数值天气预报中分析同化基本方法的历史发展脉络和评述

数值天气预报中分析同化的基本方法先后经历了多项式函数拟合方法、逐步订正方法、最优插值方法、变分方法和集合卡尔曼滤波方法。本文首先根据相关的经典文献力求本色地介绍这些方法的基本思想和实施的具体要点;然后,着重于它们的上下承接关系,试图阐述同化的历史发展脉络,评述这些方法的显著特征和创新性,以期清晰地理解资料同化的循序渐进的内在发展逻辑。此外,从起源上阐明“主观分析”与“客观分析”、“初猜场”与“背景场”、“分析”与“同化”、以及“更新”、“新息”等基本概念,以期准确地理解和把握“大气资料同化”的由来和内涵。     

理解大气资料同化的根本概念

本文阐明随机变量是大气资料同化的根本概念。其根本性可以体现在两个方面：(1) 原理上,大气资料同化的科学实质是建立在随机变量这个概念上。由于将资料同化的可用信息视为随机变量的数据,所以概率论与数理统计学成为资料同化的数学基础,使得资料同化有了基于估计理论的最优标准及其数学形式,成为一门科学。(2) 实施上,基于随机变量这个概念下的数据是理解大气资料同化发展史的钥匙。由于资料同化的具体实施表现为各种同化方法中可用信息的资料融合,将资料同化的可用信息视为随机变量的数据,可以清晰地揭示主流同化方法的发展进程对应着其可用信息在内涵和种类上的不断扩展,这个扩展具体地体现了同化发展史的一个循序渐进的内在发展逻辑。     

基于卫星资料梯度信息的新型变分同化方法对于台风数值模拟的研究

卫星资料凭着卫星遥感的全球性、连续性和高频次观测等优势,成为一种重要的非常规资料源,但卫星观测仍然存在各种各样的观测误差,其中包含由于观测偶然性所造成的统计学上的随机误差及仪器本身和辐射传输模式等造成的系统性偏差,这些误差在很大程度上影响了卫星资料的质量。文中提出了一种能有效订正卫星观测资料系统性偏差的梯度信息同化算法,该方法用一个梯度算子进行模式变量与观测变量的梯度变换,从而达到订正系统性偏差的目的。本文利用WRF（Weather Research Forecast）模式及其同化模式WRFDA（WRF Data Assimilation system）,以及AIRS（Atmospheric Infrared Sounder）资料,对台风“圆规”进行了实际的数值模拟和同化试验,数值结果表明,梯度信息同化方法能明显改善台风路径的模拟,在处理可信度较低的资料时仍然适用。另外,通过同化诊断分析,发现卫星资料的系统性偏差对于台风数值模拟有较大影响,而文中提出的梯度信息同化方法能较好的解决此类问题。     

基于空间梯度信息的质量控制方法在红外高光谱AIRS资料同化中的应用研究

本文利用中尺度非静力WRF(Weather Research Forecast, Version 3.4)模式, 针对1013号“鲇鱼”台风个例, 通过对红外高光谱AIRS(Atmospheric Infrared Sounder)资料经过基于空间梯度信息的质量控制之后同化进入模式, 来评估新的质量控制方法对同化效果的影响以及对台风数值模拟的改善情况。研究结果发现, 如果仅仅基于WRFDA(WRF Data Assimilation system, Version 3.4)模式自带的质量控制系统, 将会有部分梯度距平值明显较大超过阈值的资料被同化进入模式, 而这些可能受到“污染”且误差较大的资料同化进入模式必将会导致同化结果有较大误差, 影响分析结果的质量。而对AIRS资料经过基于空间梯度信息质量控制之后再同化进入模式, 确实可将梯度距平值大于阈值的“坏点”剔除掉, 从而使初始场的描述更加准确, 台风路径的模拟精度在一定程度上得到提高。综上可知, 基于空间梯度信息的质量控制方法整体上对改善同化效果有较好的正效应, 对台风的数值模拟也起到一定的促进作用。     

GRAPES全球三维变分同化系统的检验与诊断

中国气象局数值预报中心新近升级的GRAPES全球三维变分同化系统的大气基本状态变量在物理属性与定义的网格和坐标上与预报模式保持一致,是一个完全针对GRAPES预报模式的同化系统。该系统不仅有利于减小分析误差,也是构建GRAPES四维变分同化系统的基本环节之一。该文通过与观测资料的对比、与国际其他业务中心分析场的对比,以及中期数值预报的检验,对新的GRAPES全球三维变分同化系统性能进行较全面讨论,并通过对这一系统的检验,探索资料同化系统性能的检验方法,尤其是观测资料同化效果的定量评价方法。诊断结果表明:在宏观特征上,GRAPES变分同化系统的分析场与欧洲中期数值预报中心和美国国家环境预测中心的分析场十分相似, 但细节上仍有差别。这些差别主要源自GRAPES同化系统中探空、地面报、掩星以及飞机报观测的贡献偏大,而卫星垂直探测仪观测资料的作用尚未充分发挥。从探测单要素来讲,风及湿度观测的作用发挥不够。此外,青藏高原周围地区、模式高层及赤道地区分析场偏差较大,它们与模式地形及高层的处理等有关系,这些问题有待进一步改进。     

观测资料与模式的协调性对同化效果的影响

针对资料同化时模式与观测资料不协调导致的同化失效问题, 利用国家气候中心NCCo简化海气耦合模式, 基于一种提取观测资料中与模式相协调信息分量 (也称模式可协调信息) 的资料重构方法, 探讨了观测资料和模式的协调性对资料同化效果的影响。结果发现: 利用简单海气耦合模式同化海表温度距平资料时, 由于模式与资料不匹配使同化后的初始场中产生与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 这些小扰动在预报阶段会迅速增长, 污染预报结果, 使得预报失败。研究还发现, 无论在耦合或不耦合同化形式下, 对海温资料中的模式可协调分量进行同化时, 预报效果明显好于对原观测资料的同化。其缘于对观测海温中模式可协调信息分量同化生成的初始场中, 消除了与模式动力特征不协调的小尺度扰动, 突出了原始资料中与模式协调的ENSO尺度信息分量, 改善了初始场与模式的协调性, 从而提高了模式的预报技巧。     

资料同化方法研究进展

数值天气预报模式的不断完善和大气观测探测资料（特别是卫星、雷达等非常规探测资料）的大量涌现,推动着资料同化方法的逐步发展.文章主要回顾了资料同化方法研究的发展过程、目前的应用现状以及对未来同化方法的展望.随着人们对资料同化含义的深入理解,对于资料同化的研究由初始的探索阶段逐步发展到以经验性为主的同化方法,主要包括SCM和nudging;统计方法的引入,成为资料同化方法研究发展道路上具有重要意义的一个里程碑,从而出现了多元统计插值同化,比如OI,3D-Var以及PSAS;针对背景误差协方差固定不变与实际情况的差异,考虑时间维的四维资料同化方法成为目前国际上较为主流的同化研究方法,其中以4D-Var和Kalman滤波为代表;随着计算机技术的进步,更加合理的四维资料同化方法将会成为未来业务预报中主要的资料同化方法.     

集合预报的现状和前景

综合论述了近年来已在国际上引起高度重视的新一代动力随机预报方法 ——— 集合预报。 随着计算机技术的迅猛发展和由于大气初值和数值模式中物理过程存在着不确定性的事实, 这一方法无疑代表了数值天气预报未来演变发展的方向。 未来的天气预报产品预计将从“决定论”的预报转变为“随机论”的预报来正确地表达气象科学中这一所谓“可预报性问题”, 以便更好地为用户服务。 文中扼要地叙述了集合预报的概念、基本问题及其最新的研究动态和发展, 包括(1)如何建立和评估一个集合预报系统;(2)如何正确地表征大气初值和模式物理过程的不确定性与随机性;(3)如何从集合预报中提炼有用的预报信息和合理地解释、检验集合预报的产品, 特别是概率预报。 除了直接在天气预报上的应用, 还提到集合预报在气象观测和资料同化方面应用的动态, 以引起有关研究人员的注意。     

TOPEX/Poseidon高度计资料在全球海洋环流模式中的同化及分析

利用一个新的四维变分海洋资料同化系统LICOM-3DVM对TOPEX／Poseidon高度计资料进行了同化。该同化系统是在LASG／IAP气候海洋模式LICOM1．0的基础上建立起来的,所用的同化方法为三维变分映射资料同化方法3DVM。高度计观测资料是采取间接的方式进行同化,即先建立起二维海面高度距平场与三维温度场的统计关系,并由此通过观测的海面高度距平信息反演出“观测”的三维温度场,然后利用LICOM-3DVM四维变分同化系统将此反演的温度场同化到海洋模式中。作者设计了两组试验并对结果进行了比较分析,积分时间从1993年1月至2001年12月共9年时间。结果表明,由于上混合层相关系数较小,因此同化后海温没有改进;而在温跃层以及更深层次,同化后的海温均有很大程度的改善。从对赤道太平洋地区海温的气候态、季节变化和年际变化以及Nino3区的Nino指数的模拟情况来看,由于同化时将海面高度异常和海温异常之间的相关参数取为常数,没有考虑其季节和年际变化,因此,同化后对于赤道太平洋的年际变化没有改善。对于黑潮地区,由于模式的分辨率较低,同化之前没有很好地模拟出温度锋面,温度和盐度梯度都偏小,流速也偏弱;而同化后使得温度锋面和盐度梯度与WOA01更加吻合,流速增强。     

地面观测资料在西南地区数值预报中的敏感性试验

利用3.0版的GRAPES同化系统,针对西南地区2005年7月的夏季降水,开展地面观测资料的同化敏感性试验,对整月天气进行了每日一次的48小时预报,并对该月发生在川渝地区"7.8"大暴雨过程进行对比分析.试验结果表明,在地形复杂的西南地区,利用等压面的GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料对降水预报的影响随进入同化系统的地面观测资料疏密程度和同化内容的不同而不同;当模式采用较高分辨率时,同化的地面观测资料越多,对降水预报的改善作用越明显;同化地面观测资料的风速信息可以降低降水预报的空报率,但对漏报率和TS评分改善作用不明显;在几种同化方案中,利用GRAPES 3DVAR同化系统同化地面观测资料的相对湿度和位势高度信息,对降水预报的改善效果最明显.     

2005年夏季中国东部气候异常分析--中国科学院大气物理研究所短期气候预测检验

简要比较了中国科学院大气物理研究所对2005年夏季中国降水跨季度预测与实况的异同,并对2005年夏季我国主要雨带及降水偏少区的形成与东亚热带、副热带以及中高纬度大气环流系统的配置进行了分析。对2005年夏季西太平洋副高的异常活动预测不好,这是造成跨季度降水预测有失误之处的主要原因之一。2005年夏季在亚洲对流层中高层,沿着副热带急流轴准静止Rossby波有几次能量传播过程,西太平洋副高的北抬与西伸与副热带急流中Rossby波的活动强度有一定的对应关系,因而产生了亚洲不同地区高影响性的灾害性天气。     

热带气旋眼墙非对称结构的研究综述

热带气旋的眼墙非对称结构与其发展过程密切相关。在热带气旋移动过程中,非对称风场伴随着边界层内非对称摩擦而引起的辐合,影响着热带气旋眼墙内的对流分布。此外,风垂直切变作为影响热带气旋强度的重要因子,将上层暖心吹离表层环流,引起眼墙垂直运动的非对称,导致云、降水在方位角方向的非均匀分布。当存在平均涡度的径向梯度时,罗斯贝类型的波动可以存在于涡旋内核区域,影响眼墙非对称结构。海洋为热带气旋提供潜热和感热形式的能量,是热带气旋发展的重要能量来源,关于海洋如何影响热带气旋眼墙非对称结构的相关研究较少。文中着重回顾了热带气旋与海洋相互作用的研究成果,并提出海洋影响热带气旋眼墙非对称结构的机制。海洋对热带气旋最显著的响应特征是冷尾效应,该效应通过降低海表温度,减少海洋向大气输送的潜热和感热,从而影响热带气旋眼墙非对称结构。此外,海浪改变海表粗糙度,通过边界层影响移动热带气旋的眼墙结构。     

Evaluation of different versions of NCUM global model for simulation of track and intensity of tropical cyclones over Bay of Bengal

The global UK Met office Unified Model (UM) is currently operational at National Centre for Medium Range Weather Forecasting (NCMRWF), the global model named as NCUM. An inter-comparison of two different versions of NCUM has been carried out for simulating the track and intensity of Tropical Cyclones (TCs), which formed over the Bay of Bengal (BoB). For this purpose, two series of numerical experiments named as NCUM25 (New Dynamical core with NCUM N512 resolution) and NCUM17 (ENDGame core with NCUM N768 resolution and upgraded physics and data assimilation scheme) are carried out with seven different initial conditions (ICs) for two TCs. The results suggested that the location, intensity, and vertical structure of the TCs are reasonably well predicted by the NCUM17 over the NCUM25. The Direct Position Error (DPE) and landfall error of TCs are reduced in the NCUM17 in comparison to the NCUM25 for all initial conditions. The mean DPEs and intensity error are reduced by 21–41% and 18–21% in NCUM17 over NCUM25 in both the cases respectively. Improvements in mean landfall position errors are shown to range from 43 to 65% in the NCUM17 as compared to the NCUM25. The mean statistical skill scores for rainfall are considerably improved in NCUM17.     

测量NO气体吸收截面的方法

差分吸收光谱技术(DOAS)已经被广泛用于各种污染气体浓度的测量,其中影响其测量精度的主要因素就是气体吸收截面的测量.利用Lambert Beer 吸收定律以及自主设计的测量装置对大气的主要污染气体NO的吸收截面进行了测量,并采用多项式拟合的方法提高了测量的精度,根据所测得的吸收截面反演了NO气体的浓度值,取得了良好的效果.     

不同下垫面条件下土壤含水量时空变化特征的对比分析

根据淮河三站1998-05-21－08-31逐日土壤水分6层观测资料和黑河1991-06-20－08-21、1990-12-17－1991-02-15逐日土壤水分4层观测资料，分析了邻近绿洲的沙漠区、河网区（湿润区）几种典型下垫面土壤水分含量的时空变化特征。结果表明，不同类型的下垫面条件下，夏季土壤水分在湿润研究区呈明显的单峰偏态分布，且以β分布拟合效果为最好；而在邻近绿洲的沙漠研究区则呈多峰分布，冬季呈Γ分布，且湿润的研究区域夏季土壤水分在时间上呈显著的10－25d的周期变化。     

RG13型雨量传感器测量结果的不确定度评定

国内民航机场主要使用的雨量观测设备为芬兰维萨拉公司生产的RG13型雨量传感器,为保证雨量测量数据的真实可靠,对其测量结果的不确定度分析很有必要。根据自动气象站现场校准方法,分别进行大雨强和小雨强的重复测试,并依据JJF1059.1-2012测量不确定度的评定与表示要求,进行A类不确定度评定。分析测量过程中的B类不确定度来源,进行B类评定,最终给出扩展不确定度。结果表明：在小雨强下,测量不确定度为U95=0.17mm,包含因子k=2。在大雨强下,测量不确定度为U95=0.16mm,包含因子k=2。该研究完善了雨量传感器的现场校准工作流程,对雨量传感器测量结果的可信度评定具有参考价值。     

乌鲁木齐市空气污染现状分析

从纵横两个方面对乌鲁木齐市空气污染现状进行了系统分析，包括与全国其它重点城市之间的比较分析、季节变动分析和趋势变动分析。     

球载式下投国产北斗探空仪测风性能评估

基于球载式下投北斗探空仪测风观测试验,建立了针对下投式的测风试验评估方法.试验结果表明上升段北斗测风的准确度接近RS92探空仪的探测准确度要求,两者一致性较好;下降段RS92测风误差基本上与上升段的属于同一量级水平,下降初期测风数据在使用时需要做预处理或者有效控制;下降段BD探空仪测风误差与下降段RS92的基本相当,除了球炸初期外,基本上接近WMO的测量要求,此外初期的急速下降对导航定位测风提出了更高的技术要求.整体而言,球载式下投探空观测在时间上可以实现对原有的1次探空进行加密,在空间上可以增加1个区域的探测,并为对现有探空站网分布进行合理优化提供依据,具有良好的应用前景.     

湖南古丈山体滑坡影响因子分析

为研究湖南省古丈县2016年7月17日群体滑坡的地质环境与降水诱发成因,基于GIS空间分析平台,利用古丈县1:5万地质灾害详查资料、地形地貌、公路河网、坡度坡向、地下水类型、滑坡体与岩土产状关系等空间数据,分析古丈县多种地质环境因子与滑坡事件的影响系数;采用贝叶斯后验概率分析法确定古丈滑坡降水阈值曲线(I-D曲线);基于多要素地质环境因子、临界降水条件及滑坡触发有效雨量综合分析了本次群体滑坡事件的主要成因。结果表明:出现大于当地滑坡阈值的极端降水事件(一定的滑坡降水强度、持续时间和滑坡触发有效雨量)是诱发古丈群体滑坡的主要外源动力,脆弱的岩土结构、滑坡体与岩层产状一致的滑坡类型、公路(铁路)和河网修建对山体切坡的影响、敏感的坡度区间、高风险的坡向区间等地质因子是导致古丈默戎"7·17"滑坡的地质成因,相关研究方法和结论对该地区未来地质灾害预警预报提供了方法和数据支持。     

贵州玉屏四季气候季节的划分及特征分析

利用玉屏国家地面气象观测站1961—2016年逐日平均气温资料,采用《气候季节划分》(QX/T15—2012)方法,对玉屏县四季起始日期及长度进行分析。结果表明:(1)玉屏县常年四季起始日期:入春3月5日,入夏5月23日,入秋9月22日,入冬11月28日;四季长度:春季79 d,夏季122 d,秋季67 d,冬季97 d。(2)56 a来玉屏县春季起始日期呈提前趋势,长度呈增加趋势,两者均在20世纪90年代前后出现了转折,但未发生气候突变;夏季起始日期及长度趋势变化不明显;秋季起始日期呈推后趋势,长度变化不明显;冬季起始日期变化不明显,长度呈减少趋势;春季长度增加、冬季长度减少主要为春季起始日期提前所致。(3)玉屏县四季起始日期的年际变幅大,起始日期比常年偏早(晚)连续2候以上的异常年份,春季为23%,夏季为27%,秋季为32%,冬季为25%。(4)玉屏县春季开始后出现低于季节指标≥1候的概率达41%,表明玉屏县春季出现倒春寒天气的概率很大。(5)比较气象行标法与稳定通过法的四季起始日期及长度,气象行标法对玉屏县的四季划分更能满足于农业生产的需要。