云尺度雷达资料的混合同化对台风“桑美”的数值模拟研究

本文采用基于WRFDA的集合-变分混合同化系统（En3DVAR）在云尺度分辨率下同化了雷达观测资料考察其对登陆台风"桑美"的影响。高时空分辨率的雷达径向风资料在台风登陆前的3 h同化窗内以每30 min的频率同化进WRF模式（Weather Research and Forecasting）。研究结果表明:En3DVAR试验在3 h同化窗内的均方根误差相比3DVAR试验改进显著,这可能得益于混合同化系统中提供的"流依赖"的集合协方差信息。系统性的诊断分析表明En3DVAR试验在台风内核区产生了较为明显正温度增量,对台风内核区的热力和动力结构均有较好调整,而3DVAR则在台风内核区产生了负温度增量;相比3DAVR试验,En3DVAR在采用了"流依赖"的集合协方差信息后还可以对背景场上的台风的位置进行系统性的偏差订正。总体而言,En3DVAR试验预报的台风路径和强度相比3DVAR改进显著,其正效果主要来源于混合背景误差协方差中的"流依赖"集合协方差信息。     

ATOVS亮温资料同化在台风数值模拟中的应用

利用三维变分同化技术,通过将ATOVS(Advanced TIROS-N Operational Vertical Sounder)(包括AMSUA和AMSUB微波辐射探测器及高分辨率红外辐射探测器HIRS)亮度温度资料直接同化进中尺度数值预报模式WRF中,以提高模式对台风路径的模拟精度。针对两个台风个例鲇鱼(2010)和纳沙(2011)进行了同化试验,结果表明:1)同化卫星亮温资料能够改善台风初始场结构(大气流场、温度场和水汽场),进而提高对台风路径的模拟精度;2)不同资料的同化效果不一样,同化AMSUA资料对台风的路径模拟有较明显的改善效果,而同化HIRS3资料和AMSUB资料则无明显改善效果;3)卫星资料同化对于改变环境引导气流有较大作用,可以通过影响副高的强弱和位置改变环境气流场,从而影响台风的路径。     

基于WRF模式同化QuikSCAT风场资料的初步试验

利用美国最新推出的中尺度区域模式WRF(Weatherand Research Forecasting model)和中国数值预报创新基地开发的三维变分同化系统GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,1．0版本),以2002年台风“黄蜂”为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了散射计风场资料同化对台风“黄蜂”三维结构分析和预报的影响。初步的结果显示,同化散射计风场资料对台风的大风风场分析、台风中心位置和海面气压场等都有明显的正效应,而对于预报场的改进相对有限。     

拉格朗日资料同化的研究进展

拉格朗日资料对了解海洋环流和大气环流的动力学过程起到很重要的作用,同化拉格朗日资料有很大的必要性.拉格朗日观测工具主要提供的是水团或空气微团的位置和速度等信息,因为拉格朗日资料提供的是移动框架的数据而不是欧拉格点上的模式变量,所以随着拉格朗日观测覆盖大部分海洋和全球海洋环流模式的实现,采用先进的同化方法充分利用这些资料来提高分析预报准确性势在必行.在同化方法不断的发展中最优插值、变分同化、卡尔曼滤波这几种方法都有很好的应用.     

同化QuikSCAT海面风场和海平面气压场对台风“Wukong”的模拟影响

为评估由散射计资料反演的海面风场和海平面气压场对台风模拟的影响,使用中尺度天气研究与预报(Weather Research and Forecasting,WRF)模式和WRF三维变分同化系统,以2006年强热带风暴“Wukong”为例,把QuikSCAT风场资料代入华盛顿大学行星边界层(The University ...     

海温数值预报资料同化试验Ⅰ.客观分析的最优插值法试验

利用最优插值法发展了一个海温短期数据预报的资料同化系统，并进行了一些客观分析试验。这个同化系统具有下述几个特点：（１）由于海温的保守性，在对海个时次的船舶报ＳＳＴ资料进行同化时，加入了前后相差６ｈ的相邻资料作为同时资料，增加了资料密度，较好地解决了海洋资料相对稀疏引起的问题；（２）利用模式的一系列后报试验结果来估计模式预报误差的标准差，这比常用主观猜测的方法更加客观；（３）对观测资料进行检误的质量     

海温数值预报资料同化试验：Ⅰ.客观分析的最优插值法试验

利用最优插值法发展了一个海温短期数据预报的资料同化系统，并进行了一些客观分析试验。这个同化系统具有下述几个特点：（１）由于海温的保守性，在对海个时次的船舶报ＳＳＴ资料进行同化时，加入了前后相差６ｈ的相邻资料作为同时资料，增加了资料密度，较好地解决了海洋资料相对稀疏引起的问题；（２）利用模式的一系列后报试验结果来估计模式预报误差的标准差，这比常用主观猜测的方法更加客观；（３）对观测资料进行检误的质量     

海表盐度资料同化研究进展

对海表盐度资料同化的研究进展进行了较为全面的回顾,分别对不同时期的海表盐度资料质量和同化方法进行对比分析,并对未来海表盐度资料同化的研究重点和发展趋势给予展望。     

多普勒雷达资料同化在台风“桑美”预报中的应用研究

本文以2006年超强台风"桑美"为个例,考察了同化雷达径向风观测资料对台风初始场和预报场的改进作用。首先对沿海新一代多普勒天气雷达的径向风观测资料进行了去噪音、退模糊等一系列的质量控制,进一步利用美国国家大气研究中心开发的中尺度数值模式WRFV3.5及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,每30min循环同化雷达径向风观测资料。结果表明:同化多普勒雷达径向风观测资料后,对台风在模式中的初始位置进行了很好的修正,同时对台风区的动力和热力结构均有较好的调整。两组同化试验对于台风的路径、强度、降水等预报要优于控制试验,并且对背景误差协方差尺度化因子优化调整可以更有效地吸收雷达观测资料并提供更多的中小尺度信息。     

Impact on the tropical cyclone “Vongfong” forecast using the Quik SCAT wind data

Since QuikSCAT is available in cloudy and rainy condition, its wind data are valuable in monitoring and real timeorecasting the wind field, especially in sparse genesis regions of tropical cyclones. In order to understand and investigate the impact of QuikSCAT wind data, the three-dimensional variational data assimilation (3D-VAR) of scatterometric wind data has been employed for the tropical cyclone “Vongfong” in the year 2002. The result shows that the QuikSCAT wind data have positive impact on the analysis and forecasting. But the positive impact is slight. The present results suggest that how to assimilate QuikSCAT wind data effectively is important and will be a challenge to meteorologists.     

初始化方案对有限区域海面风场数值预报模式的影响

在一个已应用于海洋要素预报的有限区域海面风场预报模式的基础上,以渤海海域为实验海区,研究初始化方案对有限区域海面风场数值预报模式的影响。对“未采用初始化”与“采用初始化”方法进行了预报实验比较,结果表明,初始化方法对有限区域海面风场模式作用明显,尤其是海面风场的开始阶段,主要体现在海风与陆风预报能力的差异上。     

粤东沿海台风风暴潮特征及数值模拟

粤东地区是我国沿海经济较为发达的地区之一,也是遭受风暴潮灾害较为严重的地区,本文重点分析了自1969年以来40年间影响粤东沿海的典型风暴潮过程,并建立起了一个适用于粤东沿海地区的高分辨率的风暴潮数值预报模式.此模式采用变网格技术,在可以保证使计算区域足够大的基础上,又能实现对重点区域的河口、海湾等地形加密处理,精细地刻...     

基于HY-2A微波散射计海面风场资料的台风风剖面信息提取研究

台风风剖面信息是直观反映与台风中心不同距离的各点与平均风速关系的曲线,它是确定各级台风风圈范围的重要基础。本文利用HY-2A微波散射计海面风场资料,结合Holland风场模型提出了一种新的台风风剖面信息提取方法,并选取2012–2017年期间16期典型台风进行应用。结果表明:34 kt与50 kt风圈半径的平均均方根误差为37.6 km与18.3 km,该方法具有较好的适用性和精度。本研究对于描述台风结构特征及潜在的破坏力和台风可能的影响范围具有一定的现实意义。     

An experimental analysis for the impact of 3D variation assimilation of satellite data on typhoon track simulation

A series of test simulations are performed to evaluate the impact of satellite-derived meteorological data on numerical typhoon track prediction. Geostationary meteorological satellite (GMS-5) and NOAA‘ s TIROS operational vertical sounder (TOVS) observations are used in the experiments. A three-dimensional variational (3D-Var) assimilation scheme is developed to assimilate the satellite data directly into the Penn State-NCAR nonhydrostatic meteorological model (MM5). Three-dimensional objective analysis fields based on the T213 results and conventional observations are employed as the background fields of the initialization. The comparisons of the simulated typhoon tracks are carried out, which correspond respectively to assimilate different kinds of satellite data. It is found that, compared with the experiment without satellite data assimilation, the 3D-Var assimilation schemes lead to significant improvements on typhoon track prediction. Track errors reduce from approximately 25% at 24 h to approximately 30% at 48 h for 3D-Var assimilation experiments.     

台风海面风场动力诊断模式的建立与模拟计算

本文总结和归纳了已有的台风海面风场模式,按照风场模式物理背景的不同进行了分类．在此基础上,本文选择并建立了一种新的台风海面风场动力诊断模式．首先,利用台风影响范围内某条具有代表性的闭合等压线的拟合方程表示出台风海面气压场,并利用改进的气压场模式和修正的梯度风方程求得台风系统风场,同时还利用宫崎正卫的热带气旋合成风假设建立移行台风风场．然后将两者作权重订正后进行迭加,即得到台风模型风场．该模式考虑了包括台风气压场的非对称性、边界层摩擦效用、气压梯度的切向变化及台风中心移动的影响等多种因素．经过对0519号“龙王”台风的模拟,结果表明本文所建立的台风风场模式可以比较准确的模拟出非圆对称的台风海面气压场和海面风场,较为真实地反映实际台风风场的特征．     

卫星高度计资料在三维海温和盐度数值预报中的应用

随着卫星遥感观测技术的发展,越来越多的卫星观测资料被应用于数值模式的同化研究中.基于国家海洋环境预报中心西北太平洋三维湿盐流预报系统,利用法国CLS中心的沿轨高度计资料的海表面高度异常的融合数据,结合基于三维变分的OVALS(ocean variational analysis system)同化系统,在垂向将海面高度...     

对地球系统模式FIO-ESM同化实验中北极海冰模拟的评估

本文评估了地球系统模式FIO-ESM(First Institute of Oceanography-Earth System Model)基于集合调整Kalman滤波同化实验对1992-2013年北极海冰的模拟能力。结果显示:尽管同化资料只包括了全球海表温度和全球海面高度异常两类数据,而并没有对海冰进行同化,但实验结果能很好地模拟出与观测相符的北极海冰基本态和长期变化趋势,卫星观测和FIO-ESM同化实验所得的北极海冰覆盖范围在1992-2013年间的线性变化趋势分别为-7.06×105和-6.44×105 km2/(10a),同化所得的逐月海冰覆盖范围异常和卫星观测之间的相关系数为0.78。与FIO-ESM参加CMIP5(Coupled Model Intercomparison Project Phase 5)实验结果相比,该同化结果所模拟的北极海冰覆盖范围的长期变化趋势和海冰密集度的空间变化趋势均与卫星观测更加吻合,这说明该同化可为利用FIO-ESM开展北极短期气候预测提供较好的预测初始场。     

An experimenal analysis for the impact of 2D variation assimilation of satellite data on typhoon track simulation

A series of test simulations are performed to evaluate the impact of satellite-derived meteorological data on numerical typhoon track prediction. Geostationary meteorological satellite (GMS-5) and NOAA‘s TIROS operational vertical sounder (TOVS) observations are used in the experiments. A twodimensional variation assimilation scheme is developed to assimilate the satellite data directly into the Penn State-NCAR nonhydrostatic meteorological model (MM5). Three-dimensional objective analyses fields based on T213 results and routine observations are employed as the background fields of the initialization. The comparisons of the simulated typhoon tracks are also carried out, which correspond respectively to the initialization scheme with two-dimensional variation (2D- Var), three-dimensional observational nudging and direct assimilation of satellite data. It is found that, comparing with the experiments without satellite data assimilation, the first two assimilation schemes lead to significant improvements on typhoon track prediction. Track errors reduce by 18% at 12 h for 2D- Var and from about 16% at 24 h to about 35% at 48 h for observational nudging. The simulated results based on assimilating different kinds of satellite data are also compared.     

海岛局部风场特性的风洞试验和数值模拟研究

针对海岛局部风效应突出的问题,采用边界层风洞试验与数值模拟相结合的方法,对3种坡度的理想化海岛地形的风剖面进行了数值拟合,定义了差异系数来描述风剖面变化,利用数值模拟研究了差异系数和最大加速比在迎风侧的分布,重点探讨了海岛坡度和高度对最大加速比和差异系数的影响;基于风洞数据,对迎风侧和背风侧顺风向、横风向和竖向湍流强度和阵风因子分布进行了研究。结果表明：数值模拟与风洞试验结果较接近,风剖面指数在迎风侧较小;靠近坡顶的加速效应尤为明显,其最大加速比为0.4～1.0;坡腰处的差异系数较小,随着岛脊线角度的增加,差异系数为0的位置有向坡脚靠近的趋势;坡度增大到25°、0°岛脊线上最大加速比和差异系数均较大;迎风侧的三向湍流强度分布较规律,而背风侧的三向湍流强度分布较杂乱,尤其是在距海岛表面100 m高度范围内;阵风因子和湍流强度的变化趋势具有较高的一致性。