适应性观测研究现状和展望

适应性观测是指为了有针对性地提高高影响天气数值预报的质量,在已有观测系统基础上对特定敏感区域/特定时段进行补充性加强观测。十多年来,这种旨在提高数值预报质量的新策略在国际上引起高度重视,成功开展了多个系列外场观测试验,并在适应性观测敏感区识别方法的发展和适应性观测资料同化后对数值预报质量影响的定量评估等方面均取得了重要的研究成果。文中简述了适应性观测问题及其目的,着重分析和总结了目标敏感区识别方法及其特点和适应性观测对数值预报质量的影响等方面的研究进展,并讨论了适应性观测资料改进未来数值预报质量需要解决的关键科学问题。     

台风“灿鸿”(1509)的适应性观测敏感区特征及其模拟观测同化研究

适应性观测可以改善资料同化和预报质量。本文利用集合卡尔曼变换适应性观测系统对2015年09号台风“灿鸿”进行了观测敏感区识别,并以第一目标时刻的观测敏感区为基础,运用观测系统模拟试验方法获取模拟的适应性观测资料。基于WRF中尺度同化和预报系统,开展了适应性观测敏感区模拟资料的同化和预报试验。研究发现,台风“灿鸿”(1509)的观测敏感区主要位于台风中心的东北侧及东南侧。同化敏感区内模拟观测资料比同化常规观测资料能更好地改善分析质量和高度、台风路径的预报质量,但对降水的预报改善较弱。     

一种新型的适应性观测资料应用对台风预报的影响试验研究

近年来,气象界提出了一个“适应性（或目标）观测（adaptive or targeting observation）”的新概念,它是根据数值预报的敏感区在现有的、固定的气象观测网基础上增加的、有目标的特别观测。下投式探空仪（Dropsonde）是适应性观测的重要观测仪器。利用我国新一代数值预报系统GRAPES,初步研究了应用热带气旋适应性观测的下投式探空仪探测资料对台风（2003年杜鹃台风）预报的影响,并进行了敏感性试验。结果表明,数值天气预报中增加下投式探空仪观测资料之后,对台风的移动路径、台风中心位置和强度,以及其它要素的预报都有所改善;敏感性试验还指出,下投式探空仪观测资料的误差结构设置对台风的预报也有明显的影响,该类观测资料在修正背景场的过程中权重并不是越高越好     

适应性观测与集合变换卡尔曼滤波方法介绍

给出适应性观测理论和集合变换卡尔曼滤波方法及其研究现状的综述。重点介绍了集合变换卡尔曼滤波方法及其相关的一些问题。在数值预报领域,一种新的途径是利用数值预报系统信息在预报时效内确定出某些区域,如果在这些区域进行补充观测,可以最有效地改进预报技能。这种方法被称为适应性或目标观测,所确定的观测区域称为敏感区,敏感区内增加观测后分析质量将得到改善,对后续的预报技能可产生最大的预期影响。目前适应性观测研究已经成为世界气象组织(WMO)组织的THORPEX计划的一个子计划。集合变换卡尔曼滤波(The Ensemble Transform Kalman Filer,简称ETKF)是一种次优的卡尔曼滤波方案,最早是作为一种适应性观测算法提出的,现在还被用于集合预报初始扰动的生成。ETKF方法不仅可以同化观测资料,而且可以估计出观测对预报误差的影响。它与其它集合卡尔曼滤波方案不同之处在于:ETKF利用集合变换和无量纲化的思想求解与观测有关的误差协方差矩阵,可以快速估计出不同附加观测造成的预报误差协方差的减少量,预报误差减少最多的一组观测所对应的区域就是所寻找的敏感区。     

应用奇异向量方法的适应性观测实例研究

近年来,通过适应性观测技术来减小预报误差已成为国际上数值预报中的一项关键技术,然而实施适应性观测对减小预报误差的影响评估是一个需要深入讨论的问题。文中利用奇异向量方法以2007年3月4日东北地区暴风雪天气过程为研究对象,考察了预报误差对不同观测区域观测资料的敏感性,在确定能量范数的基础上,分析了奇异向量的水平分和特征和垂直分布特征,利用奇异向量的空间结构确定了敏感区域。通过伪逆初始扰动场作为分析误差,研究验证区域的预报误差对不同区域增加观测的敏感性,试验结果表明,在敏感区域内进行补充观测来改善分析误差,能够最有效地提高验证区域内的预报水平;而减小非敏感区域内的分析误差对减小预报误差的贡献相对较小。这些结果表明,利用奇异向量法定义敏感区进行适应性观测,能够和有限的观测资源和计算资源的条件下,最大程度地减小验证区域的预报误差,从而达到提高验证区域预报准确率的目的。     

基于TIGGE资料识别适应性观测敏感区的应用研究

基于TIGGE(THORPEX Interactive Grand Global Ensemble)资料,通过对比两类强降水过程,分析了集合变换卡尔曼滤波(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)适应性观测敏感区识别方法在实际应用中的具体环节。试验中使用两种分辨率和不同范围的集合预报资料得到的信号方差空间分布和极大值区基本一致,而在实施计算中使用适当分辨率和范围的集合预报资料能够大大节省计算时间;使用可获得的最近时刻为初值的集合预报资料得到的敏感区识别结果更加可靠;使用不同中心集合预报资料得到的敏感区识别结果有一定差异,但对于比较典型的夏季主雨带降水过程,各中心资料得到的结果较一致,敏感区识别结果比较可靠;不同类型强降水过程的敏感区对选取的度量函数具有一定依赖性。     

湿度因子对适应性观测敏感区估算的影响研究

马旭林2008年的基于集合卡尔曼变换适应性观测敏感区的估算方案能得到较为合理的敏感区,但其未考虑湿度因子的影响。在原方案基础上增加了湿度因子,根据计算资料与度量标准的不同,搭建3个方案与其比较,并选用2008年年初冰冻雨雪灾害天气个例进行对比模拟试验。结果表明,原方案的敏感区较为分散,且当目标时刻与验证时刻重合时,存在虚假的信号方差大值区;加入湿度因子后能有效抑制虚假敏感区,改进度量标准后能得到较为理想的结果;若只利用湿度场进行敏感区估算,计算效果最优,在目标观测时刻所得敏感区最为集中并在目标时刻和验证时刻重合时无虚假信号方差大值区。     

基于观测系统模拟试验的海表气象观测站点布局方案研究

为了科学设计黄渤海海洋气象边界层观测站网并研究观测网布局对数值天气预报模式的影响,本文采用模式误差、海洋气象要素特征区域资料统计分析和观测系统模拟试验（OSSE）方法,根据边界层雾、层云降水、小风与中等风速天气条件设计布局方案,并分析站点观测要素对数值预报模式的要素预报的影响。模拟试验数据使用了每6 h NCEP再分析资料FNL（NCEP Final Operational Global Analysis data）、NCEP每天平均的高分辨率海温资料RTG_SST（Real-Time Global Sea Surface Temperature）和石油平台、浮标站等每小时实况观测资料,评估了黄渤海海洋气象站网布局各个方案的优缺点。评估结果表明,湿度和风的要素预报受实况风向风速条件影响,偏东和偏北风个例湿度要素预报较好。然而,在偏南中等风速个例中,风场预报要素更接近实况。温度场的分析综合结果显示,在海气相互作用影响较大的天气过程中,特征区域布站能明显提高温度要素的预报准确率。最后,综合分析多项模拟试验的结果,给出了改进数值预报准确率的海洋布站建议。     

一种基于进化策略的气象学反问题求解算法研究

数值天气预报准确性直接取决于好的预报模式和初始场。在预报业务中,依赖观测数据调整初始场和模式参数属气象上的反问题。通过对模式参数识别和初始场调整问题进行等价转化,提出了一种基于进化策略的气象学反问题求解算法。在一维扩散方程和Lorenz-96简单预报模式进行了两类理想数值试验,试验结果表明经过优化后的预报误差均控制在非常小的范围内且预报稳定,从而验证了方法的有效性。     

浅析地面气象人工观测与自动观测数据差异

文章对达拉特旗地面气象自动与人工两种观测所获取的气象数据之间的差异进行了分析。结果表明:自动观测数据更能反映大气中各要素的真实情况。     

通量和平流形式预报方程的数值预报试验

本文利用1982年5月8日和1979年6月28日两个实例,进行了四种方案的48小时数值预报试验,比较了它们的预报质量及彼此间的差异。四种方案是:经典通量、通量修正、经典平流和平流修正。试验表明,在有地形的数值预报模式中,采用平流形式的预报方程组比采用通量形式的为好,既可有较高的计算精度,又可节省计算时间。     

Adjoint-based Sensitivity Analysis of a Mesoscale Low on the Mei-yu Front and Its Implications for Adaptive Observation

An adjoint sensitivity analysis of one mesoscale low on the mei-yu Front is presented in this paper. The sensitivity gradient of simulation error dry energy with respect to initial analysis is calculated. And after verifying the ability of a tangent linear and adjoint model to describe small perturbations in the nonlinear model, the sensitivity gradient analysis is implemented in detail. The sensitivity gradient with respect to different physical fields are not uniform in intensity, simulation error is most sensitive to the vapor mixed ratio. The localization and consistency are obvious characters of horizontal distribution of the sensitivity gradient, which is useful for the practical implementation of adaptive observation. The sensitivity region tilts to the northwest with height increasing; the singular vector calculation proves that this tilting characterizes a quick-growing structure, which denotes that using the leading singular vectors to decide the adaptive observation region is proper. When connected with simulation of a mesoscale low on the mei-yu Front, the sensitivity gradient has the following physical characters： the obvious sensitive region is mesoscale, concentrated in the middle-upper troposphere, and locates around the key system; and the sensitivity gradient of different physical fields correlates dynamically.     

省级气象财务会计电算化思考

木本植物物候观测是整个物候观测的重要组成部分。通过对木本植物的物候观测记录与其它物候资料及农业气象观测资料进行对比,可以更好地预告农事活动,提高农业气象预报、情报的准确率,同时也为园林建设、农业气候专题分析及区域气候研究有较高的指导意义。     

江苏省能见度的人工与自动观测差异分析

对江苏省2011年全年逐时能见度的自动、人工观测数据进行了统计分析,结果表明:二者具有相当一致的统计特征,全省总相关系数0.73,一致率95.03%;但亦存在一定差异,整体上人工较自动观测数据偏大数公里,偏大程度在17%~55%,且空间差异显著;对不同条件下能见度的对比分析显示,自动与人工观测在低能见度条件下最为接近,且二者差异存在着明显的日变化特征;对能见度自动与人工观测偏差长序列的初步分析,显示统计订正是可能的,但对于不同级别的能见度,自动观测相对与人工有不同的倾向。     

Common property rights, adaptive capacity, and response to forest disturbance

This paper reports the results of a statistical analysis which measures the effects of adaptive capacity on forest conditions in response to a prior disturbance. Particular emphasis is placed on common property rights as a form of institutional adaptive capacity. Common property rights are delineated in terms of rights of access, withdrawal, management, exclusion, and alienation. Using statistical analysis of 326 forest user groups from 13 countries in the database of the International Forestry Resources and Institutions (IFRI) program, the effects on user group rankings of forest conditions are estimated with a probability model. Overall, the results indicate that user groups with more complete property rights are more likely to rank forest conditions favorably. However, the effects of property rights also depend on the level of other forms of adaptive capacity such as the organizational capacity of the group and the number of rival user groups.     

内蒙古自动站与人工观测数据差异对比分析

利用2006年内蒙古自治区共36个自动站和人工站平行观测资料,对观测得到的气象要素进行了统计和评估。通过分析气温、气压、相对湿度、风等要素的对比差值及其标准差、对比差值的频次分布和空间分布等,探讨自动站与人工观测数据差异的可能原因。结果表明：内蒙古自动观测与人工观测各气象要素均存在一定的差异,对所有台站平均而言,其差异均在自动站差值允许范围之内。产生差异的原因：观测仪器结构与观测原理差异、观测时空差异、观测方式差异等,在将人工观测数据与自动观测数据连续使用时,需要根据当地情况进行适当订正,以确保资料的连续性。     

Recent progress in atmospheric observation research in China

Recent progress in atmospheric observation techniques, observational systems and their application in China are reviewed. According to different observational platforms, the review is presented in three sections, i.e., satellite remote sensing （SRS）, ground-based observation technologies and applications, and aircraft/balloon measurements. The section ＂satellite remote sensing＂ presents advances in SRS techniques, SRS of clouds and aerosols, and SRS of trace gases and temperature/moisture profiles. The section ＂groundbased observation technologies and applications＂ focuses on research such as lidar systems and applications, sun/sky radiometer and broadband radiation observations, weather radar and wind profilers, GPS measurements, and some new concept systems. The section ＂aircraft/balloon measurements＂ presents some newly developed aircraft- and balloon-based sounding techniques.     

A conceptual framework for analysing adaptive capacity and multi-level learning processes in resource governance regimes

Governance failures are at the origin of many resource management problems. In particular climate change and the concomitant increase of extreme weather events has exposed the inability of current governance regimes to deal with present and future challenges. Still our knowledge about resource governance regimes and how they change is quite limited. This paper develops a conceptual framework addressing the dynamics and adaptive capacity of resource governance regimes as multi-level learning processes. The influence of formal and informal institutions, the role of state and non-state actors, the nature of multi-level interactions and the relative importance of bureaucratic hierarchies, markets and networks are identified as major structural characteristics of governance regimes. Change is conceptualized as social and societal learning that proceeds in a stepwise fashion moving from single to double to triple loop learning. Informal networks are considered to play a crucial role in such learning processes. The framework supports flexible and context sensitive analysis without being case study specific.First empirical evidence from water governance supports the assumptions made on the dynamics of governance regimes and the usefulness of the chosen approach. More complex and diverse governance regimes have a higher adaptive capacity. However, it is still an open question how to overcome the state of single-loop learning that seem to characterize many attempts to adapt to climate change. Only further development and application of shared conceptual frameworks taking into account the real complexity of governance regimes can generate the knowledge base needed to advance current understanding to a state that allows giving meaningful policy advice.