东北地区春季首场透雨的变化特征及与青藏高原地面加热场强度的关系

利用1958—2012年4—5月东北地区(39°~55°N、118°~135°E)101个站点逐日降水资料、青藏高原地区(25°~40°N、73.75°~103.75°E)JRA-55的地面感热和潜热通量月平均再分析资料以及NCEP/NCAR-I大气环流场的月平均再分析资料,分析了春播期首场透雨出现日期的时空变化特征及其与透雨量和播种期降水量间的关系,以及对青藏高原地面加热场强度异常的响应及其可能机制。结果表明:透雨日期自1958年以来在东北地区的西北和东南大部分区域呈现略微偏晚的趋势;中部有略微偏早的趋势。春播期首场透雨出现时间偏早(晚)的地方,首场透雨量小(大),春播期总降水量多(少)。同时,4月青藏高原地面加热场强度增强(减弱),有利于(不利于)来自北方的冷空气和南方的暖湿气流在东北上空交汇,且上升气流增强(减弱),水汽输送充沛(减少),导致该地区春季首场透雨出现的时间偏早(晚)。     

边界强迫场订正的区域气候模式对2013年夏季中国东部极端高温预测的改进试验

使用NCEP再分析资料对国家气候中心全球海气耦合模式BCC_CM1.0的多年平均场进行订正,然后嵌套区域气候模式RegCM3,建立基于边界强迫场订正的区域气候模式系统。使用该系统进行28年夏季回报及2013年夏季业务预测,并与直接使用BCC_CM1.0模式与RegCM3模式嵌套的模式系统进行对比。结果表明,引入边界强迫场订正技术后,区域气候模式系统对多年平均夏季气温、降水回报能力有了显著提高,且回报的高温界限值分布更接近于观测。除对2013年夏季东北地区气温距平预测效果变差外模式系统对于2013年中国东部中部地区夏季气温距平异常偏高、夏季高温日数异常偏多等观测事实的预测性能有显著提高。区域气候模式系统回报的多年平均夏季西太平洋副热带高压与观测更为接近是其对2013年夏季极端高温事件预测能力提高的关键所在。     

变分同化框架通过背景误差协方差构建动力平衡约束的研究进展

通过背景误差协方差构建动力平衡约束是变分同化框架设计的重要环节。它不仅帮助实现变量间的协同分析,提高观测使用效率,还能改善变分极小化问题的性状。本文在系统梳理通过背景误差协方差引入动力平衡约束的方式、流程的基础上,对求解目前全球和有限区域变分同化系统普遍采用的准地转平衡和静力平衡约束的共性问题和存在的不足作了归纳总结。分析了求解准地转平衡约束的三类方案:动力平衡方程方案、统计方案和动力-统计相结合方案的优缺点。对照比较了不同垂直离散方案下求解静力平衡约束时遇到的欠定问题的表现以及解决途径。最后,展望了基于背景误差协方差构建动力平衡约束在赤道等特殊地区、高分辨率同化系统、以及集合-变分混合同化系统发展中面临的挑战和机遇。     

南海热带气旋迅速加强环境场因子的影响分析

使用中国气象局上海台风研究所整理的热带气旋最佳路径资料,对1979-2012年间南海海域热带气旋迅速加强的时空分布特征进行分析。结果表明,南海热带气旋迅速加强主要出现在夏秋两季,其中9月频数最高,空间分布主要集中在海南岛东南侧以及南海中部远离大陆的海域。基于ERA-Interim再分析资料,确定了一种环境因子的新阈值计算方法,计算出风垂直切变、高(低)层散度、低层垂直涡度、低层水汽通量散度、对流层中层相对湿度、海表面温度和海洋热含量8种环境场因子有利于迅速加强的阈值条件,结果表明风垂直切变、低层辐合、低层水汽辐合是影响迅速加强的主要因子。强台风以下级别的南海热带气旋级别越高迅速加强概率越大,迅速加强时满足阈值的因子个数也越多。除海洋热含量以外的7个因子中,满足阈值的因子个数为6个(热带风暴级别)或5个(强热带风暴级别、台风和强台风级别)时迅速加强概率最大。这些对提高南海热带气旋强度突变的预报有一定指导意义。     

北半球冬季亚澳振荡与亚澳地区气候的关系

再分析资料的EOF结果揭示出,冬季亚澳季风区对流层上层位势高度场存在着南北反相变化的振荡—亚澳振荡（AAD）,并定义亚澳振荡强度指数（AADI）。通过相关和合成分析,结果表明,冬季亚澳振荡与同期北半球冬季亚澳地区天气、气候之间存在显著相关。在年际尺度和年代际尺度上,AAD与同期北半球冬季亚澳地区气温、降水的异常显著相关,在年际信号上叠加年代际信号后,该指数与亚澳地区的气温和降水的相关更为显著。冬季亚澳振荡强年对应着同期冬季鄂霍次克海高压（阿留申低压）,东亚大槽和阿拉斯加脊以及极锋急流偏强;高低纬度之间的经向环流增强,副热带急流偏南偏强。这种关系本质上反映出了亚澳季风系统不仅是海陆温差的产物,也受到对流层上层温度南北差异的强迫。     

Hysplit后向轨迹对初始气象场水平及垂直分辨率的敏感性研究

本研究基于单质点拉格朗日集成轨迹模型（HYSPLIT）,对珠三角地区2012全年每三小时的后向轨迹进行了模拟。模拟采用了两套初始气象场来驱动HYSPLIT模型,其一为水平分辨率为0.5度的全球同化系统（GDAS）输出场,其二为水平分辨率为27公里的气象研究与预报模型（WRF）的输出场。结果显示,当用于驱动HYSPLIT来模拟后向轨迹时,GDAS数据的可靠性依赖于季节和天气条件。GDAS和WRF输出场得到的HYSPLIT后向轨迹的方向差异在冬季和春季珠三角盛行偏北及东北风场时为最大,而在秋季珠三角处在稳定系统控制下时为最小。大多数WRF输出场得到的后向轨迹的传输高度比GDAS得到的后向轨迹要高,这是由于更高的分辨率使得WRF输出场的边界层垂直运动更明显。在五种天气条件下,不同分辨率初始气象场得到的后向轨迹差别最大,分别为大陆高压,槽脊系统,鞍型场,热带气旋以及冷锋。案例分析的结果显示,绝大多数情况下,GDAS和WRF输出场得到的后向轨迹因传输高度不同导致了轨迹方向的差别,因此在模拟HYSPLIT后向轨迹时,初始气象场在垂直方向上的细节是一个尤为关键的要素。     

同化FY3B/IRAS资料对GRAPES分析场影响诊断

GRAPES(Globe and Regional Assimilation and Prediction System)变分系统能够同化常规资料和非常规卫星资料,这些被同化的资料究竟对同化系统得到的分析场有何影响,目前国内外尚未见相关的研究文献。为此,首次采用基于信息熵信号自由度思想,诊断风云三号B星(FY3B)红外分光计(Infrared Atmospheric Sounder,IRAS)资料对GRAPES分析场的影响。诊断过程中,采用数值逼近方法,统计2012年12月24日18时到2013年1月22日00时共114个时次IRAS资料对GRAPES分析场影响,结果表明,IRAS中高层通道亮温资料对GRAPES分析场影响比地表通道20观测亮温的影响大,地表通道8和9观测亮温对分析场影响较大。前24个GRAPES变分同化时次每个时次IRAS通道亮温对分析场影响的贡献率分析结果显示,高层通道和H_2O通道贡献率较大。个例分析结果表明,在同化探空资料基础上加入IRAS资料后,温度和湿度增量场变化幅度较大,表明IRAS资料对分析场有降温和增湿作用。     

多普勒雷达观测在北京7.21暴雨数值模拟中的三维变分同化研究

基于背景误差的特征长度理论,研究调整背景误差水平分辨率对多普勒雷达资料三维变分同化的影响。首先利用NMC方法针对暴雨落区统计不同水平分辨率的背景误差协方差,分析两种不同分辨率的背景误差的结构特征,研究水平分辨率对背景误差特征长度的影响。将其应用于雷达资料同化中,研究背景误差水平分辨率变化对雷达资料同化的影响。结果表明:背景误差水平分辨率由27 km提高到3 km时,在大气低层体现出更细致的动力场信息,其动力场水平特征长度按水平分辨率的二次根递减,而温度场与水汽场水平特征长度变化不明显。在将不同分辨率的背景误差用于三维变分同化时,更高分辨率的背景误差可以在分析场增量中体现更细致的中小尺度信息,能够明显改善雷达径向速度资料同化效果,并在随后的暴雨数值模拟中雨量及其分布形态更接近实况。     

部分变量误差模型的整体抗差最小二乘估计

部分变量误差模型(partial EIV model)的加权整体最小二乘(weighted total least-squares,WTLS)估计不具备抵御粗差的能力。鉴于粗差可能同时出现在观测值和系数矩阵中,本文在提出部分变量误差模型WTLS估计的两步迭代解法的基础上,运用抗差M估计的等价权方法,发展了一种整体抗差最小二乘(TRLS)估计方法,并采用一致最大功效统计量确定降权因子。针对WTLS估计两步迭代解法的特点,设计了两个不同的降权方案:第1个方案是在估计系数矩阵元素时,不对观测值降权,仅对系数矩阵降权;第2个方案是在估计系数矩阵元素时,既对系数矩阵降权,同时也对观测值降权。通过对模拟2D仿射变换和线性拟合实例进行计算和分析,结果表明第1方案优于第2方案,并且优于基于残差和验后单位权方差的抗差估计和现有的变量误差模型抗差估计。     

利用Abel-Poisson径向基函数模型化局部重力场

多种类型高分辨率重力场数据的不断增加,使得在局部范围内精化重力场模型成为了可能。本文采用Abel-Poisson核将重力场量表示成有限个径向基函数线性求和的形式,对局部区域的多种重力场数据进行联合建模。为了提高运算速度,运用了基于自适应精化格网算法的最小均方根误差准则(RMS)来求解径向基函数平均带宽。以南海核心地区为例,联合两种不同类型、不同分辨率的重力场资料(大地水准面起伏6'×6'、重力异常2'×2'),构建了局部区域高分辨率的重力场模型。所建模型表示的重力场参量达到了2'×2'的分辨率,对原始的重力异常数据(2'×2')拟合的符合程度达到±0.8×10-5m/s2。结果表明,利用径向基函数方法进行局部重力场建模,避免了球谐函数建模收敛慢的问题,有效提高了模型表示重力场的分辨率。