飞行器状态观测误差对运行轨迹预报精度影响

飞行器状态观测误差大小直接决定了其运行轨迹预报精度。根据飞行器运行状态方程,分析了不同量级初始状态观测误差对飞行器运行轨迹解算影响。通过仿真试验评估了飞行器状态观测误差造成的影响,结论表明:飞行器初始位置和速度误差越大,对运行轨迹解算精度影响越严重,呈现出线性变化趋势。因此,对飞行器进行测控时,应尽量减小飞行器初始状态观测误差,提高飞行器运行轨迹解算精度。     

数值天气预报的发展远景

一、引 言 自从35年以前做出最早的数值预报以来,数值天气预报取得了很大的进步。这些进步的取得,不仅是由于更好、更实用的模式,而且也由于在这个时期内,气象观测站的数量大 大增加。这些进步可以从许多方面看出来:例如,更准确的短期预报产品,实用的预报方法在时效上的小量延伸,以及预报种类的显著增加。 大气的可预报性是有限的。近期,Lorenz(1982),Leith(1981),Kalnay和Dalcher (1986)对全球预报误差的增长进行了研究。这些研究指出,可预报性取决于尺度;行星尺度比短期天气尺度的可预报性大。研究还指出,由于模式的改进,可使预报时限增加几天,初始误差的每一次减半又可使预报时限增加两天,因此,有用的预报技术的进一步发展,还是存在着很大潜力的。这种发展可能是逐步的,并且取决于以下几个方面的进展:     

数值天气预报的发展远景(摘要)

一、引 言 自从35年以前做出最早的数值预报以来,数值天气预报取得了很大进步。这些进步的取得,不仅是由于有更好,更实用的模式,而且也由于在这个时期内,气象观测站的数量大大增加,这些进步可以从许多方面看出来;例如,更准确的短期预报产品,实用的预报方法在时效上的大量延伸,以及预报种类的显著增加。 大气的可预报性是有限的。近期,Lorenz(1982),Leith(1981),Katnay和Dalche1986)对全球预报误差的增长进行了研究。这些研究指出,可预报性取决于尺度;行星尺度比短期天气尺度的可预报性大。研究还指出,由于模式的改进,可使预报时限增加几天,初始误差的每一次减半又可使预报时限增加两天,因此,有用的预报技术的进一步发展,还是存在着很大潜力的。这种发展可能是逐步的,并且取决于以下几个方面的进展:     

国家海洋环境预报中心的业务客观分析系统——第三部分 系统的运行评价

国家海洋环境预报中心(MEFC)的客观分析系统,自1989年1月投入业务运行,已连续两年,成功地为大气、海浪、海温、海冰及风暴潮等大气海洋数值预报模式提供了有效的初始气象场,由于客观分析产品已成为各专项预报模式的基础。因此,保证客观分析系统结构的合理性、功能的完备性、结果的精确性以及运行状态的稳定性就成为特别需要强调与重视的问题。本文准备对该系统产品的精确性做一些基本的统计检验,并希望能够通过这些统计分析,为该系统的进一步完善提供有价值的参考资料。 本文是基于1989年4月至1990年3月连续12个月的客观分析结果进行的。另外,利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)500hPa高度场的客观分析结果,我们对两套分析方案的分析误差做了比较。     

东海及外缘海域表层海水温度场的分析与预报

东海及外缘海域月平均表层海水温度场变化的持续性较好,正温度距平场最长可持续18个月,负温度距平场可持续14个月。能谱分析结果表明,由于该区受黑潮暖流系统的控制,存在明显的6、7年周期。 文中给出了几种以数理统计为基础的表层水温场预报方法,即单要素和多因子的经验正交场分解时间序列预报方法,对东海及外缘海域月平均表层海水温度场进行了连续6年(1978-1983)的实时预报,其效果比较稳定,预报误差较小,从1978～1983年的平均预报误差为0.53℃。     

数值天气预报模式初始化和动力平衡

原始方程线性模型允许两类波(罗斯贝波和重力波)的解,这两类波的振幅由初始条件确定。大尺度的罗斯贝波在结构和相速度方面类似于大气中观测到的瞬态波运动。而另一部分解大尺度的重力波所具有的频率超过了观测到的大尺度气流的频率一个多数量级。于是,象这样大尺度高频重力波在大气中不存在,或者至少它们具有非常小的振幅。另一方面,在大尺度气流的模式中,基于非线性方程,如果初始资料不满足风场和质量场之间的弱平衡,则大振幅高频振荡就建立起来了。象这样虚假的高频重力波振荡叫作气象噪音(Hinkelmann1951)。 用所建立的时间和(或)空间耗散模式,这些虚假高频振荡在一定周期的时间之后就消亡了。其长度取决于初始资料不准确的程度和取决于耗散的强度。在多数情况中,阻尼周期的长度或许小于24小时,至少对于较高频是如此,在这期间,振荡损害了质量场,特别是散度场的计算,从而损害了垂直运动和降雨量的计算。     

一种新的模式倾向误差估计算法及其在ENSO模拟中的应用

气候模式是我们理解、模拟和预报气候演变的重要工具。然而即使是目前最先进的耦合模式,其模拟和预报与大气/海洋的真实状态相比,仍存在较大偏差,这是由于在模式的倾向方程中不可避免地存在系统性的误差(倾向误差)。因此,减小模式倾向误差对改进模式的模拟和预报效果具有重要意义。该研究首先发展了一种新的计算模式倾向误差的估计算法——基于局地集合变换卡尔曼滤波器(local ensemble transform kalman filter, LETKF)同化技术的倾向误差估计算法。在此基础上,将新发展的算法应用到Zebiak-Cane (ZC)模式,通过同化海表面温度异常(sea surface temperature anomaly, SSTA)数据,估计随时空变化的倾向误差,并使用计算得到的倾向误差订正模式,进行积分模拟。结果表明: (1)倾向误差和ZC模式的模拟偏差具有高度相关性; (2)订正后的模式改善了对厄尔尼诺-南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)的一些重要特征的模拟。这说明新发展的模式倾向误差估计算法十分有效且在ENSO模拟中具有较好的应用价值,此外,这种新的模式倾向误差估计算法,计算高效简便,可便捷地应用于各模式中,利于推广。     

地球流体中有限振幅波解的一般形式

从地球流体中非线性波动所的方程经行波变换所得的平面自治动力系统出发，利用微分方程几何理论，揭示了地球流体中几种非线性波动均具有周期解，而不存在孤波解的普遍性质，采用在平面自治系统的平衡点附近作Ｔａｙｌｏｒ展开方法，论述了分式简谐函数是有限振幅波解的一般形式的结论。     

渤海湾水位、流场的一个数值预报模式

本文利用普林斯顿海洋模式(POM),建立了渤、黄海风增水预报模式和渤海湾水位海流预报模式;利用正交曲线网格提高重点区域的分辨率;采用美国海洋大气局(NOAA)全球预报风场和气压场作为模式表面强迫场,将计算域边界上的天文潮预报值与风增水模式预报的余水位相叠加构建模式的边界条件,在正压条件下,模拟了渤海湾2002年的水位流场过程。结果表明,模式能够较好地再现计算域内天文潮和综合水位的预报,域内10个潮位站模式与实测分析的m1和M2分潮的振幅与迟角差均不超过5.1cm和6.3°,15个潮流站模式与实测分析的m1和M2分潮流的振幅与迟角差均不超过7.5cm/s和15.8°,模式预报的水位值与塘沽站实测值非常接近,预报精度较单纯的天文潮预报有明显提高。     

东亚夏季风降雨的可预报性研究

本文根据CMAP(The Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation)观测资料,使用相关系数和均方根误差,对CHFP2(Coupled Historical Forecast Project, phase 2 )的2个模式对东亚夏季降雨的季节预报技巧作出评价。在完美模式的理论框架下,分别使用基于信噪比的潜在相关系数和基于信息熵的潜在可预报性指标,对该区域主要针对夏季降雨的可预报性作出评价。通过最可预报分量分析(PrCA),得到季节降雨的最可预报型。将最可预报型投影到海温场,得到了降水最可预报型对应的海温分布。研究发现:相关系数所反映的预报和观测的线性相关程度总体上是低纬度海洋区域比高纬度陆地区域高,而均方根误差反映的则是在海洋区域降雨预报偏离实际值的程度较陆地区域大,预报水平与目前降雨的季节预报水平相符。潜在可预报性估计表明,潜在可预报率存在空间上的变化,从低纬度向高纬度、从海洋到内陆,呈衰减趋势。同时,信号和噪音的分析表明,信号成分占主导作用,形成了潜在可预报率的空间分布格局,暗示了海洋外强迫的重要作用;中国大陆缺少像海洋区域那样明显的外强迫,因此降水季节预报技巧相比热带海洋区域非常有限。海温投影的分析表明海洋的外强迫是东亚降雨季节预报的重要来源。尽管厄尔尼诺本身的复杂性,它对东亚夏季风的重要影响及其与东亚降雨预报之间的遥相关揭示了它们内在的联系。     

局地凝结加热对大气赤道波动稳定性的影响(英文)

利用β平面上大气斜压强迫模式,探讨了局地海表温度异常所造成的非绝热加热影响的赤道小振幅“拦截波”的稳定性。指出当加热函数是半余弦形式时,在加热区大气的反应是局地性的,但这个加热函数的小扰动能产生非局地性的大尺度反应。平均海表温度降低了赤道波动的稳定性。当稍超过临界值时,小尺度海表温度异常有可能使波动不稳定。     

基于数值模拟的强潮海湾潮汐预报模型精度分析：以三门湾为例

全球潮汐预报模型在深水大洋具有较高的精度, 但在近岸强潮海区由于地形岸线、模型分辨率等原因精度不一, 难以直接应用。三门湾海域多年平均潮差4 m, 最大潮差可达7 m,是典型的强潮海湾, 为了评估TPXO9.0、TPXO9.0-atlas TOPEX/POSEIDON TIDES）、NAO.99b（National Astronomical Observatory of Japan）与GTM（Global Tide Model） 4 种预报模型在三门湾海域的预报精度, 本文分别通过上述4 个潮汐预报模型提取水动力数学模型开边界进行对比,并利用提取的开边界潮位对二维水动力模型进行驱动。通过计算分析潮位站实测数据与数值模拟结果的误差, 研究4 种预报模型模拟的三门湾潮汐变化得出, NAO.99b 模型在三门湾海域整体预报精度最佳, 分潮振幅、迟角和实测数据误差最小, TPXO9.0-atlas 分潮振幅模拟较好, 但迟角误差较大。对湾内四大分潮进行潮汐调和分析发现, 三门湾海域以半日潮为主, M2、S2 和K1分潮振幅由湾顶向湾口递减, O1分潮相反。     

CMIP5气候模式对北半球夏季阻塞的评估

利用美国国家环境预报中心和美国大气科学研究中心(NCEP/NCAR)的逐日再分析资料,评估了耦合模式比较计划第五阶段(The fifth Phase of the Coupled Model Intercomparison Project,简称CMIP5)17个气候模式对于20世纪北半球夏季气候态阻塞频数和振幅的模拟能力,从线性趋势和年际变化2方面评估了欧亚3个关键区(欧洲区、乌拉尔山区和鄂霍次克海区)夏季阻塞频数的模拟能力。结果表明:(1)尽管模式对北半球夏季阻塞频数和振幅的模拟结果存在偏差,但大部分模式可以很好模拟出气候态特征,模式对频数的模拟结果略优于振幅;无论频数或者振幅,CanESM2均为17个气候模式中模拟效果最好的,CMCC-CESM和MIROC-ESM为模拟效果最差的,多模式集成的结果优于大部分单一模式。(2)大多数模式可以较好的模拟出欧亚3个关键区夏季平均阻塞频数和标准差,但对阻塞频数线性趋势和年际变化特征的模拟能力有限。     

福建省沿海冬半年东北大风的数值预报释用方法研究

基于福建省冬半年沿海32个自动站的极大风观测资料和WRF、EC细网格以及T639 3种模式预报的10 m风场资料,将模式预报的风速与观测资料进行对比分析,结果表明:WRF和EC细网格的预报效果较好,有可参考性,T639可参考性不高。模式预报结果相比实况极大风速偏小,预报平均绝对误差由沿海向内陆逐渐减小,由中部向南北逐渐减小。择取预报效果较好的WRF和EC细网格模式,对沿海代表站点进行风速集成,建立集成预报方程,并进行集成订正。误差订正后,与误差较小的WRF模式相比,预报准确率提高了10%左右,改善效果显著,为提高福建省沿海冬半年东北大风的预报准确率提供定量的预报方法。     

初始误差对双环流变异可预报性的影响

使用球坐标下1.5 层约化重力浅水模式模拟海洋风生双环流, 结果显示双环流射流存在拉伸模态和收缩模态间的年际变化。以双环流从拉伸模态向收缩模态的转变过程为背景场, 利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法, 考察初始误差对双环流变异可预报性的影响, 得到两类初始误差: 全局CNOP型和局部CNOP(LCNOP)型, 两类初始误差对双环流变异的影响几乎相反。通过考察误差发展, 发现在射流从拉伸模态向收缩模态转变过程中, CNOP 型初始误差使射流弯曲程度变大, 并在预报时刻导致涡脱落; 而LCNOP 型初始误差则使射流弯曲程度变小。相比LCNOP, CNOP 型初始误差引起更大预报误差, 导致双环流变异的预报技巧下降更多。两类误差得到较大发展的区域可能存在正压不稳定, 使误差能够不断从背景场吸收能量进而得到快速发展。给出了两类使双环流变异预报技巧下降最大的初始误差, 在实际的数值预报中减少这两种类型的误差, 将有助于提高双环流变异的预报技巧。     

潮汐分析和预报的准调和分潮方法 Ⅰ.准调和分潮

潮汐的调和分析和预报方法,一般是准确可靠的。但是由于调和分潮的数目非常多,使用起来有时有着许多不便之处。为了能够由一次或几次周日观测计算出调和常数和为了能够使航海人员迅速地由调和常数推算出即时的潮汐情况,Doodson建议将众多的潮汐分潮合并为O1、K1、M2和S2四个分潮。合并所得分潮的振幅和角速率不再是常数,亦即分潮不再是调和的,我们称之为“准调和分潮”。严格地说,Darwin引进的分潮也不是调和的,但是由于其交点系数f和天文相角中与交点有关的订正量u在一个很长的期间(例如一年)之内可视为不变,我们将仍按一般习惯,称之为“调和分潮”。至于Doodson得出的严格的调和分潮,可以叫做“纯调和分潮”。Doodson给出的计算准调和分潮的振幅系数B C和迟角订正b+c的公式是相当粗略的,误差主要来自两个方面。一个是,如他已经指出的,用月亮中天时刻表示黄经,另一个是没有考虑视差潮令。本文将给出计算准调和分潮的振幅系数和迟角订正的更准确的公式,同时引进了浅水准调和分潮。由于准调和分潮的个数很少,将给某些情况下的潮汐的分析和预报带来好处,同时使实际的潮汐表现和它的调和常数之间的联系获得更加清晰的图景。     

西南黄海M2分潮的数值模拟

本文采用普林斯顿大学海洋模式(POM)结合中国海军司令部发布的海图地形资料, 对西南黄海M2分潮进行了三维数值模拟。利用近岸4个验潮站水位资料和一组2008年夏季鲁南海槽中30m水深处潜标测流资料, 对模拟的潮汐和潮流结果进行了对比。模式模拟的M2分潮振幅与青岛、石臼所和吕泗这三个验潮站的实测资料符合良好; 但与连云港验潮站的实测振幅相比, 模拟振幅明显偏小, 推断主要原因是连云港港口实际水深值与海图地形中的水深值相差较大, 造成模拟结果的偏差。模拟的潮流结果与潜标测流资料在上层和中层较接近, 模拟的近底层潮流结构与实测资料相比存在较大偏差, 推断是由于模式的垂直混合系数误差造成的。使用该模式研究了西南黄海M2分潮对模式地形的敏感性, 发现采用海图地形数据和ETOPO5地形数据所模拟的西南黄海潮汐和潮流有显著不同。使用较平滑的ETOPO5地形数据所模拟的结果中, 西南黄海近岸海区M2分潮振幅偏小、相位偏大、潮流偏弱。研究表明, 鲁南海槽的存在增大了海州湾的潮汐振幅, 苏北浅滩对向南传播的潮波起到了阻挡作用。以上两个西南黄海近岸海区地形的重要特征在ETOPO5地形数据中没有被体现出来, 因此造成模拟误差。     

通过对重力波曳力的参数化来减小数值天气预报和大气环流模式中的系统性误差

一、引 言 由于地形性激发的中尺度重力波的中断,在加拿大气候中心大气环流谱模式中有时候采用了波的曳力效应的参数化。这一参数化的细节以及它在大气环流模式气候模拟中影响的讨论,可见Boer等人(1985)的工作。 最近,人们利用激发重力波次尺度地形的更好的描绘,来修改这一参数化方案。还有,使用Lindzen(1981)的波饱和概念来描述曳力效应。这一关于地形重力波曳力参数化的作法已在加拿大气候中心的大气环流谱模式中广泛试验,在加拿大气象中心的业务的谱数值预报模式中也正在普遍进行试验。本文的目的所在于概述在这些模式中正在普遍使用的波的曳力方案,并且证明这一方案在消除中期预报和大气环流模拟的系统性误差方面的用处。     

不依赖天气预报具有一定预报时效的风暴潮预报

本文试图从大气运动方程出发,提出一种极坐标形式的风暴潮定解问题,并用作者以前导出的一种风场公式,求解风暴潮高。然后用相关统计方法确定风暴潮预报式的系数,以期寻找一种不依赖天气预报又具有一定预报时效的风暴潮预报方法。     

城市空气质量数值预报的不确定性与可预报性

主要综述了数据误差、随机误差和模式物理误差所造成的城市空气质量数值预报的不确定性,简要介绍分析预报不确定性的统计方法。并对由内在随机性和外在误差引起的可预报性问题进行了分析讨论