FY-2E云导风的算法改进及其在GRAPES中的同化应用研究

2014年国家卫星气象中心全面改进了风云二号卫星云导风产品算法,为评估算法改进后FY-2E云导风资料对我国GRAPES数值模式同化和预报的影响,根据国家卫星气象中心提供的2013年8月算法改进前后的FY-2E红外通道云导风资料,对比分析了两者的观测分布及偏差特征,并利用GRAPES全球模式进行了一个月的连续试验。结果表明,改进算法后的FY-2E红外通道云导风观测数量明显增加,观测误差在600~200 hPa有所减小,风的平均偏差在高层减少,更满足正态分布;连续试验结果表明北半球和东亚地区风场在300~150 hPa分析中改进显著,风的平均偏差和均方根误差明显减少;预报结果显示500 hPa高度场预报距平相关系数略提高,均方根误差略减小;说明改进算法后的FY-2E红外通道云导风对GRAPES数值模式同化和预报均有一定改善。     

掩星弯角资料同化在一次暴雨过程中的应用

使用GPS掩星弯角资料和NCEP预报场资料,采用GSI(Grid-point Statistical Interpolation)变分同化系统,对同化掩星弯角资料前后的分析场以及数值预报结果进行详细比较,分析了弯角资料同化对2012年7月21日北京特大暴雨预报结果的影响。结果表明,同化掩星弯角资料对初始场中的温度、湿度产生明显影响,500 hPa和700 hPa温度调整中心量值达到0.5℃和-0.6℃,700 hPa湿度调整中心最大量值达-0.14 kg·kg-1;同化过程改变了强降水发生前流场结构,明显提高了强降水中心位置、雨带走向及范围、降水强度的预报准确性;由降水TS评分可知,200 mm以上大暴雨模拟改善效果明显,但对弱降水预报效果较差。     

集合变分混合方法同化FY 3A卫星微波资料时混合系数选择的试验

基于FY-3A卫星微波资料,利用Hybrid方法对2012年7月21日北京地区强降水过程进行同化模拟试验,并分析了混合系数在同化中的应用。通过单点试验发现,传统3DVar同化方法的背景误差协方差是静态的,其同化增量总是表现为以观测单点位置为中心呈均匀、各向同性分布,且与同化单点的位置有关。而集合变分同化的背景误差协方差是由集合预报结果构造的集合协方差,其单点观测试验同化增量集中在此次降水区域周围,依赖于环流形势的分布,其分布与观测单点的位置无关。通过实际个例的同化试验发现,混合系数取0.5的模拟效果最好,其次为0.1,混合系数取1的试验模拟效果最差。     

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。     

直接同化卫星辐射率资料在暴雨预报中的应用研究

为了考察T213-SSI同化全球ATOVS卫星辐射率微波资料在极端暴雨事件预报中的应用效果和能力,评估和分析卫星资料的应用对极端暴雨事件预报效果的影响,利用T213-SSI准业务同化系统,对2007年7月16-19日的川渝地区暴雨过程进行了模拟分析.此次暴雨过程致灾严重,同时是一次预报难度很大的、西风带系统调整下的转折性天气过程,非常值得研究.共开展了3组模拟试验:第一组试验只同化常规资料;第二组试验连续同化10天常规资料和卫星微波资料,第三组试验只同化一个时次、分别使用常规资料和不同波段微波资料(AMSUA和AMSUB).结果表明:(1)仅同化一次卫星资料的暴雨预报不及连续同化10天卫星资料的效果好,说明卫星资料的使用需要有较长时间的累积才能产生较好效果;(2)卫星资料的长期使用可以改进大尺度环境场,使得暴雨天气过程的直接影响系统更接近实际;(3)AMSUA资料对温度场的调整有较大贡献,AMSUB资料对湿度场也有较为明显的影响.     

基于FY-2C红外资料进行夜间云检测的方法研究

应用2007年4月30日20时至5月1日03时的FY-2C红外亮温资料、地面云观测资料以及地理海拔高度资料,详细分析了无云条件下红外亮温与地理海拔高度之间的关系特征。通过建立夜间无云条件下红外亮温与地理海拔高度之间对应关系的标准数据库,以此为判据实现了有云区和无云区的分离,云检测个例结果表明正确率可达88%;将无云区误判为有云区的百分比为4%,同时将有云区误判为晴空区的百分比是8%。在云区的云检测正确率为82%;在无云区的云检测正确率达到92%。在业务化应用和适用性分析中,以5月1日00时资料建立的判据,分别对5月2日至5日00时整个区域进行云检测试验,分析结果表明其总体准确率与5月1日00时的基本接近但稍高,达到92%。在云区的判识正确率提高到93%,从而导致总体准确率稍微提高;而在无云区的判识效果与5月1日00时的一致为92%。     

FY-2E卫星和探空湿度资料的对比分析

利用2011年和2012年四川盆地和川西高原以及西藏的17个站点,地面探空和FY-2E星的相对湿度资料,对不同气压层的相对湿度进行对比分析,结果表明:卫星探测的湿度普遍小于探空的湿度,且二者相对湿度的差值有随气压层高度的变化呈现抛物线变化趋势;两种资料的相关系数在0.03~0.60之间变化;两种资料的平均相关系数在低层小于高层,300、400hPa和500hPa层的平均相关系数明显高于700、850hPa和925hPa层;两种资料相对湿度的平均相关系数和台站的海拔高度呈三次方的关系;高气压层的日平均相关系数大于低气压层的日平均相关系数。     

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。     

基于GSI的华南地区对流尺度快速循环同化预报试验

针对对流尺度快速循环同化系统多次循环同化带来的预报效果改进和资料应用问题,利用GSI同化技术和WRFARW区域模式,设计了华南地区对流尺度快速循环同化方案,对2016年4月17一18日华南地区的飑线天气强降水过程进行模拟试验,分析不同循环同化方案和雷达径向风资料同化对雷达回波、相对湿度、降水量级等的预报效果,以期提高华南地区飑线强降水过程预报技巧。检验结果表明:尽管只同化常规资料对预报效果的改进有局限性,但是多次循环同化对于模式预报的降水有一定改善作用;同时同化雷达径向风资料与常规资料对湿度和降水等模拟技巧均有所提高,大雨以上量级的ETS评分改进尤为明显;尽管模式模拟降水峰值小于真实观测值,但同化雷达径向风资料有效改善了飑线最强时段内的垂直上升速度,使得强降水发生时间和强度更接近真实观测。     

云雨条件下AMSR2微波成像资料同化试验及其在台风预报中的应用

采用WRF-ARW和WRFDA的3.8版本进行云雨条件下AMSR2(Advanced Microwave Scanning Radiometer 2)卫星微波成像资料的同化试验,并选择2014年7月第9号台风"威马逊"为研究对象,检验同化云雨条件下的AMSR2资料对台风预报结果的影响。结果表明:(1)云雨条件下的质量控制方案所保留的像元明显多于晴空条件下质量控制方案,且亮温模拟结果更加接近观测;(2)云雨影响的加入使得风场、高度场和海平面气压场的模拟结果好于晴空条件下模拟,且对台风中心有增温、增湿的作用。(3)云雨条件下模拟对台风的路径和强度预报均有改善。     

ATOVS资料在淮河暴雨预报中的同化应用研究

ATOVS资料的获取弥补了测站稀少地区常规观测资料的不足,尤其是有云条件下的温湿资料,这两种资料对于模式的降水预报极为重要。采用T213-SSI业务系统,对全球NOAA16、17的ATOVS资料进行同化试验,分析了ATOVS资料在极端暴雨天气预报中的应用效果。对2007年7月7—9日发生在淮河流域的一次暴雨过程进行数值模拟研究,设计3种同化方案,对比分析了不同方案的同化模拟结果。试验表明:长期同化AMSU资料,可以改善降水预报,尤其是降水强度的改善明显。通过连续同化,卫星资料能改进大尺度环境场、温湿场和动力场。剔除AMSU-A地面通道及低层700 hPa通道资料的同化效果要优于全部同化,对于暴雨中心的模拟位置、强度有较明显改进,中高层形势场的降水直接影响系统也更加接近实况,温湿场、风场的调整作用尤其明显。     

HUBEX区域资料同化系统

介绍HUBEX区域资料同化系统。这个系统采用6 h周期的间歇资料同化方法, 利用全球粗网格分析场资料, 形成冷启动的初估场和同化模式的边界条件。系统还包括资料质量控制、σ面最优插值客观分析、张弛逼近 (Nudging) 初值化、中尺度同化模式预报和后处理等部分, 对来自全球通讯系统、HUBEX加密观测的资料和国家卫星气象中心的导风资料进行同化。最后, 用1998年6月24~28日长江流域的暴雨过程对这个资料同化系统进行测试。     

国家气象中心T63四维资料同化试验

文章简单地介绍了国家气象中心T63四维资料同化系统试验方案及试验的初步结果。试验结果表明，该系统计算稳定，是一个较好的同化方案;T63L16中期数值天气预报谱模式利用它提供的初始条件制作了7天全球预报，预报结果优于T42L9业务系统。     

基于NLS-4DVar方法的雷达资料同化及其在暴雨预报中的应用

在基于本征正交分解POD（Proper Orthogonal Decomposition）的集合四维变分同化方法（POD4DEnVar）建立的雷达资料同化系统（PRAS）的基础上,本文利用非线性最小二乘法的集合四维变分同化方法（NLS-4DVar）对PRAS进行改进,解决PRAS在高度非线性情况下的适应性问题,建立了新的雷达资料同化系统（NRAS）。通过观测系统模拟试验OSSEs（Observing System Simulation Experiments）和两次实际暴雨同化试验（2010年7月8日,中国中部地区;2014年3月30日,中国华南地区）对NRAS进行检验,并与PRAS的同化结果进行了对比。结果表明:无论是OSSEs还是实际雷达资料的同化,相对于PRAS,NRAS能够进一步提高同化效果。通过增加迭代的次数,NRAS能够有效地调整初始场的风场和水汽场,进一步提高了降水强度和位置的预报精度。但随着迭代次数的增加,对初始场的调整变小,进而对降水预报效果的改进也减小。试验结果表明NRAS能够有效解决PRAS在高度非线性情况下的应用问题,通过有限次数的迭代,即可得到近似收敛的结果。因而NRAS有望在数值预报中更有效地同化雷达资料,提高中小尺度天气的预报水平。     

探空观测资料在西南暴雨中的同化试验

利用探空观测资料、T213资料、NCEP再分析资料以及GRAPES三维变分同化系统,研究不同探空观测资料预处理过程对同化结果和西南暴雨预报的影响。得到以下主要结论:(1)资料接收方式和取资料的截断时间不同会影响可用探空观测资料的站点个数。不同探空观测资料预处理过程,使同化系统得到的可用资料数量不同。(2)同化系统同化的探空资料数量越多,对背景场调整幅度越大。(3)利用GRAPES 3D-VAR系统同化探空观测资料能够改善背景场质量,随着同化的资料条数增多,对背景场的改善作用越明显。(4)降水预报结果表明,同化系统使用的资料条数越多,降水中心强度越接近实况。(5)2005年7月降水预报在西南地区的TS评分结果表明,国家气象中心使用的探空观测资料预处理程序优于成都区域中心的预处理程序。      

地面观测资料地形高度订正对我国东部暴雨数值模拟的影响

采用中尺度气象模式 WRFv3.8.1(Weather Research and Forecasting Model)和 GSI 同化系统(Gridpoint Statistical Interpolation System),建立了一套循环同化系统,开展了一个月的地面观测资料、探空资料、雷达资料和卫星资料的同化试验....     

ATOVS辐射率资料的直接变分同化试验研究

文中采用增量三维变分 ( 3D Var)同化方法 ,对先进的微波探测装置 (AMSU A)探测的辐射亮温资料与常规探空资料在MM5中尺度数值预报模式中的直接同化和预报进行对比试验研究。结果表明 ,同化AMSU A辐射亮温资料对中高层温度分析场的影响最明显 ,对MM5模式的温度和水汽混合比预报有总体上的正效应 ,但对降水预报的改善作用不大     

中尺度模式的四维伴随同化系统及其同化试验

以中尺度模式MM4为基础，利用伴随码技术改进、完善了MM4伴随模式同化系统，并利用该系统进行了常规资料和非常规资料的伴随模式同化试验，例如加入了可降水量资料等。试验表明：在伴随模式同化系统中加入常规和非常规资料，可以改进初始场，从而改善预报场。     

区域资料四维同化试验

根据国家气象中心有限区分析预报系统的基本方案，设计一个以6小时为周期的间歇区域资料四维同化方案，对我国的两次暴雨过程进行两种不同粗细水平分辨率的资料四维同化和短期模式预报的试验。结果表明，由同化方案初值获得的短期预报明显好于LAFS方案的预报结果，高分辨率同化方案对预报的改进更明显。     

实时 Ｇ Ｐ Ｓ可降水量资料的变分同化个例研究

用实时GPS可降水量(Precipitable Water, PW)资料GPSPW,针对2007年7月2-3日发生在日本九州南部地区的一次梅雨锋降水过程,设计控制试验和4个同化试验,利用WRF和WRF-Var模式进行三维变分同化研究,并用ETS评分客观评价各方案的预报效果.结果表明:实时GPSPW同化能有效地改进模式初始时刻水汽场以及预报时间内(0～6 h)的PW.背景误差水平尺度调节系数的大小对水汽场的调整范围和PW的改进程度有一定影响.GPSPW的实时性能提高降水预报业务的实时性.