资料同化对2017年登陆广东沿海台风的短期降水与路径预报影响

利用华南精细数值天气预报模式,设计了无同化资料(CTRL)、同化雷达反演水汽(EXP1)以及同化雷达反演水汽、地面和探空资料(EXP2)三个试验,对2017年登陆广东沿海的四个台风降水预报与路径预报进行模拟,以评估资料同化对登陆台风短期降水预报、路径预报的影响。分析结果如下:雷达反演水汽同化后对未来24小时降水预报技巧均有正的改善,对台风路径预报影响不大;在此基础上同化地面、探空资料后对台风路径预报有改进,对降水预报改进不明显(与EXP1比)。通过诊断分析台风“玛娃”,发现模式初值场水汽的增量配合对流上升区有利于短时间内成云致雨,从而提高短时降水预报;地面及探空资料同化有利于登陆台风的短时路径预报。      

云迹风在热带气旋路径数值预报中的应用研究

通过一系列四维变分同化试验对GMS5卫星资料反演的云迹风资料在西北太平洋热带气旋的初始化及路径数值预报中的作用进行研究,同化资料为中国国家卫星气象中心提供的GMS5水汽和红外云迹风资料,其中70%在400hPa以上,50%集中在200～300hPa。应用美国NCAR/PSU中尺度模式MM5及其四维变分同化系统,同化窗口为6h,对初始时刻和6h后的云迹风进行同化。同化前对云迹风资料进行了简单的类似ECMWF初值检验方法的质量控制。对2002年8个西北太平洋热带气旋共进行了22组试验。结果表明,采用四维变分同化技术同化云迹风对热带气旋路径预报有一定改善,12,24,36和48h预报的平均距离误差分别降低5%,12%,10%和7%,但同化云迹风的作用与初始气旋强度有关。选择初始中心海平面气压960hPa作为强、弱气旋的分类标准,则11个较强气旋平均路径误差12h减小了13%,12h以后的预报误差减小率维持在20%以上。而对于11个较弱气旋,平均路径误差反而略有增加,说明同化云迹风资料对不同初始强度的气旋作用也有所不同。其主要原因是由于强度较强的热带气旋往往具有较为深厚的垂直结构,因此受高层大气流场的影响更明显;同时,较弱热带气旋的云迹风观测相对稀少且凌乱,并且更容易受环境气流的影响,因此对于较弱的热带气旋,当模式变量与模式或变量之间在同化后不够协调的话,就会产生负效应。     

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     

云迹风资料的三维变分同化及对台风预报的影响试验

主要研究云迹风资料对三维变分同化分析场及台风预报的影响。首先分析了不同通道和层次的静止气象卫星云迹风产品的误差特征；然后，把云迹风资料放到GRAPES三维变分同化系统中进行同化，通过将不同观测类型资料的同化结果进行对比，探讨了红外通道和水汽通道云迹风资料对数值预报分析场的影响；最后，把同化后的分析场作为初始场，用WRF模式对2002年“森拉克”台风做24小时预报实验。结果表明，不同通道和层次的云迹风资料具有不同的误差特征；云迹风资料可以提高分析场和预报场中风压场的质量；而且在台风预报试验中可以更准确地预报台风的路径和降水。     

BDA方案在台风路径预报中的应用

利用PSU／NCAR中尺度非静力有限区域MM5及其伴随模式,以T106分析资料为背景场,设计两种台风Bogus方案对台风的初始场进行优化,并进行了数值模拟试验。对9608号台风个例的数值模拟试验研究表明,经过优化的台风初始场较好地改进了由于海洋上资料缺乏所造成的台风中心位置不准、台风环流偏弱和台风内部结构不完整等问题,提高了台风路径预报的准确率。通过试验对比发现,BDA方案优化的初始场更合理,其台风路径预报效果优于GFDL方案。     

四维变分同化方法在暴雨预报中的应用

本文利用PSU/NCAR的MM5数值预报模式及其伴随模式,以我国1999年6月23日~6月24日的一次梅雨锋暴雨过程为个例,作了两组试验:控制试验和同化试验,并对两组试验的降水预报效果以及初始场进行对比分析,结果表明:四维变分资料同化方法可以将各种不同类型、不同时次的观测资料同化到模式中,将这些资料中有用的中尺度信息引入到模式初始场,有效改善初始场,从而提高暴雨预报水平。     

IMPROVEMENT OF OCEAN DATA ASSIMILATION SYSTEM AND CLIMATE PREDICTION BY ASSIMILATING ARGO DATA

The Argo(Array for Real-time Geostrophic Oceanography) data from 1998 to 2003 were used in the Beijing Climate Center-Global Ocean Data Assimilation System(BCC-GODAS). The results show that the utilization of Argo global ocean data in BCC-GODAS brings about remarkable improvements in assimilation effects. The assimilated sea surface temperature(SST) of BCC-GODAS can well represent the climatological states of observational data. Comparison experiments based on a global coupled atmosphere-ocean general circulation model(AOCGM) were conducted for exploring the roles of ocean data assimilation system with or without Argo data in improving the climate predictability of rainfall in boreal summer. Firstly, the global ocean data assimilation system BCC-GODAS was used to obtain ocean assimilation data under the conditions with or without Argo data. Then, the global coupled atmosphere-ocean general circulation model(AOCGM) was utilized to do hindcast experiments with the two sets of the assimilation data as initial oceanic fields. The simulated results demonstrate that the seasonal predictability of rainfall in boreal summer, particularly in China, increases greatly when initial oceanic conditions with Argo data are utilized. The distribution of summer rainfall in China hindcast by the AOGCM under the condition when Argo data are used is more in accordance with observation than that when no Agro data are used. The area of positive correlation between hindcast and observation enlarges and the hindcast skill of rainfall over China in summer improves significantly when Argo data are used.     

A STUDY ON SATELLITE DATA ASSIMILATION WITH DIFFERENT ATOVS IN TYPHOON NUMERICAL EXPERIMENTS

Based on the newly developed Weather Research and Forecasting model(WRF)and its three-dimensional variational data assimilation(3DVAR)system,this study constructed twelve experiments to explore the impact of direct assimilation of different ATOVS radiance on the intensity and track simulation of super-typhoon Fanapi(2010)using a data assimilation cycle method.The result indicates that the assimilation of ATOVS radiance could improve typhoon intensity effectively.The average bias of the central sea level pressure(CSLP)drops to 18 hPa,compared to 42 hPa in the experiment without data assimilation.However,the influence due to different radiance data is not significant,which is less than 6hPa on average,implying limited improvement from sole assimilation of ATOVS radiance.The track issue is studied in the following steps.First,the radiance from the same sensor of different satellites could produce different effect.For the AMSU-A,NOAA-15 and NOAA-18,they produce equivalent improvement,whereas NOAA-16 produces slightly poor effect.And for the AMSU-B,NOAA-15 and NOAA-16,they produce equivalent and more positive effect than that provided by the AMSU-A.Second,the assimilation radiance from different sensors of the identical satellites could also produce different effect.The assimilation of AMSU-B produces the largest improvement,while the ameliorating effect of HIRS/3assimilation is inferior to that of AMSU-B assimilation,while the AMSU-A assimilation exhibits the poorest improvement.Moreover,the simultaneous assimilation of different radiance could not produce further improvement.Finally,the experiments of simultaneous assimilation radiance from multiple satellites indicate that such assimilation may lead to negative effect due to accumulative bias when adding various radiance data into the data assimilation system.Thus the assimilation of ATOVS radiance from a single satellite may perform better than that from two or three satellites.     

COSMIC资料在GRAPES全球三维变分同化系统的初步研究

利用COSMIC获得的GPS无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料,在GRAPES全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验,研究了加入COSMIC资料后得到的GRAPES分析场及其5天中期预报是否有所改善。研究结果表明：通过加入COSMIC资料连续循环同化得到的分析场,相对原来没有加COSMIC资料连续同化出来的GRAPES分析场有明显改善,由此GRAPES全球模式全球5天中期预报水平有明显提高,其中加入没有稀疏化后COSMIC资料对南半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都比较显著;加入稀疏化后的COSMIC资料对北半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都有比较显著的效果。     

扩展水凝物控制变量的雷达资料同化对台风“天鸽”数值模拟的影响

利用WRF(Weather Research and Forecast)模式及WRFDA(WRF model data assimilation system)系统,针对2017年台风“天鸽”个例通过同化雷达径向速度(Vr)和反射率因子(RF),研究水凝物控制变量的雷达资料同化对台风分析预报的影响。研究表明：雷达径向速度的直接同化有效地改进了模式初始场中台风涡旋区的中小尺度信息,分析场中产生了气旋性的风场增量,对模式背景场中的台风有显著增强作用。通过在传统控制变量中扩展针对水凝物的控制变量可有效地同化雷达反射率因子资料,对初始场的水物质进行调整,并对随后确定性预报的台风路径和强度都有一定的正效果。此外,相比没有水凝物控制变量的雷达同化试验,加入了水凝物控制变量的雷达资料同化试验降水预报效果更好。这为将我国近海的地基多普勒天气雷达用于台风初始化分析和预报提供了一定的技术支撑和保障。     

ANALYSIS OF THE EFFECT OF 3DVAR AND ENSRF DIRECT ASSIMILATION OF RADAR DATA ON THE FORECAST OF A HEAVY RAINFALL EVENT

The present study designs experiments on the direct assimilation of radial velocity and reflectivity data collected by an S-band Doppler weather radar (CINRAD WSR-98D) at the Hefei Station and the reanalysis data produced by the United States National Centers for Environmental Prediction using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the WRF model with a three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation system and the WRF model with an ensemble square root filter (EnSRF) data assimilation system. In addition, the present study analyzes a Meiyu front heavy rainfall process that occurred in the Yangtze -Huaihe River Basin from July 4 to July 5, 2003, through numerical simulation. The results show the following. (1) The assimilation of the radar radial velocity data can increase the perturbations in the low-altitude atmosphere over the heavy rainfall region, enhance the convective activities and reduce excessive simulated precipitation. (2) The 3DVAR assimilation method significantly adjusts the horizontal wind field. The assimilation of the reflectivity data improves the microphysical quantities and dynamic fields in the model. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can better adjust the wind fields and improve the intensity and location of the simulated radar echo bands. (3) The EnSRF assimilation method can assimilate more small-scale wind field information into the model. The assimilation of the reflectivity data alone can relatively accurately forecast the rainfall centers. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can improve the location of the simulated radar echo bands. (4) The use of the 3DVAR and EnSRF assimilation methods to assimilate the radar radial velocity and reflectivity data can improve the forecast of precipitation, rain-band areal coverage and the center location and intensity of precipitation.     

GSI同化系统的背景误差协方差特征及对预报的影响

在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵,并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验,确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明,采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著,同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上,采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果,并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。     

关于四维变分同化方法目标函数的权矩阵

本文运用概率统计理论讨论目标函数的权矩阵，证明了以误差协方差阵的逆为权矩阵的优越性，还证明了四维变分同化所得的初始场估计是渐近无偏的，同时又是渐近有效的。给出几种权矩阵模拟检验的结果，从而为选择合适权矩阵提供依据。     

GOES-16大气温度产品资料同化在一次飓风预报中的应用研究

为评价静止卫星大气温度廓线产品资料同化对飓风预报的影响,以2018年飓风"迈克尔"为例,选用GOES-16温度廓线产品,开展静止卫星资料同化及其对飓风预报影响的研究。首先,通过评估温度廓线产品精度,选取质量较好的高度层并以统计的各层均方根误差作为观测误差用于同化试验;然后,利用WRF-3DVar系统进行不同稀疏化及不同同化频次的循环同化敏感性试验;最后,利用WRF模式开展24 h数值预报。试验结果表明,在飓风"迈克尔"期间温度廓线在200～1 000 hPa之间的误差在2 K以内,将水平分辨率稀疏化为模式分辨率的6倍且循环同化频次为6 h时同化该资料对模式的初始场有最为合理的改进,从大尺度环境场上看使模式具备更合理的环流形势,能够有效提高对飓风的路径及强度的预报效果,更准确地模拟降水落区及美国佛罗里达州等降水关键区域的雨强。     

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。     

多源资料循环同化在台风“潭美”预报中的应用

为了检验不同观测资料在台风预报中的作用,以美国NCEP (National Centers for Environmental prediction)业务同化系统GSI (Grid Statistical Interpolation)为平台,选取2013年路径较复杂且登陆后降水持续较强的“潭美”台风过程为例,分别加入常规地面和高空观测资料、极轨卫星NOAA18、NOAA19、METOP-A和METOP-B资料,以及多普勒雷达基数据资料,探讨不同观测资料同化对台风的预报效果。同时,对台风采用Bogus初始化方案以及循环资料同化对台风路径和强度预报效果进行了对比分析。结果表明:常规观测资料对台风路径预报改善效果最明显,卫星资料的融入对海上台风路径的修正较好,而雷达资料则对台风登陆后的路径预报有改善;并且多源资料的融入效果最好。同时,采用Bogus方案可有效调整初始台风的位置和强度,从而对后期台风路径和强度预报有正效应。采用间隔6 h资料循环同化方法,可有效利用各时段资料,对台风路径和强度预报有较好的改善。      

ATOVS 不同卫星资料在台风模拟中的同化试验研究

利用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的中尺度模式WRF(ARW)V3.2 及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,以1011 号超强台风“ 凡亚比” 为个例,采用连续循环同化的方法对ATOVS 卫星资料进行同化试验,探讨了同化ATOVS 不同卫星资料对“ 凡亚比” 模拟的影响。结果表明,强度影响方面:同化ATOVS不同资料均可有效改善台风强度,台风中心海平面气压平均偏差从42 hPa 下降到18 hPa,但不同资料间的差异并不显著,平均在6 hPa 以内,这表明仅同化ATOVS 资料对台风强度的改善相对有限。路径影响方面:(1)不同卫星的同一种传感器资料效果略有不同,同化NOAA-18 和NOAA-15 的AMSU-A 资料效果较好,NOAA-16 的AMSU-A 效果较差;同化NOAA-15 和NOAA-16 的AMSU-B 资料效果相当,且均优于AMSU-A 资料。(2) 同一颗卫星不同传感器资料的差异较大,同化AMSU-B 资料的改善较为明显,HIRS-3 次之,AMSU-A较差,而同时同化不同资料并没有带来更为明显的改善。(3) 同时同化多颗卫星ATOVS 资料的试验表明,将多种资料引入到同化系统的同时,也带来相应的累积误差,因而仅同化一颗卫星可能比同时同化两颗或三颗卫星ATOVS 资料的效果要好。      

VARIATIONAL DATA ASSIMILATION USING WAVELET BACKGROUND ERROR COVARIANCE: INITIALIZATION OF TYPHOON KAEMI (2006)

Background error covariance plays an important role in any variational data assimilation system, because it determines how information from observations is spread in model space and between different model variables. In this paper, the use of orthogonal wavelets in representation of background error covariance over a limited area is studied. Based on the WRF model and its 3D-VAR system, an algorithm using orthogonal wavelets to model background error covariance is developed. Because each wavelet function contains information on both position and scale, using a diagonal correlation matrix in wavelet space gives the possibility to represent some anisotropic and inhomogeneous characteristics of background error covariance. The experiments show that local correlation functions are better modeled than spectral methods. The formulation of wavelet background error covariance is tested with the typhoon Kaemi (2006). The results of experiments indicate that the subsequent forecasts of typhoon Kaemi’s track and intensity are significantly improved by the new method.     

THE EFFECTS OF BOGUS TYPHOON AND OBSERVED OCEANIC DATA ON THE ABILITY OF T_(213)L_(31) TO PREDICT TC TRACK

The abilities of typhoon (TC) track prediction by a medium-range forecast model T213L31 at National Meteorological Center are analyzed and its ability to improve its TC forecasts is discussed. The results show that about 57% of the TCs could be predicted by T213L31 but the initial position errors are large.The 43% area without the prediction of TC tracks is concentrated between 13°N and 20°N and east of 120°E and lack of conventional observation data is the main reason for the absence of TC prediction in this area.The adding of bogus TC could improve the ability of TC track prediction when there is no TC vortex in the analysis field, but could only have positive effects on the short-range TC track prediction when there is TC vortex in the T213L31 analysis field.     

数值预报中卫星资料同化效果实验研究

目前,卫星资料在数值天气预报中的同化应用显著改善了数值预报效果,尤其是在全球数值预报中更为明显.而在区域数值预报中,卫星资料同化应用的影响还需要开展进一步的研究与分析.采用基于GRAPES-3DVar 同化系统和中尺度数值模式WRF 构造的区域数值预报流程,引入NOAA16 卫星资料分别对T213 和T511不同背景场...