臭氧卫星观测资料同化系统构建及其试验研究

为检验臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场的影响,基于集合平方根滤波(ENSRF)理论,结合通用地球系统模式(CESM),构建了CESM-ENSRF同化预报系统。系统构建过程考虑了卡尔曼滤波同化中的关键问题:利用全场随机扰动对初始场加扰,结合一般协方差膨胀和松弛协方差膨胀方法实现协方差膨胀,使用五阶距离相关函数进行协方差局地化。将构建的系统用于微波临边探测器(MLS)臭氧廓线数据的同化,分析臭氧卫星资料同化对模式预报的影响。结果表明:构建的CESM-ENSRF同化系统有效实现了臭氧资料同化,臭氧卫星资料同化对臭氧分析场和预报场精度有较大改进。     

基于卫星辐射率资料的两种三维云反演方法对比研究

基于格点统计插值分析系统（Gridpoint Statistical Interpolation analysis system,简称GSI）,利用粒子滤波（Particle Filter,简称PF）方法对卫星红外辐射率资料进行了云覆盖、云高等三维云图产品的反演研究。选取了具有高时空分辨率的静止卫星GOES（Geostationary Operational Environmental Satellites）-Imager辐射率资料进行了云反演试验,初步评估了PF云反演方法的可行性及其与多元极小残差（Multivariate and Minimum Residual,简称MMR）云反演方法的异同。结果表明:两种方法反演得到的云覆盖和云顶气压与NASA基于CO₂切片法反演得到的GOES云产品一致性较高。PF和MMR方法反演产品的优点是云图信息是三维分布的,相对于NASA提供的GOES云产品能提供更全方位立体的云信息。MMR方法需要利用一维变分逐步拟合观测来反演三维云图产品;PF方法采用不同模式垂直层的云覆盖比例作为不同粒子来近似后验概率分布,计算效率大大提高。进一步提出了一种新的基于“扰动粒子”的粒子滤波云反演方法,结果表明:在滤波过程中采用足够多的粒子样本（样本数量约为250）可以改进后验概率密度函数的估计,有效地避免了粒子发散问题,改善了云反演的结果。     

长江中下游夏季极端降水指数的变化特征

利用长江中下游地区66个气象站逐日降水资料,通过经验正交函数分解分析中雨以上日数极端降水指数及形成的原因。结果表明:长江中下游中雨以上日数主要表现为全区一致型、南北反向型,且两种分布形势均存在准2 a周期的年际变化和年代际变化;中雨以上日数在1990s开始显著增长,2000s以来,长江以北地区偏多,长江以南地区偏少;2000—2011年,我国东部经向上仍旧存在"反气旋—气旋"水汽输送异常,蒙古高原反气旋型水汽输送加强,引起雨带停滞在长江以北,造成长江以南地区中雨以上日数偏少。     

WRF-EnSRF卫星资料同化模块的构建研究

为加强国内卫星资料在同化系统中的应用,在自主构建的新一代WRF-EnSRF同化系统中,采用RTTOV辐射传输模式作为观测算子,并建立卫星资料读取、偏差订正及质量控制等子模块,构建出WRF-EnSRF卫星资料同化系统.运用该同化系统,同时同化NOAA-16的AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料,进行华南暴雨过程的卫星资料同化数值模拟试验.试验结果表明:偏差订正后亮温资料拟合结果基本位于主对角线上,偏差有所降低.从TS评分看,同化试验对中雨及大雨部分的降水落区以及暴雨级别以上的降水强度的模拟效果有改善.试验证明,建立的卫星同化系统是可运行的.     

全球海气耦合模式系统(NIM/COAMS)Ⅰ.一种新的再分析同步耦合方案

利用NCAR CCM2十八层全球大气环流谱模式和IAP／LASG OGCM二十层全球大洋环流模式，设计了一个通量场再分析同步耦合方案FRAC（Flux Re—Analysis Coupling scheme），建立了全球海气耦合模式系统（NIM／COAMS）。利用EOF理论消除分量模式通量在海气非线性相互作用过程中产生的高频振荡，保留模式通量场的主要成分．使模式误差不致被迅速放大。模拟结果表明，积分前10a全球平均海表温度仅上升0．1℃，全球平均表面温度仅上升0．3℃，以后基本保持不变，模式没有出现明显的气候漂移，50a积分显示，模式对气候态的模拟与观测基本一致，部分结果优于未耦合模式。     

卫星辐射率资料EnSRF同化及暴雨模拟应用

基于自主构建的WRF—EnSRF（Weather Researchand Forecasting—Ensemble Square—Root Filter）同化系统,同化了ATOVS（Advanced TIROS Operational Vertical Sounder）辐射率资料,以检验该系统同化卫星资料的能力及其在暴雨过程模拟中的效能。对2008年6月6—7日广东地区一次大暴雨过程进行了同化及数值模拟试验,结果表明,同化ATOVS辐射率资料得到的分析场,丰富了对流层高层的大气温度和对流层中低层的大气湿度信息,对风场也有一定的改进。控制试验和同化试验都较好地模拟出了降水的主要落区和发生时段,但控制试验对暴雨、大暴雨的雨区和雨强的模拟效果欠佳;相比而言,同化试验对强降水中心的位置、范围的模拟均有更好的反映,模拟的暴雨强度也与实际降水量级基本一致,同化改进效果明显。     

太行山地形在“7·19”华北持续性低涡暴雨中的作用北大核心

本文对2016年“7·19”华北特大暴雨进行观测分析和数值模拟,并设置了改变地形高度的敏感性试验,以探究该过程降水系统的发生发展机制以及太行山地形的作用。结果表明:(1)本次强降水过程发生在“东高西低”的有利环流形势下,受太行山地形和平原环流系统影响,低层东风急流造成强的对流性降水和低涡作用的叠置造成“7·19”华北地区持续性暴雨的维持和加强;(2)第一阶段为对流性降水,太行山东麓大气对流不稳定能量释放,大气逐渐转为稳定层结;第二阶段为低涡降水,涡度收支分析表明水平散度项和扭转项对低涡维持和发展起到了主要的正贡献,同时伴随有较强的上升运动和垂直风切变,垂直风切变的增强促使水平涡度向垂直涡度转变;(3)太行山地形在持续性暴雨中对两阶段降水、低涡和水汽的作用存在差异。地形高度敏感性试验中,地形高度增高对低层气流的阻挡和强迫抬升作用增强,使得地形降水增强,低涡路径东移,且强度增大。水平散度项使得对流层低层辐合上升运动增强,造成涡度的垂直输送,这是低涡发展和维持的重要原因之一。太行山地形阻挡截留东部平原水汽,且水汽回流加强,有利于太行山东麓水汽的输送与辐合。     

红外高光谱IASI卫星资料同化对一次大风过程的影响研究

以2019年4月24日发生在辽宁省的一次大风天气过程为例,选取GFS(全球预报系统) 0.25°×0.25°再分析资料,基于WRF模式三维变分同化技术,进行一组IASI资料同化试验,和未同化任何资料的控制试验(CTNL)。通过对比两组试验结果考察IASI资料同化改进数值模式初始场的分析及其后续预报的机制。研究结果表明：经过IASI资料同化的模拟结果质量有很大改善,分析场与背景场相比更靠近观测场；经过云检测之后不同通道使用的观测数目多少不一,资料同化对模拟的改善效果在通道0~800最佳；IASI资料同化对地表10 m风场的预报技巧有显著的提高作用,相比控制试验可以更精准地预报大风天气的区域和强度；IASI同化试验的预报质量高于控制试验且随时间比较稳定。     

2018年7月5日江淮暴雨发生发展机制的模拟及诊断北大核心

利用WRF中尺度模式对2018年7月5日江淮地区一次局地暴雨过程进行模拟,拟通过真实模拟降水过程降水落区、强度及大值中心等,深入分析此次暴雨及其中尺度系统的发生、发展机制。结果表明:高低空急流耦合、低层辐合高层辐散加之整层正涡管产生探至对流层顶的强烈上升运动为强降水及落区飑线系统的发生发展提供有利的动力条件;显著湿区、西南水汽输送与汇聚提供了充沛的水汽条件;假相当位温等温线在暴雨落区的密集分布提供了热力条件。湿位涡分析中,淮河流域的湿位涡正压部分(MPV1)低层负值、中层正值的形势使低层不稳定能量持续积蓄。湿位涡分析展现了本次江淮暴雨的特殊性:一是不稳定能量积蓄位置较低,二是对流系统发展区的东西两侧均处于相反值区域,在不稳定能量受到两侧稳定能量夹击时,系统发展剧烈,但趋于稳定的时间变快,使系统留存时间缩短;同时由于这样的牵制,系统移动较为缓慢,导致降水中心停留在苏皖一带,解释了本次江淮暴雨来势迅猛、降水集中的原因。