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.     

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。     

数字滤波初始化方案在高分辨率GRAPES区域模式中的应用研究

高分辨率同化系统中引入的高频率高密度观测信息会造成分析变量之间的不平衡,因而在模式积分中产生的虚假重力波会严重影响模式预报质量和运行稳定.为了抑制虚假重力波在模式中快速增长,文中通过在高分辨率GRAPES区域模式中应用非绝热数字滤波和增量数字滤波初始化方案,研究不同滤波截断周期的初始化方案对分析预报的影响.试验结果表明...     

采用预报涡旋的初始化方案对2015年台风“莲花”、“灿鸿”的试验研究

提出了一种采用预报涡旋的初始化方案,用预报涡旋代替bogus模型参与构建模式初始场,采用权重形式合成预报涡旋和分析涡旋获取台风初始涡旋。针对2015年“莲花”和“灿鸿”台风,基于该初始化方案设计了一系列对比试验进行数值模拟,并对结果进行分析。结果表明:(1)该方案得到的台风初始涡旋结构比bogus模型合理;(2)预报涡旋权重不宜取太大;(3)从长时效预报效果看,采用24 h内预报涡旋比采用长时效预报涡旋台风的路径和强度误差减小;(4)采用同一权重方案对“莲花”、“灿鸿”预报的改进效果不同,其原因与预报涡旋和分析涡旋的协调程度有关。多台风情形下可在初步评估的基础上采用不同时效的预报涡旋和不同权重方案。      

东移偶极子与台风涡旋的相互作用

用β平面准地转正压模式实施8组试验,分析东移偶极子与台风涡旋的相互作用。结果指出:这种相互作用可以引起台风环流1波非对称结构向2波非对称结构的转换;引起台风涡旋随时间衰减的速度显著变慢;引起沿西北方向移动的正常路径向北折转向或打转等异常路径的转化。     

热带气旋生成过程的中尺度涡旋活动数值模拟

热带气旋生成过程中包含不同尺度环流及其相互作用。为此,本文将热带气旋生成数值模拟的起点提前到模拟中尺度涡旋(MCV)的生成,从而利用高分辨率数值试验结果,对热带气旋过程中的不同尺度涡旋活动进行分析。模式首先模拟了季风涡旋的东南侧增强的西南气流中出现低形变旋转性扰动,随着扰动的旋转性增强,中层出现水平尺度为200 km左右的MCV。在扰动区内的不同高度上还发现10~20 km尺度不等的中γ气旋性涡旋扰动,其中部分涡旋扰动具有热塔的特征,中γ气旋性涡旋扰动在MCV的旋转环境内不断组织化,低层气旋性涡旋扰动的分布比中层更加集中。模拟表明这些较小尺度的气旋性中尺度涡旋扰动对热带气旋的生成有重要作用。     

南海地区发展型和不发展型中层涡旋的结构特征

对NCEP 1 °×1 °再分析资料进行分析表明,南海地区发展型和不发展型中层涡旋的结构特征有着明显的区别:发展型中层涡旋的中心涡度逐渐增大,并同时向高层和低层发展,其中低层辐合维持得较好;而不发展中层涡旋的中心涡度则逐渐减小,不再向高层发展,其中低层辐合维持得较差。对称性分析表明,发展型中层涡旋的水平风场和风速垂直剖面都具有良好的对称性,而不发展型的较差;发展型中层涡旋中心的风速垂直切变小,有利于对流层中上层暖心的建立与加强,而不发展型则相反。平衡性分析表明,发展型涡旋在对流层中低层的平衡性较好,涡旋维持着较好的风压平衡关系,有利于涡旋的发展;不发展型涡旋则较差。纬向剖面位涡异常分析表明,发展型中层涡旋的正位涡异常在增强的同时向上发展,涡旋处于持续发展的阶段;而不发展型位涡则相反,一方面强度在减小,另一方面没有向上发展,涡旋逐渐减弱。      

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%。     

季风涡旋对热带气旋生成影响的理想试验研究

利用新一代非静力平衡中尺度数值模式WRF_ARW（3.3.1版本）模拟季风涡旋中热带气旋生成的过程,从动力和热力作用两方面分析大尺度季风涡旋对热带气旋生成的影响。结果表明:从动力学角度来看,能提供较大环境场涡度的季风涡旋不利于扰动涡旋快速发展成热带气旋。初始阶段,由于季风涡旋尺度大,垂直涡度径向梯度弱。而垂直涡度径向梯度的强弱可以通过“涡度隔离”效应影响对流单体向涡旋中心的聚集合并过程。随着扰动的组织化,径向入流对涡度的平流作用越来越重要。对流单体相对最大风速半径的位置对热带气旋生成作用明显,当其集中在最大风速半径附近时涡旋容易快速发展。此外,环境场相对涡度与热带气旋的尺度存在显著正相关。初始尺度大的涡旋最终具有较大的外围尺度,其涡度的分布范围也更广。从热力学角度来说,较大的环境场相对湿度有利于热带气旋的生成。虽然较大的环境场湿度能够诱发较强的外围对流,但同时也会使最大风速半径以内存在丰富的对流,后者能够提供充分的内区非绝热加热,降低中心气压,促进涡旋发展。      

东风急流对孟加拉湾热带气旋Nargis初始涡旋形成的影响

利用NCEP-CFSR(National Centers for Environmental Prediction Climate Forecast System Reanalysis)再分析资料和WRF模式,研究了2008年4月孟加拉湾热带气旋Nargis的初始涡旋的形成过程。结果表明:受到印度洋赤道西风急流爆发及其伴随的东传MJO事件的影响,Nargis的初始扰动生成于苏门答腊岛北部地区。另外,源于中纬度地区经南海进入孟加拉湾的东风急流(4月22—25日)对Nargis初始扰动发展到热带低压起到了重要的作用。东风急流及其携带的冷空气使得孟加拉湾东部海洋向大气输送的感热通量迅速增加,低层大气的有效位能通过非绝热加热获得能量,并向总动能转化,从而近海表涡旋性环流得到增长,Nargis初始扰动向西北移动并最终发展为热带低压。数值试验结果进一步证实了东风急流对Nargis初始涡旋生成的作用,如果没有东风急流的出现,Nargis初始扰动将不能北上发展成为热带低压。     

Move a Tropical Cyclone with 4D-Var and Vortex Dynamical Initialization in WRF Model

Previous studies showed that 4 D-Var technique used for data assimilation could be modified for weather control. This study demonstrates the ability of 4 D-Var to influence the future path of a tropical cyclone by calculating perturbations in WRF simulation. Given the background error covariance matrix, the initial field is improved by the vortex dynamic initialization technique. Our results show that 4 D-Var can be applied to control the trajectory of simulated tropical cyclones by producing "optimal" perturbations. In the numerical simulation experiment of Typhoon Mitag in 2019, after this kind of weather control similar to data assimilation, the tropical cyclone moved obviously,and the damaging wind over the coastline weakened. The prediction results after the initial field modified by 4 D-Var have a great change, and the position of the tropical cyclone moved about 0.5° southeastward after assimilation,which misses the southeast coast of China. Moreover, the damaging wind is also weakened. Since the 4 D-Var is premised on the assumption that the model is perfect and does not consider the model error, then the research plan to consider model error and introduce new methods is discussed in the paper.     

Boundary-Layer Similarity Under an Axisymmetric,Gradient Wind Vortex

We present similarity solutions for the mean boundary-layer profiles under an axisymmetric vortex that is in gradient wind balance; the similarity model includes the nonlinear momentum advection and curvature terms. These solutions are a generalization of the Ekman layer mean flow, which is the canonical boundary-layer basic state under a uniform, geostrophically-balanced flow. Near-surface properties such as inflow angle, surface wind factor, diffusive transport of kinetic energy into the surface layer and dissipational heating are calculated and shown to be sensitive to the choice of turbulence parameterization.     

Application of a Typhoon Initialization Scheme Based on the Incremental Analysis Updates Technique in a Rapid Update Cycle System

Initialization of tropical cyclones has an important role in typhoon numerical prediction. This study applied a typhoon initialization scheme based on the Incremental Analysis Updates (IAU) technique in a rapid refresh system to improve the prediction of Typhoon Lekima (2019). Two numerical sensitivity experiments with or without application of the IAU technique after performing vortex relocation and wind adjustment procedures were conducted for comparison with the control experiment, which did not involve a typhoon initialization scheme. Analysis of the initial fields indicated that the relocation procedure shifted the typhoon circulation to the observed typhoon region, while the wind speeds became closer to the observations following the wind adjustment procedure. Comparison of the results of the sensitivity and control experiments revealed that the vortex relocation and wind adjustment procedures could improve the prediction of typhoon track and intensity in the first 6-h period, and that these improvements were extended throughout the first 12-h period of the prediction by the IAU technique. The new typhoon initialization scheme also improved the simulated typhoon structure in terms of not only the wind speed and warm core prediction but also the organization of the eye of Typhoon Lekima. Diagnosis of the tendencies of variables showed that use of the IAU technique in a typhoon initialization scheme is efficacious in resolving the spurious high-frequency noise problem such that the model is able to reach equilibrium as soon as possible.     

热带气旋奇异向量在GRAPES全球集合预报中的初步应用

基于副热带奇异向量的初值扰动方法已应用于GRAPES (Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球集合预报系统,但存在热带气旋预报路径离散度不足的问题。通过分析发现,热带气旋附近区域初值扰动结构不合理导致预报集合不能较好地估计热带气旋预报的不确定性,是路径集合离散度不足的可能原因之一。通过建立热带气旋奇异向量求解方案,将热带气旋奇异向量和副热带奇异向量共同线性组合生成初值扰动,以弥补热带气旋区域初值扰动结构不合理这一缺陷,进而改进热带气旋集合预报效果。利用GRAPES全球奇异向量计算方案,以台风中心10个经纬度区域为目标区构建热带气旋奇异向量求解方案,针对台风"榕树"个例进行集合预报试验,并开展批量试验,利用中国中央气象台最优台风路径和中国国家气象信息中心的降水观测资料进行检验,对比分析热带气旋奇异向量结构特征和初值扰动特征,评估热带气旋奇异向量对热带气旋路径集合预报和中国区域24 h累计降水概率预报技巧的影响。结果表明,热带气旋奇异向量具有局地化特征,使用热带气旋奇异向量之后,热带气旋路径离散度增加,路径集合平均预报误差...     

Evaluation of Two Initialization Schemes for Simulating the Rapid Intensification of Typhoon Lekima(2019)

Two different initialization schemes for tropical cyclone(TC) prediction in numerical models are evaluated based on a case study of Typhoon Lekima(2019). The first is a dynamical initialization(DI) scheme where the axisymmetric TC vortex in the initial conditions is spun up through the 6-h cycle runs before the initial forecast time. The second scheme is a bogussing scheme where the analysis TC vortex is replaced by a synthetic Rankine vortex. Results show that although both initialization schem...     

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案, 包括11个云物理变量和31个云物理过程, 能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后, 实现了二者的耦合, 耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程, 利用耦合后的模式进行48 h模拟试验, 同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟, 着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明: CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征, 并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征, 各相态粒子的量级和分布合理, 不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验, 对新方案进行检验。     

IMPACT OF THE INITIALIZATION ON MESOSCALE MODEL PREDICTION IN SOUTH CHINA

1 INTRODUCTION The initial state of the atmosphere is one of the key factors that affect the result of NWP. With the development of increasingly finer NWP, the quality of initial atmospheric state has been drawing more and more attention[1-7].     

不同尺度涡旋相互作用对台风的结构和移动的影响

根据大气运动原始方程组导出一个支配台风中心移动的基本方程，方程中包括了非绝热加热，温度场分布，地形与摩擦等各中能影响台风移动的强迫因子。对非绝热加热与水平温度分布的使用所作分析表明，非轴对称的非绝热引导作用可使台风加速、减速或转向运动；温度场上的准区对台风有吸收作用。     

A STUDY ON THE PREDICT ABILITY OF GRAPES MODEL OVER SOUTH CHINA: COMPARISONS BY TWO INITIALIZATION CONDITIONS BETWEEN ECMWF AND NCEP

This paper aims to assess the performances of different model initialization conditions (ICs) and lateral boundary conditions between two global models (GMs), i.e., the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts (ECMWF) and National Centers for Environmental Prediction (NCEP), on the accuracy of the Global/Regional Assimilation and Prediction System (GRAPES) forecasts for south China. A total of 3-month simulations during the rainy season were examined and a specific case of torrential rain over Guangdong Province was verified. Both ICs exhibited cold biases over south China, as well as a strong dry bias over the Pearl River Delta (PRD). In particular, the ICs from ECMWF had a stronger cold bias over the PRD region but with a more detailed structure than NCEP. In general, the NCEP provided a realistic surface temperature compared to the ECMWF over south China. Moreover, GRAPES initialized by the NCEP had better simulations of both location and intensity of precipitation than by ECMWF. The results presented in this paper could be used as a general guideline to the operational numerical weather prediction that use regional models driven by the GMs.