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。     

对流尺度数值预报中的云物理初始化方法改进及个例试验

通过在云初始化方案中增加由地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据,同时增加层云云冰、云水计算方案,改进云分析方法,并基于第2代华东快速更新循环同化模式预报系统,针对2015年4月28日华东强对流个例,进行对比试验,分析了改进的云初始化方案对云分析结果和模式预报效果的影响。试验表明:在云分析中增加对流判据,使得平均40%左右的云分析格点判定为非对流格点,对流格点分布与正的感热通量分布相似,在陆地上有显著日变化。在对流和层云格点判定之后,增加层云云冰、云水计算方案分析层云格点,显著地减小了模式初始场的云冰、云水混合比,有效地减弱了模式积分初始阶段云冰、云水含量的剧烈调整,尤其是在陆地区域。采用改进的云初始化方案进行预报,可以减少模式前1 h和前6 h的降水强度;尤其在个例的循环试验中,强降水中心强度和面积的预报比原方案显著减弱。      

云物理初始化对一次强对流天气数值预报的影响研究

基于第二代华东快速更新循环同化预报模式系统,针对2015年4月28日华东强对流天气,分析了云初始化对强对流数值预报的作用和影响。有无云初始化试验对比结果表明,在循环系统中使用云初始化,能够显著提高0~6 h的降水预报评分,强降水的位置预报更接近实况。云初始化能较好地改善初始场水凝物的质量分布,提供较准确的相关对流系统的初始信息,改进强对流区域内水凝物的预报效果,有效避免了模式初始阶段的降水滞后现象,缩短了模式由于初始微物理信息缺失引起的“spin-up”时间。而积分6 h以后的结果与无云初始化的结果差别不大。      

利用整层模式大气统计求解GRAPES-3DVAR动力平衡约束的数值试验

针对采用单层模式大气中统计求解风压场平衡关系的不足,采用改进方案,在表达动力平衡约束时考虑不同层次上变量之间的相关,利用整层模式大气中的旋转风场统计求解每一层上质量场的平衡部分。改进方案通过类岭回归方法减少多重共线性以及小尺度噪音对统计求解的不利影响,提高了统计结果的稳健程度。数值试验结果表明,相对于原有方案,采用整层模式大气统计求解的方案能更好地保证质量场在垂直方向分析的合理性,减少数字滤波初始化对分析增量的调整,提高位温的分析效果。在冬、夏两个代表月同化预报循环的对比试验中,改进方案对温度场的预报效果有明显提高,对风压场预报也有一定程度的正效果。      

用数字滤波方法进行数值模式的初始化

将数字滤波原理用于Ｔ４２Ｌ９全球谱模式的初始化。选取两个初值进行了实验。通过对模式短时间积分得到的时间序列进行滤波处理，有效地滤去了初始场中的高频重力波振荡，保留了其中有天气意义的扰动，同时对分析场的改变很小。５ｄ预报的结果说明，经过初始化后的预报较为平稳，场较为光滑。对比实验表明，绝热和非绝热初始化的效果很接近。这种方法简便有效，是一种实用的初值化方法     

台风涡旋循环初始化方法及其在GRAPES-TCM中的应用

由于观测资料的缺乏,全球数值模式中台风涡旋一般较弱.但在区域数值模式中由于能使用更高的分辨率,采用适合台风的物理过程计算方案,因此区域模式中的台风涡旋能得到更好的发展.通常情况下,由于区域模式每次预报都使用全球模式的预报结果作为背景场,因此在区域模式中得到发展的台风涡旋并不能出现在下一次预报的初始场中.本研究结合BDA和涡旋重定位方法,采用MC-3DVar技术将台风涡旋初始化与资料同化技术结合起来,提出了循环初始化技术.在该技术中,提取区域模式6 h预报的台风涡旋周围的廓线资料,并根据台风观测位置将这些廓线资料平移到正确位置进行同化,从而使得台风涡旋在区域模式中得到循环发展.个例试验的结果表明循环初始化方案能更准确地刻画初始台风的强度和结构,相比控制试验,其初始台风强度更接近实况,结构更为合理,而且与观测更为接近,相应的,台风路径和强度预报也有很大的改善.对超强台风"蔷薇"的22次预报的总体结果表明,相对控制试验,循环初始化方案使得试验的总体路径预报距离误差从24 h的113 km降低到89 km,从48 h的188 km降低到184 km.另一方面,循环初始化方案对强度预报也有很大改善,24 h中心气压均方根误差从控制试验的32 hPa降到22 hPa.2009年汛期开始,以循环初始化方案为基础的GRAPES-TCM投入准业务试验,在对2009年2、3、4和6号热带气旋的准业务运行的预报结果的分析表明,新的方案较之采用涡旋重定位的GRAPES-TCM业务系统在路径和强度预报能力方面均有较大改善.     

T639全球模式的台风初始化方案升级试验

由于洋面上缺少有效的台风观测资料,台风初始化对全球数值预报业务模式而言,仍然是一个悬而未决的问题。国家气象中心自从2009年将T639全球数值预报系统投入业务运行以来,应用了一套完整可行的台风初始化方案,其技术路线是在台风刚发生时的预报时刻,在背景场嵌入人造bogus涡旋;而在后续的循环滚动预报时刻,采取涡旋重定位和涡旋调整技术方案;因此,第一个预报时刻的涡旋形成技术直接影响到后续时刻的台风涡旋质量乃至预报效果。但是,人造bogus涡旋主要依据统计的经验模型建立,其结构与全球数值模式的动力学、物理学属性并不匹配。基于国家气象中心T639全球资料分析同化-预报循环系统,一套升级版的台风初始化方案被发展了起来,与业务方案的主要区别在于升级方案利用资料同化技术来形成初始涡旋而不是直接嵌入人造bogus涡旋;这在很大程度上减少了人为主观因素对台风初始结构的影响,而更多地是依靠变分资料同化来协调约束产生三维空间的涡旋环流,这样产生的涡旋环流不但与周围环境场比较协调,而且与模式的动力学、物理学属性也比较匹配。应用新方案,本文对生成于西北太平洋2011-2012年27个台风进行了数值试验,初步分析表明,新方案在实现台风初始涡旋环流结构方面有着不错的表现,相比于业务使用的方案而言,新方案台风路径平均预报误差有了不错幅度的降低,2~5 d预报平均路径误差普遍降低了3%~15%。     

模式动力过程与物理过程耦合及其对台风预报的影响研究

中国南海台风模式是基于GRAPES的热带中尺度模式,采用半隐半拉格朗日时间差分方案,借助Helmholtz方程进行隐式求解,然后计算物理过程,并把各物理量反馈到动力预报场,实现动力过程与物理过程耦合。为了探讨耦合方案对预报精度的影响,在原方案的基础上,设计了新的技术方案,主要包括两项技术改进。其一是考虑温度、水汽的物理反馈对气压场影响,将间接导出的气压反馈值返回动力场;其二是在第一项技术改进的基础上,将物理反馈值作为模式Helmholtz方程的右端项参与隐式求解,物理反馈在动力约束条件下实现与动力过程耦合。针对新方案对台风路径预报的影响开展个例和批量试验研究。个例试验研究表明,新方案明显地提高了台风预报水平,特别是提高了移动速度的预报准确率;2013年批量试验结果分析,如文中给出的台风路径预报、等压要素预报准确率对比分析,说明新技术方案整体提高模式预报精度。     

国家气候中心海气耦合模式汛期降水预报的一种订正方案及其试验

用奇异值分解(SVD)方法,分析了1983～2003年夏季国家气候中心海气耦合模式500hPa高度预报场与中国特别是华中区域降水场、1971～2000年夏季NCEP/NCAR 500hPa高度场与中国特别是华中区域降水场的关系.结果表明:夏季NCEP/NCAR 500hPa高度场与中国特别是华中区域降水场关系明显较模式500hPa高度场密切,若夏季NCEP/NCAR 500hPa高度场南、北半球副热带高压较强(弱),北半球副热带高压主体偏南(北),则长江流域、东北地区中部及青藏高原东侧将降水偏多(偏少).对比分析结果,发现国家气候中心海气耦合模式存在一定程度的预报误差,如长江流域误差就较为明显.作者提出一种订正方案,利用SVD从模式500hPa高度预报场中提取大尺度信号,借助最优化技术,合理订正误差,改进降水场的预报.经试验表明:订正后降水场预报的距平同号率有可能接近NCEP/NCAR 500 hPa高度场相当的技巧水平.     

四维变分同化方法在台风初始化及其数值模拟中的应用——对9608号(Herb)台风的研究结果(英)

采用MM5数值预报模式,以及以MM5和它的伴随模式为基础的四维变分同化系统,以NCEP/NCAR再分析资料为背景场,运用BDA(bogus data assimilation)方案优化热带气旋的初始结构,从而一定程度上弥补了海洋上资料缺乏所造成的台风中心位置不准确,台风环流偏弱,台风内部结构不完整等问题,在此基础上对台风进行了72小时数值预报。通过对多个台风个例的研究表明,BDA方案对台风的初始化处理,有效性地构造出了原来分析场所缺乏的台风内部结构,并且与模式初始场协调,因而大大改进了台风中心强度的预报,对于台风路径的预报也有改进,但不是十分理想,还有待提高。     

An Improved Approach for Parameterizing Surface-Layer Turbulent Transfer Coefficients in Numerical Models

Based on classic iterative computation results, new equations to calculate the surface turbulent transfer coefficients are proposed, which allow for large ratios of the momentum and heat roughness lengths. Compared to the Launiainen scheme, our proposed scheme generates results closer to classical iterative computations. Under unstable stratification, the relative error in the Launiainen scheme increases linearly with increasing instability, even exceeding 15%, while the relative error of the present scheme is always less than 8.5%. Under stable stratification, the Launiainen scheme uses two equations, one for 0 < Ri _B ≤ 0.08 and another for 0.08 < Ri _B ≤ 0.2, and does not consider the condition that Ri _B > 0.2, while its relative errors in the region 0 < Ri _B ≤ 0.2 exceed 31 and 24% for momentum and heat transfer coefficients, respectively. In contrast, the present scheme uses only one equation for 0 < Ri _B ≤ 0.2 and another equation for Ri _B > 0.2, and the relative error of the present scheme is always less than 14%.     

THE APPLICATION OF TIDAL SIGNAL EXCLUSION SCHEME FROM INITIALIZATION IN A GENERAL CIRCULATION MODEL

In this paper, some corrections was made to the assumption that the forcing is quasi-static, which is the basis of the nonlinear diabatic initialization scheme adopted by a global model T106L19. Thus the tidal signal is expressed and excluded from the i…     

Development and Test of Hydrostatic Extraction Scheme in Spectral Model

The introduction of “hydrostatic extraction” scheme, or “standard stratification approximation”, into spectral model gained some advantages compared with commonly used schemes. However, computational instability may oc-cur for high vertical resolution versions if the stratification parameter C0 taken as a constant. In this paper, the pos-sible cause leading to the instability is discussed and an improved scheme presented where C0 is generalized to be a function of both height and latitudes. Hence the reference atmosphere gets closer to the real atmosphere and the tem-perature deviation field to be expanded becomes smoother everywhere. Test by real case forecasts shows good computational stability of the new scheme and better prediction performance than usual schemes of spectral model.     

适应性非对称人造台风方案对热带气旋路径的模拟预报

设计了一种新的适应性非对称人造台风方案。该方案中，初始场中植入的非对称人造台风不但与初始场之间更为协调，而且还包括较多的非对称信息。应用此方案对两个台风个例的路径进行了数值模拟试验，模拟结果与实况较为接近。     

一种基于位涡反演的变性台风初始化方案

针对变性台风的结构特征和Bogus 方案的局限性,提出了一种新的基于位涡反演技术的台风初始化方案。实际应用效果表明,该变性台风初始化方案既能使初始场中的台风中心位置和强度与观测相吻合,又能维持变性台风的结构特征(斜压性和不对称性),同时能保证初始场中各要素场之间的协调一致性。数值试验结果表明,采用该方案后,在数值模拟的前24 小时对台风中心强度和移动路径的模拟效果有较明显改进。      

涡旋强度调整半径对2016年第18号热带气旋路径预报的影响

2016年中国国家气象中心区域台风模式（GRAPES_TYM）对第18号热带气旋（记为TC 1618）的路径预报出现了较大的误差:其平均路径误差显著大于全年的平均误差。分析了涡旋初始化方案（包括涡旋重定位以及涡旋强度调整）对其路径预报的影响。结果显示,涡旋强度调整是造成TC1618预报路径平均误差偏大的主要原因。不同的强度调整半径（r₀=12°,9°,6°,3°）对TC1618路径影响的敏感性试验结果显示,强度调整半径越大,其平均路径预报误差越大。500 hPa副热带高压以及平均海平面涡旋尺度分析发现:较大的强度调整半径（r₀=12°,9°）其初始时刻的涡旋尺度较大,涡旋北侧邻近区域副热带高压等值线相对偏北,副热带高压相对偏弱。尺度大的涡旋其北移速度较大,并且在积分过程中其环流邻近区域副热带高压进一步减弱,导致涡旋环流会更早与其西北侧东移的西风槽结合,移速偏快。      

CCN数浓度及参数化方案对一次层云降水过程影响的数值研究

利用中尺度WRF模式(V3.7),采用WDM6双参数微物理方案,对2014年7月26日12时—28日06时发生在华东地区的一次层状云降水天气进行数值模拟。通过改变模式中初始云凝结核(CCN)数浓度及参数化方案,进行敏感试验,对模拟结果进行对比分析。改变CCN数浓度的结果表明,CCN数浓度对降水的影响复杂、非线性,随着CCN数浓度的增大,降水量减小。云水、霰混合比始终增加,雨水混合比表现为先增加后减小再增加的趋势,冰晶混合比则与之相反,呈现先减小再增加再减小的趋势,雪晶混合比呈现先减小后增加的趋势;改变CCN参数化方案的结果表明,两者模拟降水落区有差别,三参数方案更接近实际;降水产生后,三参数方案的CCN浓度一直高于双参数方案,且数值变化不大;双参数方案的结果显示暖云降水加强,冷云降水略弱,三参数方案则显示暖云降水较弱,冷云降水较强。     

Raindrop Size Distribution Parameters Retrieved from Xinfeng C-Band Polarimetric Radar Observations

The objective of this research was to acquire a raindrop size distribution (DSDs) retrieved from C-band polarimetric radar observations scheme for the first time in south China.An observation period of the precipitation process was selected,and the shape-slope (μ-Λ) relationship of this region was statistically analyzed using the raindrop sample observations from the two-dimensional video disdrometer (2DVD) at Xinfeng Station,Guangdong Province.Simulated data of the C-band polarimetric radar reflectivity Z_(HH)and differential reflectivity Z_(DR)were obtained through scattering simulation.The simulation data were combined with DSD fitting to determine the Z_(DR)-Λand log_(10)(Z_(HH)/N_0)-Λrelationships.Using Xinfeng C-band polarimetric radar observations Z_(DR)and Z_(HH),the raindrop Gamma size distribution parametersμ,Λ,and N_0were retrieved.A scheme for using C-band polarimetric radar to retrieve the DSDs was developed.This research revealed that during precipitation process,the DSDs obtained using the C-band polarimetric radar retrieval scheme are similar to the 2DVD observations,the precipitation characteristics of rainfall intensity (R),mass-weighted mean diameter (D_m) and intercept parameter (N_w) with time obtained by radar retrieval are basically consistent with the observational results of the 2DVD.This scheme establishes the relationship between the observations of the C-band polarimetric radar and the physical quantities of the numerical model.This method not only can test the prediction of the model data assimilation system on the convective scale and determine error sources,but also can improve the microphysical precipitation processes analysis and radar quantitative precipitation estimation.The present research will facilitate radar data assimilation in the future.     

Instability in Lagrangian stochastic trajectory models,and a method for its cure

A number of authors have reported the problem of unrealistic velocities (“rogue trajectories”) when computing the paths of particles in a turbulent flow using modern Lagrangian stochastic (LS) models, and have resorted to ad hoc interventions. We suggest that this problem stems from two causes: (1) unstable modes that are intrinsic to the dynamical system constituted by the generalized Langevin equations, and whose actual triggering (expression) is conditional on the fields of the mean velocity and Reynolds stress tensor and is liable to occur in complex, disturbed flows (which, if computational, will also be imperfect and discontinuous); and, (2) the “stiffness” of the generalized Langevin equations, which implies that the simple stochastic generalization of the Euler scheme usually used to integrate these equations is not sufficient to keep round-off errors under control. These two causes are connected, with the first cause (dynamical instability) exacerbating the second (numerical instability); removing the first cause does not necessarily correct the second, and vice versa. To overcome this problem, we introduce a fractional-step integration scheme that splits the velocity increment into contributions that are linear (U _i ) and nonlinear (U _i U _j ) in the Lagrangian velocity fluctuation vector U, the nonlinear contribution being further split into its diagonal and off-diagonal parts. The linear contribution and the diagonal part of the nonlinear contribution to the solution are computed exactly (analytically) over a finite timestep Δt, allowing any dynamical instabilities in the system to be diagnosed and removed, and circumventing the numerical instability that can potentially result in integrating stiff equations using the commonly applied explicit Euler scheme. We contrast results using this and the primitive Euler integration scheme for computed trajectories in a drastically inhomogeneous urban canopy flow.