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。     

GRAPES_GFS全球中期预报系统的研发和业务化

该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程,重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展,概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务:化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减（damping）算法、提高模式分辨率等,改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案,以及物理过程的调用计算等,全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面,研发了模式空间三维变分（3DVar）系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时,对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估,总体来说,该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0,与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势,降水、2 m温度等预报也优势明显。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

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。     

MM5数值预报引入GRAPES三维变分同化技术在上海地区的预报和检验

该文简要介绍GRAPES三维变分同化技术在MM5数值预报中的应用;利用2003年3月至2003年5月华东地区138个台站实况资料与其预报结果,评价了该模式系统对华东地区降水的预报结果,分析了三维变分同化对MM5数值预报结果的可能影响。结果表明,GRAPES三维变分同化方案是比较合理的,同化后模式对华东大部分地区的降水24 h预报比没有使用同化的总体情况要好;同样,同化后模式对华东大部分地区的晴雨预报准确率较高。     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

模式误差动力特征：模式参数误差和物理过程描绘缺失误差

模式变最初始场误差和模式误差都是制约数值天气预报准确性提高的重要因素,传统数值预报和变分同化均忽略模式误差的影响.随着研究的深入,关于模式误差对数值预报影响的研究显得尤为重要.本文从非线性动力方程出发,推导出在模式存在参数误差和物理过程描绘缺失误差情况下的模式预报误差演变方程及短时间内误差平方均值近似表达式,并利用Li...     

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.     

利用ARGO资料改进海洋资料同化和海洋模式中的物理过程

国际ARGO计划的实施每年将可提供多达 10万个剖面 (0～ 2 0 0 0m水深 )的海水温度和盐度资料 ,这些资料的获取无疑将会大大促进海洋和大气科学的发展 ,使人们加深对海洋过程的了解 ,揭示海 气相互作用的机理 ,为长期天气预报和短期气候预测提供模式初始场 ,提高长期天气预报和短期气候预测的能力。如何利用这些资料开展研究工作以及在实际业务中应用这些资料是目前大气和海洋科学界的一个前沿课题。本研究将ARGO浮标资料引入了国家气候中心的NCC GODAS同化系统 ,结果分析表明 ,同化ARGO资料后所得到的海温场在三大洋中不仅在温度数值的大小 ,而且在分布形式方面都与观测场具有较好的一致性 ,可以很好地反映出观测到的冬季和夏季海温的分布形式以及海温的季节变化特征和异常特征。本研究还应用最新的ARGO海洋观测资料 ,通过建立新的热带西太平洋次表层海温参数化方案 ,改进了Zebiak Cane(1987)海洋模式 (ZC模式 ) ,克服了ZC模式几乎没有模拟赤道西太平洋表层和次表层海温变化能力的缺陷。在ZC模式中引用新的次表层海温参数化方案后 ,在赤道西太平洋不仅次表层海温的模拟得到了改善 ,对海面温度异常的模拟也有了较大的改进 ,不仅模拟出了赤道西太平洋表层和次表层海温异常的年际变化特征 ,也模拟出了与观     

中央气象台全球中期数值预报业务系统的发展

回顾中央气象台全球中期数值天气预报业务系统的发展历程,重点回顾和综述中央气象台建立全球预报业务以来的科学技术进步,概括了引进的谱模式系列在本地化、业务应用及发展过程中取得的成就,着重介绍在自主发展GRAPES_GFS全球中期预报系统的不同阶段取得的科技成果。     

GRAPES_MESO V3.3模式强天气预报性能的初步检验

本文针对2013年6月升级后的GRAPES_MESO V3.3模式预报产品进行了天气学检验。检验结果表明:模式能够较好地反映强对流过程发生发展的水汽、稳定度和垂直风切变等物理条件,8-10月期间,预报准确率随着季节的转换而有所不同,对于达到一定阈值条件的部分物理参数预报效果较好,对业务具有较好的参考价值。模式对于强降水以及华北雷暴大风和冰雹等强天气过程具有一定的预报能力,特别是高时空分辨率的产品能够在一定程度上较好地描述过程的发生发展,但对于极端强降水、受地形影响的强降水等,预报能力有限。     

FY-2E卫星和探空湿度资料的对比分析

利用2011年和2012年四川盆地和川西高原以及西藏的17个站点,地面探空和FY-2E星的相对湿度资料,对不同气压层的相对湿度进行对比分析,结果表明:卫星探测的湿度普遍小于探空的湿度,且二者相对湿度的差值有随气压层高度的变化呈现抛物线变化趋势;两种资料的相关系数在0.03~0.60之间变化;两种资料的平均相关系数在低层小于高层,300、400hPa和500hPa层的平均相关系数明显高于700、850hPa和925hPa层;两种资料相对湿度的平均相关系数和台站的海拔高度呈三次方的关系;高气压层的日平均相关系数大于低气压层的日平均相关系数。     

GRAPES全球三维变分同化业务系统性能

近年来,GRAPES全球三维变分同化系统分析性能和稳定性有了长足进步。该文简要介绍了近两年GRAPES全球:三维变分同化技术的发展与改进情况,包括同化框架技术、资料同化应用技术与系统稳定性等方面。分析诊断了两年的同化循环试验结果,以探空资料作为参考,对ERA-Interim再分析场、NCEP FNL分析场和GRAPES全球三维变分分析场的统计特征进行了比较;以ERA-Interim再分析场作为参考,对NCEP FNL分析场、T639分析场和GRAPES全球三维变分分析场进行比较。结果表明:GRAPES分析场的质量明显优于T639分析场,性能上达到了业务化的要求,但相比NCEP FNL分析场还有一定差距,特别是对流层内湿度分析场的误差还比较大。     

大气环流模式IAP AGCM4.0对东亚高空副热带西风急流的模拟及偏差原因分析

基于中国科学院大气物理所大气环流模式IAP AGCM4.0总共30年(1979~2008年)的AMIP(大气环流模式比较计划)数值模拟试验结果,评估了模式对东亚高空副热带西风急流的模拟能力,分析了模式模拟偏差的可能原因,以及不同对流参数化方案对模拟结果的影响。结果表明,IAP AGCM4.0可以较好地模拟出东亚高空副热带西风急流冬季和夏季的空间结构及其季节变化特征;与JRA-25再分析资料相比,模式模拟的急流强度总体偏弱;就急流位置而言,模式模拟的急流位置冬季略偏南,夏季则相对偏北;模式可以较好地模拟出夏季西风急流的季节内演变特征,包括夏季西风急流位置逐月北跳的特征,只是模式模拟的逐月西风急流位置仍偏北。夏季200 h Pa纬向风EOF分解结果表明,模式模拟和再分析资料的EOF第一模态空间型态较为接近,均反映了西风急流的年际变化特征,但两者的时间系数相关较小,表明模式对西风急流南北位置年际变化的模拟偏差较大。针对模式模拟的地表感热通量及对流层中上层经向温度差(MTD)的分析结果表明,模式对阿拉伯半岛东南部、阿拉伯海西北部及印度北部的地表感热通量的模拟存在偏差,影响到对流层中高层温度场、高度场的模拟,使得IAP AGCM4.0模拟的MTD强度较再分析资料相对偏弱,MTD变化最大的区域位置相对偏北,且模式模拟的MTD年际变化与再分析资料相比也有较大偏差,从而造成模式对西风急流模拟的偏差。此外,不同积云对流参数化方案也可影响对流层中上层经向温度差的模拟,进而影响模式对东亚高空副热带西风急流的模拟。     

北京首都国际机场冻雨过程的模拟及其产生的可能机制

为了探讨北京首都国际机场冻雨过程产生的可能机制,利用NCEP再分析资料、风云2号E星（FY-2E）的云顶亮温（Black Body Temperature,TBB）逐小时资料及风云3号A星（FY-3A）反演的云顶高度日平均资料做为检验依据,使用美国非静力中尺度模式（Weather Research and Forecasting,WRF）对2013年1月31日发生在首都机场附近地区的一次冻雨过程进行模拟,得出以下结论:1）模拟结果中的云顶温度与FY-2E的TBB逐小时资料对应较好:此次冻雨过程,整个降水云系云顶温度在0~-6℃之间,模拟结果水成物的垂直分布也得到了较好的印证;通过FY-3A反演的云顶高度日平均资料的检验,证明此次冻雨过程的云高基本维持在3 km左右,而且云微物理固态项的含量少。2）云顶温度、云顶高度实况与模式模拟表明此次过程是一次典型的暖雨机制冻雨,这说明产生北方冻雨的可能机制并不单一,冰相机制与暖雨机制可以同时存在。     

地面气象年报数据质量控制辅助软件的设计与应用

通过对现行审核软件在年报数据质量控制方面存在不足的分析,找出解决问题的方法．并通过开发相关的辅助软件来实现,该软件已在实际业务使用,有效提高地面气象年报数据的质量。     

典型气象年生成方法及原始气象数据质量分析

准确分析建筑热环境性能及其能耗需要代表当地平均气候状况的逐时典型气象年数据。根据我国现有的4次定时气象数据,选取建筑气候标准(GB50178-93)的7个气候区的代表城市,运用美国Sandia典型气象年方法,产生了代表城市的建筑能耗模拟分析用标准气象年数据。着重论述了针对原始气象数据的缺测情况,在生成典型气象年时的数据处理过程和质量控制原则,为建立和完善我国建筑节能用标准气象数据库提供了前期的理论分析基础。     

自动站温度、雨量数据的质量控制方法和应用研究

针对南宁市自动站布设的特点,结合多年来在自动站温度、雨量监测和数据传输所遇到的问题,分析了影响自动站数据质量的原因;在总结以往自动站数据质量控制方面的成功经验和借鉴近年的研究成果的基础上,提出了利用统计检验、极值检验,时间一致性、空间一致性和内部一致性检验等对南宁市自动站温度、雨量数据的质量进行控制方法,为防灾减灾天气预报和气象服务提供及时、准确的自动站资料.     

拉曼雷达重叠函数的模拟与校准

重叠函数的校准对地基激光雷达低空大气探测的准确性至关重要。目前被广泛用于校准拉曼激光雷达重叠函数的双通道实验标定法,需要满足弹性散射通道与氮气拉曼散射通道的重叠函数近似相等的前置条件。但实际仪器光路往往会偏离理想状态,使得该前置条件无法得到满足,导致校准失败。本文使用光线追踪法模拟重叠函数,计算了各种光路失调情况下弹性散射通道与氮气拉曼散射通道的比值,并引入了一种镜头遮蔽实验来评估双通道实验标定法的前置条件是否得到满足。数值模拟结果表明,当雷达接收面的不同象限被遮蔽时,如果弹性散射通道与氮气通道的信号强度比值基本保持不变,则满足前置条件;如果弹性散射通道与氮气通道的信号强度比值有显著差异,则可判定仪器光学系统失调,需要调整直至满足上述前置条件时才能使用双通道实验标定法标定。利用该方法对南京市气象局安装的拉曼激光雷达进行了光路测评和调整,并与CCD(charge-coupled device)侧向成像激光雷达观测信号做对比,结果显示调整后的定标效果更好。     

地面气象观测数据实时传输及质量控制程序实现

通过VB编程,研制了自动气象站地面气象观测数据实时传输及质量控制系统,替代了通信组网接口软件。不仅解决了备份拨号不通时,通信软件终止的问题,而且能对实时观测要素进行审核。文件未传输及数据异常时,通过Modem拨叫设定的移动电话报警,及时提醒值班人员进行处置。并与通信组网接口软件兼容,第6分钟还有文件未传输时,也可自启动通信组网接口软件。该软件最大限度地减少了自动站观测数据的缺测、异常情况,提高了资料的传输及时率。