风压平衡关系对高分辨率区域模式地面资料同化的影响分析

随着模式分辨率的提高,数值模式可分辨的短波信息增加,以地转平衡为基础的风压平衡约束关系不能完全满足低纬度地区及对流尺度高分辨率模式资料同化的需求。提出了基于多重网格方法构建1 km分辨率数值模式变分同化风压平衡约束关系的方案,基于CMA-MESO (China Meteorological Administration Mesoscale Model)三维变分(Three-Dimensional Variational Data Assimilation,简称3DVAR)和1 km分辨率中尺度区域模式开展了单点同化试验和典型个例分析。单点同化试验表明,气压和风的同化结果在没有平衡约束关系条件下比线性平衡约束下更接近观测。地面自动气象站观测资料同化试验表明新风压平衡约束关系将明显增加模式低层几十千米尺度的分析增量,其次是增加100—200 km尺度的分析增量。新风压平衡约束试验的同化分析增量相对于线性平衡约束的对照试验可以给出更多的增量中心位置,更好描述低层水汽辐合,对模式初始0—3 h降水、0—6 h地面10 m风和地面气压的模拟有改进。研究表明在大尺度风压平衡约束的基础上增加局地无风压平衡约束的订正,可以提高对流尺度天气系统地面短波信息的同化能力,改进高分辨率模式短时临近预报。

有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的进展及挑战

云与高影响天气有着密切的联系,卫星红外波段提供了大量的云区的观测信息,然而云参数的初始误差以及云对辐射过程的非线性影响造成的观测算子模拟误差偏大,并且误差呈非高斯分布给云区卫星红外资料直接同化带来困难。文章针对有云环境下卫星红外波段亮温资料直接同化的关键技术问题,回顾和总结了近二十年来国内外在同化方法、辐射传输模式、控制变量、背景误差、云检测、观测误差设置、质量控制及偏差订正等方面的研究进展。已有成果表明卫星资料直接同化的趋势是在晴空区同化技术基础上进一步补充云雨的信息,完善相应的技术,从而实现“全天候”的卫星资料直接同化。文章指出云区卫星红外资料直接同化在如何构造与云参数相关的控制变量及其背景误差、如何消除云对观测和观测算子的非线性影响等方面面临挑战。随着观测技术、同化技术、模式技术的共同发展,卫星红外资料必然在数值预报领域发挥更大的作用。

南海及沿岸海基观测资料同化对华南暴雨预报的影响

海基(浮标站、海岛站、平台站)现场观测作为海洋观测的主要来源,对大气和海洋科学的发展起到重要作用。探讨了南海及沿岸海基观测资料同化对华南前汛期暴雨预报的潜在影响。在地面站观测资料同化基础上,增加海基观测资料同化,并进行了连续循环同化试验。试验结果表明,连续循环同化方案显著优于冷启动同化方案的降水预报,通过连续循环同化海基观测资料可以有效改善分析场低层的湿度场和风场,进而改善了华南上游南海区域的水汽输送和动力条件。在降水预报方面,同化海基观测资料对陆地区域的降水预报改善不明显,但对沿岸及海上区域的降水预报改善显著,尤其是18 h和24 h的强降水预报。总体来看,增加海基观测资料同化对华南前汛期南海沿岸及海上区域暴雨预报产生了积极的正贡献,本研究对CMA-MESO模式实现更多海基观测资料业务同化、提高华南前汛期暴雨预报水平和开展南海海洋观测试验提供了重要依据。

华南地区中尺度模式预报的初值影响分析

基于GRAPES3D-Var同化系统,介绍了根据静力平衡关系由高度场的增量来计算温度场的增量的方法,并结合常规探空资料同化,针对影响华南地区的一次冷空气过程的个例,分析了常规观测资料对初始场的影响。采用GRAPES区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验,观测资料的检验表明,资料同化对GRAPES中尺度模式预报有正面影响,初始时刻预报敏感性较大并且变化较快,靠近地面的低层预报敏感性较为复杂,常规探空资料对高层大气预报能力的提高相对于中低层较小。

对流天气系统自动站雨量资料同化对降雨预报的影响

利用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,针对对流天气系统特点,用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子,同化广东省自动站记录的对流天气系统的雨量资料,并且与同化探空资料进行了比较。在雨带有明显改进的区域,分别同化这两种资料都可以调整大气低层水汽辐合增加(或辐散),对流层中下层增暖增湿(或变冷变干),从而增加(或减少)降水,表明降水的同化方案对初始场的调整在一定程度上符合探空观测。进一步讨论同时同化这两种资料对暴雨预报的影响,结果表明同化自动站降水资料对暴雨系统短时预报有正面影响,同时同化这两种资料,可以弥补资料的不足。

有云条件下HIRS/3资料的同化及其对“珍珠”台风的影响

卫星红外辐射资料直接同化容易受到云的影响,大量卫星资料在有云情况下无法直接同化,其原因之一就是初始云结构难以获取,而云结构是同化系统观测算子的重要输入参数,缺乏云的结构信息,观测算子无法模拟有云环境下的亮温。热带地区以及台风、暴雨等极端天气系统与云密不可分,要改进卫星辐射资料特别是红外资料直接同化的效果,需要获得较高精度的云三维结构。在GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)基础上,结合WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)对"珍珠"台风云结构的模拟,增加模拟的云参数作为GRAPES-3DVAR同化系统中RTTOV模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的输入参数,改进了有云环境下卫星资料直接同化的观测算子,研究了红外辐射资料直接同化的方法,并分析其对"珍珠"台风预报的影响。针对NOAA16(National Oceanic and Atmospheric Administration,美国国家海洋和大气管理局)的HIRS/3(High Resolution Infrared Radiation Sounder,高分辨率红外辐射探测仪3型)第4-8、10、13-19通道辐射亮温的同化试验表明,结合初始云结构信息改进同化系统观测算子,可以将红外辐射资料的观测信息同化到模式之中,改进台风温度、湿度结构,对短时降水预报有正面影响。

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(GlobalandRegionalAssimilationandPredictionEnhancedSystem,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(TropicalRainfallMeasuringMission,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)的同化试验表明,该方案有效改进背景场的动力和热力结构,使台风的初始风场、降水结构更接近实况。通过控制试验和同化试验的对比,表明同化TRMM卫星降水率资料对台风的路径预报和降水预报都有改进。

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅱ——对暴雨预报的影响

卫星资料提供了大量关于云和雨的观测信息,在暴雨预报中可发挥巨大的作用,然而在数值模式资料同化中的应用水平仍然不高,特别是红外辐射资料的应用。由于有云环境下辐射传输过程的模拟难度很大,因此通常只同化晴空环境下的红外辐射资料。基于GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统),根据RTTOV辐射传输模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的特点,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,在改进辐射传输模式对红外资料模拟的同时,利用红外资料调整初始云参数和大气参数。针对2007年5月26日南海季风爆发后广东地区的一次暴雨过程,选取MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨成像光谱仪)传感器水汽(第27)和云顶观测(第36)通道进行了同化试验,利用WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)进行了数值模拟,结果表明同化MODIS资料,可以改进初始场水汽和温度分布,间接调整高空风场,调整趋势符合卫星观测,对短时降水预报有正面影响。

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅰ--方案设计与理想试验

云对红外辐射传输过程有十分重要的影响,在资料同化过程中考虑云的作用,不仅可以改进大气参数的同化效果,还可以利用红外资料调整部分云参数,减小云参数的初始误差。在GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)基础上,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,针对晴空、部分有云和完全有云等环境对MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即中分辨成像光谱仪)的16个气象通道亮温进行了同化理想试验,结果表明当背景场模拟的亮温低于观测亮温时,分析场通过增温、减湿、减少云水含量、云冰水含量、云量可以达到升高模拟亮温的目的;反之可以降低模拟亮温;晴空环境下对温度、比湿的调整符合MODIS仪器的设计特点;有云环境下对云层以下的影响减弱。理想试验证实了在红外辐射资料同化过程中将云参数和大气参数同时作为同化系统控制变量,可以利用红外资料调整云参数和常规气象要素场,提高资料的利用率。

利用TRMM资料分析2002年登陆广东的热带气旋降水分布特征

用 2 0 0 2年 3个热带气旋登陆广东的过程中自动站的降水资料 ,对TRMM准全球、准实时的 3h降水估测资料进行了检验 ,表明该资料与地面 3h降水有很好的相关性 ,可以反映出热带气旋 3h降水变化的特征。利用该资料分析了这 3个热带气旋登陆过程中不同半径、不同方向降水的时空变化特征 ,并分析了不同热带气旋之间降水差异的大尺度环流背景。研究发现 ,3个热带气旋登陆过程中心附近降水沿半径方向存在收缩和扩展的变化 ,除了低层水汽输送的变化和地形对降水造成影响之外 ,“北冕”和“黄蜂”都发现热带气旋外围降水加强会导致其中心附近降水减弱 。

南海地区OLR变化与华南汛期降水的联系

用奇异值分解的方法逐月分析了华南汛期(4～9月)降水与南海地区OLR变化的关系,并用合成分析的方法对OLR异常年份的降水进行对比分析,结果表明两者确实有一定的相关关系,后汛期(特别是7、8月)两者的相关程度比前汛期大,但每个月的情况各有不同。

“珍珠”台风卫星红外通道亮温的数值模拟

热带地区云的覆盖率高,卫星辐射资料特别是红外通道的数值模拟容易受到云的影响,提高台风等热带天气系统卫星亮温资料的模拟能力,有助于热带地区数值模式的检验以及提高卫星资料直接同化的水平。首先,利用天气研究和预报模式（Weather Research and Forecasting Model,简称WRF）对＂＂珍珠＂＂台风的三维气象场,包括云结构特征,进行了模拟,并诊断分析了总云量、云顶气压等物理量;然后,结合快速辐射传输模式（fast ra-diative transfer model for TOVS,简称RTTOV）8.7版对＂＂珍珠＂＂台风的高分辨率红外辐射探测仪3型（HighResolution Infrared Radiation Sounder,简称HIRS/3）红外辐射亮温进行了模拟,并且比较了有云和无云条件下的模拟结果。结果表明,如果不考虑云的影响,RTTOV模式无法模拟出台风的结构特征;结合三维云特征的模拟量,RTTOV模式可以较好地模拟出HIRS/3第4-10、13-19通道的辐射亮温。加入云结构特征对峰值能量高度在云层以下的红外通道的模拟有正面影响,该方案既可以作为检验模式模拟的一种手段,同时也表明红外资料在热带天气系统的资料同化领域具有潜在的应用能力。

GMS5多通道数据与TRMM资料估测华南地区热带气旋降水

分区域建立了2000年华南及其附近海域热带气旋的TRMM降水资料和GMS5多通道数据的对应关系,分析了不同区域对应关系的异同,并根据该对应关系反演了2001年7月尤特台风登陆过程降水率和降水概率,与广东自记资料和TRMM资料有很好相关性。

深圳地区典型大气污染过程分析

分析了深圳地区2003～2004年发生的6个典型污染过程.基于WRF中尺度气象模式的分析表明深圳地区的空气污染过程主要受副热带高压、热带气旋及变性冷高压脊的影响.HYSPLIT气流轨迹分析说明珠江三角洲上游地区的污染对深圳地区存在影响,当深圳处于海上气团控制时,空气质量较好.

地形对登陆热带气旋“黄蜂”(2002)强度影响的模拟研究

以“目标登陆台风外场试验研究”(CLATEX)项目的目标热带气旋“黄蜂”为对象 ,在用高分辨数值模式模拟其近海加强和登陆减弱过程的基础上 ,通过 5组对比数值试验 ,从定量和时间演化角度细致地分析了热带气旋周边海陆和地形分布对热带气旋强度的影响及其机理。分析表明 ,华南西部地理因子 (地形、粗糙度、海陆分布等 )对热带气旋强度变化具有重要影响。华南西部地形的存在 ,有利于低层弱冷空气向南侵袭 ,从而激发对流发展 ,使气旋迅速加强 ,是“黄蜂”近海加强的关键原因 ;登陆后冷空气切入造成的稳定层结抑制了对流发展 ,阻断了对流潜热能源 ,是“黄蜂”登陆后迅速减弱的重要原因 ;华南西部真实地形下的地表摩擦效应是“黄蜂”登陆后迅速减弱的重要原因之一 ;南海热带气旋区的地表热交换以潜热输送 (蒸发 )为主 ,其量值一般是感热输送的 5～ 10倍 ;洋面热交换与气旋强度间存在正反馈关系 ,符合热带气旋发展的“WISHE”(风引起的表面热交换 )机制观点 ,即“WISHE”可能是南海热带气旋发展的一种重要机制。

登陆广东热带气旋中尺度降水分布变化特征

利用每小时地面观测资料和卫星遥感资料 ,以 1 999～ 2 0 0 1年在珠江三角洲地区登陆的热带气旋为研究对象 ,从合成分析和个例分析两方面揭示了登陆广东热带气旋降水的中尺度特征及其分布变化。结果表明 ,热带气旋登陆前后中尺度强降水分布发生明显变化 ,登陆后降水不对称性加大 ;热带气旋登陆后中尺度强降水分布随时间变化 ,登陆后第 1 0个小时之前 ,中尺度强降水基本上分布于热带气旋中心附近 ;而热带气旋登陆第 1 0个小时之后 ,中尺度强降水具有明显的“离心”或“偏心”特征。

快速更新循环同化预报系统的汛期试验与分析

为了支持短时临近预报,利用新一代数值预报技术,结合高时空分辨的新一代探测所提供的观测信息,开发了基于快速更新循环同化的数值预报系统。基于GRAPES预报模式及其三维变分,开发了逐时循环同化,包括雷达、卫星、飞机、常规地面和探空等观测资料的同化模块,并采用nudging技术,引入雷达回波,订正模式的初始云水、雨水等信息,实现快速更新预报。多种测试和汛期连续试验表明,系统运行稳定可靠。逐时同化场合理,与实况基本一致。通过1个月的滚动预报综合分析和个例预报分析均表明,预报稳定有效,与观测分布基本一致,初步具备开展短时临近预报的能力。

热带气旋“黄蜂”登陆过程诊断分析

应用了高分辨率的卫星TRMM资料以及多种类资料的同化资料对登陆广东吴川的强热带风暴“黄蜂”进行了诊断分析。分析了登陆前阶段和登陆阶段“黄蜂”风场的不对称性、降水分布、热力结构的变化特征,讨论了北方干冷气流和南方西南季风相互作用对“黄蜂”增强和减弱的影响作用。结果表明,热带气旋“黄蜂”在风速分布、降水分布、对流活动等方面存在不对称性。在登陆前阶段“黄蜂”经历了一次强对流云团发展为螺旋云带的过程,降水增加;“黄蜂”登陆阶段,对流迅速减弱,降水明显减少。登陆前阶段的发展与北方小股干冷气流从中层进入,影响了“黄蜂”内部的热力结构,其位势不稳定得到加强有关;登陆阶段,北方干冷气流进入“黄蜂”内部低层以及西南季风水汽输送减弱,导致“黄蜂”迅速减弱。

加密探空资料在华南暴雨数值预报的应用试验

应用逐时同化预报系统CHAF进行加密探空资料同化试验,比较了同化加密探空资料与仅同化常规探空资料所得同化分析场和模式预报结果的差异。同化加密探空资料所得分析场水汽的均方根误差减小,水汽条件和大气环流形势与实况更接近。以加密同化探空资料所得分析场为模式初始场进行预报,雨区的分布和降水量级都较控制试验有改善。分析模式预报改善的原因,主要是大气水汽条件与环流模拟的改善以及二者之间很好的配合。

南海热带气旋路径集合预报试验

利用3种不同模式的初始资料,通过它们生成得到16个不同的初始场,分别对2004年南海及其周边地区9个热带气旋个例进行集合预报试验,最后筛选得到了7个南海热带气旋初值集合成员,由此初步探讨了南海热带气旋初值集合成员的生成方法。结果表明,采用不同模式的初始资料生成得到初值集合成员的方法用于集合预报,对南海热带气旋路径预报有一些明显的改进。