差协方差估计

利用WRF模式2008年5-10月逐日预报结果,通过NMC方法进行背景误差协方差(B)估计.给出其结构特征,进行单点数值试验,并利用不同B进行1个月的数值模拟试验,检验模拟降水效果.结果表明:通过单点数值试验验证估算的B结构合理.不同的B,资料同化过程差别较大,应用重新统计的B,同化效率更高,目标函数收敛更稳定.模式模...     

流依赖球面小波背景误差协方差模型设计和初步试验

基于资料同化集合设计了流依赖球面小波背景场误差协方差模型中背景误差方差和局地垂直相关协方差的统计计算方法。为了提高背景误差方差的估计精度,采用客观滤波技术来减少因集合样本个数不足而引入的随机取样噪声。最后在银河四维变分同化业务系统(YH4DVar)上设计了集合资料同化的试验系统,以流依赖背景误差方差为重点验证了模型的有效性。结果表明:基于流依赖球面小波背景误差协方差模型能够有效估计出随天气状态变化的背景场误差方差,对台风等剧烈变化的天气过程的同化分析和预报都具有一定的正效果。      

基于云依赖背景场误差协方差的雷达资料同化及对降雨预报影响研究

传统变分同化方法中使用各向同性和均质的背景场误差协方差,忽略了背景场误差协方差的天气系统依赖性,而在变分框架下引入集合流依赖的背景场误差协方差还需要额外的集合预报.为在变分同化中引入更合理的背景场误差协方差,通过引入云指数构建云依赖背景场误差协方差,提出了一种云依赖背景场误差协方差的同化方案,并应用于雷达等多源观测...     

内蒙古区域模式三维变分中背景场误差协方差结构特征分析

背景场误差协方差矩阵的统计是资料同化的重点工作。文章利用NMC方法对内蒙古区域模式2017年7月和2018年2月各月的预报场进行背景场误差协方差矩阵的统计,通过对重新统计背景场误差协方差矩阵的特征、单点试验及预报效果进行分析。结果表明:内蒙古夏季和冬季控制变量的特征向量变化特征相似,但由于天气系统的影响而有所差别;夏季和冬季各控制变量在各模态上的特征值都随着模态数的增加而快速减小,冬季误差模态振幅要小于夏季,这主要是由于影响内蒙古夏季的天气系统较多,天气过程较冬季复杂;对模式贡献越小的特征向量,其特征长度尺度也越小,影响的范围也越小;单点试验验证了应用本地资料重新统计的背景场误差协方差矩阵的合理性。对暴雨个例的数值模拟试验表明:应用本地化背景场误差协方差同化后模拟的强降水范围和强度均得到明显改善,降水模拟更接近实况。说明本地化后的背景场误差协方差对模式预报具有一定的改进作用,在三维变分同化系统中,背景场误差协方差的重新统计工作十分必要。     

快速更新循环同化系统的背景场误差协方差日变化特征研究及初步应用

目前多数快速更新循环同化系统在各分析时刻常使用固定的背景场误差协方差。为在快速更新循环同化系统中采用日变化的背景场误差协方差,基于RMAPS-ST系统分析了其夏季和冬季日变化背景场误差协方差特征,并进行了同化及预报对比试验。结果表明,该系统夏、冬两季的背景场误差协方差均呈现出明显的日变化特征,且夜间各变量(U、V、T、RH)的误差标准差与特征值均大于日间,反映模式系统夜间的预报误差大于日间;而夏季各变量误差标准差和特征值大于冬季,也说明系统在夏季的模式预报误差比冬季大;连续3 d的循环同化试验初步表明,采用日变化背景场误差协方差可以提高同化及预报效果。     

GRAPES全球变分同化背景误差协方差的改进及对分析预报的影响：背景误差协方差三维结构的估计

回顾并详细推导了估计背景误差协方差统计特征的美国国家气象中心(NMC)方法及其优缺点;采用NMC方法系统地估计了新版GRAPES全球模式的背景误差方差、水平相关特征尺度和垂直相关结构,并与欧洲中心模式结果进行了比较。结果表明,目前GRAPES全球模式的背景误差方差比以前有了显著减小;水平相关特征尺度随纬度和高度有显著变化;背景误差垂直相关结构与欧洲中心模式结果非常一致,相比经验公式结果更具物理意义,同时,单点试验结果也表明,更新后的垂直相关结构产生的分析增量更合理。通过与欧洲中心模式背景误差协方差三维结构的对比,分析了不同模式间背景误差协方差的异同及GRAPES全球同化分析系统目前存在的一些不足及可能原因。为新版GRAPES全球模式的三维变分系统提供了基本的背景误差协方差的三维结构。     

混合误差协方差用于集合平方根滤波同化的试验

在集合卡尔曼滤波方法中, 根据预报集合统计提供的依流型而变的预报误差协方差对同化起到决定性的作用。但在集合样本容量不足及模式存在系统误差时, 由预报集合估计的预报误差协方差会出现明显偏差。既要减小这种估计偏差对同化产生的影响而又不增加计算量, 一种可供选择的方法是将定常或准定常的高斯型预报误差协方差和由预报集合估计的预报误差协方差加权平均用于集合卡尔曼滤波同化。利用浅水方程模式, 通过观测系统模拟试验检验在不同的模式误差、 集合成员数以及观测密度条件下, 将这种混合预报误差协方差矩阵用于在集合平方根滤波的效果。试验结果表明, 当预报集合成员数较多而模式又无误差时, 不必采用混合的预报误差协方差矩阵, 否则, 采用混合的预报误差协方差矩阵都有可能改进分析和预报。混合预报误差协方差的最优的权重系数与模式误差关系密切, 模式误差越大, 定常预报误差协方差的权重越大。最优的权重系数与集合成员数及观测密度也有一定关系。     

Background Error Covariance Statistics of Hydrometeor Control Variables Based on Gaussian Transform

Use of data assimilation to initialize hydrometeors plays a vital role in numerical weather prediction(NWP).To directly analyze hydrometeors in data assimilation systems from cloud-sensitive observations,hydrometeor control variables are necessary.Common data assimilation systems theoretically require that the probability density functions(PDFs)of analysis,background,and observation errors should satisfy the Gaussian unbiased assumptions.In this study,a Gaussian transform method is proposed to transform hydrometeors to more Gaussian variables,which is modified from the Softmax function and renamed as Quasi-Softmax transform.The Quasi-Softmax transform method then is compared to the original hydrometeor mixing ratios and their logarithmic transform and Softmax transform.The spatial distribution,the non-Gaussian nature of the background errors,and the characteristics of the background errors of hydrometeors in each method are studied.Compared to the logarithmic and Softmax transform,the Quasi-Softmax method keeps the vertical distribution of the original hydrometeor mixing ratios to the greatest extent.The results of the D′Agostino test show that the hydrometeors transformed by the Quasi-Softmax method are more Gaussian when compared to the other methods.The Gaussian transform has been added to the control variable transform to estimate the background error covariances.Results show that the characteristics of the hydrometeor background errors are reasonable for the Quasi-Softmax method.The transformed hydrometeors using the Quasi-Softmax transform meet the Gaussian unbiased assumptions of the data assimilation system,and are promising control variables for data assimilation systems.     

变分同化框架通过背景误差协方差构建动力平衡约束的研究进展

通过背景误差协方差构建动力平衡约束是变分同化框架设计的重要环节。它不仅帮助实现变量间的协同分析,提高观测使用效率,还能改善变分极小化问题的性状。本文在系统梳理通过背景误差协方差引入动力平衡约束的方式、流程的基础上,对求解目前全球和有限区域变分同化系统普遍采用的准地转平衡和静力平衡约束的共性问题和存在的不足作了归纳总结。分析了求解准地转平衡约束的三类方案:动力平衡方程方案、统计方案和动力-统计相结合方案的优缺点。对照比较了不同垂直离散方案下求解静力平衡约束时遇到的欠定问题的表现以及解决途径。最后,展望了基于背景误差协方差构建动力平衡约束在赤道等特殊地区、高分辨率同化系统、以及集合-变分混合同化系统发展中面临的挑战和机遇。     

江西强冻雨天气形成特征分析

使用常规气象观测资料、气候资料、NCEP 2.5°×2.5°再分析资料和自动气象站等资料,对江西50年来出现的18次持续3天10站次以上冻雨天气过程的形成特征进行分析,结果表明:(1)地面冷高压、阻塞高压、副热带高压、南支槽、850hPa切变线、地面辐合线(准静止锋)、温度锋区、700 hPa急流与湿舌等是强冻雨天气的主要影响系统,具有明显的天气系统配置特征;(2)在有利的天气形势背景下,强冻雨天气过程具有前期候(旬)增温特征.当前期平均温度极大值和平均温度值接近或超过历史同期水平时.极易出现持续性冻雨天气过程,72%以上的强冻雨天气过程与此相关;(3)18次强冻雨天气过程都存在逆温层特征,逆温层高度在850～700 hPa间,平均逆温差为4～5℃,最大10℃,同时地面温度在0℃以下或接近0℃;(4)700～850 hPa平均温差图上有3个温差中心,表明700 hPa高度上有明显的暖湿气流存在,89%的冻雨天气过程与之相关.     

江西省2000年秋季异常连阴雨天气过程分析

分析了江西省 2000年 10月 12～ 28日秋季连阴雨天气过程期间的 500 hPa和地面形势特征及 700 hPa湿度场特征，发现西风带低槽活动频繁、副高位置适中稳定使得冷空气和南方暖湿气流持续交汇于江南中北部是造成这次连阴雨天气过程的主要原因。     

江西三次暴雪天气雷达回波特征分析

研究暴雪雷达回波特征是为了更好地开展暴雪短临预警预报与服务工作。使用常规天气资料和天气雷达、风廓线雷达等非常规资料,采用统计分析、中尺度分析、回波形态分析等方法,对江西2014年、2016年和2018年3次暴雪天气过程进行对比分析。结果表明:江西暴雪过程大多数发生在赣北、赣中地区,除高山站庐山外,九江、修水和南昌也是降雪中心,最大雪深12.6～20.0 cm,降雪区最南可到达吉安西部和赣州北部。暴雪天气的主要系统配置:500 hPa处高空槽前,850 hPa和700 hPa为切变线、西南急流。在降雪前,1000 hPa温度在0℃以上;降雪出现时,1000 hPa温度在0℃以下,大雪时可达-4℃;700 hPa与1000 hPa温度比较接近,并且700 hPa温度高于850 hPa,出现明显逆温层。雪回波一般在5～20 dBZ,暴雪回波强度在30 dBZ左右;降雨回波强度20 dBZ,为20～40 dBZ;雨夹雪回波中,最强雨回波可以发展到40 dBZ以上,呈团絮状回波结构。暴雪反射率因子垂直结构上回波伸展高度在5～7 km,2～3 km附近有20～30 dBZ的较强回波带。径向速度场上,零速度线在1.5～2 km,其以下为负速度区,以上为正速度区。在雷达拼图上可以同时观测到雪回波、雨夹雪回波和雨回波三种相态共存的回波特征。上饶风廓线上0.9～3.2 km存在偏东风与偏西风的风切变层。雪在TWP3和TWP8两种风廓线雷达上表现不同,信噪比SNR分别为:20～35 dB和35～50 dB;而垂直速度W为0～4 m·s~(-1)。     

江西省飑线的雷达回波特征分析

通过对天气雷达观测资料的统计分析，归纳出江西省1972－1999年4－7月飑线回波时空分布，产生源地和移动路径与地形的关系，基本结构和回波参数等特征，对飑线天气的短时分析预报有指导作用。     

江西省云水资源特征分析

利用江西周边11个探空站资料与江西省内84个站1959—2007年降水资料,根据天气学原理和数理统计学方法,对江西省大气中总水汽量、总云水量、水汽交换次数、水汽更新率、实际总降水量等进行计算分析。结果表明:总水汽量、总云水量最大值均出现在6月(1975年),最小值出现在12月(1963年);中度干旱频率区域总云水量值最大,轻度干旱频率区域总云水量值最小;水汽交换次数平均为7.23次/月;水汽更新率平均4.22天/次;总水汽量、总云水量的地理分布呈北部高、南部低趋势分布;总水汽量、总云水量、总降水量相关性比较好,年变化呈现多峰型。