可降水量同化对初始湿度场调整的应用研究

设计了一个三维变分同化方案,利用非静力中尺度模式MM5和由实况观测反演得到的可降水量资料,运用该变分同化方法改善初始湿度场,并对2003年7月9～10日的暴雨过程进行数值模拟对比试验.结果表明,①可降水量资料的变分同化对初始湿度场具有较强的调整能力;②同化可降水量后,可以明显地改善模式初始湿度场,能够有效地提高降水模拟的准确率.     

风云2号卫星红外资料在暴雨数值预报中的应用研究

选取1个暴雨实例，利用统计方法对同期风云2号卫星红外云图资料进行温、湿度反演，通过像素点灰度筛选、灰度反演值订正方法对反演场实施质量控制，并将温、湿度反演场与温、湿度常规分析场实行变分同化。最后为研究反演资料在降水预报中的作用，设计3种引人反演资料的方案与MM5常规方案进行比较，并用TS评分客观评价了上述方案的预报效果。     

卫星云图资料反演的质量控制及变分同化数值试验

该文针对数值化的 GMS红外卫星云图资料的特点 ,利用改进的统计反演方法分别求出温度和湿度估计场 ,设计了几种订正方案对反演出的温度和湿度进行质量控制 ;控制后的反演场再与常规观测资料进行变分同化 ,最后用 MM4模式进行了模拟对比试验 .结果显示 ,在合理的泛函设计的基础上 ,质量控制的好坏直接影响预报结果 .用分析场格点值进行订正效果优于用测站值直接订正 ,加上对云图反演的值进行系统误差订正后 ,有效提高了降水预报准确率 .值得指出的是 ,加进云图资料后 ,明显改善了模式降水预报的强度和区域 ,与仅用常规探空资料相比更接近于实况 .     

GPS可降水量资料应用于MM5模式的变分同化试验

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中13个站点的资料对2002年6月27~28日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5背景误差调节和可降水量资料的三维变分同化试验。试验结果表明:背景误差对三维变分同化的效果起着关键作用,模式变量(u,v,T,p和q)误差的水平尺度与NMC方法的平均时间长度有直接的关系。利用NMC方法重新构建的背景误差更接近实际的背景误差。三维变分技术能有效地同化GPS可降水量资料。GPS可降水量资料的同化使用不仅能调整模式初始湿度场,而且也能相应地调整模式初始气压场、温度场和风场。GPS可降水量资料的同化有利于减小模式初始场对可降水量的分析误差,并且有利于减小模式积分初期(3~6 h)可降水量的预报误差。与没有进行GPS可降水量同化相比,通过GPS可降水量资料的三维变分同化,使MM5模式6 h和24 h累计降水能力得到提高,改善了MM5模式降水预报性能。总体上,GPS可降水量资料的变分同化有利于模式降水预报能力的提高。     

卫星资料反演湿度场改变模式初值对降水预报的影响

为探讨初始场资料在数值预报中的重要性，用高分辨率卫星T_BB资料反演的云内湿度场来改进模式初值，初步研究分析了改进的模式初值对降水预报的影响。以湿绝热过程的变态方程为积分方程，由卫星T_BB资料反演出大气中各等压面层湿度场。通过对比分析反演的湿度场与客观分析 (T106) 的水汽场，发现两者有较大区别，前者更加合理地反映出降水区域高空湿度场的分布。利用中尺度模式MM5将有限区域的常规探空资料和非常规资料进行同化，并对暴雨个例进行预报对比试验。不同初值的对比试验表明，在模式的初始场中引入卫星资料反演的湿度场后，明显地改善了模式降水预报的强度和落区，比仅使用常规探空资料更接近于实况。     

卫星云图反演资料质量控制方案在暴雨模拟中的对比研究

本文以2003年7月9～10日发生在江淮流域的暴雨过程为例,应用FY-2B卫星红外云图灰度资料,利用统计回归的反演方法求出高分辨率的温度和湿度的反演场用于改进预报的初始场。设计和对比了几种质量控制方案,再将控制后的反演场与常规资料进行同化,最后用MM5模式进行了模拟对比试验。结果表明：在模式的初始场中引入卫星云图反演场能反映出更为细致的中尺度结构,有效地增强了对降水有重要影响的高湿区;锋生函数质量控制方案改善模式的初始场,从而改善了MM5模式降水预报的落区和强度,提高了降水预报准确性及Ts评分。     

基于一维变分算法的地基微波辐射计遥感大气温湿廓线研究

为研究地基微波辐射计遥感温、湿度廓线的一维变分算法的反演能力,用北京地区2010—2011年00和12时(世界时)的多通道地基微波辐射计亮温资料进行试验。首先,利用同时次的地面观测资料、红外亮温(由地基微波辐射计自带红外传感器测得)及探空观测数据,给出提取无云样本的方案,得到432个无云样本;再以辐射传输模式计算得到的模拟亮温为参考,对无云条件下的观测亮温进行质量控制;然后利用探空数据进行模拟试验,结果发现,一维变分算法对3 km以下的温度廓线有较大调整。使反演结果更加接近探空,而对湿度廓线在0—10 km都有不同程度的优化;最后利用一维变分算法对地基微波辐射计观测亮温进行大气温湿廓线反演,将结果与探空对比可以看出,温度廓线的均方根误差小于2.9 K,绝对湿度的均方根误差小于0.47 g/m~3;进一步与地基微波辐射计自带神经网络的反演结果比较表明,一维变分的反演结果更接近实际大气。     

基于雷达反射率反演降水率的一维+三维变分同化研究及试验

基于雷达反射率反演的降水率,以线性化的大尺度凝结方案和简化的CUDU对流参数化方案为降水的观测算子,建立大气湿度一维变分同化系统.通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线,以三维变分同化方法引进水汽廓线,为精细模式提供高质量的水汽初估值场.以一个强降水过程和2011年5月一个月为例,通过一维+三维变分同化系统订正大气水汽初估值,初步评估采用一维+三维变分同化系统同化雷达资料后对短期降水预报的影响.     

在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究

资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一，受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中，弥补常规观测网时空分辨率的不足，成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28-29日发生在江淮流域的暴雨过程为例，依据其中尺度场和能量场特征，分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中，结果表明：经质量控制后，可以明显地改善降水区域及降水量的预报；对降水预报，特别是强降水天气过程的预报，该质量控制方案具有普遍意义。     

基于贝叶斯方案的雷达反射率反演水汽及其同化试验

雷达资料是目前为数不多有能力为高分辨率预报模式提供高分辨率信息资料的资料之一。为充分利用该资料所包含的中小尺度信息,文中基于雷达反射率,利用贝叶斯方法反演出大气相对湿度;将质控后的资料引入3Dvar系统进行同化分析,为高分辨率模式提供初值场。以台风“妮妲”登陆为例,通过一维反演及三维变分系统分析,有效地订正了实况有回波而模式预报无回波区域的大气湿度趋于合理,增加背景场的湿度,减小模拟回波比观测偏强的区域的大气湿度;同化大气湿度后模式在前6小时报出的台风外围回波分布、演变更合理,改进了降水雨带的分布与强度。1个月的批量试验反映1D+3Dvar同化雷达资料后,大气对流层中低层（850~400 hPa）增湿明显,其增湿影响程度可延续12小时以上。其逐时降水预报在前12小时的TS均比控制试验高,而大于5 mm以上降水预报偏差则与控制试验的大略一致或更接近1。      

2015年7月中旬京津冀持续性夜间雷雨天气成因初步分析

2015年7月15日00:00至20日00:00（协调世界时,下同）期间,京津冀地区每天傍晚均有明显雷阵雨天气过程发生,持续约一周时间。天气形势分析发现:虽然都是傍晚到夜间出现雷雨天气,但15~17日的雷雨过程,500 hPa主要表现为两槽一脊天气形势,京津冀地区处于低槽前部的不稳定区。18~19日两天,京津冀地区西部为低槽,东部为副热带高压（副高）,主要表现为西低东高的天气形势,是华北地区典型的暴雨天气型之一。15~17日与18~19日的水汽输送路径也有明显区别,15~17日以西南暖湿气流直接向东北方向输送以及台风外围偏东风气流向京津冀输送水汽为主,18~19日则为西南暖湿气流向东北方向直接输送到东海以东洋面后转为偏东风向京津冀输送为主,但是,水汽辐合中心均出现在京津冀附近,且水汽通量及辐合总是在12:00大于00:00,意味着傍晚的水汽条件好于白天。动力条件方面,整个降水期间,京津冀区域的对流层高层均处于南亚高压外围辐散区,低层辐合层次主要集中在700 hPa以下,近地面层12:00的辐合更为剧烈,中层均有干冷偏西气流下沉后与低层暖湿偏东气流辐合抬升,12:00的干冷气流下沉层次更低,与偏东风的辐合更强。温度层结方面,京津冀区域平均的气温垂直温差在800 hPa以下总是12:00高于00:00。降水期间,上升速度在中高层均表现为00:00大于12:00,但是低层的上升速度都是12:00强于00:00,傍晚的动力和水汽条件都更利于降水发生。     

One-Dimensional Variational Retrieval of Temperature and Humidity Profiles from the FY4A GIIRS

A physical retrieval approach based on the one-dimensional variational(1 D-Var) algorithm is applied in this paper to simultaneously retrieve atmospheric temperature and humidity profiles under both clear-sky and partly cloudy conditions from FY-4 A GIIRS(geostationary interferometric infrared sounder) observations. Radiosonde observations from upper-air stations in China and level-2 operational products from the Chinese National Satellite Meteorological Center(NSMC)during the periods from December 2019 to January 2020(winter) and from July 2020 to August 2020(summer) are used to validate the accuracies of the retrieved temperature and humidity profiles. Comparing the 1 D-Var-retrieved profiles to radiosonde data, the accuracy of the temperature retrievals at each vertical level of the troposphere is characterized by a root mean square error(RMSE) within 2 K, except for at the bottom level of the atmosphere under clear conditions. The RMSE increases slightly for the higher atmospheric layers, owing to the lack of temperature sounding channels there.Under partly cloudy conditions, the temperature at each vertical level can be obtained, while the level-2 operational products obtain values only at altitudes above the cloud top. In addition, the accuracy of the retrieved temperature profiles is greatly improved compared with the accuracies of the operational products. For the humidity retrievals, the mean RMSEs in the troposphere in winter and summer are both within 2 g kg^–1. Moreover, the retrievals performed better compared with the ERA5 reanalysis data between 800 h Pa and 300 h Pa both in summer and winter in terms of RMSE.     

阿克苏北部绿洲强对流暴雨与冰雹对比分析

阿克苏北部绿洲是强对流天气的高发区,虽然强对流暴雨和冰雹均为强对流天气,研究表明它们均发生在副热带锋区上,而影响系统、物理量特征均有显著不同:(1)暴雨的影响系统主要以西方路径的锋区小槽和中亚低槽为多,北支槽最少,冷空气弱且湿;冰雹以锋区小槽和北支槽为主,中亚低槽为少,冷空气相对强且干;(2)强对流暴雨的高空急流比冰雹弱,且存在一支低空偏东急流,冰雹不存在;(3)均位于湿舌区,但暴雨区湿度从低层到中层比雹区大,暴雨区850～500hPa均有明显的水汽输送,尤其低空急流输送充沛的水汽。雹区水汽输送较弱,且以天山山区向雹区的局地水汽输送为主。二者均有强的水汽辐合,暴雨区的水汽辐合比雹区强;(4)均有强的上升运动,冰雹850hPa的上升运动比暴雨强,700hPa二者相当,500hPa暴雨比冰雹略强。(5)均有强的不稳定性,暴雨的不稳定性强于冰雹。     

L波段与59-701探空系统相对湿度对比分析

通过统计全国探空系统早期换型时获取的59个高空站L波段雷达-GTS1型电子探空仪系统相对于59-701探空系统在1000 hPa到200 hPa之间各规定等压面相对湿度的差值,分析探空系统换型对于相对湿度一致性的影响。结果表明:GTS1型探空仪测得的相对湿度明显比59型探空仪低,且差值随高度增加而增大,近地层二者相对湿度差值低于5%,200 hPa高度二者差值达到20%以上;冬季两套探空系统相对湿度的差值明显大于夏季,且差值随高度分布情况不尽相同。分析表明:相对湿度差值的变化除了与探空仪施放过程中外界温度变化相关,还与湿度变化趋势和变化幅度密切相关,湿度传感器存在湿滞回线和滞后现象。分析还发现,太原无线电一厂与上海长望气象科技有限公司制造的59型探空仪的性能差异不明显,且GTS1型探空仪与59型探空仪的两种湿度传感器在白天受太阳辐射的残余影响差异也不明显。     

Intercomparison of Humidity and Temperature Sensors: GTS1, Vaisala RS80, and CFH

GTS1 digital radiosonde, developed by the Shanghai Changwang Meteorological Science and Technology Company in 1998, is now widely used in operational radiosonde stations in China. A preliminary comparison of simultaneous humidity measurements by the GTS1 radiosonde, the Vaisala RS80 radiosonde, and the Cryogenic Frostpoint Hygrometer (CFH), launched at Kunming in August 2009, reveals a large dry bias produced by the GTS1 humidity sensor. The average relative dry bias is in the order of 10% below 500 hPa, increasing rapidly to 30% above 500 hPa, and up to 55% at 310 hPa. A much larger dry bias is observed in the daytime, and this daytime effect increases with altitude. The GTS1 radiosonde fails to respond to humidity changes in the upper troposphere, and sometimes even in the middle troposphere. The failure of GTS1 in the middle and upper troposphere will result in significant artificial humidity shifts in radiosonde climate records at stations in China where a transition from mechanical to digital radiosondes has occurred. A comparison of simultaneous temperature observations by the GTS1 radiosonde and the Vaisala RS80 radiosonde suggests that these two radiosondes provide highly reproducible temperature measurements in the troposphere, but produce opposite biases for daytime and nighttime measurements in the stratosphere. In the stratosphere, the GTS1 shows a warm bias (<0.5 K) in the daytime and a relatively large cool bias (-0.2 K to -1.6 K) at nighttime.     

DRP-4DVar方法同化AIRS反演资料在一次江淮流域暴雨中的应用

利用经济省时的降维投影四维变分同化方法(DRP-4DVar),在2009年7月22～23日江淮流域的一次大暴雨过程中同化晴空条件下高光谱大气红外探测仪(AIRS)反演温度、湿度廓线,改进此次强降水过程的模拟。试验结果分析显示,同化AIRS反演的温度及湿度场后,基于四维变分同化系统的模式约束,能够改进湿度场、高度场、高低层散度场。从累积降水量偏差图及同化试验增量图可以看到,正降水量偏差对应于正湿度增量、负位势高度增量及低层负散度高层正散度增量,负降水量偏差则与之相反。同化试验较参照试验可更好地模拟出暴雨的天气形势、对暴雨的落区及强度有更好的反映。此外,从单次同化与连续同化的试验对比结果看出,连续同化试验结果较单次同化结果有进一步的改进,说明不断加入新的观测资料可以更好地模拟强降水过程。     

一次台风远距离暴雨中的干侵入分析

利用常规观测资料和NCEP再分析资料,对2008年7月17—19日发生在山东地区的台风远距离暴雨过程进行了观测分析和模拟研究。结果表明:降水期间有来自中高层的干冷空气的侵入,主要有两种表现形式:对流层顶附近向下的干空气侵入和对流层低层由西北向南的干空气侵入。干侵入存在于300~600 hPa之间,高层略微落后于低层,不利于对流不稳定的发展。但干冷空气侵入使得等相当位温面倾斜,有利于条件性对称不稳定的发展。干侵入使原来不饱和湿空气出现饱和,有利于降水增幅,雨区始终位于500 hPa干区前沿。高层正位涡扰动沿相当位温密集带向低层输送,500 hPa位涡高值区与降水有较好的同位相关系,对降水的发展和移动有一定的指示意义。     

一次强暴雨过程的水汽图像分析

用GMS－5水汽图像、红外云图、流场和云顶亮温TBB场，分析了1999年8月9日石家庄市区的强对流大暴雨。结果表明：（1）水汽图像中的较亮区域在对流层上部相对潮湿，水汽含量大，是强对流暴雨落区预报的参考依据；（2）水汽图像中较亮的湿区与θse高值区的重合，是强对流暴雨产生的重要物理因子。     

1991 年6月江淮持续暴雨的云系特征分析

通过对GMS静止卫星的红外数据处理，获得了1991年夏季江淮梅雨期暴雨大范围的平均云分布。对1991年6月6次江淮暴雨过程逐时和3小时的GMS红外云图动画和照片的分析，得到了该地区梅雨期暴雨的三种中低纬云系相互作用的云型演变模型图，并利用由卫星气象中心处理的NOAA卫星的TOVS水汽反演资料，结合低层的θse和急流分析，给出了1991年6月江淮暴雨的水汽输送的一些特征。     

云迹风在热带气旋路径数值预报中的应用研究

通过一系列四维变分同化试验对GMS5卫星资料反演的云迹风资料在西北太平洋热带气旋的初始化及路径数值预报中的作用进行研究,同化资料为中国国家卫星气象中心提供的GMS5水汽和红外云迹风资料,其中70%在400hPa以上,50%集中在200～300hPa。应用美国NCAR/PSU中尺度模式MM5及其四维变分同化系统,同化窗口为6h,对初始时刻和6h后的云迹风进行同化。同化前对云迹风资料进行了简单的类似ECMWF初值检验方法的质量控制。对2002年8个西北太平洋热带气旋共进行了22组试验。结果表明,采用四维变分同化技术同化云迹风对热带气旋路径预报有一定改善,12,24,36和48h预报的平均距离误差分别降低5%,12%,10%和7%,但同化云迹风的作用与初始气旋强度有关。选择初始中心海平面气压960hPa作为强、弱气旋的分类标准,则11个较强气旋平均路径误差12h减小了13%,12h以后的预报误差减小率维持在20%以上。而对于11个较弱气旋,平均路径误差反而略有增加,说明同化云迹风资料对不同初始强度的气旋作用也有所不同。其主要原因是由于强度较强的热带气旋往往具有较为深厚的垂直结构,因此受高层大气流场的影响更明显;同时,较弱热带气旋的云迹风观测相对稀少且凌乱,并且更容易受环境气流的影响,因此对于较弱的热带气旋,当模式变量与模式或变量之间在同化后不够协调的话,就会产生负效应。