GRAPES Hybrid-3DVar对台风苏迪罗的数值试验

为了把反映天气形势变化的背景误差协方差引入到变分分析系统中来提高分析质量,本文在GRAPES区域三维变分框架的基础上通过扩展控制变量方法实现动态与静态背景误差协方差耦合,建立混合三维变分分析系统（GRAPES Hybrid-3DVar）。通过控制变量扰动产生的集合样本进行单点观测分析试验验证Hybrid-3DVar及其局地化方案的合理性,并针对台风苏迪罗进行实际观测资料同化和数值预报试验,结果表明:用集合样本描述的背景误差协方差是随着天气流型变化的,动力场和质量场的离散度在台风中心处最大,因而混合同化的分析增量包含更多细微结构和中小尺度信息;其分析和24 h内预报要素质量优于3DVar,24 h内降水强度和落区预报也更准确,混合同化分析改善了3DVar分析的降水空报问题;同时混合同化分析的24 h内台风路径预报也最接近实况,台风强度预报在48 h之内都比3DVar更接近观测。     

红外高光谱资料近地面通道应用

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用。就我国自主研发的GRAPES 3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想。针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分（1DVar）方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响。结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显。     

红外高光谱资料近地面通道应用技术研究:海洋地区观测资料同化试验

由于下垫面的复杂性,卫星近地面通道的辐射率资料没有得到充分开发和利用.就我国自主研发的GRAPES-3DVar而言,红外高光谱近地面通道资料还没有应用于陆地,即使在下垫面相对简单的海洋,由于背景场海表温度估计不够准确,红外高光谱资料的使用效果也不甚理想.针对GRAPES模式的背景场海表温度估计不够准确这一问题,本文利用大气红外探测仪器AIRS(The Atmospheric Infrared Sounder)辐射率观测资料通过一维变分(1DVar)方法对其晴空视场点内的背景场海表温度进行调整,再运用GRAPES全球分析预报系统进行同化分析,研究了海表温度调整后对分析场的影响.结果表明,利用一维变分调整后的海表温度不仅使得低层通道的模拟亮温与观测亮温更加匹配,而且有效地改进了分析场,对位势高度场高、中、低层均有不错的改进,对低层湿度场以及风场的改进也较为明显.     

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统Ⅰ:系统设计及初步试验

集合卡尔曼滤波资料同化方法,可以用集合样本统计出随天气形势变化的误差协方差,是当前资料同化领域的研究热点。主要介绍了GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的设计以及初步的试验结果。针对集合卡尔曼滤波同化实际观测资料难以实施的问题,采用成批观测同化的顺序同化方法进行多变量的集合卡尔曼滤波同化;为了滤除有限集合数造成的误差相关噪音和缓解求逆矩阵不满秩的问题,在水平和垂直方向都采用了Schur滤波;建立了与GRAPES预报模式的垂直坐标和预报变量一致的模式面集合卡尔曼滤波系统;集合样本的生成考虑了模式变量的空间相关和模式变量之间的相关,通过利用三维变分分析中的控制变量变换得到模式变量扰动场。通过比较GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统和GRAPES区域三维变分资料同化系统的单点观测资料同化分析结果,对比背景误差相关系数的分布,验证了GRAPES集合卡尔曼滤波系统的正确性。此外,同化区域探空观测资料试验结果表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统能够得到合理的分析,并且具有实际运行能力。对分析结果进行12h预报表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的分析协调性不如三维变分资料同化系统。     

背景误差水平相关结构对四维变分资料同化的影响研究

为考察GRAPES全球四维变分同化（4DVar）的分析增量在谱空间的时间演变特征,分析当同化时间窗起始时刻与终止时刻背景误差水平相关特征明显不一致时对分析与预报造成的影响,对GRAPES全球4DVar的背景误差水平相关采用二阶自回归模型（SOAR）、集合资料同化生成扰动样本估计的水平相关模型以及基于这两者的背景误差谱空间融合模型进行比较。结果表明,SOAR的分析增量在20波以上的天气尺度波动的分析信息明显不足,而将集合资料同化样本所计算的水平相关的功率谱方差与SOAR功率谱方差进行融合,水平相关特征呈现出多尺度水平相关的特点,可以更好地吸纳观测信息,显著改善北半球形势场、温度与风场预报效果,南半球也有改善,对赤道地区的影响中性。表明研究发展的融合水平相关方案合理、实用。      

两种样本生成方法对DRP-4DVar同化方法性能影响的比较及分析

降维投影四维变分同化方法(DRP-4DVar)利用历史预报的集合来统计背景误差协方差,并将分析变量投影到样本空间下求解代价函数,因而集合样本的质量对DRP-4DVar同化方法的性能有着重要影响.文中尝试使用三维变分(3DVar)控制变量的扰动方法来产生集合样本,并与原来的历史预报扰动方法做比较.历史预报扰动样本具有随流...     

一种新的COSMIC大气折射率资料观测误差估计方法及在GRAPES全球三维变分同化中的应用

观测误差协方差是变分同化系统中决定分析及预报效果的关键参数之一,观测误差的估计精度直接影响变分同化分析和预报效果。分析了新息增量法(H-L法)估计全球定位系统无线电掩星这类观测点不固定资料的观测误差的适用条件,并利用1年的气象、电离层及气候星座观测系统(COSMIC)折射率资料,针对局地观测算子,估计了COSMIC折射率在南、北半球高、中、低6个纬度带四季的观测误差,分析了COSMIC折射率观测误差的纬度、高度和季节变化的特点,并将估计的折射率观测误差应用于GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)三维变分同化系统。结果表明,折射率观测误差随高度和纬度有明显变化;在中、高纬度带,折射率观测误差有显著的季节变化:夏季折射率的观测误差约为冬季2倍,春、秋两季折射率误差具有较好的南北对称性,冬、夏两季折射率观测误差南、北半球差异较大。与GRAPES原来使用的全球平均单一的折射率观测误差相比,在GRAPES全球三维变分同化系统中使用本研究估计的较高精度的随纬度变化的COSMIC折射率观测误差能够提高GRAPES全球变分同化系统的预报水平。     

基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验

为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化（4DVar）系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程（长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等）。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法（GCR）求解扰动亥姆霍兹（Helmholtz）伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。      

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达速度观测资料Ⅰ.模拟资料试验

利用WRF模式及模式模拟的资料,开展了利用SVD-En3DVar(基于集合和SVD技术的三维变分同化方法)方法同化雷达径向速度资料的试验.由于雷达观测经常出现大面积空缺,同化时引入了一种局地化方法避免远距离虚假相关的影响.试验着重研究了不同的初始扰动样本产生方法以及不同的样本积分时间对同化结果的影响.提出了一种为预报集合提供初始扰动场的新方法,这一方法将温度和比湿的伪随机扰动场当作观测增量,通过3DVar (three-dimensional variational technique)系统生成所有变量的初始扰动场.试验表明,用这种方法给出的初始扰动样本各个变量间有较好的协调性,积分后扰动不会快速衰减,可以减少模式调整的时间,达到缩短同化循环时间窗的目的.同化雷达径向风资料后对12小时内的温度,湿度和水平风的预报都有所改进,对降水的预报也有一定改进.     

集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化中的应用研究Ⅱ：参数选取与数值试验

研究的第一部分讨论了如何有效应用集合预报误差的科学方案,确定了集合预报误差在GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）全球4DVar（four dimensional variational data assimilation）中应用的分析框架。在此基础上研究了针对集合预报误差实际应用于GRAPES全球4DVar,解决接近或超过100个集合样本数时高效生成的计算效率问题,以及与GRAPES全球4DVar匹配的同化关键参数确定问题。选择基于4DVar的集合资料同化方法生成集合样本,通过将第1个样本极小化迭代过程中产生的预调节信息用于其他样本极小化做预调节,将计算效率提高了2倍。通过时间错位扰动方法增加集合样本数,实现集合样本增加到3倍。对集合方差进行膨胀,并选择水平局地化相关尺度为流函数背景误差水平相关的1.4倍。通过批量数值试验方法确定背景误差与集合预报误差的权重系数,对60个集合样本当集合预报误差权重为0.7时预报效果最好。对北半球夏、冬两季各52 d的批量试验表明,对于南、北半球En4DVar （ensemble 4DVar）较4DVar的改进在冬季主要集中在700—30 hPa,而在夏季主要集中在400—150 hPa。赤道地区受季节影响较小,En4DVar对位势高度、风场与温度的改进都较为明显,且经向风场的改进最为显著。文中研发的集合预报误差在GRAPES全球4DVar中应用的方法合理可行。      

探空观测黑名单检查在变分同化系统中的应用

针对探空观测资料使用造成的某些区域GRAPES分析场存在虚假的高、低压系统问题,该文通过对比全球探空资料的位势高度观测与NCEP分析场,统计站点中观测质量较差的时次出现频数,确定探空位势高度观测黑名单。研究表明:500 hPa在印度地区、北大西洋和南极洲附近的探空位势高度观测与NCEP分析场的均方根误差在30 gpm以上的站点较多,且位势高度观测不可靠观测比率为20%以上的站点主要集中这些区域,以上观测站均列入黑名单。文中在GRAPES全球三维变分分析场的质量控制中加入探空位势高度观测黑名单检查,通过6 h分析预报循环试验表明:探空位势高度观测黑名单检查能有效提高分析场质量,GRAPES位势高度分析场在南极洲附近和印度地区有所改善。     

The GRAPES Variational Bias Correction Scheme and Associated Preliminary Experiments

The variational assimilation theory is generally based on unbiased observations. In practice, however, almost all observations suffer from biases arising from observational instruments, radiative transfer operator, precondition of data, and so on. Therefore, a bias correction scheme is indispensable. The current scheme for radiance bias correction in the GRAPES 3DVar system is an offline scheme. It is actually a static correction for the radiance bias before the process of cost function minimization. In consideration of its effects on forecast results, this kind of scheme has some shortcomings. Thus, this study provides a variational bias correction (VarBC) scheme for the GRAPES 3DVar system following Dee’s idea. In the VarBC scheme, the observation operator is modified and a new control variable is defined by taking the predictor coefficients as the control parameters. According to the feature of the GRAPES-3DVAR, an incremental formulation is applied and the original bias correction scheme is maintained in the actual process of observations. The VarBC is designed to co-exist with the original scheme, because it is a dynamic revision to the observational operator on the basis of the old method, i.e., it adjusts the model state vector along with the control parameters to an unbiased state in the process of minimization and the assimilation system remains consistent with available information automatically. Preliminary experimental results show that the mean departures of background-minus-observation and analysis-minus-observation are reduced as expected. In a case study of the heavy rainfall that happened in South China on 11–13 June 2008, the 500-hPa geopotential height is better simulated using the analyzed field from the VarBC as the initial condition.     

极轨卫星高层通道在GRAPES同化系统中的应用

针对GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)模式三维变分系统高层背景场温湿廓线外推方案的局限性,提出以气候垂直廓线重新构造高层温湿垂直结构,以减小外推方案的偏差。首先采用一维变分同化系统,展开模拟实验:分析目前模式中使用的外推方案误差及其对反演结果的影响,利用高层大气气候廓线构造垂直结构并分析同化偏差。最后,运用GRAPES全球分析预报系统进行同化实验并分析改进程度。结果显示:模拟研究表明采用高层背景场温湿廓线外推方案与实际观测相比最大偏差在1 h Pa附近可达数十度以上,不仅影响平流层,而且对对流层也有影响;用气候温度数据修正GRAPES高层温度数据,可以减少50%以上的偏差,证明了用气候值高层数据优化现行GRAPES模式中同化系统高层插值方案的可行性。全球GRAPES三维变分同化试验结果显示,改进方案不仅显著的改善平流层分析质量,对对流层中高层也有改进。     

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。     

Assimilation of Global Navigation Satellite Radio Occultation Observations in GRAPES: Operational Implementation

This paper presents the design of an observation operator for assimilation of global navigation satellite system (GNSS) radio occultation (RO) refractivity and the related operational implementation strategy in the global GRAPES variational data assimilation system. A preliminary assessment of the RO data assimilation effect is performed. The results show that the RO data are one of the most important observation types in GRAPES, as they have a significant positive impact on the analysis and forecast at all ranges, especially in the Southern Hemisphere and the global stratosphere where in-situ measurements are lacking. The GRAPES model error cannot be controlled in the Southern Hemisphere without RO data being assimilated. In addition, it is found that the RO data play a key role in the stable running of the GRAPES global assimilation and forecast system. Even in a relatively simple global data assimilation experiment, in which only the conventional and RO data are assimilated, the system is able to run for more than nine months without drift compared with NCEP analyses. The analysis skills in both the Northern and Southern Hemispheres are still relatively comparable even after nine-month integration, especially in the stratosphere where the number of conventional observations decreases and RO observations with a uniform global coverage dominate gradually.     

Assimilation of Global Navigation Satellite Radio Occultation Observations in GRAPES:Operational Implementation

This paper presents the design of an observation operator for assimilation of global navigation satellite system(GNSS) radio occultation(RO) refractivity and the related operational implementation strategy in the global GRAPES variational data assimilation system.A preliminary assessment of the RO data assimilation effect is performed.The results show that the RO data are one of the most important observation types in GRAPES,as they have a significant positive impact on the analysis and forecast at all ranges,especially in the Southern Hemisphere and the global stratosphere where in-situ measurements are lacking.The GRAPES model error cannot be controlled in the Southern Hemisphere without RO data being assimilated.In addition,it is found that the RO data play a key role in the stable running of the GRAPES global assimilation and forecast system.Even in a relatively simple global data assimilation experiment,in which only the conventional and RO data are assimilated,the system is able to run for more than nine months without drift compared with NCEP analyses.The analysis skills in both the Northern and Southern Hemispheres are still relatively comparable even after nine-month integration,especially in the stratosphere where the number of conventional observations decreases and RO observations with a uniform global coverage dominate gradually.