2000年夏季福建、广东沿海上升流的遥感与船舶观测分析

通过对卫星遥感数据和航次资料的分析, 对粤东沿岸2000年7月份的上升流现象进行了综合分析.结果表明: 观测期间, 珠江冲淡水向东扩展的趋势很明显, 与此同时, 粤东沿岸(116°E)以东附近沿岸海域的水团具有低温、高盐的性质, 显示了沿岸上升流的存在.通过对卫星遥感海表温度(SST)和风场的比较可知, 上升流强度和风场的变化密切相关, 海面风场平行岸分量的变化是夏季该上升流强度发生改变的重要原因.     

FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季SST—降水关系的模拟评估

评估了耦合气候系统模式FGOALS海洋同化试验对西北太平洋夏季降水和SST相关关系的模拟技巧,并对比了相应的观测海温强迫试验（AMIP）和历史气候模拟试验结果。结果显示,FGOALS海洋同化试验对亚洲季风区大部分海域夏季SST年际变化有较高的模拟技巧,但其对菲律宾以东海域模拟技巧较低。在西北太平洋夏季降水-SST相关关系方面,同化试验部分地再现了南海和菲律宾以东海域降水超前SST变化1个月和同时二者的负相关关系,优于AMIP试验但逊于自由耦合模拟试验。同化试验对SST倾向-降水相关关系的模拟技巧亦介于AMIP试验和自由耦合试验之间。观测中,西北太平洋夏季降水与环流异常受日界线附近和赤道东印度洋海洋大陆地区海温异常的遥强迫,并通过改变到达海表的净短波辐射通量影响局地SST异常,导致局地海温-降水和局地海温倾向-降水的负相关关系。在AMIP试验中,遥强迫导致的西北太平洋地区环流异常较之观测偏弱,由于缺少局地海气耦合过程,在西北太平洋多数地区表现为海温对大气的强迫作用,即SST-降水正相关关系。FGOALS同化试验和自由耦合试验考虑了局地海气耦合过程,虽然低估了遥强迫对西北太平洋地区夏季环流异常的影响,依然部分模拟出局地降水-SST负相关关系但较之观测偏弱。同时,自由耦合试验高估了西北太平洋20°N以南地区海温异常对大气环流异常的强迫,使得其对中国南海和日本岛以南海域SST-降水负相关关系的模拟稍优于同化试验。     

南海近海面风场变化特征及其与ENSO的相关性研究

利用1979—2017年共39 a欧洲中期天气预报中心（ECMWF）海表面10 m风场资料,采用经验正交函数方法（EOF）、小波时频特征分析等方法分析了南海近海面风场变化特征及其对ENSO的响应。结果表明：南海近海面风场第一模态海表面平均风速呈减小趋势, 呈现年代际变化,且与ENSO相关,但相关性在1990年后趋于减小;第二模态中南海北部和南部平均风速呈减小趋势,中部增大;第三模态中南海中部海表面平均风速趋于减小,北部和南部增大,第二和第三模态均表现为年际变化,且均与ENSO显著相关,近年来ENSO与第三模态的相关性逐渐增强。春季南海表面平均风速从南到北逐渐增加;夏季在越南沿岸部分海域仍有一个风速极大值中心,从该海域向四周逐渐减小,整片海域风向均是西南风;秋季由南向北依次增加;冬季南海整片海域风速都较大,越南沿岸和我国东沙群岛海域存在两个极大值中心。     

多普勒雷达资料4DVAR同化反演的模拟研究

利用Sun等建立的同化模式和四维变分同化方法对多普勒雷达资料反演大气风场、热力场和微物理场进行了模拟试验研究.反演的基本思路是将4DVAR同化方法应用到三维云模式,定义价值函数表征雷达资料与模式预报结果之间的差别,通过极小化价值函数得到反演场,价值函数相对模式控制变量的梯度由伴随模式求取.试验结果表明,4DVAR同化技术能够从单(双)多普勒雷达资料反演大气三维风场、热力场和微物理场.各个变量反演精度高低与同化过程中变量受约束的大小程度呈正相关.速度场和雨水场反演精度较高,温度场、云水和水汽的反演精度次之,温度场的准确反演需要较长的同化时间.价值函数中加入背景场,哪怕是单点探空给出的平均场信息也有利于提高反演精度.在采用单部多普勒雷达资料进行反演时,速度场的反演误差较大.反演区相对雷达站的位置变化对速度场反演结果有一定的影响,而对其他变量的反演影响很小.两个时次的雷达观测资料基本足够提供反演所需的时间演变信息,同化更多时次的雷达资料,反演效果改进很小.雷达观测资料的缺值会显著降低同化效果,甚至可能导致同化失败,引入背景场可以改善这一状况.4DVAR同化技术对于雷达观测资料误差不太敏感.利用双多普勒雷达合成风场提供水平风场边界条件是比较准确可靠的.在反演主体离边界较远时,VAD风场也基本可用作水平风场边界条件.微物理场的反演对模式中的微物理参数化方案较敏感.     

南海海温场分析及客观区划

本文采用方差极大正交旋转的因子分析方法,对南海SST场进行分析研究,并进行客观区划。结果表明,南海SST场可划分为七个区域,它们具有自身特定的变化规律,反映了不同的海洋动力学特征,这些具有不同特征的海区的形成可能分别与季风、南海海流、上升流、海洋涡旋、地理特征等因素有关,文中还对各主因子(对应于不同的海区)进行最大熵谱和交叉谱分析,得到各海区的显著周期和它们之间的显著耦合振荡周期,说明各海区除具有各自的特征外,它们之间还存在一定的内在联系。      

南海中尺度大气-海流-海浪耦合模式的建立及应用

考虑到我国南海特殊的战略位置和复杂的海气相互作用特征,基于中尺度大气模式(MM5)、区域海洋模式(POM)和第三代海浪模式(WW3),利用消息传递的并行编程方案,建立了适用于我国南海海区的中尺度大气-海流-海浪三元耦合模式系统,将该系统用于对南海典型台风过程的模拟研究。结果表明:耦合模式运行高效稳定,较好模拟了两次台风过程,与非耦合大气模式相比,提高了对台风路径和强度的模拟准确率;耦合模式模拟出了上层海洋对台风系统的响应特征,在台风中心附近,海面温度降低,海表流场和海浪场增强,相对于台风路径,响应具有右偏性;耦合模式中的波浪效应增强了海表应力,阻碍了台风系统的发展,增强了海面降温幅度和海流近惯性振荡的振幅。大气-海流-海浪耦合模式系统是研究南海中尺度海-气相互作用,提高南海区域气象水文预报能力的一种有效手段。      

风暴尺度天气下利用集合卡尔曼滤波模拟多普勒雷达资料同化试验 II. 考虑模式误差的情形

文章的第I部分(兰伟仁等, 2010), 利用模拟雷达资料在假定模式无误差的情况下进行了一系列的集合卡尔曼滤波(EnKF)敏感性试验, 验证了EnKF方法在风暴尺度天气资料同化中的作用。本文继续探讨EnKF在有显著模式误差的情况下同化模拟多普勒雷达资料的效果问题。试验中假定模式误差主要来源于微物理过程参数化的不确定性。结果表明: 模式误差在不同程度上影响了EnKF分析的效果, 对微物理量的影响尤其明显; 在EnKF分析中, 利用微物理过程参数化集合的方法来考虑模式误差, 对速度场、 位温场以及比湿场有较明显的正作用, 但对于微物理量场分析效果较差; 若包含控制试验的微物理过程参数化方案, 则EnKF对所有变量都有正效果, 随着同化循环次数的增加, 分析结果更加合理; 只考虑冰相过程的微物理过程参数化方案的集合, 分析效果进一步提高。     

风暴尺度天气下利用集合卡尔曼滤波模拟多普勒雷达资料同化试验Ⅱ.考虑模式误差的情形

文章的第Ⅰ部分(兰伟仁等,2010),利用模拟雷达资料在假定模式无误差的情况下进行了一系列的集合卡尔曼滤波(EnKF)敏感性试验,验证了EnKF方法在风暴尺度天气资料同化中的作用.本文继续探讨EnKF在有显著模式误差的情况下同化模拟多普勒雷达资料的效果问题.试验中假定模式误差主要来源于微物理过程参数化的不确定性.结果表明:模式误差在不同程度上影响了EnKF分析的效果,对微物理量的影响尤其明显;在EnKF分析中,利用微物理过程参数化集合的方法来考虑模式误差,对速度场、位温场以及比湿场有较明显的正作用,但对于微物理量场分析效果较差;若包含控制试验的微物理过程参数化方案,则EnKF对所有变量都有正效果,随着同化循环次数的增加,分析结果更加合理;只考虑冰相过程的微物理过程参数化方案的集合,分析效果进一步提高.     

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。     

湛江港邻近海域台风浪的模拟研究

对第三代近岸海浪数值模式SWAN及包含的物理过程进行了简要介绍，利用该模式对影响南海湛江港海域的二次台风浪过程进行了模拟研究：由藤田台风风场模型同化相应时刻的台风要素、NCAR/NCEP网格点资料、单站观测资料后，提供模式所需风场；利用自嵌套的方式，提供模式波谱边界条件；两次模拟结果与实际海浪观测资料相符较好，可以为该海域台风浪的模拟预报提供较为重要的参考。     

集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的数值试验

利用集合卡尔曼滤波(EnKF)在云数值模式中同化模拟多普勒雷达资料,并考察了不同条件下EnKF同化方法的性能.结果显示,经过几个同化周期后,EnKF分析结果非常接近真值.单多普勒雷达资料EnKF同化对雷达位置不太敏感,双雷达资料同化结果在同化的初期阶段比单雷达资料同化结果准确.同化由反射率导出的雨水比直接同化反射率资料更有效,联合同化径向速度和雨水有利于提高同化分析效果.协方差对EnKF同化效果起着非常重要的作用,考虑模式全部预报变量与径向速度协方差的同化效果比仅考虑速度场与径向速度协方差的同化效果好.雷达资料缺值降低了同化效果,此时增加地面常规观测资料的同化可以明显提高同化分析效果.EnKF同化技术对雷达观测资料误差不太敏感.初始集合对同化分析有较大影响.EnKF同化受集合大小和观测资料影响半径.同化对模式误差较敏感.利用EnKF同化双多普勒雷达资料,分析了一次梅雨锋暴雨过程的中尺度结构.结果表明,EnKF同化技术能够从双多普勒雷达资料反演暴雨中尺度系统的动力场、热力场和微物理场,反演的风场是较准确的,反演的热力场和微物理场分布也是基本合理的.中低层切变线是此次暴雨的主要动力特征,对流云表现为低层辐合、高层辐散并有垂直上升运动伴随,其热力特征表现为低层是低压区,高层为高压区,中部为暖区而上、下部为冷区,水汽、云水和雨水分别集中在对流云体内、上升气流区和强回波区.     

北印度洋-南海季风区热带海洋极端波候变化特征

利用1979—2016年ERA-Interim有效波高（SWH）和海表风场数据,分析了南海-北印度洋极端海浪场分布和变化.结果表明：南海-北印度洋极端SWH分布和极端风速分布形态以及年际变化趋势高度一致,说明了涌浪为主的北印度洋和风浪为主的南海一样,极端SWH都由局地的极端风速控制;强极端SWH主要分布在阿拉伯海以及南海北部,阿拉伯海北部增长与该区域气旋强度增强有着密切关系,而南海的极端SWH主要受东北季风控制;东非沿岸极端SWH线性增长趋势则与索马里急流的年代际尺度上有逐渐增强的线性趋势有关.北印度洋及南海海域极端SWH距平场的EOF分析结果表明,南海极端SWH与北印度洋表现出反相变化的特征.北印度洋（南海海域）极端SWH多出现在西南季风（东北季风）期间,因为在西南季风（东北季风）期间,极端风速也相对增强.     

台风数值模拟中bogus涡旋四维变分同化的研究

研究用MM5四维变分同化系统同化bogus涡旋变量对台风数值模拟的影响,对2002年13号台风Phanfone进行48h预报,结果表明：用四维变分方法同化bogus涡旋变量效果优于在背景场中直接植入模型涡旋的传统bogus技术。同时同化bogus涡旋的风、气压、温度和比湿效果不如只同化气压和其中任一变量。同化bogus涡旋的气压和比湿,能够调整模式初始场的其他变量,得到结构更清晰、与环境场更协调的初始涡旋,从而在一定程度上提高了台风Phanfone路径和强度预报的准确性。     

西太平洋副热带高压对热带 海温异常响应的研究

利用多年的观测资料,研究了西太平洋副热带高压对热带海温异常的响应及其相互作用过程。着重研究冬、夏季西太平洋副高对同期及前期不同海域（特别是赤道东、西太平洋以及印度洋海域）海温异常的响应;用SVD方法分析了夏季副热带高压与前冬、前春及同期各月全球海温的最佳耦合模态。在对比研究西太平洋副热带高压异常时其垂直环流变化的基础上,进而研究海气相互作用对副热带高压影响的物理过程。     

消除系统性观测误差的时空梯度信息同化方法研究

随着气象观测手段的进步,各种气象观测资料在数值预报模式中的应用不断发展.然而由于观测资料存在观测误差,尤其一些非常规资料存在系统性偏差,且难以对此类误差进行充分订正,使得观测资料在数值预报模式同化应用过程中的作用没有被充分发挥.文中提出一种消去此类误差的时间及空间梯度信息变分同化方法,其特点在于不需要知道系统性偏差的具体估计,而是用一个梯度信息算子对原变量进行变换从而隐性回避此类误差.通过浅水波模式四维变分同化理想试验结果表明,此同化方法完全消除平整性系统性偏差对同化结果的影响,本身数值较小的模式变量更能够获得好的同化效果,大数值变量则可通过估算来确定适用范围.由于最优解不唯一性质的存在,同化效果更多的吸收观测场的整体时空梯度分布趋势而非观测量值本身,这对具有较低可信度的观测资料是适用的.     

背景误差协方差变量平衡特征及其对台风同化和预报的影响

构造合理的背景场误差协方差是做好资料同化的关键。分析了背景误差协方差中变量相关关系在台风季节和非台风季节隐含的不同动力平衡特征,并讨论其对台风同化和预报的影响。分析发现,与非台风季节相比,在台风季节温度与非平衡速度势具有更强的动力相关性,拟相对湿度与其他控制变量的相关性也更显著。这些动力相关性在背景场误差中协方差的引入,将在同化分析过程中使得观测信息可以合理地对同化分析场产生影响。台风循环同化和预报的结果验证了对变量平衡特征的分析:背景误差协方差中新平衡关系的建立,对同化和预报有较大的正面影响,尤其是相对湿度和其他控制变量相关的建立,明显改善了台风路径、强度和降水的预报效果。      

GRAPES模式对西南季风爆发的数值模拟及初值影响试验

使用GRAPES模式对南海季风爆发进行模拟研究。针对模拟预报中初始场信息偏弱的情况,引入NOAA17卫星AMSU-B资料改进初值。直接利用GRAPES三维变分同化系统,设计了两个同化试验方案:试验1(T1)同时同化探空资料和AMSU-B资料、试验2(T2)仅仅同化常规探空资料,然后应用GRAPES有限区域模式进行模拟预报。通过对比试验发现,该模式对初始场的改变十分敏感,可以比较成功地模拟出南海夏季风的爆发时间和爆发候的高、低层风场配置以及季风与季风雨带的向北推进。然而该方案对于雨量和副热带高压位置的模拟,与观测相比尚存在一定的偏差,主要表现为副热带高压位置模拟偏西、偏北;南海地区的降水量模拟偏大、降水范围偏大。     

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.     

1979—2017年南海SSTA时空特征及其与沃克环流异常的相关

利用1979—2017年HadISST月平均海面温度资料、ERA-Interim大气资料以及GPCP Version 2.3集合降水资料,分析了南海海面温度距平（SSTA）场的时空分布特征,并从南海降水异常的角度探讨了在ENSO期间,沃克（Walker）环流异常对南海海面温度异常（SSTA）的影响过程。结果表明,南海SSTA场分别存在全海域一致模态、东西反位相的偶极子模态以及纬向三级子正负位相三个主要模态,且三个模态都具有显著的准2 a及4 a左右的年际振荡周期,反映了南海SSTA与ENSO现象的高度相关性。对Walker环流异常的分析表明,Walker环流异常与ENSO事件及南海SSTA存在较好的相关。ENSO事件发生时,Walker环流异常移动通过“云辐射反馈过程”,使得南海海面温度（SST）发生改变,因此Walker环流在ENSO影响南海SST异常过程中起到“大气桥”的作用。     

一种控制变量循环扰动和多参数化方案的混合同化方法

敏感性试验表明集合变换卡尔曼滤波(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)方法在混合(Hybrid)同化过程中易受观测资料数量变化的影响而产生较大程度的协方差震荡,从而可能导致系统不稳定。为设计一种简便、稳定的Hybrid同化系统,构建了一种基于物理控制变量扰动及多物理参数化方案的Hybrid同化及预报系统。本系统随着循环的进行,不断对Hybrid同化分析场进行控制变量扰动得到集合成员初始场,并且对各集合成员采用不同物理参数化方案以更合理地表征背景场的误差特征。连续10 d的循环同化及预报试验表明,本文同化方案效果明显优于三维变分方案,动力场的整体同化和预报效果与ETKF方案基本相当。本方案相比于ETKF方法不受观测波动影响,在没有经任何参数调试情况下,取得了良好同化和预报效果,为Hybrid同化的便捷运行提供了一种稳定可靠的手段。