联合同化闪电资料和地面常规观测资料对强对流天气预报的影响

以2017年6月16日发生在广东省的一次中尺度对流过程为例,利用WRF模式对中尺度对流系统进行模拟,分析了联合同化闪电和地面常规观测资料较单独同化其中一种资料的改进作用。闪电资料通过WRF-FDDA系统以15 min作为一个闪电累积窗口被连续同化入模式中,地面常规观测资料通过WRFDA-3DVAR系统以1 h间隔循环同化入模式中。结果显示,相比于只同化地面常规观测资料,联合同化试验中闪电资料的引入提高了背景场中上升气流、冷池和阵风锋的准确度;相比于只同化闪电观测资料,地面常规观测资料的引入减小了更大范围的温度、水汽、风场的背景场误差,抑制了部分地区的虚假对流,即两种资料的联合同化整体上提高了对流系统的模拟准确度。预报技巧评分结果显示,联合同化对同化期和预报期的评分也有一定程度的提高。

全球定位系统的可降水量资料在北京地区快速更新循环系统中的同化试验

针对发生于2006年8月和2007年6—8月的28次降水过程,在3 h快速更新循环同化预报系统平台上分别进行了有无同化局地GPS可降水量资料的试验。结果表明,局地GPS可降水量的同化可以使模式对大阈值降水的时段、强度和落区的预报性能均获得全面的提高,此现象在模式积分最初的0—6小时表现得更为明显。由于同化所用的GPS可降水量观测资料主要集中在极为局地的京津冀地区,而且GPS-PWV资料的同化仅能对模式中的水汽含量发生影响,因此该资料的同化与否并不能为模式总体预报性能带来明显差异。但从以54511测站为代表的北京地区局地常规要素预报效果来看,快速更新循环的同化方式能使高时空分辨率的GPS可降水量在北京局地的同化效果得以累积,并为气象要素在局地的预报效果带来显著的正面影响。通过对一次强对流个例进行分析可以发现,以快速更新循环的方式可以同化较高时间频率的GPS可降水量观测,从而对模式大气的初始湿度条件起到持续累积的影响。在一定的动力和热力条件下,由GPS可降水量同化带来的累积的模式大气增湿也有望在模式中形成利于局地对流形成和发展的环境,提高模式对局地对流的预报水平。

基于卫星资料同化和LAPS-WRF模式系统的云天太阳辐射数值模拟改进方法

太阳能光伏发电已成为仅次于水电和风能的第三大可再生能源,光伏发电受云量时空变化的影响较大,因此准确模拟云天太阳辐射的时空变化对电网安全运行至关重要。围绕如何减小中尺度气象模式的云初始场误差,进而改进云天的太阳辐射模拟这一关键科学问题,本文通过研究基于卫星资料同化的LAPS(Local Analysis Prediction System)多时间层三维云分析同化方法,改进三维云结构,并将LAPS模式输出结果作为WRF(Weather Research and Forecasting)模式的初始场,模拟了2008年1月及夏季(6~8月)北京地区的总云量和总辐射的时空分布,重点分析了多云和有降水天气过程总辐射的模拟改进效果及其原因。结果表明,同化前后的总云量模拟值与观测值的时间变化趋势基本一致,但大部分时次总云量的模拟值低于观测值;大部分多云及降水时段同化后总云量模拟值较接近于实测值。1月晴天、多云天以及夏季晴天同化前后总辐射模拟值与实测值的时间变化趋势较一致,但同化前后两者的相关性差异不明显;晴天条件下同化前后总辐射模拟值均低于实测值,1月多云条件下多数时段同化后总辐射模拟误差减小不明显,与总云量的改进效果不显著有关。夏季多云、有降水及6月典型降水三种天气条件下同化前后总辐射模拟值与观测值的相关性稍差,同化后两者的相关性较同化前有所改进,尤其是6月典型降水过程改进效果较明显;同化前总辐射模拟误差较大,而同化后误差显著减小,尤其是6月典型降水过程同化后均方根误差和平均相对误差较同化前分别减小了102.6 W m^(-2)和355.9%,最大相对误差减小更显著;同化后总辐射模拟误差小于同化前的比例高达75%,即大部分时刻同化后模拟误差小于同化前。多云和有降水天气过程总辐射模拟效果的显著改进与总云量的改进密切相关,即同化后总云量模拟值增加,云的反射和散射作用增强,导致模拟总辐射减小,即更接近于实测总辐射值。研究结果对于多云和降水天气条件下太阳辐射的模拟效果改进、太阳能资源客观评估以及光伏电站的发电量预测具有一定的科学和实际应用价值。

地面观测资料在快速更新同化系统中的敏感性试验

通过对2011年7月31日发生在上海的局地强对流过程,利用快速更新同化系统(SMS-WARR),设计了四个试验,对地面观测资料(常规地面观测资料、加密自动气象站资料)进行敏感性数值试验。结果表明:不同地面观测资料同化对模式初始场的调整作用不同,地面观测资料的疏密影响模式初始场预报,加密自动站气象资料同化对初始温度场、风场的影响最明显;所有试验中,同化所有观测资料的模式能较好地模拟出此次强降水过程,且模拟的地面温度场、风场以及辐合线的演变与实况基本一致;通过分析、比较各试验初始场和预报结果的影响发现,同化所有地面观测资料能改善模式的初值,且观测资料通过循环同化的方式融合进模式,提高了模式对强对流中尺度结构特征的刻画,改善了对局地强对流天气系统的预报效果。

全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS的研制和初步评估试验

本研究发展了一个全球海洋资料同化系统ZFL_GODAS。该系统是一个短期气候数值预测业务系统的子系统,为短期气候预测海气耦合模式提供全球海洋初始场。系统能够同化的观测资料包括卫星高度计资料、卫星海表温度(SST)资料,以及Argo、XBT、TAO等各种不同来源的现场温盐廓线资料。系统使用的海洋模式为中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室开发的气候系统海洋模式LICOM1.0,同化方案为集合最优插值(EnOI)方案。系统使用一个由海洋模式自由积分得到的静态样本来估计背景场误差协方差。这样的基于集合样本的背景场误差协方差具有多变量协变、各向异性的特征,且能反映海洋物理过程固有的空间尺度特征。针对EnOI同化程序的特点,开发了一套特色鲜明、负载均衡、高效的并行化同化程序。本文通过与不同类型观测资料的比较,对同化系统的性能进行了评估。通过比较海表温度和海面高度的年际变率,海表温度异常随时间的变化,SST、海面高度异常(SLA)以及次表层温盐预报产品的均方根误差,5年平均温度偏差廓线、平均盐度廓线、平均纬向流速廓线等发现:系统工作正常、同化效果较好;经过同化以后,各变量都更加接近观测,误差更小,与观测场的相关性更好,可以为短期气候预测系统提供较好的海洋初始场,也可以为物理海洋学的研究提供有效的再分析资料。

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.

COSMIC资料在GRAPES全球三维变分同化系统的初步研究

利用COSMIC获得的GPS无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料,在GRAPES全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验,研究了加入COSMIC资料后得到的GRAPES分析场及其5天中期预报是否有所改善。研究结果表明:通过加入COSMIC资料连续循环同化得到的分析场,相对原来没有加COSMIC资料连续同化出来的GRAPES分析场有明显改善,由此GRAPES全球模式全球5天中期预报水平有明显提高,其中加入没有稀疏化后COSMIC资料对南半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都比较显著;加入稀疏化后的COSMIC资料对北半球GRAPES分析场的改善以及GRAPES全球模式5天中期预报水平的提高都有比较显著的效果。

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。

集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的观测系统模拟试验

本文将集合卡尔曼滤波同化技术应用到对流尺度系统中,实施了基于WRF模式的同化单部多普勒雷达径向风和反射率因子的观测系统模拟试验,验证了其在对流尺度中应用的可行性和有效性,并对同化系统的特性进行了探讨。试验表明:WRF-EnKF雷达资料同化系统能较准确分析模式风暴的流场、热力场、微物理量场的细致特征;几乎所有变量的预报和分析误差经过同化循环后都能显著下降,同化分析基本上能使预报场在各层上都有所改进,对预报场误差较大层次的更正更为显著;约8个同化循环后,EnKF能在雷达反射率、径向风观测与背景场间建立较可靠的相关关系,使模式各变量场能被准确分析更新,背景场误差协方差在水平方向和垂直方向都有着复杂的结构,是高度非均匀、各项异性和流依赖的;集合平均分析场做的确定性预报在短时间内能较好保持真值场风暴的细节结构,但预报误差增长较快。

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

AMDAR资料质量分析及对GRAPES系统同化和预报影响

为了研究AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料对GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统的影响,针对从国家气象信息中心实时库检索的业务AMDAR资料,分析了该资料的偏差和标准差等质量特性;利用GRAPES数值预报系统,做了两个月的同化预报循环试验。选取资料和试验的时间是2013年5月、6月,同化窗口6 h,预报时效7 d。结果表明,与背景场该资料的温度要素的平均偏差在0.2°C,标准差在2°C,风的平均偏差在0.2 m/s,标准差在3 m/s,偏差基本符合正态分布;AMDAR资料对同化和预报效果均有改善。

多普勒雷达在飑线系统资料同化及灾害性天气监测预报中的应用

飑线、台风、龙卷等中小尺度强对流系统通常形成强风、短时强降水、冰雹等剧烈天气,具有较为严重的灾害性。本文针对2016年6月21-22日江苏地区发生的一次飑线天气系统,利用新一代中尺度预报WRF(the weather research and forecasting model)模式及其三维变分同化WRF_3DVAR(3-dimensional variational)系统,循环同化多普勒雷达资料,基于数值模拟结果,分析该飑线系统的发展机制和结构特征。计算结果表明:(1)高时空分辨率的雷达观测资料能有效捕捉到飑线系统的中小尺度动力、热力特征,这些信息是飑线发生发展的动力和热力条件;(2)WRF_3DVAR同化系统循环同化多普勒雷达的径向速度和反射率资料,能提供一个更为准确的预报模式初始场,进而提高飑线强对流系统的模拟效果。

HUBEX区域资料同化系统

介绍HUBEX区域资料同化系统。这个系统采用 6h周期的间歇资料同化方法 ,利用全球粗网格分析场资料 ,形成冷启动的初估场和同化模式的边界条件。系统还包括资料质量控制、σ面最优插值客观分析、张弛逼近 (Nudging)初值化、中尺度同化模式预报和后处理等部分 ,对来自全球通讯系统、HUBEX加密观测的资料和国家卫星气象中心的导风资料进行同化。最后 ,用 1 998年 6月 2 4～ 2 8日长江流域的暴雨过程对这个资料同化系统进行测试。

GRAPES全球三维变分同化系统——基本设计方案与理想试验

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。

“00.7”北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估

针对2000年7月4～5日北京地区的一次特大暴雨过程(24 h降水量达240 mm),文中利用MM5/WRF三维变分系统和MM5非静力模式,对此次特大暴雨过程中的各种气象监测资料(地基GPS大气柱水汽含量、常规探空、高空测风、地面常规观测和地面自动气象站)的同化作用通过观测系统数值试验进行了评估.结果表明:与传统的客观分析方案相比较,MM5/WRF三维变分同化系统可直接引入非常规地基GPS大气柱水汽含量监测资料,提供更好的大气初始分析场.在三维变分同化方案下,各种大气监测资料均对改进此次特大暴雨模拟有不同程度的贡献,其中,常规探空和高空测风监测资料对改进预报结果的影响最大,地面常规观测和地面自动气象站观测资料作用次之,地基GPS大气柱水汽含量资料在与其他大气监测资料相互优势互补后,可很好地改善模式大气的分析质量,通过三维变分同化技术在区域数值天气预报模式初始场中引入地基GPS大气水汽监测网资料,使此次强降水个例的6 h和24 h测站降水预报的TS评分值在1,5,10和20 mm预报检验阈值下分别提高了1%～8%.研究结果对利用三维变分数值系统,评估气象监测网资料在改进高影响天气事件预报中的作用有借鉴意义.

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。

雷达和卫星资料同化在一次华南暴雨预报中的应用

利用WRF模式和GSI同化系统,搭建了一套可以业务运行的预报系统,实现了对多普勒天气雷达反射率和径向风、葵花(Himawari-8)气象卫星等资料的同化功能。基于本系统,针对同化非常规资料可能带来的资料应用和预报效果问题,设计了多组同化方案,对2017年7月17~18日发生在华南的一次强降水过程进行模拟分析和同化效果评估。结果表明:分别同化常规资料、雷达径向风、雷达反射率反射率、卫星资料均对预报效果有所改进,特别是同化卫星资料,可以改善系统对云水物质的分析能力,进而提高海上天气过程的降水预报。基于分类试验同化的结果,对整体同化常规资料、雷达径向风、雷达反射率和卫星资料等对温度、风向风速、相对湿度和降水等模拟技巧进行评估后发现,整体同化对强降水的发生时间和强度预报有改进,但并非在所有方面都优于单独同化某一类资料的结果。

中尺度模式的四维伴随同化系统及其同化试验

以中尺度模式MM4为基础,利用伴随码技术改进、完善了MM4伴随模式同化系统,并利用该系统进行了常规资料和非常规资料的伴随模式同化试验,例如加入了可降水量资料等。试验表明:在伴随模式同化系统中加入常规和非常规资料,可以改进初始场,从而改善预报场。

基于雷达资料同化的2003年7月一次暴雨过程的数值模拟及分析

利用我国CINRAD/SA多普勒雷达资料与中尺度模式ARPS的资料分析系统ADAS,对初始场进行调整,然后利用高分辨率的中尺度模式WRF对2003年7月4—5日的暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果可信的前提下,对暴雨过程中的中尺度对流系统(MCS)的结构及演变过程进行了分析。表明:多普勒雷达资料有助于提高暴雨模拟的精确度,利用其对中尺度系统进行高分辨率数值模拟,可以进一步认识中尺度系统的细致结构及演变情况;在中-β对流系统发展的过程中,大尺度环境场的有利条件可以对其发展起到促进作用,但具有中尺度特征的水汽条件、上升运动等因素也会起到关键的作用;中-β对流系统中可以同时有一支或多支的上升气流支出现,与降水有密切关系;2003年7月4—5日的两个中-β对流系统在发展过程中有从低空向高空移动的现象,即在发展初期,系统的中心位于低空,而在其旺盛时期则移至高空。