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GRAPES全球三维变分同化系统——基本设计方案与理想试验 被引量:64
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作者 庄世宇 薛纪善 +2 位作者 朱国富 赵军 朱宗申 《大气科学》 CSCD 北大核心 2005年第6期872-884,共13页
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... 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。 展开更多
关键词 全球/区域同化预报系统 全球三维变分资料同化系统 谱滤波 理想试验
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1998年夏季西太平洋副热带高压的变异分析 被引量:9
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作者 庄世宇 赵声蓉 姚明明 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2005年第2期181-192,共12页
该文利用NCEP再分析资料和其他相关资料分析了1998年夏季西太平洋副热带高压的变异特征和机理。与多年平均相比,1998年夏季副高总体偏强、偏西。副高的南北进退出现显著异常,尤其是7月中旬,副高突然大幅度南撤,南撤后,副高偏南维持至8月... 该文利用NCEP再分析资料和其他相关资料分析了1998年夏季西太平洋副热带高压的变异特征和机理。与多年平均相比,1998年夏季副高总体偏强、偏西。副高的南北进退出现显著异常,尤其是7月中旬,副高突然大幅度南撤,南撤后,副高偏南维持至8月初,长江中下游及以南地区出现“二度梅”。副高南撤现象从副高带的东部开始,逐渐西传。分析表明副高的异常变化是东亚大气环流异常调整的结果,其中副热带西风急流的异常变化对副高南撤起着重要的作用,急流位置和强度的变化及伴随的入口区和出口区次级环流和不稳定均有利于副高在7月中旬南撤和南撤后偏南维持。T106L19全球谱模式的敏感性数值试验表明,高度场对急流减弱的响应与观测分析结果一致。热源和水汽汇分析、OLR分析以及热源与位势高度场SVD分析均表明在副高南撤前,热带季风区非绝热加热显著减弱;这一结果有利于副高偏南维持;经圈环流的分析结果也与此相吻合。 展开更多
关键词 西太平洋副热带高压 1998年 变异分析 夏季 NCEP再分析资料 副热带西风急流 大气环流异常 异常变化 分析结果 长江中下游 全球谱模式 SVD分析 位势高度场 非绝热加热 资料分析 次级环流 数值试验 LR分析 经圈环流 副高
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GRAPeS三维变分同化系统的理想试验 被引量:115
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作者 张华 薛纪善 +2 位作者 庄世宇 朱国富 朱宗申 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2004年第1期31-41,共11页
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... 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 。 展开更多
关键词 三维变分同化 流函数 非平衡速度势函数 变量变换 预调节 GRAPES
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探空气球漂移及其对数值预报影响的研究 被引量:29
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作者 刘红亚 薛纪善 +2 位作者 沈桐立 庄世宇 朱国富 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2005年第4期518-526,共9页
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... 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。 展开更多
关键词 探空资料 定位 3D-VAR 对比分析 数值预报模式 探空气球 漂移距离 水平分辨率 定位方案 预报效果
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多普勒雷达风场信息变分同化的试验研究 被引量:54
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作者 万齐林 薛纪善 庄世宇 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2005年第2期129-145,共17页
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... 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。 展开更多
关键词 变分同化 试验研究 多普勒雷达 中国气象科学研究院 多普勒天气雷达 新一代天气雷达 雷达回波强度 技术方案 大气风场 不确定性 风矢量 覆盖范围 雷达数据 移动信息 雷达观测 时空变化 风场探测 联合利用 监测资料 研究中心
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资料同化中背景场位势高度误差统计分析的研究 被引量:19
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作者 庄照荣 薛纪善 +1 位作者 庄世宇 朱国富 《大气科学》 CSCD 北大核心 2006年第3期533-544,共12页
在客观分析中,背景误差协方差对观测信息的传播和平滑、反映不同变量之间的关系有着非常重要的作用。构造合理的背景误差协方差矩阵对于同化系统至关重要,甚至会决定同化分析的好坏。作者主要利用观测余差方法,用T213预报资料和无线电... 在客观分析中,背景误差协方差对观测信息的传播和平滑、反映不同变量之间的关系有着非常重要的作用。构造合理的背景误差协方差矩阵对于同化系统至关重要,甚至会决定同化分析的好坏。作者主要利用观测余差方法,用T213预报资料和无线电探空观测资料统计我国区域的背景位势高度误差协方差样本,分析背景误差协方差场的结构特征和拟合误差场的空间分布。 展开更多
关键词 背景误差协方差 特征尺度 变分同化 观测余差方法
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GRAPES地面风场同化方案研究 被引量:5
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作者 丁杨 庄世宇 顾建峰 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2008年第6期629-640,共12页
随着预报准确度要求以及同化分析循环周期的缩短,具有高时空分辨率的地面观测资料在同化系统中也越来越受到重视,而且一个好的资料同化系统应该能够给出模式近地面动力、热力和湿度状况的合理分析。利用GRAPES区域同化预报系统(GRAPES—... 随着预报准确度要求以及同化分析循环周期的缩短,具有高时空分辨率的地面观测资料在同化系统中也越来越受到重视,而且一个好的资料同化系统应该能够给出模式近地面动力、热力和湿度状况的合理分析。利用GRAPES区域同化预报系统(GRAPES——Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),在近地层Monin_Obukhov相似理论的基础上,考虑了边界层的动力和湿热力约束,建立新的地面风场观测算子。将此新方案与目前GRAPES系统使用的三次样条插值的地面同化方案进行高度场预报试验、统计试验以及降水预报的TS评分比较,结果表明,加入新方案地面风场资料同化后,预报效果和对降水的预报能力都比旧方案有所提高。 展开更多
关键词 地面风场资料同化 边界层约束 GRAPES系统
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适应性观测与集合变换卡尔曼滤波方法介绍 被引量:6
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作者 田伟红 庄世宇 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2007年第2期201-204,共4页
给出适应性观测理论和集合变换卡尔曼滤波方法及其研究现状的综述。重点介绍了集合变换卡尔曼滤波方法及其相关的一些问题。在数值预报领域,一种新的途径是利用数值预报系统信息在预报时效内确定出某些区域,如果在这些区域进行补充观测... 给出适应性观测理论和集合变换卡尔曼滤波方法及其研究现状的综述。重点介绍了集合变换卡尔曼滤波方法及其相关的一些问题。在数值预报领域,一种新的途径是利用数值预报系统信息在预报时效内确定出某些区域,如果在这些区域进行补充观测,可以最有效地改进预报技能。这种方法被称为适应性或目标观测,所确定的观测区域称为敏感区,敏感区内增加观测后分析质量将得到改善,对后续的预报技能可产生最大的预期影响。目前适应性观测研究已经成为世界气象组织(WMO)组织的THORPEX计划的一个子计划。集合变换卡尔曼滤波(The Ensemble Transform Kalman Filer,简称ETKF)是一种次优的卡尔曼滤波方案,最早是作为一种适应性观测算法提出的,现在还被用于集合预报初始扰动的生成。ETKF方法不仅可以同化观测资料,而且可以估计出观测对预报误差的影响。它与其它集合卡尔曼滤波方案不同之处在于:ETKF利用集合变换和无量纲化的思想求解与观测有关的误差协方差矩阵,可以快速估计出不同附加观测造成的预报误差协方差的减少量,预报误差减少最多的一组观测所对应的区域就是所寻找的敏感区。 展开更多
关键词 适应性观测 THOEPEX计划 集合变换卡尔曼滤波
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大气反演参数在天气预报中的应用试验 被引量:1
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作者 吴雪宝 薛纪善 +3 位作者 张凤英 庄世宇 黄丽萍 张文建 《电波科学学报》 EI CSCD 2004年第4期469-473,491,共6页
研究了西太平洋的热带风暴和陆地上空降水两种天气过程中极轨气象卫星垂直探测仪ATOVS大气反演资料在数值天气预报模式中的应用。开发了一套A TOVS产品可视化系统 ,方便天气预报人员使用ATOVS反演产品 ,有助于及时发现天气系统的三维温... 研究了西太平洋的热带风暴和陆地上空降水两种天气过程中极轨气象卫星垂直探测仪ATOVS大气反演资料在数值天气预报模式中的应用。开发了一套A TOVS产品可视化系统 ,方便天气预报人员使用ATOVS反演产品 ,有助于及时发现天气系统的三维温度、湿度结构 。 展开更多
关键词 ATOVS 三维温度 湿度结构 天气预报 大气反演参数
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半拉格朗日方法在全球原始方程模式中的实现 被引量:1
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作者 陈起英 庄世宇 金之雁 《气象》 CSCD 北大核心 1998年第10期20-25,共6页
简单介绍了半拉格朗日平流方案的基本概念,并详细总结了其在全球原始方程模式,特别是在IFS模式中的具体实现过程。拉格朗日平流的观点是跟着流体质点看流体运动,其实现的关键是流体轨迹的计算。轨迹中点和起始点水平坐标的求得可... 简单介绍了半拉格朗日平流方案的基本概念,并详细总结了其在全球原始方程模式,特别是在IFS模式中的具体实现过程。拉格朗日平流的观点是跟着流体质点看流体运动,其实现的关键是流体轨迹的计算。轨迹中点和起始点水平坐标的求得可以利用球面三角,直接在球极坐标中进行,并采用一些较高的近似。为了充分获得半拉格朗日方案的益处,在起始点的内插公式其阶数至少应在四阶(三次)以上,为避免昂贵的三维三次内插,可以采用三维“准三次”内插。 展开更多
关键词 半拉格朗日平流 流体轨迹 平流 原始方程模式
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ETKF方法在区域集合预报中的初步应用 被引量:12
11
作者 田伟红 庄世宇 《气象》 CSCD 北大核心 2008年第8期35-39,共5页
理论上,集合卡尔曼变换(ETKF——The Ensemble Trans form Kalman filter)方法产生的集合扰动在观测空间具有等概率分布的特征,这一特点恰好可以弥补业务集合预报中常用的初值生成方法——Breeding方法的不足。依据ETKF理论和方法,利用G... 理论上,集合卡尔曼变换(ETKF——The Ensemble Trans form Kalman filter)方法产生的集合扰动在观测空间具有等概率分布的特征,这一特点恰好可以弥补业务集合预报中常用的初值生成方法——Breeding方法的不足。依据ETKF理论和方法,利用GRAPES-Meso中尺度模式建立了简单的基于ETKF的中尺度集合预报试验平台,并选取2005年11月8—12日出现的一次降雨过程进行集合预报试验,旨在研究ETKF方法用于集合预报时,对随时间变化的区域非线性系统,在有限集合数的条件下的特征。试验结果揭示了利用ETKF方法进行实际区域模式下集合预报的可行性及其一些基本性质,并指出试验当中存在的不足及今后研究的重点。 展开更多
关键词 ETKF方法 集合预报 集合扰动
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Application of Direct Assimilation of ATOVS Microwave Radiances to Typhoon Track Prediction 被引量:43
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作者 张华 薛纪善 +3 位作者 朱国富 庄世宇 吴雪宝 张风英 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2004年第2期283-290,共8页
In order to solve the difficult problem of typhoon track prediction due to the sparsity of conventional data over the tropical ocean, in this paper, the No. 0205 typhoon Rammasun of 4-6 July 2002 is studied and an exp... In order to solve the difficult problem of typhoon track prediction due to the sparsity of conventional data over the tropical ocean, in this paper, the No. 0205 typhoon Rammasun of 4-6 July 2002 is studied and an experiment of the typhoon track prediction is made with the direct use of the Advanced TIROS-N Operational Vertical Sounder (ATOVS) microwave radiance data in three-dimensional variational data assimilation. The prediction result shows that the experiment with the ATOVS microwave radiance data can not only successfully predict the observed fact that typhoon Rammasun moves northward and turns right, but can also simulate the action of the fast movement of the typhoon, which cannot be simulated with only conventional radiosonde data. The skill of the typhoon track prediction with the ATOVS microwave radiance data is much better than that without the ATOVS data. The typhoon track prediction of the former scheme is consistent in time and in location with the observation. The direct assimilation of 展开更多
关键词 RADIANCE direct assimilation typhoon track prediction
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ASSIMILATION OF OBSERVED SURFACE WIND WITH GRAPES
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作者 丁杨 庄世宇 顾建峰 《Journal of Tropical Meteorology》 SCIE 2010年第1期96-100,共5页
With the advances of numerical weather simulation and reduced data assimilation updating cycle,surface observation data assimilation becomes more and more important in data assimilation systems.It is widely accepted t... With the advances of numerical weather simulation and reduced data assimilation updating cycle,surface observation data assimilation becomes more and more important in data assimilation systems.It is widely accepted that a better data assimilation system should contain the restriction of thermodynamic processes in the surface layer.Therefore,in this paper,a new surface wind observation operator is utilized in Global and Regional Assimilation PrEdiction System_3D-Variance(GRAPES_3D-Var),with the restriction of thermodynamic process in the planetary boundary layer(PBL).In order to research the ability of this new surface wind observation operator in assimilation and forecasting,a series of experiments are operated by using the GRAPES model.The main results indicate that this new method of surface wind observation operator has positive impact on the forecast with the GRAPES model. 展开更多
关键词 数字天气模拟 预报 表面风 数据吸收 热力学的过程的限制 葡萄
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治疗3例婴儿皮下接种大剂量卡介苗报告
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作者 王建辉 徐永范 +2 位作者 章旭波 曹云生 庄世宇 《浙江预防医学》 2002年第3期17-18,共2页
关键词 婴儿 皮下接种 卡介苗 计划免疫
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夏季副热带西太平洋大气环流持续异常 被引量:11
15
作者 庄世宇 纪立人 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 1997年第20期2196-2199,共4页
大气中的大尺度环流持续异常与灾害性天气气候相联系,是数值天气预报的难点,因此这方面的研究具有重要的实际意义和理论价值.迄今为止,对大气环流持续异常的研究多局限于冬季高纬地区的现象,如阻塞.在夏季,我国广大的地区,尤其是江淮流... 大气中的大尺度环流持续异常与灾害性天气气候相联系,是数值天气预报的难点,因此这方面的研究具有重要的实际意义和理论价值.迄今为止,对大气环流持续异常的研究多局限于冬季高纬地区的现象,如阻塞.在夏季,我国广大的地区,尤其是江淮流域的天气气候除了受来自高纬环流系统的影响外,还更多和更强烈地受副热带环流系统及其变异的控制和支配.陶诗言和徐淑英早在1962年就指出,长江、淮河流域的干旱或洪涝现象通常与持续异常的副热带环流型紧密联系,本工作就是沿着该思路,通过观测分析、数值试验等手段,试图揭示夏季副热带西太平洋大气环流持续异常(以下简称WPA)活动的规律特征. 展开更多
关键词 持续异常 副热带高压 天气预报 太平洋 大气环流
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GRAPES新一代全球/区域变分同化系统研究 被引量:59
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作者 薛纪善 庄世宇 +4 位作者 朱国富 张华 刘志权 刘艳 庄照荣 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第20期2408-2417,共10页
概要叙述了新发展的全球与区域同化预报系统的资料同化部分的科学设计与初步试验的结果.本阶段的目标设定为建立可以直接同化卫星辐射率等遥感观测资料的系统框架,采用三维变分同化方法,并实现全球与区域一体化.为了与预报模式一致,分... 概要叙述了新发展的全球与区域同化预报系统的资料同化部分的科学设计与初步试验的结果.本阶段的目标设定为建立可以直接同化卫星辐射率等遥感观测资料的系统框架,采用三维变分同化方法,并实现全球与区域一体化.为了与预报模式一致,分析变量定义在离散格点上.将分析变量分解为动力平衡与不平衡两个部分,并引入递归滤波或谱变换滤波进行变量变换,得到与分析变量相异的控制变量,它们使目标函数的极小化过程的性状得以大大改善.而平衡关系的选择可以根据分析变量的尺度特征来确定,其在总分析方差中所占的比例则由背景场的误差方差所控制.理想试验的结果与解析求解一致,表明了系统数值方案的正确性.利用实际观测资料进行连续同化试验,结果表明即使在使用常规资料条件下,变分同化方案与过去通行的同化方案相比也有突出的优势.最后讨论了系统进一步发展的问题. 展开更多
关键词 GRAPES 资料同化 变分 三维 数值天气预报
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GRAPES变分同化系统中卫星辐射率资料的直接同化 被引量:32
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作者 朱国富 薛纪善 +4 位作者 张华 刘志权 庄世宇 黄丽萍 董佩明 《科学通报》 EI CAS CSCD 北大核心 2008年第20期2424-2427,共4页
变分方法能够处理与代表大气状态的预报模式变量有复杂非线性关系的观测资料,使得直接同化与大气状态量有着非线性关系的观测量(如卫星辐射率)成为可能.各种观测资料的同化都需要有一个对应的观测算子,观测算子给出了大气状态物理量和... 变分方法能够处理与代表大气状态的预报模式变量有复杂非线性关系的观测资料,使得直接同化与大气状态量有着非线性关系的观测量(如卫星辐射率)成为可能.各种观测资料的同化都需要有一个对应的观测算子,观测算子给出了大气状态物理量和观测物理量之间的确定映射关系.详细介绍了GRAPES-3DVar同化系统对实际卫星辐射率资料直接同化的实现,包括系统中不同选择的模式变量所对应的空间插值、直接同化卫星辐射率观测的物理量变换和质量控制等观测算子的各个组成部分.之后,考虑实际卫星辐射率资料,进行了应用试验.为此使用NOAA17 AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料,设计了两个同化试验方案.根据试验结果能够在清楚的物理意义上理解和反映GRAPES-3DVar系统直接同化卫星辐射率资料的合理效果. 展开更多
关键词 变分方法 资料同化 卫星辐射率资料
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Study on the Variational Assimilation Technique for the Retrieval of Wind Fields from Doppler Radar Data 被引量:3
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作者 万齐林 薛纪善 庄世宇 《Acta meteorologica Sinica》 SCIE 2006年第1期1-19,共19页
This paper introduces a variational assimilation technique for the retrieval of wind fields from Doppler radar data. The assimilated information included both the radial velocity (RV) and the movement of radar echo.... This paper introduces a variational assimilation technique for the retrieval of wind fields from Doppler radar data. The assimilated information included both the radial velocity (RV) and the movement of radar echo. In this assimilation technique, the key is transforming the movement of radar echo to a new radar measuring variable- "apparent velocity" (AV). Thus, the information of wind is added, and the indeterminacy of recovering two-dimensional wind only by AV was overcome effectively by combining RV with AV. By means of CMA GRAPES-3Dvar and CINRAD data, some experiments were performed. The results show that the method of retrieval of wind fields is useful in obtaining the construction of the weather system. 展开更多
关键词 variational assimilation technique wind fields Doppler radar data
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