利用整层模式大气统计求解GRAPES-3DVAR动力平衡约束的数值试验

针对采用单层模式大气中统计求解风压场平衡关系的不足,采用改进方案,在表达动力平衡约束时考虑不同层次上变量之间的相关,利用整层模式大气中的旋转风场统计求解每一层上质量场的平衡部分。改进方案通过类岭回归方法减少多重共线性以及小尺度噪音对统计求解的不利影响,提高了统计结果的稳健程度。数值试验结果表明,相对于原有方案,采用整层模式大气统计求解的方案能更好地保证质量场在垂直方向分析的合理性,减少数字滤波初始化对分析增量的调整,提高位温的分析效果。在冬、夏两个代表月同化预报循环的对比试验中,改进方案对温度场的预报效果有明显提高,对风压场预报也有一定程度的正效果。

变分同化框架通过背景误差协方差构建动力平衡约束的研究进展

通过背景误差协方差构建动力平衡约束是变分同化框架设计的重要环节。它不仅帮助实现变量间的协同分析,提高观测使用效率,还能改善变分极小化问题的性状。本文在系统梳理通过背景误差协方差引入动力平衡约束的方式、流程的基础上,对求解目前全球和有限区域变分同化系统普遍采用的准地转平衡和静力平衡约束的共性问题和存在的不足作了归纳总结。分析了求解准地转平衡约束的三类方案:动力平衡方程方案、统计方案和动力-统计相结合方案的优缺点。对照比较了不同垂直离散方案下求解静力平衡约束时遇到的欠定问题的表现以及解决途径。最后,展望了基于背景误差协方差构建动力平衡约束在赤道等特殊地区、高分辨率同化系统、以及集合-变分混合同化系统发展中面临的挑战和机遇。

GRAPES变分同化系统中动力平衡约束的统计求解

该文在GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)模式面三维变分(3D_Var)框架中引入了一种描述不同控制变量之间动力平衡约束的新方案。新方案采用统计得到的流函数和模式气压变量(π)之间的回归系数代替原方案中的线性平衡方程,来表达旋转风和质量场之间的平衡关系;采用流函数和势函数之间的回归系数,补充表达了原方案中所没有的旋转风和散度风之间的平衡关系。与原方案相比,新方案算法简单,避免了垂直方向的反复插值,减少了插值误差的引入。通过随机扰动试验和单点试验可以发现,在地转关系成立较好的区域,新方案中旋转风和质量场的耦合程度与原方案接近一致;而在地转关系不适用区域,新方案可以有效减小两者的耦合程度。此外,由于新方案中添加了旋转风和散度风之间的动力平衡约束,边界层的风场分析也更加接近大气真实状况。