多普勒雷达资料四维变分同化

文章从理论上分析了多普勒雷达资料的四维同化。阐述多普勒雷达资料四维同化的主要过程及其基本思路。着重论述多普勒雷达资料四维变分分析系统 ( 4D VDRAS)的原理和方法 ,以及价值函数 ,共轭方程、伴随方程和多普勒雷达数据处理、Barnes插值技术和 4D

四维变分同化方法在暴雨预报中的应用

本文利用PSU／NCAR的MM5数值预报模式及其伴随模式，以我国1999年6月23日～6月24日的一次梅雨锋暴雨过程为个例，作了两组试验：控制试验和同化试验，并对两组试验的降水预报效果以及初始场进行对比分析，结果表明；四维变分资料同化方法可以将各种不同类型、不同时次的观测资料同化到模式中，将这些资料中有用的中尺度信息引入到模式初始场，有效改善初始场，从而提高暴雨预报水平。

GPS掩星折射率的一维变分同化

为了探索GPS掩星观测资料在数值预报模式中的同化应用,利用GPS掩星折射率的一维变分同化技术,将MM 5模式输出结果作为背景场,以GPS掩星折射率作为观测值来进行一维变分同化。将同化反演后得到的气压、温度、水汽压廓线与德国地学研究中心(GFZ)公布的气象观测资料进行了对比和分析,得到了较好的比较效果。证实了GPS掩星资料的合理同化对数值预报可进行有效的改进,并提出了下一步的同化方向。

北京地区一次强降水过程的多种观测资料四维变分同化试验

采用MM5非静力预报模式及其伴随模式系统,对2005年汛期北京地区的一次局地强对流降水过程进行了包括地面每3小时一次的湿度观测资料、北京地区自动站逐小时降水资料、北京地区逐30分钟GPS可降水量观测在内的多种观测资料的四维变分同化试验。结果表明,采用四维变分方法同化多种非常规中尺度观测资料后,模式成功地模拟出此次降水过程,不仅很好地修正了变分同化窗内的降水预报,同时也使同化窗口以后的降水预报获得了较为明显的改善,并且发现同化了多种观测资料后获得的最优初始场较原模式初始场对流不稳定能量显著增加,具有更利于降水形成的动力及热力条件。还对各种观测资料在四维变分同化中的相对重要性进行了分析。

改进的台风初值化方案及四维变分同化的个例试验

由于洋面上常规观测资料严重不足,使得客观分析的结果难以准确地描写初始台风的热力结构和环流特征,这是造成台风数值预报误差较大的重要原因。传统的Bogus方案虽然对台风预报有很大改进,但是仍有许多不足。文中在前人研究工作的基础上,对Bogus方案进行了改进,提高了对台风强度的描述能力,并结合四维变分资料同化的方法,利用模式动力学约束,自动生成具有非对称环流结构的台风初值,最后进行了四维变分同化试验和数值模拟试验。数值结果表明:这种结合Bogus方法和四维变分同化方法的台风初值化方案对于台风的路径模拟和强度模拟均有较好的改进。

“98·7”特大暴雨降水资料的四维变分同化研究

1998年7月21日00UTC～22日00UTC,湖北省的武汉-黄石地区发生了特大暴雨,其中黄石市24 h降水量达276 mm.文中应用四维变分资料同化方法,研究了初值对这次暴雨过程数值模拟的影响.通过对6 h同化窗口内339个站点逐小时观测降水的变分同化,MM5伴随模式得到了一个与模式相协调并且在热力和动力上都接近于自然强降水发生的初始场,使用该初始场模拟的武汉-黄石地区的24 h降水量超过了220 mm.在同化降水观测资料的同时加入了湿度观测资料后,在一定程度上约束了模式的水汽场,防止了同化窗口内模式初始场越过最佳逼近,从而使降水模拟的TS评分得到进一步提高.

四维变分同化技术在优化Z-C预测模式初始场中的应用试验

文中使用四维变分同化技术将海温观测资料同化到 Zebiak- Cane模式中 ,通过优化模式的初始场提高了模式的预报技巧。通过用理想场进行检验 ,说明所建立的同化伴随模式是正确的。用文中建立的四维变分同化模式以 1 997年 1月为初始场所做的预报结果与实况相比 ,结果较好。这对今后

基于雷达反射率反演降水率的一维+三维变分同化研究及试验

基于雷达反射率反演的降水率,以线性化的大尺度凝结方案和简化的CUDU对流参数化方案为降水的观测算子,建立大气湿度一维变分同化系统。通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线,以三维变分同化方法引进水汽廓线,为精细模式提供高质量的水汽初估值场。以一个强降水过程和2011年5月一个月为例,通过一维+三维变分同化系统订正大气水汽初估值,初步评估采用一维+三维变分同化系统同化雷达资料后对短期降水预报的影响。

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。

梅雨锋暴雨研究中的四维变分同化试验

作者利用PSU/NCAR的MM5数值预报模式及其伴随模式,以中国1999年6月23日～24日的一次梅雨锋暴雨过程为个例,根据气象要素与同化窗口之间的配置差异,作了3组变分同化试验。试验结果表明:4DVAR方法在提高梅雨锋暴雨的数值预报水平上具有重要的作用。

台风数值模拟中bogus涡旋四维变分同化的研究

研究用MM5四维变分同化系统同化bogus涡旋变量对台风数值模拟的影响,对2002年13号台风Phanfone进行48h预报,结果表明:用四维变分方法同化bogus涡旋变量效果优于在背景场中直接植入模型涡旋的传统bogus技术。同时同化bogus涡旋的风、气压、温度和比湿效果不如只同化气压和其中任一变量。同化bogus涡旋的气压和比湿,能够调整模式初始场的其他变量,得到结构更清晰、与环境场更协调的初始涡旋,从而在一定程度上提高了台风Phanfone路径和强度预报的准确性。

使用卫星资料进行边界层四维变分同化研究综述

数值天气预报是当前天气预报的重要手段之一,而同化工作一直是数值预报研究的重点。在查阅了近年来国内外相关文献的基础上,对使用卫星举行资料边界层四维变分同化的研究进展进行了论述,并对最优插值法和变分法2种主要的研究方法进行了简单介绍。研究结果认为,变分方法对于初始场的改善具有明显的效果,与纯粹的统计插值方法相比,变分法具有十分明显的优势;理论上变分法能够同化所有类型大气探测资料,对非常规探测的包容能力极强,不仅能最大限度地获得观测中的信息量,而且避免了各种反演不适定问题。

集合降维变分同化中的初始扰动和局地化

集合降维变分同化方法ERDVar不需要求解切线性模式和伴随模式,不仅能减少同化计算量,而且能够提供“流依赖”的背景误差协方差矩阵。本文提出用NMC初始扰动生成方法和分区同化方案,来解决初始扰动样本生成问题和全球同化局地化问题,最终实现将ERDVar应用到全球中期数值预报模式T106L19。试验结果表明:(1)使用ERDVar方法能够有效提取真实增量信息,提高全球同化精度。(2)用NMC方法产生的扰动样本反映预报误差结构特征,在预报过程中不容易衰减,同化后至少使预报误差降低10%。(3)与全球ERDVar同化试验相比,分区ERDVar同化试验各变量平均的均方根误差降低14%,计算代价进一步降低。分区ERDVar方法和NMC样本的联合应用使同化改进效果更稳定。

基于ROMS模式的南海SST与SSH四维变分同化研究

卫星遥感观测获得了大量高分辨率的海面实时信息,包括海面温度(SST)和海面高度(SSH)等,同化进入数值模式可有效提升模拟精度。本文基于ROMS模式与四维变分同化方法(4DVAR),使用AVHRR SST和AVISO SSH数据,开展了南海区域同化实验。为检验同化的效果,分别利用HYCOM再分析资料和Argo温盐实测数据分析了同化结果的海面高度、流场及温盐剖面的精度。对比结果表明,SST和SSH的同化能够改善ROMS的模拟结果:同化后海面高度场能够更为准确地捕捉海洋的中尺度特征,与HYCOM海面高度再分析资料相比,平均绝对偏差和均方根误差分别为0.054 m和0.066 m;与HYCOM 10 m层流场相比,东向与北向流速平均绝对偏差分别为0.12 m/s和0.11 m/s,相比未同化均提升约0.01 m/s;温盐同化结果与Argo温盐实测具有较高的一致性,温度和盐度平均绝对偏差为0.45℃、0.077,均方根误差为0.91℃、0.11,单个的温盐廓线对比说明,同化结果与HYCOM再分析资料精度相当。

关于气象资料四维变分同化的一类大规模非线性统计模型

把气象中的变分同化问题作为一类大规模非线性统计模型而提出 ,从数学上解释、证明了气象学使用此模型的数学原理 ,并用随机模拟加以验证 .

关于四维变分同化方法目标函数的权矩阵

本文运用概率统计理论讨论目标函数的权矩阵,证明了以误差协方差阵的逆为权矩阵的优越性,还证明了四维变分同化所得的初始场估计是渐近无偏的,同时又是渐近有效的。给出几种权矩阵模拟检验的结果,从而为选择合适权矩阵提供依据。

GRAPES全球四维变分同化分析场质量的初步诊断分析

为了深入认识全球四维变分同化系统(Global Regional Assimilation and Prediction System Four-Dimensional Variational,GRAPES 4DVAR)分析场质量,利用2019年3月1日至2020年2月29日GRAPES 4DVAR 7层等压面的高度、温度、纬向和经向风等4个要素的分析场及同期ERA5再分析场资料和探空观测资料,基于Pearson相关系数、偏差统计和EOF分解等多种统计分析方法,对GRAPES 4DVAR分析场质量进行了评估。结果表明:(1)GRAPES 4DVAR各要素分析场与ERA5再分析场具有显著的正相关(相关系数均通过α=0.01显著性水平检验),其中高度场和温度场的相关系数大于0.99,风场的相关系数大于0.85,GRAPES 4DVAR分析场和ERA5再分析场与探空观测的均方根偏差值的大小及分布相似,表明GRAPES 4DVAR同化分析场具有较高的质量,且北半球和南半球的分析质量优于热带地区;(2)GRAPES 4DVAR温度和风的分析场与ERA5再分析场在北半球和南半球的偏差存在较明显的季节变化和空间变化,表现为夏半年偏差小于冬半年,中层偏差小于低层和高层,且在对流层低层(高层),南半球(热带地区)的偏差大于北半球和热带地区(南半球);(3)不同要素分析偏差的特征显示,温度分析偏差主要出现在对流层低层,极大值区位于北极和南极地区,而风场分析偏差主要位于对流层中高层,极大值区主要分布于青藏高原、非洲大陆西部及北部、东太平洋及大西洋赤道附近区域。

四维变分同化技术在风暴潮数值模拟中的应用

利用区域海洋模式ROMS(Regional Ocean Modelling System)及其四维变分同化模块,建立了具有资料同化能力的东中国海风暴潮数值模式,通过将海洋站水位观测资料同化到风暴潮模式中,提高了模式对风暴潮的模拟精度。四维变分同化技术能够在整个同化时间窗口保持动力协调,使模拟结果在该时间窗口内最大程度的靠近观测,同时,得到了最优预报初始场。利用该模式,对两次温带风暴潮过程进行了数值模拟,结果表明:在同化窗口内,同化对模拟精度有明显的提高;结束同化之后,得到的最优预报初始场对临近预报精度也有一定提高。

多源卫星观测数据在全球四维变分同化系统中的应用

首先描述高分辨率全球四维变分资料同化系统的基本软件框架,并对多源卫星资料同化的关键技术作阐述;其次通过统计分析,说明新型卫星观测数据的引入不但能够增加同化系统中的信息量,而且能够提高其他类型观测数据的利用率;然后通过一个月的统计检验结果表明:无论是从距平相关还是均方根误差而言,在有效同化无线电掩星和卫星风资料后,高分辨率同化预报系统预报技巧的提高是十分明显的;最后,通过一个强降水个例的分析结果表明:基于新的初始场全球模式降水预报准确性较高,就强降水中心区域的预报而言,模式预报和观测实况较为一致,优于国外模式降水预报。

对降水资料的四维变分同化

用常规资料（Ｔ、ｐ、ｕ、ｖ、ｑ的分析值）和降水资料（２４ｈ降水量的分析值）进行四维变分（４ＤＶＡＲ）资料同化试验。试验中用了全物理过程的ＮＭＣη模式和带有对流过程的伴随模式。４ＤＶＡＲ试验的结果表明：在资料同化期间和同化以后，用了积云对流修改方案和降水资料后，最小化过程迭代十次便收敛，降水预报也改进了。特别是，４ＤＶＡＲ方法比最优内插方法在改善降水预报方面更优越。