卫星微波观测资料在混合同化中的应用

利用美国环境预报中心(NCEP)的GSI(Gridpoint Statstical Interpolation)业务同化系统,采用三维变分同化方法(3DVAR)和三维变分混合同化方法(3DVAR-Ensemble),针对2013年5月8日发生在我国华南地区的一次强降水天气过程进行了数值模拟试验研究,设计了不同组试验方案,将常规观测资料和AMSU-A\MHS\ATMS辐射率亮温资料直接同化进入区域大气模式WRF中,对比分析不同同化试验方案对模式初始场及降水预报效果的影响。数值试验结果表明:从初始时刻的同化增量来看,各试验组均改变了初始场结构,但增量的大小和分布却不同。加入ATMS微波资料的分析增量要小于同化AMSU-A+MHS的;Hybrid同化方法使用具有"流依赖"的背景误差协方差在一定程度上减小了模拟区域周围的虚假增量,使初始场的分布更真实和合理。从降水模拟的强度和空间分布评估结果来看,使用Hybrid方法同化ATMS的资料可以比较准确预报出降水中心的位置。综合而言,采用Hybrid的方法同化ATMS的资料最优。     

数值天气预报中卫星资料同化应用现状和发展

卫星资料已大量应用于数值天气预报,占据了所用观测资料的主体并对数值天气预报效果的改善具有明显的作用。目前卫星资料的同化应用一方面在努力解决受地表辐射、云和降水影响的卫星观测资料的同化问题,以充分利用现有卫星资料并发挥其效能,同时发展适应伴随全球观测系统建立而带来大数量和多种类新类型卫星资料的同化应用。文章介绍了为满足卫星资料在数值天气预报中同化应用现状与发展而建立的两个卫星资料同化研究中心(JCSDA:Joint Center of Satellite Data Assimilation和NWP SAF:Satellite Applications Facility for Numerical Weather Prediction)的基本情况,并简要讨论我国数值天气预报中卫星资料同化应用。     

L波段分钟数据在WRF模式中的变分同化应用试验

为探讨蕴含气球漂移信息的高垂直分辨率L波段分钟探空数据在同化预报中的应用及影响,在初步讨论其基本特征的基础上,采用廓线和逐点两种同化方式,开展单站、降水个例及批量分钟探空同化试验,并与常规探空同化试验对比,得到以下主要结论:分钟数据可补充常规探空无法解析的垂直信息并提供气球漂移精确定位数据;同化分钟探空可有效增加观测在分析中的权重,使分析场更接近实况,逐点较廓线同化的结果差异主要在对流层上层;同化整个预报区域的分钟数据对模式的分析和预报性能有一定影响,漂移造成的风场同化差异在200 hPa及我国北方高空急流位置更明显;整体而言同化分钟数据可一定程度提升模式初始场(高层风场和低层水汽场)品质,主要改善对流层高空风和大量级降水预报性能.     

探空报在区域中尺度同化系统中的优化处理

通过对同化系统中常规探空观测资料分类、解码程序的优化,实现了常规探空天气报告全部要素的提取和解码,提高了常规探空天气报告的利用率。     

Satellite All-sky Infrared Radiance Assimilation: Recent Progress and Future Perspectives

Satellite infrared(IR)sounder and imager measurements have become one of the main sources of data used by data assimilation systems to generate initial conditions for numerical weather prediction(NWP)models and atmospheric analysis/reanalysis.This paper reviews the development of satellite IR data assimilation in NWP in recent years,especially the assimilation of all-sky satellite IR observations.The major challenges and future directions are outlined and discussed.     

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。     

Improvement in Background Error Covariances Using Ensemble Forecasts for Assimilation of High-Resolution Satellite Data

Satellite data obtained over synoptic data-sparse regions such as an ocean contribute toward improving the quality of the initial state of limited-area models. Background error covariances are crucial to the proper distribution of satellite-observed information in variational data assimilation. In the NMC (National Meteorological Center) method, background error covariances are underestimated over data-sparse regions such as an ocean because of small differences between different forecast times. Thus, it is necessary to reconstruct and tune the background error covariances so as to maximize the usefulness of the satellite data for the initial state of limited-area models, especially over an ocean where there is a lack of conventional data. In this study, we attempted to estimate background error covariances so as to provide adequate error statistics for data-sparse regions by using ensemble forecasts of optimal perturbations using bred vectors. The background error covariances estimated by the ensemble method reduced the overestimation of error amplitude obtained by the NMC method. By employing an appropriate horizontal length scale to exclude spurious correlations, the ensemble method produced better results than the NMC method in the assimilation of retrieved satellite data. Because the ensemble method distributes observed information over a limited local area, it would be more useful in the analysis of high-resolution satellite data. Accordingly, the performance of forecast models can be improved over the area where the satellite data are assimilated.     

Assimilation of Feng-Yun-3B Satellite Microwave Humidity Sounder Data over Land

The ECMWF has been assimilating Feng-Yun-3B(FY-3B) satellite microwave humidity sounder(MWHS) data over ocean in an operational forecasting system since 24 September 2014. It is more difficult, however, to assimilate microwave observations over land and sea ice than over the open ocean due to higher uncertainties in land surface temperature, surface emissivity and less effective cloud screening. We compare approaches in which the emissivity is retrieved dynamically from MWHS channel 1 [150 GHz(vertical polarization)] with the use of an evolving emissivity atlas from 89 GHz observations from the MWHS onboard NOAA and EUMETSAT satellites. The assimilation of the additional data over land improves the fit of short-range forecasts to other observations, notably ATMS(Advanced Technology Microwave Sounder) humidity channels, and the forecast impacts are mainly neutral to slightly positive over the first five days. The forecast impacts are better in boreal summer and the Southern Hemisphere. These results suggest that the techniques tested allow for effective assimilation of MWHS/FY-3B data over land.     

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.     

基于卫星资料同化和LAPS-WRF模式系统的云天太阳辐射数值模拟改进方法

太阳能光伏发电已成为仅次于水电和风能的第三大可再生能源,光伏发电受云量时空变化的影响较大,因此准确模拟云天太阳辐射的时空变化对电网安全运行至关重要。围绕如何减小中尺度气象模式的云初始场误差,进而改进云天的太阳辐射模拟这一关键科学问题,本文通过研究基于卫星资料同化的LAPS（Local Analysis Prediction System）多时间层三维云分析同化方法,改进三维云结构,并将LAPS模式输出结果作为WRF（Weather Research and Forecasting）模式的初始场,模拟了2008年1月及夏季（6～8月）北京地区的总云量和总辐射的时空分布,重点分析了多云和有降水天气过程总辐射的模拟改进效果及其原因。结果表明,同化前后的总云量模拟值与观测值的时间变化趋势基本一致,但大部分时次总云量的模拟值低于观测值;大部分多云及降水时段同化后总云量模拟值较接近于实测值。1月晴天、多云天以及夏季晴天同化前后总辐射模拟值与实测值的时间变化趋势较一致,但同化前后两者的相关性差异不明显;晴天条件下同化前后总辐射模拟值均低于实测值,1月多云条件下多数时段同化后总辐射模拟误差减小不明显,与总云量的改进效果不显著有关。夏季多云、有降水及6月典型降水三种天气条件下同化前后总辐射模拟值与观测值的相关性稍差,同化后两者的相关性较同化前有所改进,尤其是6月典型降水过程改进效果较明显;同化前总辐射模拟误差较大,而同化后误差显著减小,尤其是6月典型降水过程同化后均方根误差和平均相对误差较同化前分别减小了102.6 W m-2和355.9%,最大相对误差减小更显著;同化后总辐射模拟误差小于同化前的比例高达75%,即大部分时刻同化后模拟误差小于同化前。多云和有降水天气过程总辐射模拟效果的显著改进与总云量的改进密切相关,即同化后总云量模拟值增加,云的反射和散射作用增强,导致模拟总辐射减小,即更接近于实测总辐射值。研究结果对于多云和降水天气条件下太阳辐射的模拟效果改进、太阳能资源客观评估以及光伏电站的发电量预测具有一定的科学和实际应用价值。     

加密探空资料同化对一次降水预报能力改进研究

通过设计不同的试验方案,将加密探空资料同化到WRF模式中,对一次层状云系的降水过程进行了数值模拟.采用实时四维资料同化的方法,使得背景场和观测资料相协调,在一定程度上解决了模式的spin up问题.将温度同化到模式里,改变了模式原有的热力场,使得模式动力场随之改变,模式模拟的结果更接近实际观测.经过松弛(nudging)之后,得到的雷达回波、高度场、温度和实况很像,降水也要比不加探空资料的降水更接近实况.鉴于只有两个地方的探空资料,并不能覆盖整个模式区域,以及同化过程还需要改进,模式模拟的结果和实际观测之间还有一定的差异,有待更深入的研究.     

AMSU微波探测资料同化的质量控制方法概述

微波相比红外、可见光等卫星探测方式有能够穿透薄云的优点,同化微波探测资料能明显改进数值预报模式初始场。由于观测算子在云、降水粒子及性质复杂下垫面等因素影响下模拟辐射传输过程不准确,以及资料的观测误差较大等原因,实际同化应用时必须对微波探测资料加以认真筛选。为充分发挥探测资料作用并保证同化分析效果,在同化AMSU微波探测的研究中,很多机构和学者建立了散射指数、降水检测等质量控制方法,用来剔除观测算子不能准确模拟的观测。研究表明,资料同化过程中引入质量控制能起到改善同化效果,提高数值天气预报准确率的作用。但是,对于各种质量控制方法的原理和使用条件目前尚无完整的分析,使得各业务研究单位使用的质量控制方案差别较大。文章针对AMSU微波探测资料同化,在分析同化误差来源的基础上,总结了散射指数、降水概率、下垫面类型检测等质量控制方法,并简单讨论了质量控制的发展方向。     

气象卫星探测资料在数值天气预报中的应用

卫星遥感技术和其他非常规观测技术的发展和成熟，提供了大量的非实时、非完全、准连续的观测资料。与其他非常规观测资料相比，卫星观测资料具有水平分辨率高，观测面广阔，测量误差易于掌握等优点。分析和总结了目前卫星观测资料在数值天气预报模式中的应用情况，并对其未来发展做了一些有益的探讨。     

Characteristics of Fengyun-4A Satellite Atmospheric Motion Vectors and Their Impacts on Data Assimilation

The high observation efficiency, scanning speed and observation frequency of the Fengyun-4A(FY-4A) satellite indicates the progress of Chinese geostationary meteorological satellites. The characteristics of FY-4A atmospheric motion vectors(AMVs) derived from the high-level water vapor(WV-High) channel, mid-level water vapor(WV-Mid) channel,and infrared(IR) channel of FY-4A are analyzed, and their corresponding observation errors estimated. Then, the impacts of single-channel and multi-channel FY...     

卫星资料变分同化在一次中尺度强暴雨模拟中的应用

利用ATOVS资料和常规观测资料, 采用GRAPES 3D-Var同化系统和中尺度数值模式MM5设计了仅同化常规观测资料的NOATOVS试验和同化常规观测资料及ATOVS辐射率资料的ATOVS试验, 对2004年6月22—24日长江中下游和西南地区东部的特大暴雨进行了分析和模拟。结果表明:直接同化ATOVS辐射率资料获得的分析场可以有效改进对流层温、湿场分布, 对风场也有一定的影响。对比试验结果表明:ATOVS试验可以较好地模拟出暴雨天气形势、主要影响系统, 对降雨的落区、强度也有较好的反映, 模拟的局地暴雨强度与实际降雨量基本一致, 同化卫星资料的改善效果较为明显。即同化ATOVS资料对于改进中尺度局地暴雨过程模拟效果是可行的。     

集合卡尔曼滤波同化探空资料的数值试验

应用集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter;EnKF）方法,同化了2005年7月一次暴雨过程的探空观测资料,并用非静力中尺度模式MM5进行数值模拟试验。结果表明：在理想模式的假设下,即假设真实模拟和所产生的集合用的是同一个模式并有相同的初始误差,EnKF方法同化的分析结果较好。如果不运用EnKF方法同化探空观测资料,则集合预报结果和不加扰动的单个数值预报结果都没有EnKF方法同化过的好。     

Coupling Ensemble Kalman Filter with Four-dimensional Variational Data Assimilation

This study examines the performance of coupling the deterministic four-dimensional variational assimilation system (4DVAR) with an ensemble Kalman filter (EnKF) to produce a superior hybrid approach for data assimilation. The coupled assimilation scheme (E4DVAR) benefits from using the state-dependent uncertainty provided by EnKF while taking advantage of 4DVAR in preventing filter divergence: the 4DVAR analysis produces posterior maximum likelihood solutions through minimization of a cost function about which the ensemble perturbations are transformed, and the resulting ensemble analysis can be propagated forward both for the next assimilation cycle and as a basis for ensemble forecasting. The feasibility and effectiveness of this coupled approach are demonstrated in an idealized model with simulated observations. It is found that the E4DVAR is capable of outperforming both 4DVAR and the EnKF under both perfect- and imperfect-model scenarios. The performance of the coupled scheme is also less sensitive to either the ensemble size or the assimilation window length than those for standard EnKF or 4DVAR implementations.     

物理滤波初始化四维变分在临近预报中的应用

运用WRF模式(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)和WRFDA同化(WRF Data Assimilation,WRF资料同化)系统,探究采用物理滤波初始化四维变分同化方法提高数值预报在临近预报时效的预报能力的可能性。通过采用12 min同化窗,在不显著增加计算量的情况下,得到更协调的模式初始场,从而提高模式预报能力。选取2018年8月华北地区17个降水个例进行研究,结果表明:采用物理滤波初始化四维变分同化技术能够明显改进模式短时临近降水预报能力,明显提高对大量级降水预报的ETS评分,6 h累积降水大于25.0 mm量级的ETS评分由0.125提高到0.190,且6 h累积降水大于60.0 mm量级的ETS评分由0.016提高到0.081。研究还表明:同化雷达风场通过改进初始动力场使次网格尺度降水过程(积云参数化)快速响应,可提高短时临近时段的降水预报能力。     

在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究

资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一，受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中，弥补常规观测网时空分辨率的不足，成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28-29日发生在江淮流域的暴雨过程为例，依据其中尺度场和能量场特征，分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中，结果表明：经质量控制后，可以明显地改善降水区域及降水量的预报；对降水预报，特别是强降水天气过程的预报，该质量控制方案具有普遍意义。