四维变分同化方法在台风初始化及其数值模拟中的应用--对9608号(Herb)台风的研究结果

The MM5 and its four dimensional variational data assimilation (4D-Var) system are used in this paper. Based on the National Centers for Environmental Prediction/National Center for Atmospheric Research (NCEP/NCAR) reanalysis data, the authors generate an optimal initial condition for a typhoon by using the bogus data assimilation (BDA) scheme. BDA is able to recover many of the structural features of typhoons including a warm-core vertex, the correct center position, and the strong circulation.As a result of BDA using a bogus surface low, dramatic improvement is achieved in the 72 h prediction of typhoon Herb. Through several cases, the initialization by BDA effectively generates the harmonious inner structure of the typhoon, but which is lacking in the original analysis field. Therefore the intensity forecast is improved greatly. Some improvements are made in the track forecast, but more work still needs to be done.     

四维变分同化方法在台风初始化及其数值模拟中的应用——对9608号(Herb)台风的研究结果(英)

采用MM5数值预报模式,以及以MM5和它的伴随模式为基础的四维变分同化系统,以NCEP/NCAR再分析资料为背景场,运用BDA(bogus data assimilation)方案优化热带气旋的初始结构,从而一定程度上弥补了海洋上资料缺乏所造成的台风中心位置不准确,台风环流偏弱,台风内部结构不完整等问题,在此基础上对台风进行了72小时数值预报。通过对多个台风个例的研究表明,BDA方案对台风的初始化处理,有效性地构造出了原来分析场所缺乏的台风内部结构,并且与模式初始场协调,因而大大改进了台风中心强度的预报,对于台风路径的预报也有改进,但不是十分理想,还有待提高。     

改进的台风初值化方案及四维变分同化的个例试验

由于洋面上常规观测资料严重不足,使得客观分析的结果难以准确地描写初始台风的热力结构和环流特征,这是造成台风数值预报误差较大的重要原因.传统的Bogus方案虽然对台风预报有很大改进,但是仍有许多不足.文中在前人研究工作的基础上,对Bogus方案进行了改进,提高了对台风强度的描述能力,并结合四维变分资料同化的方法,利用模式动力学约束,自动生成具有非对称环流结构的台风初值,最后进行了四维变分同化试验和数值模拟试验.数值结果表明:这种结合Bogus方法和四维变分同化方法的台风初值化方案对于台风的路径模拟和强度模拟均有较好的改进.     

区域四维变分资料同化的数值试验

针对中尺度数值预报模式预报误差的主要来源,尝试利用四维变分资料同化的方法来改善预报效果。在已建立的中尺度模式（ＭＭ４）四维变分资料同化系统基础上,进行了若干数值试验,通过比较同化前后的预报来检验同化的效果。这些试验中初始场、模式误差和侧边界条件被分别或同时作为控制变量来进行调整,主要探讨了模式误差和侧边界条件对同化及预报的影响,以及同时结合两者或三者的途径和方法。对两组个例分别进行的试验结果表明,区域中尺度模式预报误差除了来源于初始误差外,模式误差、侧边界条件也有不可忽视的作用。同化时应同时考虑初始场、模式误差和侧边界条件这三方面的共同作用,仅修正其中某一个或某两个会把由于其它方面造成的预报误差转嫁到它们之上,从而出现尽管目标函数下降很快而预报结果并没有相应改善的现象。     

基于集合变分混合同化方法的双台风数值模拟

采用基于WRF模式的集合变分混合同化方法(Ens-3DVAR),对2013年双台风“菲特”和“丹娜丝”的路径、强度和降水进行模拟,结果表明:对双台风路径和强度的模拟,无论是模拟效果还是稳定性,Ens-3DVAR方法72 h模拟效果最优;三种试验方法对降水都有一定的模拟能力,SAL评分表明无论是对降水结构、强度,还是降水位置的模拟,Ens-3DVAR方法模拟效果最好;从Ens-3DVAR和3DVAR方法得到的初始时刻的同化增量场来看,同化卫星资料后,两种方法均改变了初始场信息,但Ens-3DVAR试验与3DVAR试验的增量无论是大小还是分布范围明显不同,说明预报系统的局地信息改变对模拟效果有很大的影响;Ens-3DVAR方法采用集合背景场和流依赖性背景误差协方差,弥补了传统3DVAR中采用均匀、各向同性、准定常的背景误差协方差所带来的局限,提供了更接近实际大气的背景场;同时该方法采用了多个不同时刻的输入资料,说明Ens-3DVAR方法是数值预报中利用历史资料的一种可行途径。      

对降水资料的四维变分同化

用常规资料（Ｔ、ｐ、ｕ、ｖ、ｑ的分析值）和降水资料（２４ｈ降水量的分析值）进行四维变分（４ＤＶＡＲ）资料同化试验。试验中用了全物理过程的ＮＭＣη模式和带有充过程的伴模式。４ＤＶＡＲ试验的结果 资料同化期间和同化以后，用了积云对流修改方案和降水资料后，最小化过程迭代十次便收敛，降水预报了，特别是４ＤＶＡＲ方法比最优内插方法在改善降水预报方面更优越。     

多普勒雷达资料四维变分同化

文章从理论上分析了多普勒雷达资料的四维同化。阐述多普勒雷达资料四维同化的主要过程及其基本思路。着重论述多普勒雷达资料四维变分分析系统(4D-VDRAS)的原理和方法,以及价值函数,共轭方程、伴随方程和多普勒雷达数据处理、Barnes插值技术和4D-VDRAS的应用。     

四维变分资料同化

用Lorenz模式作变分同化数值试验，通过对一个简单系统的讨论，对四维变分同化方法进行较深入分桥。利用Lorenz模式的数值试验，检验切线模式及伴随模式，并对目标函数及其梯度进行了检验。     

模式误差对变分同化过程影响的数值研究

本文利用浅水方程模式，对变分四维同化过程中模式中误差的影响进行了数值模拟实验，实验显示了模式误差被“混淆”入初始场的现象，在一些模式变量无观测时，这种混淆的后果更为严重。     

A New Typhoon Bogus Data Assimilation and its Sampling Method: A Case Study

In this study,the authors introduce a new bogus data assimilation method based on the dimension-reduced projection 4-DVar,which can resolve the cost function directly in low-dimensional space.The authors also try a new method to improve the quality of samples,which are the base of dimension-reduced space projection bogus data assimilation (DRP-BDA).By running a number of numerical weather models with different model parameterization combinations on the typhoon Sinlaku,the authors obtained two groups of samples with different spreads and similarities.After DRP-BDA,the results show that,compared with the control runs,the simulated typhoon center pressure can be deepened by more than 20 hPa to 30 hPa and that the intensity can last as long as 60 hours.The mean track error is improved after DRP-BDA,and the structure of the typhoon is also improved.The wind near the typhoon center is enhanced dramatically,while the warm core is moderate.     

Coupling Ensemble Kalman Filter with Four-dimensional Variational Data Assimilation

This study examines the performance of coupling the deterministic four-dimensional variational assimilation system (4DVAR) with an ensemble Kalman filter (EnKF) to produce a superior hybrid approach for data assimilation. The coupled assimilation scheme (E4DVAR) benefits from using the state-dependent uncertainty provided by EnKF while taking advantage of 4DVAR in preventing filter divergence: the 4DVAR analysis produces posterior maximum likelihood solutions through minimization of a cost function about which the ensemble perturbations are transformed, and the resulting ensemble analysis can be propagated forward both for the next assimilation cycle and as a basis for ensemble forecasting. The feasibility and effectiveness of this coupled approach are demonstrated in an idealized model with simulated observations. It is found that the E4DVAR is capable of outperforming both 4DVAR and the EnKF under both perfect- and imperfect-model scenarios. The performance of the coupled scheme is also less sensitive to either the ensemble size or the assimilation window length than those for standard EnKF or 4DVAR implementations.     

Numerical Simulation of a Landfall Typhoon Using a Bogus Data Assimilation Scheme

A typhoon bogus data assimilation scheme (BDA) using dimension-reduced projection four-dimen-sional variational data assimilation (DRP-4-DVar),called DRP-BDA for short,is built in the Advanced Regional Eta Model (AREM).As an adjoint-free approach,DRP-BDA saves time,and only several minutes are taken for the full BDA process.To evaluate its performance,the DRP-BDA is applied to a case study on a landfall ty-phoon,Fengshen (2008),from the Northwestern Pacific Ocean to Guangdong province,in which the bogus sea level pressure (SLP) is assimilated as a kind of observa-tion.The results show that a more realistic typhoon with correct center position,stronger warm core vortex,and more reasonable wind fields is reproduced in the analyzed initial condition through the new approach.Compared with the control run (CTRL) initialized with NCEP Final (FNL) Global Tropospheric Analyses,the DRP-BDA leads to an evidently positive impact on typhoon track forecasting and a small positive impact on typhoon inten-sity forecasting.Furthermore,the forecast landfall time conforms to the observed landfall time,and the forecast track error at the 36th hour is 32 km,which is much less than that of the CTRL (450 km).     

适应性非对称人造台风方案对热带气旋路径的模拟预报

设计了一种新的适应性非对称人造台风方案。该方案中，初始场中植入的非对称人造台风不但与初始场之间更为协调，而且还包括较多的非对称信息。应用此方案对两个台风个例的路径进行了数值模拟试验，模拟结果与实况较为接近。     

应用ATOVS资料和非对称Bogus资料对登陆台风韦帕的4DVAR数值模拟分析

前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征并弃掉了背景场的合理成分,也没有考虑大环境场的影响及湿热要素的同化。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的精细非对称台风Bogus方法,并在MM5的伴随同化系统中引入快速辐射传输模式RTTOV8,通过四维变分同化(4DVAR)技术,加入海面风场和气压场Bogus资料及多颗卫星多条轨道上的ATOVS红外和微波卫星辐射亮温资料并考虑Noah陆面过程方案来对登陆台风韦帕进行数值模拟,结果表明,单独同化海面Bogus资料的BDA方案可间接产生初始场非对称三维环流结构和暖心结构,但对湿度场及台风周围大环境场的调整不足,台风登陆后的路径预报改善也不明显;引入陆面过程方案弥补了Bogus资料对台风登陆后路径预报的不足;加入ATOVS资料能对湿度场及台风周围环境场做出调整,重构了大量中尺度结构信息,取得更为精细的初始台风环流和温压湿场结构,保持BDA方案路径及强度预报的优势的同时,使预报的降水强度增加,降水落区发生改变。     

雷达径向风资料的四维变分同化试验

在MM5四维变分同化系统(MM5 4D-Var)的基础上开发出雷达径向风资料的同化模块,利用改进后的同化系统对2002年7月22日湖北宜昌多普勒雷达的径向风观测资料进行四维变分同化试验,分析雷达径向风资料的同化对中尺度数值模式初始场的调整以及对中尺度强降水模拟的影响.研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了中尺度对流系统低层100km左右范围内的风场辐合.调整后的风场具有更明显的β中尺度特征.利用14 min的雷达径向风资料可以改进3 h之内的强降水模拟,尤其是对雷达站东南侧强降水的模拟.     

雷达径向风速同化对台风麦莎模拟的影响

本文应用WRF-3DVAR系统同化多普勒雷达径向风速资料,并利用WRF模式对台风麦莎（2005年8月6日00时至7日00时）进行数值模拟,以此检验多普勒雷达径向风速资料在改进模式初始场及提高台风路径和降水预报准确度等方面的应用效果及意义,探讨不同同化时间间隔对同化效果的影响。通过对比同化试验和控制试验发现：雷达径向风速资料能通过调整初始风场结构,改进对台风结构的模拟,从而提高模式对台风麦莎的路径、强度和降水的模拟能力;雷达资料信号在进入模式后有一定的时效性,在一定程度上缩小同化时间间隔有助于提高同化效果。     

变分同化方法在Lorenz系统中的简单应用研究

利用Lorenz模式作变分同化数值试验，通过对一个简单系统的讨论，介绍四维变分同化方法。对初值敏感性和观测点的个数及观测值作了对比试验，发现随着模式对初值敏感性的增加，同化效果会越来越差；观测点越少，观测值误差越大，这些都会影响同化效果，甚至导致同化失败。     

对于一次川渝暴雨的ATOVS资料同化数值模拟

利用我国全球中期数值预报业务模式T213L31及其三维变分同化系统SSI,对全球NO—AAl6、17的ATOVS资料进行了同化试验。对2007年7月16-18日发生在川渝地区的一次暴雨过程进行数值模拟研究,对比分析了仅同化常规资料与加入卫星资料后的同化结果及模拟结果。试验表明：T213L31模式加入同化AMSU资料后,可以改善降水预报,尤其是降水强度。通过连续滚动同化卫星资料,模式对于大尺度环境场改进明显,模拟效果更加接近实况。AMSU资料的使用可以改进温度场、湿度场以及风场,对于降水落区的预报有很好的指示意义。同化AMSU资料虽然一定程度上增加了降水区的湿度,但是该区域为一个稳定维持的低湿中心占据,是造成降水落区出现偏差的原因。     

几种台风初始化方法及其对比实验

利用中尺度MM5V3模式及其伴随系统，运用四维变分同化方法，将Bogus台风作为观测资料进而优化台风初始场，对0422号台风个例进行了数值模拟和试验，并与传统Bogus方法和Nudging方法进行比较。结果表明，经过BDA方案优化的台风初始场更加接近实际台风的结构，有效地提高了台风路径和强度预报的准确率。