红外高光谱资料近地面通道应用技术研究:海洋地区观测资料同化试验

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用.就我国自主研发的GRAPES-3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想.针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分(1DVar)方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响.结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显.     

基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验

为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化（4DVar）系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程（长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等）。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法（GCR）求解扰动亥姆霍兹（Helmholtz）伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。      

高光谱大气红外探测器AIRS资料云检测及晴空通道应用技术初步研究

目前GRAPES-3DVar(全球\区域同化预报系统)使用的AIRS云检测方案只能够检测出完全晴空时的视场资料,对于受到云污染的视场,所有通道资料全部被剔除。研究表明有云视场当中的云顶以上资料对数值预报的影响更加重要,研究也更加有意义。因此,文章借鉴McNally和Watts云检测方案,结合GRAPES-3DVar系统和仪器特征,建立了一种适合于GRAPES-3DVar模式的晴空通道检测方案。该方案不但可以检测出完全晴空的视场资料,同时也可以检测出有云视场当中不受云影响的云顶以上通道资料;另外,还可以求出云顶高度,判断出高、中和低云。然后,将AIRS观测资料分别用晴空视场检测方案和晴空通道检测方案进行云检测,从结果分析看,晴空视场检测方案可以检测出的晴空资料占总资料的9.14%,而晴空通道检测方案检测出的晴空资料达到了34.86%,是传统云检测方案的3.8倍,大大增加了资料的使用度。     

地面观测资料同化在GRAPES模式中的应用研究

本文运用GRAPES_Meso业务模式(3.1版)通过四个同化地面不同观测要素方案及没有同化任何地面要素的控制试验对2012年7月初发生在四川的一次降水过程做了数值模拟,结果表明:五个模拟方案对不同区域不同量级的降水皆存在不同程度的空报和漏报现象,空报和漏报相对较严重的是控制试验和同化水平风场的同化方案,随着预报时效的增加各方案模拟可信度减小;四个同化方案的同化作用随着预报时效的增加表现出不稳定,相对较稳定的是同化所有地面观测要素的方案;在模式初期和后期,同化作用表现相对明显的是同化所有地面观测要素的方案,只同化水平风场的方案同化作用较小,同化中期各同化方案同化作用皆不稳定;随着预报时效的增加,几个模拟方案之间的差异程度越来越小,但同实况间的差异越来越大。     

利用NOAA/AMSU资料和GRAPES同化系统对陆面比辐射率计算的改进研究

地表比辐射率计算的不确定性,直接影响到卫星资料在数值预报中同化应用的效果。本文采用美国NOAA/NESDIS的Weng等[1,2]提出的复杂陆面比辐射率模式,同时用NOAA卫星AMSU-ACh1或Ch2反演的地表比辐射率来调整该模式所需的地表参数,从而在缺少详细地表参数的情况下,改进AMSU-A Ch3和Ch15的地表比辐射率计算精度。在积雪地表情况下,用NOAA卫星AMSU-A资料直接反演各通道的比辐射率,在GRAPES同化系统中的应用表明,结果有明显的改进。     

变分质量控制在区域GRAPES-3DVAR中的应用研究

观测资料的质量控制是数值预报系统中不可缺少的重要组成部分.质量控制方案的好坏影响到数值预报分析系统中观测资料的使用,影响数值模式初始分析场的效果,还直接影响模式预报的结果.本文将变分质量控制方案应用于我国的区域GRAPES三维变分(3DVAR)同化系统中,改善了该系统分析与预报效果,并对2009年7月2日00:00(北京时)-3日00:00发生在我国南方的一次暴雨过程进行了数值模拟试验及2009年夏季(6-8月)3个月的连续试验.个例试验和连续试验结果均表明,应用变分质量控制后的分析结果更加合理.尽管对高度场和风场的分析结果改变不显著,但湿度场的分析结果得到改善,水汽输送强度得到调整,更加合理且接近实况;对预报模式初值的改善具有积极意义.同时也提高了模式对降水落区、强度的预报能力.     

地面报中高山站资料的应用分析

无线电探空仪观测和地面观测资料作为天气分析和数值预报最常用、最重要的两种资料数据源,两者时空分辨率有着明显的差异。如何利用地面观测资料的高时空分辨率特点来补充探空观测资料在一些地区的欠缺和不足,特别是地面高山站资料的使用对对流层底层环流场的影响及对精细化数值天气预报风场分析指示意义等都需要进一步的探究。文章通过对地面高山站资料在资料同化中不同的使用方式的分析,探索其作为探空资料的补充在资料同化中的贡献。个例试验选取2013年6月29日00时地面资料和探空观测资料进行资料同化,试验方法:分别将地面高山站资料作为探空资料和地面资料应用于同化分析中,结果表明:地面高山站资料当探空资料使用时对850和925 hPa风场同化分析有正效果。在地面高山站资料当探空资料使用和当地面资料使用的对比中,其24 h 850和700 hPa高度和风场预报试验差异不显著;但24 h降水预报结果显示:地面高山站资料当探空资料使用对降水强度和位置的预报都有弱的正贡献。连续试验的降水预报检验证明:在地面高山站较多的西南区,高山站资料当探空资料使用在小雨、中雨、暴雨等量级的预报评分要优于高山站资料当地面报使用,且其预报偏差也较小;在中国区降水预报检验高山站资料当探空资料和地面报使用差异不大。     

云检测在高光谱大气红外探测器 辐射率直接同化中的应用

对于高光谱大气红外探测器AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)辐射率的同化,云检测技术是关键的一步.本文借鉴G01dberg的云检测的思想,通过AIRS通道和相应微波通道的经验组合来进行云检测,此云检测方案不需要对通道进行偏差订正,并且除背景场海表温度,不依赖于大气的先验信息,是一个快速简...     

探空观测资料在西南暴雨中的同化试验

利用探空观测资料、T213资料、NCEP再分析资料以及GRAPES三维变分同化系统,研究不同探空观测资料预处理过程对同化结果和西南暴雨预报的影响。得到以下主要结论:(1)资料接收方式和取资料的截断时间不同会影响可用探空观测资料的站点个数。不同探空观测资料预处理过程,使同化系统得到的可用资料数量不同。(2)同化系统同化的探空资料数量越多,对背景场调整幅度越大。(3)利用GRAPES 3D-VAR系统同化探空观测资料能够改善背景场质量,随着同化的资料条数增多,对背景场的改善作用越明显。(4)降水预报结果表明,同化系统使用的资料条数越多,降水中心强度越接近实况。(5)2005年7月降水预报在西南地区的TS评分结果表明,国家气象中心使用的探空观测资料预处理程序优于成都区域中心的预处理程序。      

SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达速度观测资料 II. 实际资料试验

文章的第Ⅰ部分(徐道生等,2011)将基于SVD (singular value decomposition)技术和预报集合的三维变分同化方法(SVD-En3DVar)用于同化模拟的雷达速度观测资料,试验表明,通过3DVar (three-dimensional variational technique)方法产生预报...     

散射计风场的三维变分对海雾数值模拟的影响

为了评估同化QuikSCAT海面风场资料对海雾模拟的影响,对发生在2006年4月3—5日的海雾过程,首先通过3个敏感性试验,研究了不同边界层参数化方案对海雾模拟的影响,发现YSU边界层参数化方案更适合海雾过程的模拟。然后对2006年4月3—5日平流雾过程和2005年6月23—24日辐射雾过程利用WRF-3DVAR系统将QuikSCAT海面风场资料同化到模式中,并以未同化和同化了QuikSCAT海面风场资料的数据为初始场,应用WRF模式进行模拟预报,同时对模拟预报得到的结果与实况 (卫星云图和地面观测) 进行对比,结果表明:QuikSCAT海面风场资料的三维变分同化能够改善低层其他要素场,对海雾预报有明显的正效应,但对高层的影响相对有限。     

Influence of Surface Temperature and Emissivity on AMSU-A Assimilation over Land

AMSU-A (Advanced Microwave Sounding Unit-A) measurements for channels that are sensitive to the surface over land have not been widely assimilated into numerical weather prediction (NWP) models due to complicated land surface features. In this paper, the impact of AMSU-A assimilation over land in Southwest Asia is investigated with the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Four radiance assimilation experiments with different land-surface schemes are designed, then compared and verified against radiosonde observations and global analyses. Besides the surface emissivity calculated from the emissivity model and surface temperature from the background field in current WRF variational data assimilation (WRF-VAR) system, the surface parameters from the operational Microwave Surface and Precipitation Products System (MSPPS) are introduced to understand the influence of surface parameters on AMSU-A assimilation over land. The sensitivity of simulated brightness temperatures to different surface configurations shows that using MSPPS surface alternatives significantly improves the simulation with reduced root mean square error (RMSE) and allows more observations to be assimilated. Verifications of 24-h temperature forecasts from experiments against radiosonde observations and National Centers for Environmental Prediction (NCEP) global analyses show that the experiments using MSPPS surface alternatives generate positive impact on forecast temperatures at lower atmospheric layers, especially at 850 hPa. The spatial distribution of RMSE for forecast temperature validation indicates that the experiments using MSPPS surface temperature obviously improve forecast temperatures in the mountain areas. The preliminary study indicates that using proper surface temperature is important when assimilating lower sounding channels of AMSU-A over land.     

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.     

基于历史样本投影的四维变分陆面数据同化方法及其初步应用

法面临着计算量上的挑战。本研究将一种历史样本投影的四维变分同化方法(Historical-Sample-Projection4DVar,简写为HSP-4DVar)应用于陆面数据同化,建立起CoLM陆面模型的HSP-4DVar系统。相比其他四维变分同化方法,HSP-4DVar的分析值是显式求解,不需要编写和使用伴随模式,从而大大节省了计算量,是一种易于实现的同化方案。通过同化56个月的土壤湿度观测数据表明,新的陆面同化系统不仅省时,而且能够有效吸取观测信息,使得同化后的均方根误差显著降低,各层土壤湿度模拟都有所改善,陆表1000mm层的改善最为明显。     

地面观测资料在西南地区数值预报中的敏感性试验

利用3.0版的GRAPES同化系统,针对西南地区2005年7月的夏季降水,开展地面观测资料的同化敏感性试验,对整月天气进行了每日一次的48小时预报,并对该月发生在川渝地区"7.8"大暴雨过程进行对比分析.试验结果表明,在地形复杂的西南地区,利用等压面的GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料对降水预报的影响随进入同化系统的地面观测资料疏密程度和同化内容的不同而不同;当模式采用较高分辨率时,同化的地面观测资料越多,对降水预报的改善作用越明显;同化地面观测资料的风速信息可以降低降水预报的空报率,但对漏报率和TS评分改善作用不明显;在几种同化方案中,利用GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料的相对湿度和位势高度信息,对降水预报的改善效果最明显.     

两种OI陆面同化方法在GRAPES_Meso模式中的初步应用试验

初始土壤湿度和土壤温度,对陆面模式以及数值模式的模拟结果都有很大影响。OI(Optimal Interpolation)方法,是考虑观测和预报误差的客观统计方法,能够给出一个修正后的土壤湿度和土壤温度。在OI方法基础上发展的OI_EC和OI_MF方法,已经在欧洲中期天气预报中心、法国气象局等业务应用。现在的GRAPES_Meso模式还未引入陆面同化技术,所以本文将OI_EC和OI_MF两种陆面同化方法在GRAPES_Meso中进行初步应用。通过夏、冬两个季节的试验结果发现:两种陆面同化方法均能有效地提高模式对2m气温模拟效果,对于降水模拟结果没有明显变化。对比两种OI陆面同化方法结果,OI_EC方法得到的系数更为合理,OI_MF方法不适合模拟植被覆盖较低的区域。