COSMIC掩星反演大气温湿资料的质量特征分析

针对COSMIC(Constellation Observation System of Meteorology Ionosphere and Climate)掩星反演的大气温度和水汽压二级资料,利用常规探空观测和NCEP(National Centers for Environmental Prediction)分析资料分别进行质量检验分析,以揭示反演资料质量的海陆差异、随纬度和高度变化等三维空间特征。结果显示:我国区域反演资料的温度略低于探空观测与NCEP分析资料,温度与水汽压相对于检验资料的均方根误差较小;全球范围内,反演大气温湿资料的质量随高度和纬度的不同而存在明显差异,而且海洋和陆地上质量的水平和垂直分布特征也存在显著不同。总体上看,COSMIC反演大气温湿资料具有良好的可靠性与精确度,可作为我国数值预报资料同化的新资料,反演温湿资料的质量特征也可为COSMIC资料同化的质量控制和垂直稀疏化方案的设计提供科学依据。     

雾灵山GPS掩星观测实验分析

在高山的山顶上, 利用GPS接收机跟踪低仰角和负仰角的GPS卫星信号, 即山基GPS掩星观测, 该技术可以获得低层大气折射指数剖面。2005年8月1—29日, 在河北雾灵山 (40.60°N, 117.48°E, 海拔2118 m) 开展了山基GPS掩星观测实验, 共获得576 h的原始观测数据, 跟踪到掩星事件共1136次, 其中621次上升掩星事件, 515次下降掩星事件, 平均每小时观测到2次掩星事件, 经反演成功获得939个大气折射指数剖面。分析结果表明:山基掩星事件发生时间 (地方时) 大体呈平均分布; 山基掩星事件持续时间大部分在15~20 min; 山基掩星事件跟踪最低负仰角分布的峰值出现在-3°~-2.5°之间, 所跟踪到的最低负仰角达到-4.994°, 出现在正南稍偏东方向; 下降掩星事件的最低仰角分布明显低于上升掩星事件的最低仰角分布。上述实验结果表明:山基掩星观测每天可为低层大气环境监测提供大量时空分布的折射率数据, 具有潜在的应用前景。     

适应数值模式垂直坐标的GPS掩星反演资料稀疏化方案

GPS掩星反演大气温湿资料具有高垂直分辨率、高精度、受云和降水影响小等优点,针对GRAPES同化预报系统,发展设计了一种既考虑预报模式高度-地形追随垂直坐标不均匀分层特点,又结合掩星反演资料特性的新适应性垂直稀疏化方案。通过个例试验和批量试验,探索了该适应性稀疏化方案对分析预报质量的影响。试验结果表明:选取合适的稀疏参数,新稀疏化方案的GPS掩星反演资料对背景场的调整更加有效,分析场质量更高;位势高度、比湿、温度和风场等预报场的均方根误差均更小;适应性稀疏化方案对改善台风路径预报具有积极作用。批量试验则进一步证实了适应性稀疏化方案对分析场质量有明显的改善作用。     

COSMIC掩星资料在青藏高原地区的偏差特征

利用2007—2013年COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere,and Climate)掩星RO(Radio Occutaion)资料和欧洲中期天气预报中心ECM WF(European Centre for M ediumRange Weather Forecasts)分析资料,研究了COSM IC RO探测的大气折射率及其反演的温度和水汽在青藏高原及其周边地区的偏差特征。结果表明,在夏季和秋季,高原,西南季风区和东部平原地区,大气折射率在对流层里均存在系统性的正偏差,其中高原偏差最大,在夏季可达0. 7%。冬季和春季,大气折射率在青藏高原对流层中下部有小的正偏差,而在西南季风区和平原地区对流层中下部有明显的负偏差。温度和水汽是折射率的反演产品,折射率的正偏差对应着温度的负偏差和水汽的正偏差。因此夏季高原地区的温度和相对湿度偏差可达-0. 5℃和7%。同时,夏季在西南季风区对流层顶出现了11%的相对湿度偏差。对流层下层折射率的负偏差和低层大气多路径效应有关,折射率正偏差和大气中的云水有关。对流层顶附近的相对湿度偏差,则是由于ECMWF模式结果不精确所引入的。     

一次暴雨过程的GPS掩星资料的同化应用

利用欧盟的METOP-1、美国的GRACE A、我国台湾的COSMIC掩星折射率资料,以美国NCEP开发的GSI同化系统为平台,对2012年6月10-13日华南地区一次准静止锋引起的暴雨过程进行了循环同化模拟和分析,以探讨GPS掩星同化对我国华南暴雨预报的影响。为考察GPS掩星折射率资料的同化效果,以及循环同化对GPS折射率资料同化效果的影响,设计了3组模拟对比试验:第一组不同化GPS掩星折射率资料;第二组只同化一个时次的GPS掩星折射率资料;第三组循环同化26 h的GPS掩星折射率资料。试验结果表明:1)循环同化的暴雨预报效果比单时次同化的暴雨预报效果好,表明掩星折射率资料的使用需要有较长时间的累积才能产生较好效果;2)掩星资料对分析和预报的温度场和湿度场调整的贡献较大,对风场的调整也有一定贡献;3)循环同化GPS掩星折射率资料的预报效果,在降水强度、降水中心位置和TS评分方面均优于未同化掩星折射率资料的预报效果。     

我国天基GPS掩星探测现状及发展趋势

简述了天基GPS掩星探测的发展历史和发展现状,指出了天基掩星探测的优势以及不同掩星反演方法的优缺点,并对我国的GPS山基掩星探测研究的进展和取得的成果进行了详细介绍,最后对GPS掩星探测未来的研究重点和发展趋势进行了展望,指出GPS掩星探测将向着星座化、综合化应用方向发展,我国也必将积极参与到GPS掩星探测的行列。     

全球探空站附近掩星观测资料误差估计

利用2016年1月1日至2020年10月1日GPS无线电掩星观测、探空观测、美国微波综合反演系统(MiRS)卫星微波资料反演产品、美国国家环境预报中心全球预报系统(Global Forecast System, GFS)分析资料和欧洲中期天气预报中心ERA5再分析资料这5种资料,采用“三角帽”方法,估计GPS掩星资料的观测误差,分析了资料集之间偏差和误差相关性对观测误差估计值的影响。结果表明,用MiRS资料替代ERA5再分析资料后所得到的掩星观测误差大于用掩星、探空观测、GFS分析和ERA5再分析资料的掩星观测误差。掩星观测误差随纬度增加而减小。本文对即将到来的掩星资料的合理应用具有重要意义。     

GPS可降水量与掩星折射率资料同化对暴雨模拟的影响

利用WRF-3DVAR系统同化GPS地基可降水量资料和空基掩星探测资料,对2011年6月14日我国夏季江淮流域暴雨天气过程进行数值模拟试验,对比分析可降水量和掩星折射率资料在暴雨天气数值模拟中的影响。结果表明:可降水量和掩星探测对底层水汽都有明显改善,可降水量对水汽的改善更为显著,比掩星同化平均高一个量级,改进了暴雨的强度和暴雨的影响范围;掩星折射率资料的同化通过改善强对流区域的风场和温度场,从而改进暴雨的降水落区;GPS可降水量和折射率资料的同时同化,一定程度上弥补了可降水量探测站点分布的不足和掩星折射率资料稀疏,对暴雨的强度、范围和落区预报都有很好的提高,两者可以很好地相互补充。      

一次降水天气过程的GPS掩星资料在GSI同化系统中的应用

为了探索全球定位卫星观测系统无线电掩星技术(Global Positioning System/Radio Occulta-tion,简称GPSRO)在业务数值预报模式中的应用效果,以美国NCEP(National Centers for Environ-mental Prediction)业务同化系统为平台,对有/无COSMIC(Constellation Observing System for Meteor-ology,Ionosphere and Climate)GPS无线电掩星观测资料进行了一次降水过程的详细的同化对比试验。试验中GPSRO观测算子主要采用了相对简单但计算省时的局地(Local)同化技术。该个例试验表明:COSMICGPS掩星观测对分析影响较大的地区是常规观测资料较稀缺地区(如洋面),因此在这些地区GPSRO资料可以被看作是对常规观测很好的补充。同时还注意到COSMIC GPS RO资料在对流层下层对湿度场分析和预报的影响显著,在对流层中上层对风场分析也产生正面影响。这证实GPS RO资料在业务数值天气预报中应用的有效性,为我国数值预报未来开展业务GPS掩星观测资料同化提供了有益的科学参考依据。     

COSMIC及其在气象领域的应用

COSMIC是利用现代遥感技术、通信技术和计算机技术解决当今地球科学重大问题的地球科学卫星探测系统。作为GPS／MET的后续计划，主要是为了进行气象与气候研究、气候监测、太空天气和大地测量等研究。COSMIC计划于2003年之前发射8颗低轨卫星，8颗卫星每天可进行4000次GPS观测。本文介绍COSMIC系统组成及COSMIC数据应用。     

COSMIC计划及掩星数据误差分析

掩星观测资料的误差特性是GPS气象学研究的热点之一,COSMIC（the Constellation Observing System for Meteorology,Ionosphere and Climate）计划在技术上做了很多改进,包括采用“开环”跟踪技术,以改进对低对流层掩星信号的跟踪能力,从而减小掩星数据的反演误差。本文采用2006年7月29日至12月31号的COSMIC掩星数据与全球探空资料进行对比,统计了掩星数据在不同地区、不同高度层的分布以及其折射率的误差特性,结果表明：（1）与探空资料匹配后的掩星事件主要集中在中纬度地区陆地上;在垂直方向5km以上,掩星探测趋于稳定。（2）“开环”技术的应用修正了以前掩星计划中出现在低对流层的折射率负偏差,但是却引进了折射率正偏差。在低纬地区,这种正偏差最大,在地表到1km范围内达到0．6％;随着纬度增加,正偏差减小,在中纬度地区10km以下最大值为0．3％;到高纬度地区,正偏差减小到0．2％以内。     

基于COSMIC资料的边界层高度时空特征分析

利用2007-2012年的COSMIC掩星折射率资料,结合改进的折射率断点法,分析了全球海上边界层高度的季节、日变化特征,并引入尖锐系数对结果进行了评估。边界层高度大值区水平分布呈纬向不对称,中低纬度地区的几个区域边界层最高,由赤道向南北两极递减。在副热带高压控制的部分地区,边界层高度季节变化不明显,而在大陆西海岸的盛行层状云地区,表现出一定的季节变化特征。边界层高度的日变化相对较弱,并且在不同地区略有差异。尖锐系数的评估结果表明:尖锐系数在亚热带最大,折射率断点法能获取准确的边界层高度,而在赤道辐合带和南太平洋辐合带最小,边界层高度定义相对模糊。     

基于无线电掩星数据,探空资料以及再分析资料估算大气边界层高度的比较

用11年的全球无线电掩星数据(COSMIC),无线电探空数据(IGRA)以及欧洲中心再分析资料(ERA-Interim)对全球大气边界层高度(PBLH)进行估算比较.结果表明:(1)在1200 UTC和0000 UTC,由ERA-Interim和IGRA数据估算得到的全球PBLH空间分布较为一致,相关性较好,在白天正午...     

数值天气预报业务模式现状与展望

动力统计结合是提高天气、气候预报水平的重要途径之一,关键问题是如何将数值模式与历史资料进行有效结合;相似预报这一传统方法与动力统计的结合是未来提高天气、气候预报水平的一个重要方向,尽管其原理目前仍停留在相似假设基础上且缺乏坚实的物理基础。文中从准确模式的初值问题出发,提出准确模式初值扰动概念,进而发展了动力统计相似集合预报（Dynamical Statistical Analog Ensemble Forecast,DSAEF）理论。DSAEF理论不仅回答了为什么可以进行相似预报,同时还指出了如何进行相似预报,即其原理是利用准确模式来做预报,并采用集合预报的方式实现预报。基于 DSAEF 理论,建立了登陆台风降水动力统计相似集合预报DSAEF_LTP （Landfalling Typhoon Precipitation,LTP）模型,该模型包括4个步骤：台风路径预报、广义初值构建、初值相似性判别和台风降水集合,其中广义初值由影响台风降水的物理因子构成。DSAEF_LTP模型具有可持续发展特性—可通过引入新因子或改善模型参数来改进模型的性能;目前该模型发布了广义初值包含台风路径、登陆季节和台风强度3个物理因子的1.0版和在此基础上改进了“相似区域”和“集合方案”的1.1版。该模型的性能提升很快,已完成的最新版本（1.1版）3次大样本预报试验均显示,与ECMWF、CMA-GFS、NCEP-GFS和SMS-WARMS （上海区域模式）对比,对≥100 mm和≥250 mm台风过程降水预报的TS评分,DSAEF_LTP模型（V1.1）排名第1。今后,围绕广义初值不断改善,研究引入更多影响登陆台风降水的物理因子,DSAEF_LTP 模型的发展前景广阔。     

A land data assimilation system using the MODIS-derived land data and its application to numerical weather prediction in East Asia

Land Data Assimilation Systems have been developed to generate the surface initial conditions such as soil moisture and temperature for better prediction of weather and climate. We have constructed Korea Land Data Assimilation System (KLDAS) based on an uncoupled land surface modeling framework that integrates high-resolution in-situ observation, satellite data, land surface information from the WRF Preprocessing System (WPS) and the MODIS land products over the East Asia. To present better surface conditions, the KLDAS is driven by atmospheric forcing data from the in-situ rainfall gauges and satellite. In this study, we 1) briefly introduce the KLDAS, 2) evaluate the meteorological states near the surface and the surface fluxes reproduced by the KLDAS against the in-situ observation, and then 3) examine the performance of the mesoscale model initialized by the KLDAS. We have generated a 5-year, 10 km, hourly atmospheric forcing dataset for use in KLDAS operating across East Asia. The KLDAS has effectively reproduced the observed patterns of soil moisture, soil temperature, and surface fluxes. Further scrutiny reveals that the numerical simulations incorporating the KLDAS outputs show better agreement in both the simulated near-surface conditions and rainfall distribution over the Korean Peninsula, compared to those without the KLDAS.     

河南\

对1949年以来影响我国的台风暴雨及其预报研究的进展,从台风暴雨形成机理、专题研究、预报研究和研究新动向等四方面进行回顾总结。首先,从环境场、下垫面和内部条件三个角度对台风暴雨形成机理进行简要回顾,并从“75.8”特大暴雨、“莫拉克”极端暴雨、远距离暴雨、台风暴雨的诊断分析和气候特征等五个角度做了专题回顾。同时,简要回顾了台风暴雨预报研究进展,并就台风暴雨研究新动向给出了在云微物理、极端降水和预报方法三个方向上的初步判断。在此基础上,给出了小结与展望。