FY-2E卫星云导风定高误差及在同化中的应用

FY-2E气象卫星云导风产品观测误差较大的主要原因是高度指定存在较大误差。针对该问题,采用一维变分方法对云导风高度进行调整。统计分析表明:经高度调整后的FY-2E气象卫星云导风产品质量得到很大改善;采用新息向量法,选取零阶Bessel函数模型,在观测空间分离背景误差和观测误差方差得到云导风的观测误差。运用GRAPES全球模式进行数值模拟,结果表明:采用新的观测误差方案和经过高度调整后的云导风产品能提高数值模式在北半球的短期预报能力,高层的改进效果明显好于中低层。并根据云导风反演原理及算法,讨论了FY-2E气象卫星云导风高度指定系统性偏高的主要原因,以求进一步改善云导风产品的质量。     

FY-4A云导风在GRAPES_RAFS中的同化应用评估

云导风资料具有较高的时空分辨率特性,是数值天气预报中重要的非常规观测资料之一。2016年12月我国第二代静止气象卫星风云四号首颗试验卫星(FY-4A)成功发射。依据国家卫星气象中心提供的2017年8月FY-4A卫星红外和高空、低空水汽通道云导风测试数据,选用美国国家环境预报中心的FNL全球分析资料为参考场,对比分析云导风资料观测分布及偏差特征。评估结果表明,FY-4A云导风测试数据分布稳定,水汽通道云导风资料观测数明显多于红外通道;红外通道云导风资料偏差和均方根误差最小,水汽通道云导风资料在高层偏差较大。基于GRAPES_RAFS系统,选取2017年第13号台风天鸽做24 h预报试验。个例试验结果表明,同化FY-4A云导风资料对模式高度场和风场分析有一定调整作用,特别是同化FY-4A水汽通道云导风资料,对强降水落区和强度预报有所改善。     

静止卫星云导风的质量控制及在同化中的应用

静止卫星云导风的同化一直以来是卫星资料同化中亟待解决的问题之一,其质量控制是关键。该文针对全球静止卫星云导风的红外、水汽和可见光通道在空间区域的误差特点确定相应的QI阈值,进行了质量控制和等距稀疏化工作,并考察了质量控制前后云导风数量的垂直分布特征。研究表明:质量控制后,红外通道云导风占绝大多数,水汽通道次之,可见光通道最少。最后,文章设计了3个试验方案进行数值模拟,对比分析了云导风在质量控制前后对预报的改进效果,结果表明:加入经质量控制的云导风资料后能有效减小分析场在中高层的误差;经过质量控制后的云导风对全球中短期数值预报 (1~5 d) 有明显的正预报效果。     

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。     

FY2E辐射资料的直接同化试验研究

利用GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)系统直接同化FY2E红外通道IR1、IR2和WV的辐射资料,并在2011年10月13-14日的华南暴雨个例模拟分析中评估了同化效果。首先对卫星资料进行了稀疏化、偏差订正、下垫面检查、标准差检查、与背景场的偏差检查等质量控制。质量控制使得观测资料更接近高斯分布。个例模拟结果表明同化FY2E辐射资料产生的分析增量主要集中在对流层中低层。其中位温、水凝物混合比分布发生了明显改变,变化幅度从大到小依次为IR2、IR1、WV。同化使得观测增量分别从1.9、1.9和1.4 K降低到1.5、1.5和1.0 K。同化WV通道资料的降水预报优于同化IR1或IR2的,在25-和100-mm量级上的ETS评分提高了约0.05。另外同时同化3个通道的资料,其预报结果并不绝对优于单独同化某一通道资料的试验。     

水汽导风在GRAPES模式中的同化应用

分析探讨了水汽导风（AMV-WV）资料的分布、质量,并使用国家气象中心准业务数值预报系统GRAPES_GFS₁-4-2-3版本进行了2013年5月1个月的数值预报影响试验。观测资料从国家信息中心的要素库中获取。结果显示:AMV-WV资料的主要分布在700hPa以上高度,云区QI（质量标识）大于80的AMV-WV其观测误差和红外导风相当;对数值预报影响试验表明云区AMV-WV资料对500¹00hPa高度上的风场分析是有改善的,分析的均方差略有减小,对6天预报500hPa高度距平相关系数提高0.02;晴空区AMV-WV的观测质量在700hPa以上相对较差,对分析和预报没有改进。     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

COSMIC资料在GRAPES全球三维变分同化系统的初步研究

利用COSMIC获得的GPS无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料,在GRAPES全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验,研究了加入COSMIC资料后得到的GRAPES分析场及其5天中期预报是否有所改善。研究结果表明：通过加入COSMIC资料连续循环同化得到的分析场,相对原来没有加COSMIC资料连续同化出来的GRAPES分析场有明显改善,由此GRAPES全球模式全球5天中期预报水平有明显提高,其中加入没有稀疏化后COSMIC资料对南半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都比较显著;加入稀疏化后的COSMIC资料对北半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都有比较显著的效果。     

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...     

极轨卫星高层通道在GRAPES同化系统中的应用

针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。     

FY-2E扫描辐射计云图受月球干扰的影响

针对2012年3—12月FY-2E气象卫星云图出现4次明显的白色亮带异常状况,分析4个红外通道白色亮带出现的原因和影响机理。根据异常白色亮带出现的时间、亮带区域内的内容及亮带过后数据序列的特点,确定是月球出现在卫星视场外左侧临近区域引起的异常情况。以FY-2E气象卫星观测模式分析月球干扰云图的机理和过程,月球通过直流恢复导致云图中出现白色亮带,基于FY-2E气象卫星工作参数定量计算月球干扰云图的准确时间,确认在2012年3月—2013年1月FY-2E气象卫星共有12次受到月球干扰,而业务系统仅发现4次。根据异常数据分析干扰时间的计算精度,确认卫星的电子学随机误差和月球天平动是引起计算精度的重要原因。重新发现的异常云图显示了对月球干扰现象分析的合理性以及对干扰事件过程的计算准确性,有助于数据用户对FY-2E气象卫星云图的准确认识与应用。     

同化FY3B/IRAS资料对GRAPES分析场影响诊断

GRAPES(Globe and Regional Assimilation and Prediction System)变分系统能够同化常规资料和非常规卫星资料,这些被同化的资料究竟对同化系统得到的分析场有何影响,目前国内外尚未见相关的研究文献。为此,首次采用基于信息熵信号自由度思想,诊断风云三号B星(FY3B)红外分光计(Infrared Atmospheric Sounder,IRAS)资料对GRAPES分析场的影响。诊断过程中,采用数值逼近方法,统计2012年12月24日18时到2013年1月22日00时共114个时次IRAS资料对GRAPES分析场影响,结果表明,IRAS中高层通道亮温资料对GRAPES分析场影响比地表通道20观测亮温的影响大,地表通道8和9观测亮温对分析场影响较大。前24个GRAPES变分同化时次每个时次IRAS通道亮温对分析场影响的贡献率分析结果显示,高层通道和H_2O通道贡献率较大。个例分析结果表明,在同化探空资料基础上加入IRAS资料后,温度和湿度增量场变化幅度较大,表明IRAS资料对分析场有降温和增湿作用。     

GRAPES的积云对流参数化方案性能评估及其改进试验

利用GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)单柱模式(Single Column Model,SCM),采用GCSS WG4第三次个例资料,对BMJ、SAS和KFeta三种积云参数化方案进行了数值试验和诊断分析,得到如下结论:BMJ和KFeta方案都能较好地模拟出与观测相符的降水,而SAS则相对较差;BMJ方案在对流层中高层位温误差较小,低层偏冷严重,同时该方案具有较强的水汽向上输送能力,易造成低层偏干,中高层偏湿,因此其调整的大气层结过于稳定;KFeta方案倾向于造成低层偏冷偏湿,但低层偏冷幅度相对于其他方案较小,在对流层高层则由于对流穿透过强导致严重偏冷.针对KFeta方案对流穿透过强的问题,本文提出了一种新的对其垂直速度方程进行修改的方案,并且考察了Anderson等提出的修改流出层方案.数值试验表明,这两种修改都能有效地减小高层冷误差;综合来看,本文提出的修改方案的预报效果更令人满意.     

FY-2E资料空间响应订正及对强对流监测改进

建立空间响应匹配滤波 (spatial-response matched filter, SRMF) 方法,针对强对流低温研究目标,开展我国风云二号E星 (FY-2E) 红外亮温订正计算,并选取2013—2014年典型对流天气进行统计分析,从对流的空间分布、发展过程、云团结构等多角度进行方法性能评估。结果表明:对于对流云团结构,SRMF方法可改进FY-2E卫星红外波段对对流云团识别的准确度,减小高温背景对低温对流云团的邻近像元效应,增加了FY-2E卫星对中尺度对流内部小尺度精细化结构的揭示能力;对于对流空间分布,SRMF方法降低了对流判识空间分布统计误差,减少极短时间、极小范围强对流天气的漏判;对于对流识别时间响应,SRMF方法能够正确且提前显现出云团由弱对流向强对流的发展潜势,提高FY-2E卫星探测仪器对强对流天气的临近预警能力。     

FY2E卫星反演云特性参数产品在乌鲁木齐暴雪天气分析中的应用

利用FY-2E静止卫星反演的云参数产品对乌鲁木齐2015年12月11日和2017年12月27日两次暴雪天气过程进行分析,发现在降水发生前2 h,云宏观参数的云顶温度、黑体亮温、云顶高度和过冷层厚度都处于不断增强的较高水平,且出现快速增强后又不断减弱,对应后期可能要出现强降水,其中与小时降水量变化具有较好的相关性,降水前期相关参量较降水中后期都要大。在降雪天气中云顶温度普遍在-20～-60℃,云顶高度最大值均超过10 km,过冷层厚度集中在2～9 km。从云微观参量来看,降雪云的光学厚度主要在10～35,绝大多数的有效粒子半径分布在15～35μm,两场天气的液水路径分别分布在75.49～975.63 g/m2和47.41～796.01 g/m2,前者降雪天气的云宏微观参量均值都不同程度地大于后者。     

Performance Evaluation of the GRAPES Model in Wind Simulations Over South China

In the present study, the performance of the GRAPES model in wind simulation over south China was assessed. The simulations were evaluated by using surface observations and two sounding stations in south China. The results show that the GRAPES model could provide a reliable simulation of the distribution and diurnal variation of the wind. It showed a generally overestimated southerly wind speed especially over the Pearl River Delta region and the south of Jiangxi Province as well as the coastal region over south China. GRAPES also exhibited a large number of stations with the opposite surface wind directions over the east of Guangxi and the south of Jiangxi during the nocturnal- to-morning period, as well as an overall overestimation of surface wind over the coastal regions during the afternoon. Although GRAPES could simulate the general evolutional characteristics of vertical wind profile, it underestimated wind speed above 900 hPa and overestimated wind speed below 900 hPa. Though the parameterization scheme of gravity wave drag proved to be an effective method to alleviate the systematic deviation of wind simulation, GRAPES still exhibited large errors in wind simulation, especially in the lower and upper troposphere.     

GRAPES的新初始化方案

四维变分同化由于引入预报模式作为一项约束,理论上它的分析场已经具有较好的平衡性,但实施时还会有诸多因重力波导致的高频振荡过程,因此,四维变分同化(4DVar)分析仍需要初始化。文中描述了GRAPES全球四维变分同化系统(GRAPES-4DVar)的新初始化方案的科学设计、公式演绎以及试验结果。GRAPES-4DVar的新初始化方案采用数字滤波方案作为代价函数的一项约束控制重力波引发的不平衡结构,约束强加在分析增量上与极小化迭代过程同步进行。新的初始化方案是变分同化系统的一部分,数字滤波的积分时间与4DVar的同化时间窗一致,不会对4DVar产生额外的计算资源消耗;并能适应长时间窗的同化,不会因为时间窗的延长而削弱慢波过程。新初始化方案中,模式轨迹的光滑程度可在变分同化中通过重力波控制项的权重系数方便控制。GRAPES全球四维变分同化的理想和循环同化批量试验都表明,在四维变分同化中,重力波的控制依然非常重要,具有初始化的GRAPES试验,无论分析还是预报技巧都较无初始化的有明显优势。与以前分析和滤波独立实施的旧初始化方案相比,新方案的分析和预报效果略优,同时有效地节省循环同化系统的运行时间,这对四维变分同化来说非常重要。     

GRAPES-REPS西南低涡预报检验评估

利用2015年6—8月GR APES-REPS(Global/RegionalAssimilation and Prediction System-Regional Ensemble·Prediction System)区域集合预报资料,并设计西南低涡格点资料客观识别方法对西南低涡中心位置进行定位,首先评估GRAPES控制预报对西南低涡的预报准确性,之后挑选出四次生命史较长的西南低涡过程,分析评估GRAPES-REPS对西南低涡发生、发展、移动及降水过程集合预报性能。结果表明:(1)GRAPES模式对西南低涡预报的命中率较高,空报率略大于漏报率。(2)GRAPES-REPS对西南低涡发生和发展的预报效果较好,绝大部分集合预报成员能预报西南低涡发生和发展过程,但对西南低涡发生时间预报总体偏早。(3)GRAPES-REPS对西南低涡移动路径在24 h预报时效内比较合理,且集合预报平均明显优于控制预报,24 h之后东移型西南低涡移动路径明显偏北。(4)GRAPES-REPS对西南低涡强度预报总体偏强,表现为中心正涡度值偏大,位势高度值偏低。(5)24 h预报时效内,西南低涡触发的小雨到大雨量级的降水概率评分均有较好表现,且落区与实况接近,而暴雨落区个别略有偏北,但基本吻合。24 h之后,由于东移型西南低涡移动路径偏北导致模式预报降水落区偏北。可见,模式对西南低涡强降水有一定预报能力,因此,提高GRAPES-REPS中尺度集合预报能力,将有助于改进西南低涡强降水预报。