中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统

应用伴随方法求解以数值预报方程作为约束条件的四维变分资料同化方案 ,关键问题是如何构造伴随模式。以中尺度数值模式 MM5为例 ,讨论了如何用伴随码技术建立 MM5伴随模式 ,以及伴随模式系统中权重、尺度因子的选取 ;最后对 MM5伴随模式系统进行了梯度检验 ,并利用实际资料进行四维变分资料同化试验。试验表明该系统有较强的同化能力 ,能够提高 MM5降水预报的准确性。

REM模式伴随系统的建立及其四维变分资料同化初步试验

Regional-Eta-Coordinate-Model(REM)中尺度模式对中国区域性降水显示出公认的较高预报能力,建立其四维变分资料同化系统是完善该模式,进一步提高其预报效果的重要工作。本研究编写了REM模式的切线性模式和伴随模式,介绍了建立REM模式伴随系统的过程,并利用实际天气个例资料,分别对REM模式的切线性模式、伴随模式及定义的目标函数梯度进行了正确性检验,检验结果表明对REM模式的切线性模式及伴随模式编写是成功的。利用REM模式的伴随系统,对1998年06月08日00时到09日00时和2000年08月01日00时到02日00时两个实际天气个例进行了四维变分资料同化试验。从数值试验的结果分析可以看到,进行四维变分资料同化后,两个天气个例在预报结束时刻其预报结果对风场和湿度场的预报都有明显改善,对温度场和高度场的预报也有所改善。对于累积降水的预报,两个个例利用四维变分资料同化后得到的初始场进行的预报结果则有较大不同,在个例1中,变分同化后对降水中心的位置和降水强度的预报都有明显改善,预报结果更接近于观测场;个例2中,变分同化后对降水中心位置和强度的预报则没有改善,产生这种现象的原因可能是由于定义的目标函数中没有加进背景场项,也可能是由于采用的观测资料时次比较少,还需要进一步进行研究和试验。

包含“开关”变量的MM5四维变分资料同化系统

数值模式中的湿物理过程对于模拟各种尺度的天气现象非常重要 ,但它会使得模式方程的状态变量不连续 ,这种不连续在模式程序中表现为“开关”变量。本文对包括Kuo降水参数化方案的非静力中尺度数值模式MM 5的四维变分资料同化系统进行研究 ,利用对实际降水的模拟 ,比较详细地讨论了有关的“开关”变量以及切向线性化和伴随问题。结果表明 :对于一个离散的数值模式 ,保持“开关”变量与基态一致 ,用伴随码方法构造的伴随模式计算的梯度值能够为最小化过程提供较好的下降方向 ;Kuo方案中对流每隔一个积分步的交替发生并不影响目标函数最小化的收敛速度 ;“开关”变量的存在也不影响将风、温度、气压和比湿结合起来同化对MM

基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验

为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化(4DVar)系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程(长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等)。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法(GCR)求解扰动亥姆霍兹(Helmholtz)伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。

基于GRAPES四维变分的静止轨道微波观测系统模拟试验研究

地球静止轨道微波观测同时具有高频次、大视场和穿透云雨的全天候观测能力,因此中国在规划第二代静止轨道气象卫星“风云四号”系列时已经明确提出对静止轨道微波观测的需求。基于中国候选的50、118、183、380和425 GHz五频段静止轨道微波辐射计载荷方案,开展了地球静止轨道微波观测系统模拟试验,理解其观测时间分辨率、频段选取和观测误差对台风预报的影响。试验基于GRAPES全球四维变分同化系统,同化静止轨道微波模拟观测资料,以2018年台风“玛利亚”和“山竹”为例分析了静止轨道微波资料同化对台风预报的影响。试验结果表明,对于静止轨道微波资料同化应用,提高观测资料的时间分辨率、增加通道数量和降低噪声水平能够有效提升台风数值预报性能。

雷达热动力反演资料的高分辨率同化模拟试验

目前,北京地区的天气预报系统对局地对流性定量降水预报能力较弱,远不能满足人们生产、生活和防灾、减灾工作的需要。针对北京地区对提高0—12 h短时临近天气,尤其是夏季局地对流性降水预报能力的需求,基于中国气象局北京城市气象研究所变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)的雷达热动力反演资料,建立了WRF模式初始化模块,采用四维资料同化(FDDA)方法,将VDRAS系统高时空分辨率三维热动力结构分析场资料同化到WRF模式中,实现了北京地区VDRAS分析场资料在WRF中尺度模式系统中的应用。通过降水个例的高分辨率同化模拟试验分析了雷达热动力反演资料同化对模式预报结果的影响。研究结果表明:雷达热动力反演资料的同化能够提高模式系统对近地面温、湿、风大气要素和降水过程的模拟能力,改善2 m比湿、降水落区、降水量级、降水时间的预报效果,减少降水漏报的现象。温度和比湿的同化比风的同化对模拟降水结果的改善更重要。虽然研究表明雷达热动力反演资料在WRF模式中的同化能够明显改善模式对选取降水个例的模拟效果,但其对模式尤其是数值业务模式系统预报效果的影响需要进一步更全面、更系统的检验,为业务化应用奠定更坚实的基础。

基于四维变分资料同化的核事故源项反演

福岛(Fukushima)核事故后,源项反演成为一种重要的核事故放射性释放源项定量计算分析方法。该文引入四维变分(4DVAR)资料同化法,结合中尺度大气扩散模型,提出一种针对核电厂事故的放射性释放源项反演方法。该方法利用核电厂周围监测数据,使用伴随方法迭代计算四维变分代价函数梯度,得到对释放源项的最佳估计。该方法考虑了完整时间序列上的放射性传输过程,对释放源项的估计结果为全局最优。风洞实验验证结果表明:源项估计的相对误差为20%左右。

CMA-GFS全球预报系统中的台风初始化

在CMA-GFS(CMA Global Forecast System)全球四维变分资料同化系统(4DVar)基础上,参照BDA(Bogus Data Assimilation)方法,建立了一个全球模式台风初始化方案。该方案通过4DVar同化窗口吸收诊断处理后的1 h间隔台风中心定位及中心气压信息,利用模式动力物理约束产生台风环流。同时,考虑到模式对台风的分辨能力,中心气压数据误差采用动态调整技术。2016年西北太平洋22个台风的试验表明,新方案不仅可以促进初始场中台风环流的生成,还可以显著减小CMAGFS全球预报系统的台风路径和强度预报平均误差,具有业务应用前景。