在四维变分同化中运用集合协方差的试验

利用浅水方程模式和模式模拟资料进行数值试验比较3种不同的背景误差协方差矩阵处理方法对四维变分(4DVAR)资料同化的影响.3种背景误差协方差矩阵分别是:(1)对单一变量将背景误差协方差矩阵简化为对角矩阵;(2)将背景误差协方差矩阵的作用简化为高斯过滤;(3)由预报集合生成背景误差协方差矩阵并利用奇异值分解技术解决矩阵的求逆.通过一系列数值试验,比较不同观测密度、不同观测误差下3种背景误差协方差处理方法对4DVAR同化效果的影响.结果表明,背景误差协方差的结构对4DVAR有重大影响.当观测资料的空间密度不够高时,采用对角矩阵得不到满意的结果.高斯过滤方案可以明显改善同化结果,但是对背景误差特征长度比较敏感.第3种方法采用的背景误差协方差矩阵是流型依赖的,而且并不以显式的方式出现在目标函数中.避免了对它求逆的复杂运算.由于做了降维处理,在观测点的密度较低和观测误差较大时可望取得较好的同化结果,同化效果较为稳定.     

反演同化和直接同化多普勒雷达径向风的对比试验

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程,以NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用WRF(weather research and forecasting)模式及其三维变分同化系统,对雷达径向风和E-VAP(extended velocity azimuth processing)反演的水平风场进行了直接同化和反演同化试验,结果表明:直接同化雷达径向风资料后,增加了初始风场的中小尺度信息,改善了垂直速度条件,且在风场作用下水汽分布得到改善;反演同化资料虽然能增加初始场的中小尺度信息,但效果不如直接同化明显;无论直接同化还是反演同化都能改善降水预报,但直接同化好于反演同化,且间隔5～6 min比30 min的直接同化模拟效果好.     

淮河流域东北部一次异常特大暴雨的数值模拟研究 Ⅰ: 结果检验和 β 中尺度对流系统的特征分析

在2000年12号台风(Prapiroon)影响期间,其外围对淮河流域东北部造成了一次罕见的特大暴雨,暴雨中心响水24 h降水量达到800 mm.文中所用的模式是俄克拉荷马大学风暴分析和预测中心研制的一个三维非静力可压缩数值区域预报模式ARPS(V5.2).采用了3层单向嵌套网格,Domain1中心取为(27.5°N,117.5°E),格距45 km,格点数为75×75;Domain2中心取为(31.5°N,119.5°E),格距15 km,格点数为140×140;Domain3中心取为(33.5°N,119.5°E),格距5 km,格点数为180×180;垂直方向分为35层,垂直格距为625 m.所利用的资料为:2000年8月29-31日每日4个时次(00、06、12、18时) 1°×1°的NCEP/ NCAR再分析资料及713雷达资料、GMS-5红外云图、探空报、地面加密资料.物理过程选用简单冰相方案,Kain和Fritsch 积云参数化方案.对逐时的卫星云图、713雷达图像进行数值反演,结合探空资料反演出暴雨中深对流系统的水汽三维分布情况,通过三维同化系统ADAS处理,同化初始场和侧边界条件,再用ARPS模式进行数值积分,从8月29日08时开始到31日08 时结束,积分48 h.并结合雷达资料、红外云图、探空报、地面加密资料等对数值模拟结果进行了对比分析.结果表明:ARPS较好地模拟了在台风移动的左前方、在高空槽与副高之间出现的中尺度强暴雨区,模拟降水区及暴雨中心位置与实况较为一致.利用模拟大气中的水物质模拟了雷达回波,与实际雷达回波进行了对比分析,揭示了该过程中β中尺度对流系统的演变特征,4条对流带的交汇点在响水附近.并将模式模拟的T-lgp图与实际T-lgp图进行了对比分析,揭示了该次暴雨过程的不稳定性.持续的高空风垂直切变为对流系统的发展提供动能,造成对流系统斜压发展,有利于降水集中在某一固定的地点.由于模拟结果与实况较为接近,因此可以利用模拟结果作为对该暴雨过程作进一步研究的基础.     

基于CLDAS资料的内蒙古干旱监测分析

以内蒙古地区为研究区域,对中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）的土壤湿度和降水数据进行了评估,使用土壤相对湿度法和连续无降水日数法监测2014年夏季干旱,并选择干旱年（2014年）和湿润年（2013年）与标准化降水指数和降水百分位指数法进行验证分析。结果表明：CLDAS资料能够很好地再现日土壤相对湿度动态变化情况和降水落区与量级,能够满足干旱监测的需求;基于CLDAS数据的土壤相对湿度法可以方便、快捷地监测干旱日变化和区域性变化,连续无有效降水日数法对评估长时间、持续性干旱较为有效;CLDAS同化数据在时效性、分辨率、代表性上能够满足气象服务的需求,可作为观测资料的重要补充广泛应用于业务和科研,特别是对于地广人稀且气象站点相对较少的内蒙古地区气象服务潜力巨大。     

Assimilating surface observations in a four-dimensional variational Doppler radar data assimilation system to improve the analysis and forecast of a squall line case

This paper examines how assimilating surface observations can improve the analysis and forecast ability of a fourdimensional Variational Doppler Radar Analysis System(VDRAS).Observed surface temperature and winds are assimilated together with radar radial velocity and reflectivity into a convection-permitting model using the VDRAS four-dimensional variational(4DVAR) data assimilation system.A squall-line case observed during a field campaign is selected to investigate the performance of the technique.A single observation experiment shows that assimilating surface observations can influence the analyzed fields in both the horizontal and vertical directions.The surface-based cold pool,divergence and gust front of the squall line are all strengthened through the assimilation of the single surface observation.Three experiments—assimilating radar data only,assimilating radar data with surface data blended in a mesoscale background,and assimilating both radar and surface observations with a 4DVAR cost function—are conducted to examine the impact of the surface data assimilation.Independent surface and wind profiler observations are used for verification.The result shows that the analysis and forecast are improved when surface observations are assimilated in addition to radar observations.It is also shown that the additional surface data can help improve the analysis and forecast at low levels.Surface and low-level features of the squall line—including the surface warm inflow,cold pool,gust front,and low-level wind—are much closer to the observations after assimilating the surface data in VDRAS.     

基于NLS-4DVar方法的雷达资料同化及其在暴雨预报中的应用

在基于本征正交分解POD（Proper Orthogonal Decomposition）的集合四维变分同化方法（POD4DEnVar）建立的雷达资料同化系统（PRAS）的基础上,本文利用非线性最小二乘法的集合四维变分同化方法（NLS-4DVar）对PRAS进行改进,解决PRAS在高度非线性情况下的适应性问题,建立了新的雷达资料同化系统（NRAS）。通过观测系统模拟试验OSSEs（Observing System Simulation Experiments）和两次实际暴雨同化试验（2010年7月8日,中国中部地区;2014年3月30日,中国华南地区）对NRAS进行检验,并与PRAS的同化结果进行了对比。结果表明:无论是OSSEs还是实际雷达资料的同化,相对于PRAS,NRAS能够进一步提高同化效果。通过增加迭代的次数,NRAS能够有效地调整初始场的风场和水汽场,进一步提高了降水强度和位置的预报精度。但随着迭代次数的增加,对初始场的调整变小,进而对降水预报效果的改进也减小。试验结果表明NRAS能够有效解决PRAS在高度非线性情况下的应用问题,通过有限次数的迭代,即可得到近似收敛的结果。因而NRAS有望在数值预报中更有效地同化雷达资料,提高中小尺度天气的预报水平。     

不同模式误差方案在集合Kalman滤波土壤湿度同化中的比较试验

本文主要目的是探讨不同模式误差方案在土壤湿度同化中的性能。基于集合Kalman滤波同化方法和AVIM (Atmosphere-Vegetation Interaction Model) 陆面模式, 利用理想试验对膨胀因子方案 (Covariance Inflation, 简称CI)、 直接随机扰动方案 (Direct Random Disturbance, 简称DRD)、 误差源扰动方案 (Source Random Disturbance, 简称SRD) 等3种模式误差方案的同化效果进行了比较, 讨论了各方案在不同观测误差、 观测层数、 观测间隔情况下的同化性能。试验结果表明在观测误差估计完全准确的情况下, 3种方案都能获得较好的同化效果, 并且SRD方案相对于真值的均方根误差最小。当观测误差估计不准确时, SRD方案的同化效果仍能基本得以保持, 而CI和DRD方案则对观测误差估计更为敏感, 同化效果下降明显。当同化多层观测时, CI和DRD方案由于难以保持不同层观测之间的匹配关系, 同化结果反而变差, 而SRD方案能有效协调同化多层观测, 增加观测层后同化结果有了进一步的改善。当观测时间间隔较大时, CI和DRD方案的同化效果显著下降; 而SRD方案由于包含了一定的误差订正功能, 在观测稀疏时仍能保持较好的同化效果。     

FY-3A微波资料偏差订正及台风路径预报应用

我国极轨气象卫星FY-3A大大增强了对地球系统的综合探测能力,而偏差订正对卫星资料的应用非常必要。试验中FY-3A卫星微波资料的偏差订正方案是在Harris等的TOVS辐射资料偏差订正经验方法的基础上结合WRF-3DVAR系统发展的,偏差订正后微波资料各通道拟合结果基本位于主对角线上,大多数卫星观测数据与观测算子利用背景场计算的亮温值分布趋于合理,偏差得到很大程度的降低。偏差订正后,利用数值模式直接同化FY-3A气象卫星微波资料,通过对2008年和2009年的4个台风进行预报评估表明:同化FY-3A气象卫星资料后路径预报能力提高明显,尤其是36 h后路径预报结果;同化FY-3A气象卫星微波资料后台风预报路径误差平均降低20%,而只同化常规资料路径误差仅仅降低了4%。     

同化风廓线雷达资料对浙江降水预报改进评估

采用中尺度模式WRF和美国俄克拉荷马大学风暴分析预测中心的资料同化系统开展中国东部地区35部风廓线雷达资料同化试验研究,在同化1 h平均采样产品前,对其进行气候极值检查、一致性检查、垂直稀疏化等质量控制,选取2014年5月16-17日暴雨过程评估同化风廓线雷达资料对降水预报的影响,探讨其对初始场改进作用,之后,通过批量试验再次确认同化风廓线雷达资料可有效提高降水预报能力。个例同化试验对比分析表明:同化风廓线雷达资料后,暴雨区及其上游地区850 hPa的风速增强20%~30%,水汽通量增加30%~50%,大气层结不稳定性增强,小雨和大雨TS评分分别提高0.06和0.07,暴雨漏报率和空报率分别降低0.04和0.05,降水预报得到改进。     

利用非常规观测资料对上海特大暴雨过程的模拟研究

2001年8月5～6日,上海市区出现了建国以来破记录的一次特大暴雨.天气形势分析表明,停滞在上海的热带低压和主体位于海上的西太平洋副热带高压为此次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景,而低压内部特有的动力、热力结构及在其内发生发展的一系列中尺度对流云团与此次暴雨的发生有直接的关系.作者利用非静力中尺度数值模式MM5V3对此次暴雨过程进行了数值模拟研究,结果表明:在非静力中尺度模式全物理过程的模拟中,采用牛顿张弛逼近法的四维资料同化方案来同化分析场和云顶亮温及上海地面气象自动站等非常规观测资料,模拟结果不仅基本上再现出大尺度及天气尺度系统的发展演变过程,而且还较好地模拟出了此次城市强暴雨过程的雨量空间分布及时序变化.因此,将较高时空密度的非常规观测资料用于高分辨率MM5中尺度数值模式,对于有效地预报城市灾害性暴雨是必要和有意义的.研究还揭示:与热带低压相伴随的偏南暖湿气流不仅是此次暴雨过程的强水汽及热量输送带,而且也是热带低压和其内中尺度对流系统维持发展的必要条件;造成暴雨的中尺度对流系统垂直向上是一具有相对暖心、高湿且低空湿对流不稳定结构的气旋性涡旋,其内强上升运动与涡柱内低空辐合、高空强辐散密切联系.