循环同化相控阵雷达数据模拟对流触发同化方案研究

利用WRF-EnKF同化系统,以2020年7月5日北京大兴发生的一次强对流天气背景下对流触发过程为个例,研究同化C波段相控阵雷达数据时更优的同化方案设置。本研究从同化频率、晴空数据处理阈值以及边界层杂波处理高度3个方面进行了研究。结果显示,高频同化可以抑制虚假回波,并有利于获得更准确的对流预报结果。将可靠晴空回波识别阈值设为-10 dBZ并剔除边界层内的低值回波可以有效改进对流触发的预报效果。为以后C波段相控阵雷达同化应用提供了新的同化方案思路。     

国家气候中心全球海洋资料四维同化系统在热带太平洋的结果初步分析

介绍了国家气候中心(NCC)“全球海洋资料四维同化系统”(简称NCC-GODAS).该系统包含观测资料预处理系统、插值分析系统和所应用的动力模式.插值分析系统采用四维同化技术方案,在时间上设置一个4周的窗口,将此窗口之内的观测资料以一定的权重插入插值分析系统,在空间上采用三维变分方案.海洋动力模式为“九五”期间LASG研制的L30T63OGCM 1 0版本.文中考察了该系统从1982年到2003年3月在热带太平洋的部分同化分析结果,并与NCEP的再分析资料和EMC/NCEP的太平洋区域海洋资料同化系统的结果进行了对比分析.结果显示,该系统的同化结果(如SST,SSTA,Nino指数,次表层海温变化等)与NCEP的同期同化结果具有很好的一致性.同时,该系统得出的海洋同化资料气候场与海洋模式气候场相比,有显著的改进.表明该系统具有较好的同化能力,其同化结果可为海-气耦合模式进行季节和跨季节的气候预测业务提供可信的海洋初始场资料,同时还可以为相关研究提供海洋分析场.     

集合卡尔曼滤波数据同化在一维波动方程中的应用

简要回顾了集合卡尔曼滤波(EnKF：Ensemble Kalman Filter)数据同化方法的发展历史,并介绍了EnKF数据同化方法的基本原理,利用一维非线性波动方程进行了数值试验。EnKF数据同化方法的实现过程简单可行。避免了EKF中协方差演变方程预报过程中出现的计算不准确和关于协方差矩阵的大量数据的存储问题,最主要的是EnKF可以有效控制模式变量估计误差方差的增长,改善预报效果。     

WOFOST模型与遥感数据同化的土壤速效养分反演

土壤速效养分是作物生长的必要条件,合理控制土壤速效养分含量对粮食增产、农民增收以及环境保护都有重要意义。随着现代农业技术的发展,可以通过变量施肥将土壤速效养分含量控制在最佳状态,这也对土壤养分的获取精度提出了更高的要求。当前的主要土壤速效养分遥感监测方法在监测精度、稳定性、成本控制和可推广性依然存在一定不足,甚至限制对变量施肥的指导作用。本文针对传统土壤速效养分估算方法的不足,提出了利用作物模型与时间序列遥感数据相结合实现耕层土壤速效养分反演的新思路,该思路以养分缺失引起的作物长势参数的变化为切入点,在数据同化算法设计和养分模块优化改造的基础上,利用作物长势参数遥感监测结果与模型模拟结果的差异设计了土壤速效养分反演算法,实现速效养分含量信息的有效获取。设计地面观测实验并利用地面观测数据对反演精度进行评价,结果表明该方法可以对土壤中的速效养分进行实时、高精度的稳定反演,3种主要的速效养分速效氮、有效磷和速效钾的R2分别达到了0.68、0.74和0.52,平均相对误差分别为7.45%、6.17%和9.97%。     

基于四维变分同化方法的南海中尺度涡后报实验

海洋中尺度涡在本质上是属于满足准地转平衡的大尺度运动,因此理论上,其在短时间内的运动将主要受到准地转平衡关系的约束,而外部强迫场的影响在短期内不会明显改变其运动特征。基于上述思想,我们提出了一种基于四维变分同化初始场的中尺度涡旋预报方案。为了检验该方案的可行性,本文使用区域海洋模式(regional ocean modeling system, ROMS)和其内建的增量强约束四维变分同化(incremental strong constraint four dimensional variational, I4D-Var)模块,建立了一个南海海洋同化模拟系统。首先,通过I4D-Var方法将AVISO卫星高度计资料同化到海洋数值模拟中,获得了理想的中尺度涡同化模拟结果。同化、模式模拟和观测三者的中尺度涡统计结果表明,该同化系统模拟的南海中尺度涡的路径、半径、海表高度异常和振幅等特征信息与AVISO(Archiving ValidationandInterpolationofSatelliteOceanographicData)观测结果高度吻合,同时在深度上的分析表明,涡旋对应的温度、盐度和密度均得到有效的调整。然后,将该同化系统的模拟结果做为初始场,对某一特定时段的南海中尺度涡进行了后报模拟和结果的定量化分析。通过比较后报模拟与观测资料中对应涡旋的海表面高度异常(sea surface height anomalies, SSHA)相关系数、涡心差距和半径绝对误差,证明该方案的中尺度涡后报时效至少可达10 d以上。后报实验结果验证了该中尺度涡预报方案的可行性,从而为中尺度涡的预报提供一定的理论基础和可行性方案。     

年代际预测和耦合资料同化研究综述

年代际预测是近年来气候变化研究的一个迅速发展的新兴热点领域,其首要步骤是进行初始化,目的是为年代际预测提供包含观测变率信息的初值.发展效果好且省时的初始化方法是年代际预测的重大挑战之一,目前国际上主流的初始化方法是耦合资料同化,即在耦合模式框架下进行同化.在年代际预测时,由于模式偏差和初始化方法性能的限制会产生初始冲击问题.目前国际上的各模式机构普遍对北大西洋、热带东西太平洋和印度洋海表温度的年代际预测水平高,而对全球平均近地面气温和北太平洋海表温度的年代际预测水平相对较差.本文主要从初始化方法和年代际预测这两方面的研究现状进行全面回顾,指出存在的问题并讨论未来的发展趋势和挑战.     

REM模式伴随系统的建立及其四维变分资料同化初步试验

Regional-Eta-Coordinate-Model(REM)中尺度模式对中国区域性降水显示出公认的较高预报能力,建立其四维变分资料同化系统是完善该模式,进一步提高其预报效果的重要工作。本研究编写了REM模式的切线性模式和伴随模式,介绍了建立REM模式伴随系统的过程,并利用实际天气个例资料,分别对REM模式的切线性模式、伴随模式及定义的目标函数梯度进行了正确性检验,检验结果表明对REM模式的切线性模式及伴随模式编写是成功的。利用REM模式的伴随系统,对1998年06月08日00时到09日00时和2000年08月01日00时到02日00时两个实际天气个例进行了四维变分资料同化试验。从数值试验的结果分析可以看到,进行四维变分资料同化后,两个天气个例在预报结束时刻其预报结果对风场和湿度场的预报都有明显改善,对温度场和高度场的预报也有所改善。对于累积降水的预报,两个个例利用四维变分资料同化后得到的初始场进行的预报结果则有较大不同,在个例1中,变分同化后对降水中心的位置和降水强度的预报都有明显改善,预报结果更接近于观测场;个例2中,变分同化后对降水中心位置和强度的预报则没有改善,产生这种现象的原因可能是由于定义的目标函数中没有加进背景场项,也可能是由于采用的观测资料时次比较少,还需要进一步进行研究和试验。     

地表净辐射通量观测、模拟和同化的研究进展

地表净辐射通量是陆—气相互作用水热交换过程中的一个重要物理参量,在全球变化背景下,定量研究地表净辐射通量的时空变化对气候变化研究具有重要意义。本文总结了目前定量研究地表净辐射通量的主要方法——观测、模拟和同化,分析了观测和模拟的优势和不足,提出利用数据同化方法可以弥补观测和模拟的不足,并比较分析了目前流行的同化算法的优缺点,利用不同的同化算法构建的同化系统可以同化不同来源的观测数据对模型进行校准,获取时空上连续一致的高精度地表净辐射的预报值。最后,探讨了同化多源遥感数据改进地表净辐射通量的研究中存在的问题、发展方向及其在全球变化研究中的意义。     

发展基于集合样本估计的SST张驰逼近方法用于气候模式的次表层海温场订正

An ensemble-based assimilation method is proposed for correcting the subsurface temperature field when nudging the sea surface temperature(SST) observations into the Max Planck Institute(MPI) climate model,ECHAM5/MPI-OM. This method can project SST directly to subsurface according to model ensemble-based correlations between SST and subsurface temperature. Results from a 50 year(1960–2009) assimilation experiment show the method can improve the subsurface temperature field up to 300 m compared to the qualitycontrolled subsurface ocean temperature objective analyses(EN4), through reducing the biases of the thermal states, improving the thermocline structure, and reducing the root mean square(RMS) errors. Moreover, as most of the improvements concentrate over the upper 100 m, the ocean heat content in the upper 100 m(OHT100 m)is further adopted as a property to validate the performance of the ensemble-based correction method. The results show that RMS errors of the global OHT100 m convergent to one value after several times iteration,indicating this method can represent the relationship between SST and subsurface temperature fields well, and then improve the accuracy of the simulation in the subsurface temperature of the climate model.     

海浪数值预报误差的统计分析

针对海浪资料同化中预报误差的统计性质难以确定的问题,利用WAVEWATCHⅢ和Topex/Posei-don(T/P)有效波高观测资料,对东中国海区的有效波高预报误差进行了统计分析。结果表明,预报误差符合正态分布;不同网格点的预报误差协方差随距离增长呈指数关系递减,并且空间上表现出弱各向异性;在预报模式空间网格为0.5°×0.5°条件下相关距离为3.0°~5.9°。