中期数值天气预报的集合预报试验

利用中国科学院大气物理研究所研制的Ｔ４２Ｌ９ 谱模式， 在中期数值预报领域中引入集合预报的概念和方法， 初始扰动场取为Ｔ４２Ｌ９ 谱模式２４ 小时预报误差的平均均方差乘随机数， 再综合利用蒙特卡洛预报（ ＭＣＦ） 和落后平均预报（ＬＡＦ） 两种方法作集合预报试验， 试验结果表明： 各成员预报的等权平均或不等权平均的集合预报明显优于单一的控制预报； 不等权平均与等权平均的集合预报结果相比较， 不等权平均的集合预报优势较明显； 在不等权平均的集合预报中， 区域性不等权平均又比全球性不等权平均的预报稍好。

多星拼图的再处理技术

由于不同静止气象卫星的观测时间、分辨率及红外通道的红外扫描辐射计的光谱响应函数和空间响应函数都不尽相同,因此,将两颗静止气象卫星的红外云图融合在一起而形成的多星拼图,就会在交界处呈现不连续性,图像上表现为一条明显的拼缝且拼缝的两边亮度不一致。本文利用“直方图匹配方法”对多星拼图进行处理,消除了亮度不均匀现象,提高了图像的整体视觉效果。

几个典型台风路径的同化试验

从上海台风所的台风路径统计动力预报模型SD-90出发,利用变分同化方法结合反问题正则化思想和最优控制技巧(而非统计方法),反演出台风所受到的除科氏力以外所有力的合力及台风的初始速度,用实际台风定位资料分析不同的正则化参数及最优控制参数的组合对同化结果的影响,分析不同路径特征台风路径的拟合效果。该方法具有模式简单、应用资料少、拟合精度高等优点,为台风路径的预报提供了新的思路。

几个典型台风路径的同化试验

本文从上海台风所的台风路径统计动力预报模型SD-90出发,利用变分同化方法结合反问题正则化思想和最优控制技巧(而非统计方法),反演出台风所受到的除科氏力以外所有力的合力及台风的初始速度,用实际台风定位资料分析不同的正则化参数及最优控制参数的组合对同化结果的影响,分析不同台风路径特征的拟合效果。该方法具有模式简单、应用资料少、拟合精度高等优点,为台风路径的预报提供了新的思路。

基于MCMC方法的Lorenz混沌系统的参数估计

基于贝叶斯理论,提出用马尔科夫链蒙特卡罗(MCMC)方法来估计Lorenz混沌系统的未知参数。首先导出了未知参数分布规律的后验概率密度函数;接着采用自适应Metropolis算法构造Markov链;然后截取收敛的链序列,计算混沌系统参数的估计值。数值试验表明:该方法具有很高的估计精度,同时具有较好的抗噪声性能。

1998年夏季我国异常洪涝区域气候的物理集合模拟

通过对MM5有限区域模式中的5种物理过程加以扰动、组合得到一个有19个成员的物理集合,并用其对1998年夏季发生在我国东部地区的异常洪涝天气气候特征进行了模拟研究。结果表明:相对于集合平均、高分辨率试验,集合概率预报有着最高的分辨力,这从一个方面验证了集合预报方法认为在数值天气预报中应该以概率的形式来认识大气状态的观点的合理性。另外,对不同的集合模拟质量检验方法,有较好表现的具体物理实现方案不尽相同,同时,模拟结果对扰动物理过程的敏感性分布有一些差异,但从统计意义来看:某些物理过程的扰动对模拟结果产生强扰动效应的频率更高一些及某些具体物理实现方案表现好的频率更高一些。

强度尺度分解方法在气候温度场检验中的应用

本文首次将Casati等提出的强度尺度分解方法应用到气候地表温度场的检验中,探讨此方法用于评估气候模拟场误差的详细空间信息的适用性。以新一代气候系统模式模拟的月平均地表温度为例,传统的统计分析方法(较为常用的是空间相关系数和均方根误差、EOF分析等)不能完全反映模拟场误差的空间信息;强度尺度分解方法可计算不同阈值和空间尺度上的均方误差和模拟技巧,评估对应的模拟能力,定量给出模拟场主要误差的空间信息(误差范围即温度阈值及对应的空间尺度),例如,亚洲东部地区1月单年及多年平均的模拟场在230 K阈值1600 km模拟技巧非常低。本研究表明强度尺度分解方法适用于气候温度场的检验评估,能定量给出误差的空间信息。

微波温湿遥感资料在台风路径模拟中的同化试验

基于WRF模式及其3DVar同化系统,针对1513号超强台风"苏迪罗",对NOAA卫星中探测大气温度的AMSU-A资料和探测大气湿度的MHS资料进行同化,考察同化不同类型微波遥感资料对台风路径模拟的影响,结果表明:同化AMSU-A资料对台风路径模拟的改善要大于MHS资料,相对于控制试验,同化AMSU-A资料在预报时间段内将台风平均路径误差最多降低了49 km,而同化MHS资料则最多降低了29 km;组合同化AMSU-A和MHS资料并没有进一步提高台风路径模拟结果,这说明同化更多的资料量不一定能进一步改善台风路径的预报;同化AMSU-A资料对初始场的调整强度和范围大于MHS资料,但经过模式一段时间的积分,同化两类资料对物理场的调整强度接近;同化两类资料对物理场的调整与其对台风路径模拟的调整有着较好的对应。

有地形坡度的非线性Kelvin行波

提出了一个考虑地形坡度的非线性Kelvin行波解的模型,在假定了地形坡度沿山脉走向不变而仅在垂直于山脉走向的方向有改变的情况下,求得了该模型的解析解,这有助于加深对沿海山地捕获波的认识。文中还将该解与经典情形(即侧边界取为垂直刚壁而底面为水平)的解作了比较,发现前者的波速与扰动振幅均较后者要小,这与我国东南沿海武夷山区的沿海山地捕获波的情况相一致。

超强台风“梅花”急剧变化的环境特征和能量变化分析

利用中国气象局的热带气旋最佳路径资料和NCEP/NCAR再分析资料,对1109号超强台风"梅花"在急剧增强、超强和减弱阶段的大尺度环境、高低层涡散分布和能量场演变配比特征进行分析。结果表明:超强台风"梅花"强度变化与南亚高压、副热带高压的强度变化有明显关系;急剧增强前24 h,伴随有风垂直切变明显减弱,急剧减弱前24 h风垂直切变存在突然增强。中心附近对流层高层辐散的增强、正涡度的增大和正涡度柱向对流层中上层伸展导致超强台风"梅花"急剧增强,对流层低层辐散和高层辐合的增大与强度的减弱密切相关。急剧增强过程中涡旋风动能的增加远大于辐散风动能,涡旋风动能增量主要集中在大气层低层,总位能增量在大气低层和高层配比相当。

变分同化方法反演海气耦合模型参数的研究(英文)

采用变分资料同化技术,结合最优控制思想,对一个海气耦合模型的模式参数和强迫项进行了反演,结果表明,采用该方法对模式进行优化,既可以补偿模式参数不准确性给预报带来的误差,又可以对模式参数本身进行修正和估计,为将来在实际应用中改善更复杂的预报模式、提高预报准确率提供了一个可借鉴的思路。

基于假反扰动的江淮梅雨锋低涡初始误差分析

以一个江淮梅雨锋低涡的48h模拟结果为基态计算了奇异矢量,并利用奇异矢量构造了假反扰动。分析表明,假反扰动能在一定程度上描述初始误差,可以借助其进行初始误差分析;在假反扰动中,发展缓慢的奇异矢量分量是主体,描述了绝大部分模拟误差且增长迅速的奇异矢量所占比例却很小;分析假反扰动的具体形势发现850hPa上初始误差主要是低涡西南方向的低压槽偏弱,而在500hPa,渤海湾低压槽向西南方向的伸展不够,低压槽东边的高压脊应进一步向北伸展,这些初始误差都分布在关键系统的周围,并且具有中尺度的特征。另外,假反扰动中不同物理量场改进预报质量的贡献各不相同,各种物理量场间存在着使其空间分布趋于一致的动力相关关系。

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS臭氧观测同化试验研究

本研究在WACCM+DART(Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research TestBed)临近空间资料同化预报系统中加入SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)和MLS(Microwave Limb Sounder)臭氧观测同化接口,并以2016年2月一次平流层爆发性增温(SSW)过程为模拟个例进行了SABER和MLS臭氧观测同化试验,得出以下结论:同化SABER和MLS臭氧体积浓度观测得出的WACCM+DART臭氧分析场能够较真实反映SSW期间北极上空平流层臭氧廓线随时间的演变特征,且与ERA5(Fifth Generation of ECMWF Reanalyses)再分析资料描述的臭氧变化特征具有很好的一致性;基于SABER和MLS臭氧观测的WACCM臭氧6 h预报检验表明同化臭氧观测对臭氧分析和预报误差的改善效果主要体现在南半球高纬平流层和北半球中高纬平流层中上层—中间层底部;基于ERA5再分析资料的WACCM+DART分析场检验表明同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料可在提高北半球高纬地区上平流层—中间层底部臭氧场分析质量的同时减小该地区上平流层—中间层底部温度场和中间层底部纬向风场的分析误差;基于MLS臭氧资料的臭氧中期预报检验表明相对控制试验同化SABER和MLS臭氧体积浓度资料能更好改善0~5 d下平流层和中间层底部臭氧的预报效果。

GRAPES_GEPS模式对2018年冬季欧亚地区500 hPa高压脊形势的预报效果评估

基于1979~2017年(共39年)NCEP/NCAR第一套再分析数据首先对欧亚大陆500 hPa持续性高值[Persistent open ridges and blocking high(maxima)of 500 hPa geopotential height,PMZ]事件的气候分布特征进行了统计分析,发现欧亚地区冬季PMZ事件主要发生在乌拉尔山地区,该地区的PMZ事件生命史以2~3 d为主,移动距离小于1000 km。通过对2018年冬季发生在鄂霍茨克海地区的阻塞形势检验得出,GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)和ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)确定性模式在中短期时效对偏强阻塞形势有较好的预报能力,且ECMWF模式预报性能优于GRAPES模式,而对弱阻塞形势预报两家模式均不理想。随后针对GRAPES全球集合预报系统(GRAPESGEPS)和ECMWF集合预报对2018年冬季欧亚地区PMZ事件的预报能力开展细致评估,结果表明GRAPESGEPS控制预报在中期时效预报效果相对短期时效明显偏差,集合预报伴随预报时效临近更多的集合成员可预报出与零场接近的PMZ事件。ECMWF在短期时效预报效果明显由于GRAPES-GEPS,但随着预报时效延长,预报效果显著降低。对于2018年12月25~31日的PMZ事件,GRAPES_GEPS各集合成员在延伸期时效给出预报信息,随预报时效临近,集合成员预报成功率明显增加,但与零场相比PMZ事件维持时间较零场偏短、高压脊强度较零场偏弱。本文给出了中期延伸期时效GRAPES_GEPS对PMZ事件的冬季预报能力,以期未来能为中期延伸期阻塞形势预报提供参考。

基于WACCM+DART的临近空间SABER和MLS温度观测资料同化试验

基于WACCM+DART(Whole Atmosphere Community Climate Model,Data Assimilation Research Test-Bed)临近空间资料同化预报系统,以2016年2月的一次平流层爆发性增温(SSW)事件为例,开展了临近空间SABER(Sounding of the Atmosphere using Broadband Emission Radiometry)和MLS(Microwave Limb Sounder)温度观测资料集合滤波同化试验.结果表明:同化SABER和MLS温度观测资料可显著降低WACCM模式在中间层和平流层中上部(0.001~10 hPa)大气温度场的预报误差,改善CR试验在SSW发生时中间层变冷现象偏强、纬向风场首次发生反转的层次偏低以及增温恢复阶段0.1~10 hPa的东风层提前消退、纬向风速偏大、平流层顶位置偏高等现象.基于ERA5(The Fifth Generation of ECMWF Reanalyses)再分析资料的检验表明:同化SABER和MLS温度资料明显有利于减小北半球高纬度地区(60°-90°N)平流层中上层和下中间层(0.1~14 hPa)纬向风场以及平流层和中间层中下层(0.01~100 hPa)温度场的分析误差;同化低层大气观测也有利于减小0.1~14hPa纬向风场和0.01~100 hPa温度场的分析误差,但是不如同化SABER和MLS温度资料对临近空间纬向风场和温度场分析误差的改善效果显著.

变分同化方法反演海气耦合模型参数的研究

采用变分资料同化技术,结合最优控制思想,对一个海气耦合模型的模式参数和强迫项进行了反演。结果表明,采用该方法对模式进行优化,既可以补偿模式参数不准确性给预报带来的误差,又可以对模式参数本身进行修正和估计,为将来在实际应用中改善更复杂的预报模式、提高预报准确率提供了一个可借鉴的思路。

基于奇异矢量的优化短期集合预报

在1—2d的短期预报中,由奇异矢量构建的初始扰动主要是线性发展,为了防止在积分终止时刻,由同一奇异矢量导出的正负初始扰动的积分在集合平均时互相抵消,文中首先通过理论推导和实际计算证明了对集合成员进行优化的必要性,以及从不同奇异矢量导出的集合成员中,表现好于控制预报的一组成员相对于控制预报的离差恒大于或恒小于表现劣于控制预报的另一组成员,利用这个特征,在做集合预报时,把奇异矢量导出的正负两组预报分成离差相对大一组、离差相对小一组,就可以避免求集合平均时成员相互抵消,从而提出了一种优化基于奇异矢量的短期集合预报的方法。文中使用NCAR/PSU(美国国家大气研究中心/宾夕法尼亚大学)中尺度有限区域模式MM5第1版,及其对应切线性、伴随模式,对1999年夏季发生的两个梅雨锋低涡个例作了分析,在计算奇异矢量时采用了干能量模,分析结果表明:相对于正负两个初始扰动都入选的集合,严格按照这种方法挑选出来的优化集合可以有效地提高集合平均的精确度。在生成初始扰动的方法上,文中的计算表明,相对于用单个奇异矢量生成初始扰动,把正交的多个奇异矢量累加起来导出的初始扰动具有更大的增长率,能有效地增大集合成员间的离差,提高集合成员的预报精度。

云海-2掩星资料在区域数值预报中的同化应用评估

针对中国自主的云海-2掩星资料,基于WRF模式和GSI三维变分同化系统,以2019年5月首次开展了区域同化预报试验,试验结果表明:同化云海-2掩星资料后,风场、温度场的改善主要体现在预报的中后期,而湿度场的改善则贯穿于整个预报时间段,风场、温度场和湿度场的改善程度随着预报时间延长趋于一致;风场和温度场的改善主要体现在模式中层,而水汽混合比的改善则主要体现在模式的中低层;同化云海-2掩星资料能够合理的调整模式的位势高度场、湿度场、温度场和风场,进而改善降水预报结果。

掩星折射率和弯角同化对台风预报影响的对比

为研究无线电掩星探测(GPS RO)弯角和折射率同化对数值预报的影响,以2012年17号台风"杰拉华"为例,利用美国国家环境预报中心(NCEP)的业务同化系统(GSI),以NCEP预报场资料为初始场,分别使用一维弯角观测算子和一维折射率观测算子同化弯角和折射率数据,并与观测数据对比,分析比较了同化掩星弯角和折射率资料对台风路径、强度及大气状态变量的影响。结果表明,在完成掩星弯角和折射率资料同化后,台风路径的预报水平得到明显改进,其中同化弯角资料可以使路径误差减少32%,而同化折射率资料只能减少13%,同化2种掩星资料对台风强度预报也有一定的影响,其中同化弯角资料后在前2天预报的台风中心气压更接近于实际情况,而同化折射率资料对预报有负影响。

大气密度对运载火箭飞行的qα_(max)精度影响及建模分析

基于运载火箭是在真实大气密度中飞行,本文以2017年8月1日-2019年7月31日高垂直分辨率探空资料为例,分析参考大气密度与真实大气密度、以及对应的qα_(max)之间差异特征,最后建立订正模型,研究结果表明:1)密度偏差、相对偏差随高度变化特征与季节有关,有较明显的年内变化特征;2)qα_(max)偏差随时间呈现“M”字型变化特征,其值范围为-217.1721~219.0648 Pa·rad,平均值为-9.4684 Pa·rad,在(-20,0]区间范围内占有率最大(20.4110%);3)qα_(max)偏差具有明显的年内变化、季节变化特征,在1-3月和11-12月为正偏差、4-10月为负偏差,春、夏、秋季均为负偏差,冬季为正偏差;4)利用多元线性回归建立订正模型能较好地提高参考大气密度得到的qα_(max)精度,其中,偏差由-36.1569 Pa·rad减少到-7.7012 Pa·rad、绝对差由49.3254 Pa·rad减小到20.3244 Pa·rad,因此,在分析大气环境对运载火箭飞行影响时,应采用真实大气密度代替参考大气密度进行计算。