风廓线雷达资料质量控制及其同化应用

为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF) 分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)尺度的贡献,较好地滤除了小尺度高频脉动,也较好地保留了大尺度平均状态与局地中小尺度系统的共同影响,并且更加接近ECMWF再分析场。此外,还对质量控制后的数据进行了垂直稀疏化。分别计算了质量控制前、后风廓线雷达观测与NCEP 6 h预报场的差值,对比差值的特征发现,经过质量控制的数据的观测增量更好地满足了高斯分布与无偏假设。针对一个实际天气个例,基于GRAPES 3D-Var同化系统,分析了质量控制后的风廓线雷达资料对模式分析与预报的影响。试验表明,在循环同化过程中加入风廓线雷达资料可以更好地描述模式初始场低层风场的特征,从而对强降水的位置与强度做出更好的预报。针对2013年5月的批量试验表明,同化风廓线雷达资料使短期降水预报有明显的改善。     

上海“7·31”局地强对流快速更新同化数值模拟研究

利用雷达、自动气象站、飞机观测(AMDAR)和探空等多种观测资料,采用中尺度数值预报模式WRF和资料同化系统ADAS,对2011年7月31日上海局地强对流过程进行了快速更新同化数值试验。结果表明,数值试验模拟降水的发生时间、落区和随时间演变与实况基本一致,较好再现了海陆热力差异导致上海南北两支海陆风爆发、形成低层辐合线,在热岛效应的叠加下进一步增强,继而引发局地强对流的过程。快速更新同化技术可有效延长此次过程的预警时效,这为城市强对流业务预报提供了新的思路。     

C波段雷达在新疆区域数值预报系统中的应用初探

基于新疆区域数值预报系统（Desert Oasis Gobi Rapid Analysis Forecast System,下称DOGRAFS）,开展了同化C波段雷达资料对2010年10月6日发生在新疆的一次强降水过程预报结果影响的试验分析。其中设计包括不同化任何资料、同化常规资料、同化雷达反射率因子、同化雷达径向风、同时同化反射率因子和径向风五组试验,重点分析了雷达资料同化对此次天气过程降水、温度以及风速模拟效果的影响。结果表明：（1）同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子相对于其他三组试验,对降水预报的TS和ETs评分更高;（2）相对于其他三组试验,同化雷达径向风和同时同化径向风和反射率因子对模式垂直方向上的温度、风速预报偏差具有一定的改善效果;（3）对于地面2 m温度和10 m风速而言,同化常规观测资料比其他四组试验预报的平均偏差和均方根误差更小;其它四组试验误差相当,差别不明显,表明同化雷达对近地面层温度和风的影响不明显。本研究旨在探索C波段雷达观测资料在新疆区域数值预报系统中的适用性,为今后雷达观测资料在业务系统中的应用提供参考。     

土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。     

GPS掩星资料三维变分同化对台风模式预报的改进试验

本文尝试了GPSRO COSMIC资料在中尺度数值模式中的应用,利用COSMIC资料受云和降水影响较小,且有高数据精度、高垂直分辨率等优点,以改善模式初始场,进而提高预报准确度。模式采用中尺度气象模式WRF V3.0.1版本及其三维变分同化系统3DVAR,利用NCEP再分析资料、GTS资料和COSMIC资料对2009年第8号台风"莫拉克"登陆台湾岛前到登陆台湾岛的过程进行了模拟试验,并对温度、露点温度、对流有效位能等要素进行了诊断分析。试验结果表明:该项试验成功将COSMIC资料同化进模式,加深对"莫拉克"热力结构特征的了解,有效改善台风降水和路径预报,其中仅屏东县单点降水预报提高600 mm左右,24 h预报路径误差提高80 km以上。同时对提高台风强度预报起到积极作用。     

高分辨率快速循环同化预报系统在内蒙古地区汛期预报性能检验和评估

利用中国气象局制定的中短期天气预报质量检验办法,选择了内蒙古地区119个国家地面气象观测站和12个探空观测站,检验并分析了高分辨率快速循环同化预报系统24h内地面和高空要素预报性能。结果表明:该模式提供的0~24h要素预报有较高的准确性和可用性,降水、温度和探空要素预报在0~12h内一致性最好,模式预报性能随预报时效的延长有减弱趋势,但在业务中具有很好的参考价值。     

海洋生态模型中参数时空分布的反演研究

本文将伴随同化方法应用于海洋生态系统动力学模型。将一年平均分为72个过程,通过同化每一个过程研究区域(17°N-~45°N,173°E~142°W)内的SeaWiFS表层叶绿素数据,优化影响生态机制的5个关键参数Vm、Dz、e、Gm、Dp(简称KP),得到他们在研究区域内的时空分布。对于KP中的每一个参数,首先,分别将其在时间和空间上求平均,得到参数的空间分布场(KPS)和时间分布序列(KPT);其次,将KPS在空间上求平均,得到一个常数(KPC),并利用KPS、KPT和KPC表示出KP的另一种时空变化形式KPST,它减少了模拟过程中变量个数。结果表明,无论是空间分布还是时间分布,Vm、Dz和e具有相同的分布特征和变化趋势,相关系数可达0.99,Dp和Gm亦然,;而Vm、Dz和e的变化趋势与Dp和Gm的变化趋势呈负相关,相关系数可达-0.99。5个参数的变化趋势符合物理意义和生态机制。将模型中的参数分别按上述5种形式赋值,正向运行模式1年,结果表明,考虑参数时空分布的实验误差最小。说明在海洋生态系统动力学数值模拟中,与只考虑参数的空间分布或者只考虑参数的时间分布相比,考虑参数时空分布更合理,更具有物理意义且符合生态机制;伴随同化技术在优化时空变化的参数方面,是一种有效的,普遍适用的方法。     

Assimilating the LAI Data to the VEGAS Model Using the Local Ensemble Transform Kalman Filter: An Observing System Simulation Experiment

Information on the spatial and temporal pat- terns of surface carbon flux is crucial to understanding of source/sink mechanisms and projection of future atmospheric CO2 concentrations and climate. This study presents the construction and implementation of a terrestrial carbon cycle data assimilation system based on a dynamic vegetation and terrestrial carbon model Vegetation-Global-Atmosphere-Soil （VEGAS） with an advanced assimilation algorithm, the local ensemble transform Kalman filter （LETKF, hereafter LETKF-VEGAS）. An observing system simulation experiment （OSSE） framework was designed to evaluate the reliability of this system, and numerical experiments conducted by the OSSE using leaf area index （LAI） observations suggest that the LETKF -VEGAS can improve the estimations of leaf carbon pool and LAI significantly, with reduced root mean square errors and increased correlation coefficients with true values, as compared to a control run without assimilation. Furthermore, the LETKF-VEGAS has the potential to provide more accurate estimations of the net primary productivity （NPP） and carbon flux to atmosphere （CFta）.     

基于ROMS模式利用集合最优插值同化沿轨海表面高度异常数据的研究

The ensemble optimal interpolation （EnOI） is applied to the regional ocean modeling system （ROMS） with the ability to assimilate the along-track sea level anomaly （TSLA）. This system is tested with an eddy-resolving system of the South China Sea （SCS）. Background errors are derived from a running seasonal ensemble to account for the seasonal variability within the SCS. A fifth-order localization function with a 250 km localization radius is chosen to reduce the negative effects of sampling errors. The data assimilation system is tested from January 2004 to December 2006. The results show that the root mean square deviation （RMSD） of the sea level anomaly decreased from 10.57 to 6.70 cm, which represents a 36.6% reduction of error. The data assimilation reduces error for temperature within the upper 800 m and for salinity within the upper 200 m, although error degrades slightly at deeper depths. Surface currents are in better agreement with trajectories of surface drifters after data assimilation. The variance of sea level improves significantly in terms of both the amplitude and position of the strong and weak variance regions after assimilating TSLA. Results with AGE error （AGE） perform better than no AGE error （NoAGE） when considering the improvements of the temperature and the salinity. Furthermore, reasons for the extremely strong variability in the northern SCS in high resolution models are investigated. The results demonstrate that the strong variability of sea level in the high resolution model is caused by an extremely strong Kuroshio intrusion. Therefore, it is demonstrated that it is necessary to assimilate the TSLA in order to better simulate the SCS with high resolution models.     

探空观测黑名单检查在变分同化系统中的应用

针对探空观测资料使用造成的某些区域GRAPES分析场存在虚假的高、低压系统问题,该文通过对比全球探空资料的位势高度观测与NCEP分析场,统计站点中观测质量较差的时次出现频数,确定探空位势高度观测黑名单。研究表明:500 hPa在印度地区、北大西洋和南极洲附近的探空位势高度观测与NCEP分析场的均方根误差在30 gpm以上的站点较多,且位势高度观测不可靠观测比率为20%以上的站点主要集中这些区域,以上观测站均列入黑名单。文中在GRAPES全球三维变分分析场的质量控制中加入探空位势高度观测黑名单检查,通过6 h分析预报循环试验表明:探空位势高度观测黑名单检查能有效提高分析场质量,GRAPES位势高度分析场在南极洲附近和印度地区有所改善。