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。     

卫星云图资料反演的质量控制及变化同化数值试验

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湿度和温度估计场,设计了几种订正方案对反演出的温度和温度进行质量控制：控制后的反演场再与常规资料进行变化分化,最后用ＭＭ４模式进行了模拟对比试验,结果显示,在合理的涵函设计的基础上,质量控制的好坏直接影响预报结果,用分析场格点值进行了正效果优于用测站值直接订正,加上对云图反演的植进行系统误差订正后,有效提高了降水预报准确率     

非高斯分布观测误差资料的变分质量控制对暴雨预报的影响

观测资料的质量控制直接影响数值预报资料同化的分析质量。本文针对GRAPES区域同化和预报的三维变分资料同化系统,发展了基于观测误差为"高斯分布+均匀分布"模型的变分质量控制方案,讨论了该方案的初始启动和关键参数,并检验分析了其适用性与有效性。同时,以全球预报系统(GFS)资料作为背景场,利用探空、地面、船舶、飞机、云迹风等常规观测资料和COSMIC卫星反演资料进行同化和预报,分析了华南地区特大暴雨的个例试验和2013年8月共31 d的批量试验。试验结果表明:变分质量控制能够依据观测资料的不同质量对观测权重进行合理调整,对位势高度、气压、风、比湿的分析增量场和分析场改善显著,尤其在强降水区具有更加明显的效果;对降水落区、降水强度及中心位置的预报质量具有较好的提高,特别对暴雨、大暴雨等较大降水量级的预报能力反映出更好的改善效果,充分显示了变分质量控制在中小尺度剧烈天气过程中对同化分析和预报的重要作用。     

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.     

AMDAR资料在北京数值预报系统中的同化应用

该文针对北京市气象局业务快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC),通过对有无飞机观测资料参加同化的预报试验客观要素预报均方根误差和降水量TS评分的对比分析,探讨了飞机观测资料对短期数值天气预报的影响。结果表明:飞机观测资料的同化对于前9 h预报时效内的高空风和温度预报有明显的正面影响。其中,对风预报的正面影响集中在925~250 hPa高度上;而对温度预报的正面影响主要体现在850~400 hPa之间的各层内。在快速更新循环的暖启动模式下,飞机观测资料同化比冷启动模式下带给预报结果更明显的正面贡献。飞机观测资料参加同化对于降水预报技巧的提高也有正面效应,对24 h和12 h累积降水量TS评分以及12~18 h和18~24 h时段内的6 h累积降水TS评分有明显提高,提高的最大幅度达50%,并对相应阈值和时段内无飞机观测资料参加同化的试验中雨区偏大现象有改善。分析增量分布特征与同化带来的风温要素3 h预报改进的垂直特征基本对应,表明飞机观测资料参加同化对初始场中风场和温度场质量的改进。     

空气质量数值模式预报中资料同化的初步研究

利用嵌套网格空气质量预报模式,在对上海市环境监测中心提供的观测数据进行必要的质量控制后,采用最优插值方法对可吸入颗粒物(PM10)、二氧化氮(NO2)和二氧化硫(SO2)进行资料同化。选取2004年8月1～20日做作逐日同化试验的结果表明,无论是PM10、NO2还是SO2,其同化偏差平均值均在20μg.m-3以下,比同化前减少了至少50%;3种污染物的同化偏差小于其未同化偏差的天数均在16天以上。在大气清洁和污染两种情况下,对PM10分别作10天的同化试验表明,同化后的均方根误差均小于同化之前。此同化方法能利用观测数据较好地修正空气质量模式预报场,从而为模式提供与实际更加接近的初始场。     

卫星资料的非线性反演同化与一次强降水预报试验

利用地球同步气象卫星红外资料,通过优选BP人工神经网络和最优拟合回归这两种非线性方法,建立了反演宁夏大气相对湿度场的数学模型。反演湿度场经过变分同化与质量控制后,代入中尺度数值预报模式MM5,对一次突发性强降水过程进行了预报试验。结果表明,使用该资料后,数值预报模式对这次突发强降水过程的预报能力明显提高,模式输出产品具有预报指示意义,spin-up问题得到了一定程度的改进。     

观测资料的四维质量控制:变分法

利用四维变分资料同化技术,定义了观测资料的误差均差比,并在理论上初步探讨了利用误差均差比来判断资料中重大误差(gross error)的合理性.利用简单的Lorenz模式进行了一些数值试验,以检验质量控制方案.     

数据同化/卫星反演/数值预报相互循环作用系统

介绍数据同化／卫星反演／数值预报相互作用的一种方案，将原来相互独立进行的操作组成为相互作用的循环系统。国家卫星气象中心（ＮＳＭＣ）和国家气象中心（ＮＭＣ）联合开发这个项目，其目的是改善我国卫星探测反演及其在业务数值预报中应用的情况。该文首先介绍相互作用循环流物基本原理，以及的分析／预报模式和卫星反演的方案，然后给出国家卫星气象中心和国家气象中心联合试验的阶段性成果。研究试验表明，相互循环作用方案有     

数值天气预报中集合-变分混合资料同化及其研究进展

数值天气预报中混合资料同化是结合集合预报与变分同化方法各自优势研究发展的一种新型资料同化方案。它在变分资料同化框架的基础上,利用集合预报扰动场信息的优点,构造具有流依赖属性的背景误差协方差结构,克服变分同化中固定、均匀及各向同性的背景误差协方差的缺陷,改善对不同天气系统预报误差协方差的表达能力,从而改善分析和预报的质量。近年来,基于集合与变分方法的混合资料同化快速成为数值预报资料同化发展的新趋势,具有良好的业务应用潜力。对集合与变分混合资料同化的研究进展进行综述,在简要介绍数值天气预报中资料同化发展趋势的基础上,分析混合资料同化方案的理论框架和优势,总结混合资料同化的发展和研究成果,并讨论我国研究和发展混合资料同化的基础和前景及面临的问题,指出混合资料同化发展中亟需研究的关键科学问题。      

气象卫星资料在天气预报分析业务中的应用

对TOVS和云导风非常规反演资料进行了质量控制，并将控制后的反演场与常规观测资料以及T106分析场资料进行变分同化，得到合成分析场。结果表明：在合理的目标函数设计的基础上，合成分析场与仅用常规探空资料相比更接近于实况，弥补了实况资料的不足。运用MICAPS中特有的网格点绘图功能实现了机器自动绘制历史天气图工作。经检验误差较小，线条平滑。该方法为在实时天气图和历史图分析中使用非常规资料提供了一条新的途径，具有一定的实用价值。     

数值天气预报中卫星资料同化应用现状和发展

卫星资料已大量应用于数值天气预报,占据了所用观测资料的主体并对数值天气预报效果的改善具有明显的作用。目前卫星资料的同化应用一方面在努力解决受地表辐射、云和降水影响的卫星观测资料的同化问题,以充分利用现有卫星资料并发挥其效能,同时发展适应伴随全球观测系统建立而带来大数量和多种类新类型卫星资料的同化应用。文章介绍了为满足卫星资料在数值天气预报中同化应用现状与发展而建立的两个卫星资料同化研究中心(JCSDA:Joint Center of Satellite Data Assimilation和NWP SAF:Satellite Applications Facility for Numerical Weather Prediction)的基本情况,并简要讨论我国数值天气预报中卫星资料同化应用。     

卫星微波观测资料在混合同化中的应用

利用美国环境预报中心(NCEP)的GSI(Gridpoint Statstical Interpolation)业务同化系统,采用三维变分同化方法(3DVAR)和三维变分混合同化方法(3DVAR-Ensemble),针对2013年5月8日发生在我国华南地区的一次强降水天气过程进行了数值模拟试验研究,设计了不同组试验方案,将常规观测资料和AMSU-A\MHS\ATMS辐射率亮温资料直接同化进入区域大气模式WRF中,对比分析不同同化试验方案对模式初始场及降水预报效果的影响。数值试验结果表明:从初始时刻的同化增量来看,各试验组均改变了初始场结构,但增量的大小和分布却不同。加入ATMS微波资料的分析增量要小于同化AMSU-A+MHS的;Hybrid同化方法使用具有"流依赖"的背景误差协方差在一定程度上减小了模拟区域周围的虚假增量,使初始场的分布更真实和合理。从降水模拟的强度和空间分布评估结果来看,使用Hybrid方法同化ATMS的资料可以比较准确预报出降水中心的位置。综合而言,采用Hybrid的方法同化ATMS的资料最优。     

资料同化中雷达VAD风质量控制研究

新一代天气雷达VAD(Velocity Azimuth Display)风作为多层次水平风矢量的垂直廓线,具有时间频次高、易与业务数值预报模式分辨率相匹配、影响质量因素复杂等特点。在数值预报中有效同化该资料,可改善低空风场资料不足等状况。本文根据变分同化中对资料质量的特殊要求,集成现有VAD质量控制方案后,设计了逐步拟合质量控制方案。再根据VAD资料不同误差来源,综合集成了现有的VAD质量控制方案,形成逐级综合质量控制方案。通过分析逐级质量控制方案得到VAD资料在同化中的适应性,发现该资料相对背景场存在偏差。进一步分析表明,出现这种偏差的原因在于选择用以反演VAD径向原始数据中存在许多不符合VAD廓线的数据。据此设计了逐步拟合质量控制方案,该方法可逐步筛选出用以反演VAD的径向速度数据,提取出数据中的简谐波特征。通过北京站雷达获取的VAD廓线与分钟级探空实测对比,发现通过逐步拟合质量控制得到的风速更接近实况。相对背景场偏差分析也表明,通过逐步拟合质量控制,观测相对于背景场的偏差得到有效修正。一个月的连续试验结果显示,质量控制后获取的VAD资料可基本满足同化中对资料的无偏要求。     

变分同化中使用背景场时尺度匹配的数值研究

分资料同化方法运用于中尺度系统的分析时，粗网格模式的输出经常被用作背景场，此时分析场和背景场之间存在尺度不一致的问题。为了让二者的尺度相匹配，文中提出可以在目标函数中增加一个过滤算子适当滤除分析场中的短波成分。应用浅水方程模式和模拟资料所作的数值试验表明，该方法可以明显地改善分析的效果。     

Satellite All-sky Infrared Radiance Assimilation: Recent Progress and Future Perspectives

Satellite infrared(IR)sounder and imager measurements have become one of the main sources of data used by data assimilation systems to generate initial conditions for numerical weather prediction(NWP)models and atmospheric analysis/reanalysis.This paper reviews the development of satellite IR data assimilation in NWP in recent years,especially the assimilation of all-sky satellite IR observations.The major challenges and future directions are outlined and discussed.     

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

数值天气预报中分析同化基本方法的历史发展脉络和评述

数值天气预报中分析同化的基本方法先后经历了多项式函数拟合方法、逐步订正方法、最优插值方法、变分方法和集合卡尔曼滤波方法。本文首先根据相关的经典文献力求本色地介绍这些方法的基本思想和实施的具体要点;然后,着重于它们的上下承接关系,试图阐述同化的历史发展脉络,评述这些方法的显著特征和创新性,以期清晰地理解资料同化的循序渐进的内在发展逻辑。此外,从起源上阐明“主观分析”与“客观分析”、“初猜场”与“背景场”、“分析”与“同化”、以及“更新”、“新息”等基本概念,以期准确地理解和把握“大气资料同化”的由来和内涵。