有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅰ——方案设计与理想试验

云对红外辐射传输过程有十分重要的影响,在资料同化过程中考虑云的作用,不仅可以改进大气参数的同化效果,还可以利用红外资料调整部分云参数,减小云参数的初始误差。在GRAPES-3DVAR（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统）基础上,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,针对晴空、部分有云和完全有云等环境对MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即中分辨成像光谱仪）的16个气象通道亮温进行了同化理想试验,结果表明当背景场模拟的亮温低于观测亮温时,分析场通过增温、减湿、减少云水含量、云冰水含量、云量可以达到升高模拟亮温的目的;反之可以降低模拟亮温;晴空环境下对温度、比湿的调整符合MODIS仪器的设计特点;有云环境下对云层以下的影响减弱。理想试验证实了在红外辐射资料同化过程中将云参数和大气参数同时作为同化系统控制变量,可以利用红外资料调整云参数和常规气象要素场,提高资料的利用率。     

ATOVS资料的变分同化对一次暴雨过程预报的影响分析

利用ATOVS卫星辐射率资料和T213资料,采用GRAPES 3D-Var同化系统和中尺度暴雨数值模式AREM设计了直接用T213做初始场的控制试验和以T213做背景场直接同化ATOVS辐射率资料的同化试验,对2005年7月9—10日发生在湖北西部-河南南部的一次大暴雨过程进行了数值模拟分析。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料获得的分析场可有效改进温度场和湿度场的分布,尤其是对海上、高原等地的改进明显。对比试验结果表明,同化试验较控制试验可更好地模拟出暴雨的天气形势、主要影响系统,对降雨的落区、强度、暴雨发生时段有更好的反映。     

多普勒雷达资料同化对暴雨预报的影响

诊断分析了2007年8月8日陕西中南部一次突发性大暴雨过程,利用WRFV3.4数值预报模式及WRF-3DVAR变分同化系统,采用直接同化西安C波段多普勒雷达资料的方法,设计了4组试验方案。结果表明,多普勒雷达资料同化能有效改进WRF数值模式性能,不同的同化方案对模式初始场及预报场有不同的改进,同化反射率对初始水汽场的改变较为显著,而同化径向速度对初始风场的改变更为明显。在加入雷达资料同化后模式系统对中小尺度天气系统特征的模拟效果提高,风场的辐合特征更为明显,水汽也有显著增强,降水强度和中心跟实况更为接近。     

云迹风资料同化对暴雨预报影响的数值模拟

文中运用MM5对 1998年 6月 13～ 14日长江中下游一次暴雨强降水进行了数值模拟及云迹风资料同化试验研究。结果表明 ,云迹风资料同化能有效地改善高空风场质量 ,修正控制试验中模式高空风场对中纬度高空西风急流前沿西风强度的描述 ,使得模拟的暴雨强度与实际降水分布更加接近。分析认为在暴雨预报业务和科研中 ,云迹风资料的使用可有效地改善高空风场分布 ,对提高降水预报质量是一个有效途径 ,值得进一步尝试     

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。     

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。     

闪电资料同化对河南郑州“7.20”特大暴雨预报的影响

研究了闪电资料同化对2021年7月20日河南郑州特大暴雨短临预报的影响。利用天气研究与预报（WRF）模式的三维变分（3DVAR）数据同化系统（WRFDA）,开展了两组循环同化试验：（1）同化地面和探空常规观测资料（包括风速、风向、温度和气压）的试验（CONV）;（2）同化常规观测资料和由闪电资料反演的伪相对湿度的试验（LGDA）,并与无资料同化的试验（NoDA）进行对比。结果表明,CONV的分析场和NoDA都未能模拟出强对流系统的回波结构,但由于LGDA增加了对整层大气的湿度场的调整,其分析场在闪电发生位置处的水凝物增量较大,相对湿度和反射率的分布情况与中国全球大气再分析资料（CRA）及雷达反射率观测值最接近。降水预报方面,LGDA显著提高了大暴雨雨带（6 h累积降水量≥50 mm）和强降水中心（6 h累积降水量≥200 mm）位置和强度的预报效果,对本次强降水过程的预报起到了积极作用,尤其是对前3 h的降水预报。     

基于卫星亮温资料同化对2009年热带风暴“浪卡”的数值研究

本文利用三维变分同化系统（WRFDA）,设计了4个同化试验方案,将ATOVS卫星亮温资料直接同化到中尺度数值模式（WRF）中,研究同化ATOVS不同卫星亮温资料对2009年04号热带风暴“浪卡”数值模拟的影响。结果表明,直接同化卫星亮温资料能够改善初始场结构（大气流场、温度场）,尤其是对西太平洋反气旋系统,进而提高对热带气旋路径的模拟精度。同化不同类型的ATOVS卫星亮温资料对于热带气旋的移动路径有着不同程度的改善,其中以HIRS3和HIRS4资料同化对热带气旋移动路径改善效果最好。     

卫星亮温资料四维同化方案及其对"7·20"武汉特大暴雨的模拟试验

作者首次把与云参数相关的云顶亮温(TBB)资料直接用于中尺度模式MM5V2的牛顿张驰逼近(nudging)四维同化过程,提出了一种通过分析场的nudging四维同化来确定云顶高度的方法,并利用1 h间隔的TBB-nudging方案成功地模拟了"7@20"武汉大暴雨过程.TBB-nudging试验的模拟结果表明对流层低层中尺度低涡和低空西南急流是"7@20"大暴雨的主要影响系统,这预示着把卫星遥感资料(例如TBB等)用于中尺度模式的同化过程有可能提高中尺度暴雨的预报能力.     

雷达资料同化对暴雨预报影响的数值模拟研究

以CAPS研发的最新版ARPS模式为基础,利用其数据同化系统ADAS对南京多普勒雷达资料进行同化,模拟2009年6月5日江苏地区的一次暴雨过程,进行了不同的微物理方案设计以及何时同化雷达资料的敏感性实验研究。研究发现:(1)格距较小且不使用积云对流参数化的情况下,选择warm rain或Schultz微物理过程的模拟结果差别不大,且与实况较为相符,但选择ice微物理方案时,会造成1 h内的降水量突增百倍;(2)在参数一致的情况下,模拟研究时段前3、2、1 h分别同化,可以得到部分主要降水区域;但同化预报的时间越短,降水模拟的中尺度信息越明显,对降水量的控制也越好;(3)依据以上结论,在暴雨发生最初的1 h内进行每6 min一次的时间循环同化,然后积分2 h,可以得到较为精细的云内气象要素场分布,预报的结果与实况最接近。     

台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验

利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风"莫拉克"导致的台湾南部2009年8月8—9日特大暴雨过程进行数值预报。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征。对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者。在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著。连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近。     

AMSU资料变分同化及在暴雨数值模拟中的应用研究

在中尺度数值模拟中,利用中国气象科学研究院数值天气预报创新基地开发的GRAPES三维变分同化系统,对AMSU-A/B微波遥感资料进行了同化试验,研究了这种资料在我国夏季暴雨数值预报中的作用。以2003年7月4日的一次暴雨过程为例,分析了同化结果及模拟结果,结果表明:(1)单独同化AMSU-A资料主要改进了初始温度场,而单独同化AMSU-B资料主要改进了初始湿度场;(2)无论是同化AMSU-A资料还是同化AMSU-B资料,对暴雨预报都有一定的改进作用,但是同化AMSU-B资料的改进作用更明显;(3)同时同化AMSU-A/B资料比只使用其中一种资料的模拟效果好,可以更好地改进模拟的暴雨落区及强度,使结果与实况更加接近。使用AMSU资料,对我国夏季暴雨数值预报有改进作用。     

逐时云迹风资料同化对暴雨预报的模拟试验

文中基于不同的云迹风同化方案,用GRAPES模式对2005年7月11—12日长江中下游一次暴雨强降水过程进行了云迹风资料同化试验及数值模拟,通过对比分析不同方案所得的分析场及预报场的差异,研究逐时云迹风资料三维变分同化对分析场及暴雨预报的影响。首先,根据连续性原理及双通道各层次云迹风资料的误差分析,分3个步骤对7月11日00：00—12：00 UTC共12个时次的双通道云迹风资料进行了初步的质量控制;然后,把经过质量控制的云迹风资料放入基于GRAPES 3D VAR三维变分同化方案开发的逐小时循环同化系统中进行同化,将得出的分析场与单一时次未经质量控制的云迹风资料同化得出的分析场进行对比,探讨了逐时云迹风资料同化对数值预报分析场的影响;最后,把同化后的分析场作为初始场,用 GRAPES模式对 2005年7月11—12日长江流域暴雨过程做24 h降水预报试验,分析两个同化方案所模拟得到的预报场的差异。结果表明,经资料的筛选、同经纬度单点通道的选择及资料的稀疏化3个步骤控制后,各层次云迹风资料的误差有明显减小;加入经质量控制的逐时云迹风资料其三维变分同化可以提高分析场中风压场及水汽场的质量;而且在暴雨预报试验中可以相对更准确地预报暴雨落区及雨强。     

四维变分同化方法在暴雨预报中的应用

本文利用PSU/NCAR的MM5数值预报模式及其伴随模式,以我国1999年6月23日~6月24日的一次梅雨锋暴雨过程为个例,作了两组试验:控制试验和同化试验,并对两组试验的降水预报效果以及初始场进行对比分析,结果表明:四维变分资料同化方法可以将各种不同类型、不同时次的观测资料同化到模式中,将这些资料中有用的中尺度信息引入到模式初始场,有效改善初始场,从而提高暴雨预报水平。     

雷达资料的3DVAR和EnSRF直接同化方法对一次暴雨预报的影响分析

利用合肥站雷达资料和NCEP再分析资料,采用WRF模式、WRF-3DVAR和WRF-En SRF同化系统设计了直接同化雷达径向风和反射率的试验,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟分析。结果表明:(1)同化雷达径向风资料可以增加暴雨区低层的扰动,增强对流运动,同时可以减少模拟的过量降水;(2)3DVAR同化方法对水平风场调整明显,同化反射率改进了模式中的微物理量和动力场,同时同化径向风和反射率可以更好地调整风场,改善模拟雷达回波带的强度和位置;(3)En SRF同化方法可以将更多小尺度的风场信息同化进入模式,单独同化反射率可以较准确预报出降水中心,同时同化径向风和反射率可以改进模拟雷达回波带的位置;(4)使用3DVAR和En SRF同化雷达径向风和反射率可以提高降水预报,改善雨带的范围,对降水中心位置和强度的预报也有改进。     

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.     

资料同化对一次华南暴雨影响的数值试验研究

针对一次华南暴雨过程,采用WRF区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验.利用WRF-3DVAR同化系统同化了常规探空和地面观测资料,分析了两种资料对初值场的影响,以及对降水和各物理量预报效果的影响.结果表明:同化能改进初始场,并可改进暴雨落区和强度预报;同化可提高WRF模式对风场、温度场、高度场以及水汽场的预报能力.但有一定的时效性;同时同化探空和地面资料,比仅同化探空资料对大气低层物理量的预报能力要提高较多.     

云迹风资料的三维变分同化及对台风预报的影响试验

主要研究云迹风资料对三维变分同化分析场及台风预报的影响。首先分析了不同通道和层次的静止气象卫星云迹风产品的误差特征；然后，把云迹风资料放到GRAPES三维变分同化系统中进行同化，通过将不同观测类型资料的同化结果进行对比，探讨了红外通道和水汽通道云迹风资料对数值预报分析场的影响；最后，把同化后的分析场作为初始场，用WRF模式对2002年“森拉克”台风做24小时预报实验。结果表明，不同通道和层次的云迹风资料具有不同的误差特征；云迹风资料可以提高分析场和预报场中风压场的质量；而且在台风预报试验中可以更准确地预报台风的路径和降水。     

ATOVS资料同化方案对暴雨模拟效果的影响

本文利用WRF 模式及其3DVar 同化系统,以2009 年6 月29 日00 时到30 日00 时的湖北鹤峰暴雨为研究个例,对ATOVS 探测器的AMSU-A、AMSU-B 和HIRS 三类资料进行了不同的同化方案试验。结果表明:同化ATOVS 三类资料对暴雨模拟的影响不同,HIRS 资料对暴雨模拟效果改进最大,AMSU-B 次之,AMSU-A 最小。同时同化ATOVS 三类资料时,AMSU-A 资料起主要作用,其同化效果与同时同化ATOVS 三类资料相近,优化组合同化AMSU-B 和HIRS 资料的效果最好。同化ATOVS 不同资料对初始要素场的影响不同,AMSU-A 资料主要影响大气温度场,AMSU-B 资料对中高空要素场的影响较大,HIRS 资料对低空湿度场及风场的协同改变最有利于降水模拟的改善。同时ATOVS 资料的稀疏分辨率也是影响同化效果的一个因子,在模式分辨率不变时,同化资料稀疏分辨率可能存在最佳选择。     

葵花8号辐射率资料同化在一次川渝暴雨预报中的应用研究

新一代静止气象卫星葵花8号(Himawari-8)上搭载的静止轨道成像仪AHI (Advanced Himawari Imager)凭借其高时空分辨率可以对重庆地区暴雨进行连续观测。本文选取2019年4月19日的一次区域性暴雨天气过程为试验个例,采用WRF (Weather Research and Forecasting)中尺度模式进行数值模拟。基于WRFDA (Weather Research and Forecasting model Data Assimilation)同化系统对葵花8号静止气象卫星的AHI辐射率资料进行相应的质量控制和云检测,进而开展循环同化试验,考察卫星资料同化对这次强对流天气过程预报结果的改进。结果表明在同化AHI红外辐射率资料之后,辐射传输模式模拟的亮温和观测亮温更为接近。此外,AHI水汽通道辐射率资料同化有效提高了对各层高度上的风场、水汽场、雷达回波等要素特征的分析效果,并且使模式的初始条件更逼近真实的大气状态。研究发现同化AHI水汽通道辐射率资料后模拟的降水整体分布与实际情况更为接近,主要雨带位置以及强降水中心的精确程度显著高于背景场的预报效果。经过...