基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,Nested Air Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况.模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论; 在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据; 利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大; 发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟; 研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律.在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究.系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报.未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统.     

非高斯分布观测误差资料的变分质量控制对暴雨预报的影响

观测资料的质量控制直接影响数值预报资料同化的分析质量。本文针对GRAPES区域同化和预报的三维变分资料同化系统,发展了基于观测误差为"高斯分布+均匀分布"模型的变分质量控制方案,讨论了该方案的初始启动和关键参数,并检验分析了其适用性与有效性。同时,以全球预报系统(GFS)资料作为背景场,利用探空、地面、船舶、飞机、云迹风等常规观测资料和COSMIC卫星反演资料进行同化和预报,分析了华南地区特大暴雨的个例试验和2013年8月共31 d的批量试验。试验结果表明:变分质量控制能够依据观测资料的不同质量对观测权重进行合理调整,对位势高度、气压、风、比湿的分析增量场和分析场改善显著,尤其在强降水区具有更加明显的效果;对降水落区、降水强度及中心位置的预报质量具有较好的提高,特别对暴雨、大暴雨等较大降水量级的预报能力反映出更好的改善效果,充分显示了变分质量控制在中小尺度剧烈天气过程中对同化分析和预报的重要作用。     

多普勒雷达基本观测量直接同化对模式物理量场的影响

在GRAPES一3DVar雷达同化模块的基础上,建立了多普勒径向速度和基本反射率因子的直接同化观测算子,实现了雷达反射率因子和径向速度的直接同化,并对2007年7月3日的江淮梅雨进行了模拟试验。结果表明,多普勒径向速度的直接同化的主要影响表现在风场上,能够改善几乎整个三维风场分析,在雷达影响半径范围内,风场明显得到加强,影响当时天气的系统及其高低层配置被合理模拟,但对湿度场影响甚微。雨水混合比的直接同化的主要影响表现在湿度场上,改进了模式对湿度场的模拟,对降水的影响十分显著,有利于准确模拟降水的发展和维持,减小了Spin—up现象;其亦可使整个风场微弱增强,但影响甚微。     

TRMM降水率资料的三维变分同化及其对"杜鹃"(0313)台风预报的改进

在GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System, 全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统的基础上, 用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子, 来同化TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission, 热带降水监测计划)卫星反演的降水率资料.单点试验表明该方案通过调整背景场的水汽辐合和辐散的垂直结构, 使得同化后观测算子计算的降水率更接近实况.对台风 "杜鹃" (0313)的同     

超强不稳定和弱切变环境下一次飑线过程的雷达资料同化与分析

利用中尺度模式WRF及其3DVar同化系统,对武汉附近多普勒雷达资料进行循环同化,并结合NCEP FNL分析资料、自动站降水资料、雷达回波和探空资料,对2011年7月26日发生在湖北的一次飑线过程进行环境条件分析和同化研究。探空显示:此次飑线发生在超强不稳定和弱的风垂直切变环境中。雷达回波表明:系统内存在东北-西南向和西北-东南向的两条回波带,前一条为飑线主体,在发展和成熟过程中缓慢移动;后一条的西北段快速减弱,而东南段逐渐与前一条合并。利用同化雷达资料后的模式预报场诊断分析表明:初期,虽然动力抬升条件不利于单体的新生和发展,但强不稳定能量却为其提供了强热力抬升条件;在发展期,低层风垂直切变和冷池虽然向有利于飑线发展的方向演变,但强度仍然较弱,而不稳定能量仍起主要作用,飑线是在不断增强的动力抬升和强热力抬升共同作用下逐渐成熟;后期,环境中不稳定能量大减,冷池强度也明显强于低层风垂直切变,动力和热力条件均不利于飑线进一步维持,飑线衰亡。     

基于优化样本组合的集合-变分混合同化方案研究

为有效引入“流依赖”的背景场误差协方差,同时降低集合预报带来的计算量,尝试通过优选与同化时刻天气形势更相似的历史预报样本,并结合预报过程中的时间滞后样本,将两种样本引入集合-变分混合同化系统中,构建基于优选历史预报样本和时间滞后样本的集合-变分混合同化方案。单点观测理想试验表明,优选历史预报样本结合时间滞后样本,既能够缓解样本不足所导致的采样误差,又能够为同化系统提供“流依赖”的背景场误差协方差。连续一周的循环同化及预报试验结果显示,相较于ERA5资料和探空资料,三维变分方案整体表现稍差,样本组合混合同化方案分析场和预报场的均方根误差最小,且比仅用时间滞后样本的混合同化方案有所改进;降水评分整体也表现最优,尤其对中雨和暴雨的模拟改进较明显,较好地模拟出了强降水中心的强度和位置,且改善了降水过报的问题。      

同化IASI资料对台风“红霞”和“莫兰蒂”预报的影响研究

红外高光谱大气探测仪IASI可提供高精度的大气垂直温度和湿度信息,能够探测台风结构特征,有效弥补台风影响区域观测资料稀缺的不足。以WRFDA三维变分同化系统为基础构建IASI同化试验平台,实现McNally提出的MW云检测方法,并调整参数形成大阈值的LMW云检测方法,以超强台风“红霞”（1506）和“莫兰蒂”（1614）为试验个例,对IASI观测资料进行同化对比试验。对于台风“红霞”,MW云检测方案对于高层通道299保留的观测数目仅为大阈值LMW云检测的16.2%和WRFDA系统默认的MMR云检测的9.2%,对于底层通道921分别为3.3%和2.6%。但是MW试验分析场强度最强,获得的72 h台风路径预报最接近真实路径,路径误差最小。两个台风个例试验结果相似,表明有效的云检测过程能提高IASI资料同化分析场的准确性,同化IASI资料有利于改善台风预报技巧。      

集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的数值试验

利用集合卡尔曼滤波(EnKF)在云数值模式中同化模拟多普勒雷达资料,并考察了不同条件下EnKF同化方法的性能.结果显示,经过几个同化周期后,EnKF分析结果非常接近真值.单多普勒雷达资料EnKF同化对雷达位置不太敏感,双雷达资料同化结果在同化的初期阶段比单雷达资料同化结果准确.同化由反射率导出的雨水比直接同化反射率资料更有效,联合同化径向速度和雨水有利于提高同化分析效果.协方差对EnKF同化效果起着非常重要的作用,考虑模式全部预报变量与径向速度协方差的同化效果比仅考虑速度场与径向速度协方差的同化效果好.雷达资料缺值降低了同化效果,此时增加地面常规观测资料的同化可以明显提高同化分析效果.EnKF同化技术对雷达观测资料误差不太敏感.初始集合对同化分析有较大影响.EnKF同化受集合大小和观测资料影响半径.同化对模式误差较敏感.利用EnKF同化双多普勒雷达资料,分析了一次梅雨锋暴雨过程的中尺度结构.结果表明,EnKF同化技术能够从双多普勒雷达资料反演暴雨中尺度系统的动力场、热力场和微物理场,反演的风场是较准确的,反演的热力场和微物理场分布也是基本合理的.中低层切变线是此次暴雨的主要动力特征,对流云表现为低层辐合、高层辐散并有垂直上升运动伴随,其热力特征表现为低层是低压区,高层为高压区,中部为暖区而上、下部为冷区,水汽、云水和雨水分别集中在对流云体内、上升气流区和强回波区.     

MODIS与NCEP大气可降水量资料的比较分析

利用中国大陆地区2001年4个季节(1、4、7、10月)中8d和4m的NCEP资料，对整层大气的比湿进行积分得到大气可降水量。选用了同时同地的MODIS大气可降水量资料，然后对两者进行了对比分析。结果发现：在中国西北、内蒙地区MODIS大气可降水量资料要比NCEP资料普遍偏大，而在东南和华南部分地区则普遍偏小。如果对上述两个地区的MODIS资料分别乘以修正系数0．933983和1．07686，则两者的差别可控制在0．2cm以内。因此，MODIS大气可降水量资料经过修正后，可以为卫星反演模式提供同化性较好的输入资料。