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。

热带有限区数值预报模式的升级及在台风预报中的应用

较详细地描述了作者近年发展的一个新的热带有限区数值预报系统，包括模式的框架、物理过程以及初值的形成。给出了自１９９３—１９９５年应用于台风数值预报的结果。并与过去的热带有限区数值预报模式系统作了比较。新的数值预报系统对台风预报的改进是十分明显的。

高分辨有限区数值预报模式的省时显式积分

本文提出利用省时显式方案积分两个高分辨有限区数值预报模式。其结果表明，这一积分方案可以使模式的计算效率大大提高，而由时间积分方案的变化所造成的预报差异比模式空间离散化方案的不同所造成的预报差异要小。同时还讨论了将省时显式方案用于有限区模式的边界处理问题，提出了一个与蛙跃格式等价的边界处理方案。

气象卫星资料同化的科学问题与前景

从数值天气预报资料同化的角度,分析了气象卫星观测与常规气象观测的不同特点形成了卫星资料同化的特殊科学问题。由于各类星载遥感仪器所观测到的是一定波长的电磁辐射,不能像传统的直接观测资料一样被预报模式直接应用。又由于卫星观测对象是整个大气层,而不是特定高度的大气,因此确定卫星观测影响的高度和它的潜在垂直分辨率成为一个关键问题。卫星观测还可能存在着系统性的偏差,这与直接观测的误差互相独立也有很大区别。资料同化通常建立在模式预报(即背景信息)与观测量的比较的基础上,为了实现同化,需要将模式的基本大气变量转换成星载仪器所获得的特定波长的电磁波特征量,或者将观测到的电磁辐射特征量反算成大气的特征量。前者需要引入复杂的观测算子,后者则将复杂的反演过程交给了前处理阶段。这就形成了直接与间接同化卫星资料的两种不同策略,策略的选择取决于同化系统处理复杂观测资料的能力,对同化效果有决定性的影响。逐个分析了目前用于数值预报的5种卫星观测资料,即星载大气垂直探测器资料、大气运动矢量资料、散射仪海面风资料、卫星观测的云与降水信息资料与GPS掩星观测资料的同化的进展与有待解决的主要问题,概述了中国近年在大气垂直探测器等卫星资料同化中的研究进展及其业务应用的效果,并提出了今后需要予以特别关注的研究方向。

和预报员谈数值预报

用尽可能非专业的词语,向预报员介绍数值预报的成就、问题与应用。在简单回顾数值预报发展历史的基础上,重点分析了近十几年来数值预报的主要技术进步与有待解决的问题,对比了数值预报与主观经验预报的各自优势与不足,提出了优势互补对于提高业务预报的重要性。还分析了数值预报的技术进步对于数值预报产品释用的影响,以及预报员参与数值预报发展的可能性与必要性。

新世纪初我国数值天气预报的科技创新研究

概要介绍最近5年在国家科技攻关项目“中国气象数值预报系统科技创新研究”框架内所取得的主要成果,重点是卫星等遥感资料在变分同化中的应用,高分辨非静力数值预报模式的发展,全球资料同化与中期数值天气预报系统的发展,数值天气预报系统的模块化与并行计算,数值天气预报新技术的研究等,并扼要介绍我国新一代数值天气预报系统的业务应用试验。最后,对我国数值天气预报的进一步发展做了讨论。

美国天气预报技术的发展

介绍了美国天气预报技术的发展现状。指出在大气探测技术、数值预报及可视化技术发展的推动下美国传统的天气预报向定量与定时方向发展。定量降水预报的实现是天气预报由定性走向定量的重要标志。在充分利用数值模式产品的基础上综合应用卫星与雷达资料建立客观预报工具在暴雨和强对流天气预报中取得较好效果；中尺度分析业务系统的不断改进使降水预报的技巧有明显提高。作者还介绍了美国数值预报产品释用及预报业务系统的概况。最后提出了对我国天气预报技术发展的启示。

多个热带气旋相互作用对南海热带气旋异常路径影响的数值模拟研究

本文利用数值预报式来研究可能造成南海热带气旋异常路径的一个因子，即多个热带气旋之间的相互作用。这里所说的热带气旋相互作用不是指通常所说的两个热带气旋很靠近时的相互吸引（排斥）或旋转这一类涡旋间的直接相互作用，而是指相隔远距离的热带气旋门，通过改变环境流场而造成的间接影响。所选的例子是位于南海的9009号热带气旋（Tasha）。与它同时存在的热带气旋中9008（Steve）与9010（Vernon）。先作了这次多个活动的数值预报试验，以判断模式的预报能力，然后通过有控制地改变9008与9010号热带气旋的参数，来考察这两个热带气旋活动对9009号热带气旋的路径的影响，并对这种影响的机理作一定的诊断分析。

我国西北高原地区数值预报的几个科学问题

分析了与我国西北地区数值预报相关的几个主要科学问题。指出随着数值预报模式分辨率的提高与预报的精细化,需要关注不同尺度地形对于大气的动力与热力作用的准确数值描述,包括过去被过滤掉的一些动力过程的描写的精度并解决好次网格地形的作用的参数化。还分析了高原地区资料同化的特殊性与集合预报技术的可能应用等。

新一代气象数值预报模式系统研究开发取得丰硕成果

新一代气象数值预报模式系统(GRAPES)的研究开发取得丰硕成果,几项核心的研究均已取得突破: (1)主攻我国数值预报的资料空缺问题,卫星、雷达资料在数值预报中的定量应用技术取得突破.

GRAPeS三维变分同化系统的理想试验

文中介绍了一种新的、适合格点模式的三维变分同化方案GRAPeS 3DVAR。该方案采用相互独立的流函数、非平衡速度势函数、非平衡位势和水汽作为分析变量。通过变量变换对目标函数进行预调节 ,不仅避免了直接计算背景误差协方差逆矩阵的困难 ,而且改善了Hessian矩阵的性状 ,提高了收敛速度。采用EOF分解方法 ,将三维分析变量投影到垂直摸态上 ,分解成为二维场 ;水平方向采用数字 (递归 )滤波器代替矩阵运算 ,实现和简化了方案的求解。此外 ,还考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系。理想试验结果表明 ,GRAPeS 3DVAR能够正确地反映多变量之间相互作用关系 ,收敛迅速 。

探空气球漂移及其对数值预报影响的研究

为了考察探空资料随高度的漂移对高分辨率数值预报模式的影响,充分发掘探空资料的应用价值,根据探空资料的探测原理,设计定位方案,计算出了各气压层上探空气球所处的实际位置。对位置订正前后的资料分别用3D-VAR系统进行同化,将同化结果作为WRF模式的初始场进行数值预报并对预报效果进行对比分析。结果表明:探空气球在施放过程中的漂移距离远远超过目前数值模式可取的水平分辨率;所设计的探空气球定位方案对水平分辨率为10km×10km的数值预报模式基本是可用的;总的来讲,位置订正对分析增量场的改变与原分析增量场相比小一个量级。模式预报结果显示,探空资料的定位使降水预报效果得到了改善。研究表明,将各气压层上探空资料订正到实际位置对高分辨率数值预报模式的预报效果有一定程度的正面影响,但仍需要更多的个例来验证。

GRAPES_GFS全球中期预报系统的研发和业务化

该文回顾了中国气象局全球中期数值天气预报系统GRAPES_GFS的研发历程,重点介绍了近年来在GRAPES_GFS研发过程中的重要进展,概要阐述了这些进展对GRAPES_GFS业务化的贡献。动力框架方面的改进主要包括位温垂直平流的算法、极区滤波方案、标量平流方案、垂直速度衰减(damping)算法、提高模式分辨率等,改善了模式框架的稳定性、计算精度以及质量守恒性。物理过程方面的改进主要包括RRTMG辐射方案、CoLM陆面过程方案、积云对流、边界层过程、双参数云物理方案,以及物理过程的调用计算等,全面提升了模式物理过程的预报能力。全球三维变分同化方面,研发了模式空间三维变分(3DVar)系统、资料质量控制和偏差订正技术、卫星资料同化方面的相关技术等。同时,对目前GRAPES_GFS2.0的预报能力进行了评估,总体来说.该系统各项预报指标全面超越GRAPES_GFS1.0,与T639相比等压面要素预报在对流层也有明显优势,降水、2 m温度等预报也优势明显。

多普勒雷达风场信息变分同化的试验研究

文中试验研究了一个在三维变分框架中直接同化多普勒天气雷达信息,获取雷达覆盖范围内大气风场的技术方案。径向风速是多普勒天气雷达数据中可直接被三维变分同化系统用来反演大气风场的唯一信息。由于风矢量有二或三个分量,径向风速作为风矢量的一个分量,不能为反演风矢量提供足够的信息。如果三维变分同化系统仅仅同化径向风速,所存在的不确定性将可能会给所反演的风场带来错误。文中提出的方案,不仅同化雷达径向风速,还同化雷达回波的移动信息,其关键是将雷达回波强度时空变化转换成一个新的雷达观测变量———雷达“视风速”。由于“视风速”是包含风场信息的变量,这在三维变分同化系统中增加了风场探测信息。通过联合利用“视风速”和径向风速,由单一径向风速确定风矢量所带来的不确定性可以被克服。使用中国气象科学研究院数值预报研究中心开发的三维变分同化系统(GRAPES-3Dvar)和广东省新一代天气雷达的监测资料进行了实例试验,结果表明本技术方案能够对获取大气系统结构是有用和有效的,也可用于形成模式初始场,这对中尺度天气预报是有作用的。

GRAPES全球三维变分同化系统——基本设计方案与理想试验

中国气象局数值预报研究中心开发了一个全球和区域统一框架的格点三维变分资料同化系统(GRAPES3D-Var)。作者给出全球版本的方案设计,采用单点观测试验检验方案设计的合理性和正确性。全球方案选择流函数、速度势、非平衡高度和相对湿度作为分析求解的控制变量,用线性平衡方程作为质量场和风场的动力约束,通过预调方法解决背景误差协方差矩阵阶数过大和难以求逆的问题,其中垂直变换和物理变换以及观测算子设计等方面与区域方案相同,但预调的水平变换采用球谐函数谱滤波表示背景误差协方差的水平相关模型,避免了递归滤波在高纬和极区因相关尺度过大无法实施的问题。另外,设计了一个使极区插值和差分计算完全闭合的网格以及相应的算法,解决了极点分析问题。单点观测理想试验结果表明,GRAPES 3D-Var系统能够合理给出全球任何地区的分析。

不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟

利用美国最新发展的新一代中尺度数值预报模式(WRF),研究了不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟问题,结果表明,在网格距适当小的情况下,同时采用积云对流参数化方案和云微物理方案(Kessler方案)时,其降水预报优于只使用积云对流参数化方案时的预报;在台风降水模拟的初期,Kain-Fritsch方案比Betts-Miller方案产生降水更快,更接近实况降水;在台风登陆后随时间的延长,对流降水重要性逐步下降,网格尺度降水逐渐增强。

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR)。该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致。由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案。通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难。重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化。理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善。

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。

基于GRAPES的西北地区沙尘暴数值预报模式及其应用研究

介绍了中国气象局兰州干旱气象研究所和中国气象科学研究院数值预报研究中心合作研制的耦合于GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)的沙尘暴数值模式GRAPES_SDM.该模式包括沙尘的起沙、传输、吸湿增长、并合、干沉降与云下清洗等详细的物理过程,可以对沙尘暴的起沙和空气中沙尘浓度进行模拟和预报.在此基础上形成了西北地区的沙尘暴数值预报模式系统,并于2005年4月开始在兰州中心气象台试运行,同时还将模式结果与卫星遥感资料反演的沙尘暴监测结果进行了对比验证.以2005年4月17～19日和5月28～29日发生在西北地区的2次强沙尘暴为例,利用GRAPES_SDM对这两次沙尘天气的起沙、传输、扩散直至消散进行了数值模拟.结果表明,模式输出的沙尘时空分布与实况观测和卫星云图监测的沙尘分布范围基本一致,说明该模式系统对西北地区沙尘暴天气的起沙、传输有较好的模拟和预报能力.

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中,使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明:VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好,验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后,风场的初始场明显改善,降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中,对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外,在短时强降水预报中,雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同,对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中,同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案,同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。