An Economical Approach to Four-dimensional Variational Data Assimilation

Four-dimensional variational data assimilation (4DVar) is one of the most promising methods to provide optimal analysis for numerical weather prediction (NWP). Five national NWP centers in the world have successfully applied 4DVar methods in their global NWPs, thanks to the increment method and adjoint technique. However, the application of 4DVar is still limited by the computer resources available at many NWP centers and research institutes. It is essential, therefore, to further reduce the computational cost of 4DVar. Here, an economical approach to implement 4DVar is proposed, using the technique of dimension-reduced projection (DRP), which is called ``DRP-4DVar." The proposed approach is based on dimension reduction using an ensemble of historical samples to define a subspace. It directly obtains an optimal solution in the reduced space by fitting observations with historical time series generated by the model to form consistent forecast states, and therefore does not require implementation of the adjoint of tangent linear approximation. To evaluate the performance of the DRP-4DVar on assimilating different types of mesoscale observations, some observing system simulation experiments are conducted using MM5 and a comparison is made between adjoint-based 4DVar and DRP-4DVar using a 6-hour assimilation window.     

云迹风在热带气旋路径数值预报中的应用研究

通过一系列四维变分同化试验对GMS5卫星资料反演的云迹风资料在西北太平洋热带气旋的初始化及路径数值预报中的作用进行研究,同化资料为中国国家卫星气象中心提供的GMS5水汽和红外云迹风资料,其中70%在400hPa以上,50%集中在200～300hPa。应用美国NCAR/PSU中尺度模式MM5及其四维变分同化系统,同化窗口为6h,对初始时刻和6h后的云迹风进行同化。同化前对云迹风资料进行了简单的类似ECMWF初值检验方法的质量控制。对2002年8个西北太平洋热带气旋共进行了22组试验。结果表明,采用四维变分同化技术同化云迹风对热带气旋路径预报有一定改善,12,24,36和48h预报的平均距离误差分别降低5%,12%,10%和7%,但同化云迹风的作用与初始气旋强度有关。选择初始中心海平面气压960hPa作为强、弱气旋的分类标准,则11个较强气旋平均路径误差12h减小了13%,12h以后的预报误差减小率维持在20%以上。而对于11个较弱气旋,平均路径误差反而略有增加,说明同化云迹风资料对不同初始强度的气旋作用也有所不同。其主要原因是由于强度较强的热带气旋往往具有较为深厚的垂直结构,因此受高层大气流场的影响更明显;同时,较弱热带气旋的云迹风观测相对稀少且凌乱,并且更容易受环境气流的影响,因此对于较弱的热带气旋,当模式变量与模式或变量之间在同化后不够协调的话,就会产生负效应。     

基于四维灾体模型的浙江省气象灾害损失年景评价

应用浙江省气象灾情统计年鉴资料,运用四维灾体评估模型,对浙江省的气象灾害损失进行科学评估。浙江省2003—2017年灾害损失年景评价分析结果显示,2004年和2005年为气象灾害损失明显偏重年景,进入2010年以来,2013年为年景最差年份;台风灾害损失在每年浙江省气象灾害损失年景评价中具有非常重要的作用,重大台风事件易造成气象灾害偏重或明显偏重的损失年景。评估结果表明,四维灾体模型下的气象灾害评估较为科学客观。     

滩涂数字地形模型的建模与应用

采用数字高程模型描述上海市滩涂地形,研究和设计了数字高程模型的数据结构,较好地解决了海量数据的存储、查询和检索问题,由此建立了多年的滩涂数字地形模型。在此基础上研究了滩涂地形分析方法,并在地理信息系统平台上开发了滩涂地形分析系统。试用结果表明,该系统数据结构合理、功能齐全、运行快速稳定,较好地满足了滩涂海塘管理工作的需要。     

基于单位四元数的空间后方交会解算

介绍四元数的概念及运算性质,提出基于单位四元数的空间后方交会解算方法并给出计算公式。该方法利用单位四元数表示旋转,根据最小二乘原理,通过矩阵运算先求出单位四元数解析解,再获取旋转矩阵,得到角元素值;最后求出撮站点的坐标。此法不需提供外方位元素初始值,并且推导过程中不涉及共线条件方程的线性化。通过算例证明方法的正确性与可靠性。     

青藏高原加热如何影响亚洲夏季的气候格局

从大气中的热力适应、局地尺度加热和大陆尺度加热的综合效应、高原地表的摩擦作用以及波动能源等不同角度,根据理论分析、资料诊断和数值模拟的结果,并通过与落基山和安第斯山的比较,回顾了青藏高原抬升加热影响亚洲气候格局的机理研究的近期进展.     

一种四维同化方法的试验研究

文章利用一个有限区模式对一种资料四维同化过程作了试验研究，以考察四维资料同化对模式的预报过程的作用。试验结果表明:四维资料同化可以为模式提供一组四维动力协调的积分初值。对由于资料或模式原因造成的积分开始时的高频振荡有很好的抑制作用，使模式的积分稳定性增强。      

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。     

春秋季四溴双酚A在渤、黄海的分布及生物富集

针对四溴双酚A(TBBPA)作为常用溴代阻燃剂是持久性有机污染物(POPs)的一种,其在塑料制品、纺织品和各类树脂等一些高分子聚合物中广泛应用的同时,在水体与水生生物中含量不断升高,本文于2018年春季和2019年秋季在渤、黄海采集样本,测定水体中和浮游动物体内TBBPA的含量,研究TBBPA在渤、黄海海域的分布特征和...     

东营凹陷北部斜坡带沙三-四段砂砾岩体与油气聚集

东营凹陷是渤海湾含油气区中最重要的含油气凹陷之一,其北部紧邻青坨子凸起、陈家庄凸起和滨县凸起为一狭长的陡坡带--北部斜坡带.它北靠盆地边缘凸起,南临盆地内生油洼陷.该斜坡带是在早第三纪早期,陈家庄凸起构造抬升过程中形成的,沙三-四时期,在坡角处沉积了很厚的碎屑沉积物,成为后来油气聚集的重要场所.研究结果表明,该地区沙三-四段沉积的层序地层格架包括三个层序,八个准层序组和十八个准层序;其中分布冲积扇,近岸水下扇和扇三角洲三种成因的砂砾岩体,后两者是主要的储油扇体;其油藏类型主要有背斜型、上倾尖灭、断块型、岩性透镜体及地层型五种.