基于GSI的华南地区对流尺度快速循环同化预报试验

针对对流尺度快速循环同化系统多次循环同化带来的预报效果改进和资料应用问题,利用GSI同化技术和WRFARW区域模式,设计了华南地区对流尺度快速循环同化方案,对2016年4月17一18日华南地区的飑线天气强降水过程进行模拟试验,分析不同循环同化方案和雷达径向风资料同化对雷达回波、相对湿度、降水量级等的预报效果,以期提高华南地区飑线强降水过程预报技巧。检验结果表明:尽管只同化常规资料对预报效果的改进有局限性,但是多次循环同化对于模式预报的降水有一定改善作用;同时同化雷达径向风资料与常规资料对湿度和降水等模拟技巧均有所提高,大雨以上量级的ETS评分改进尤为明显;尽管模式模拟降水峰值小于真实观测值,但同化雷达径向风资料有效改善了飑线最强时段内的垂直上升速度,使得强降水发生时间和强度更接近真实观测。

青藏高原新增探空资料同化对南疆夏季降水预报的影响

利用第三次青藏高原大气科学试验中青藏高原西部新增3个探空站(狮泉河、申扎、改则)的探空资料,基于中尺度数值(WRF)模式和GSI同化系统,选取2015年夏季南疆两次不同类型(南亚高压双体型和单体型)的强降水过程进行同化敏感试验,以初步评估新增3个站探空资料同化对南疆夏季降水预报的影响。从初始场物理量的增量场来看,同化高原3个站探空资料对两次过程的初始场均有一定改进,对南亚双体型过程的改进较显著,这可能与其偏南气流及上下游效应较强有关。中、高层物理量的增量中心均出现在高原中、西部,分别对应申扎和狮泉河两站,并向周边地区逐渐减小,南疆地区表现为弱的正或负增量。虽然高原探空资料均在600 h Pa以上,通过动力调整对低层物理量也有一定影响。同化后低层的散度和湿度增量中心出现在高原西南侧,南疆地区变化较小。随着模式时间积分,各高度上的物理量和降水影响系统调整效果逐渐显著,总体使得200 h Pa副热带长波槽有所加深、南疆上空的偏南急流得到加强,500 h Pa低值系统强度有所减弱,850 h Pa的散度和湿度在南疆地区均有显著调整,但低层散度和湿度在南疆西部强降水中心调整相对较小。从降水预报结果来看,同化高原3个站探空资料后,对两次过程的小量级降水评分显著提高,即对降水落区预报能力有所提高;但对强降水中心结果影响不大,即对局地性强降水的预报能力仍有所欠缺。

三维变分同化机载雷达资料对飓风预报的影响研究——2012年Isaac试验

随着气旋内部资料(Inner core data)在热带气旋预报中的使用,其重要性逐渐受到人们越来越多的关注。为了研究该资料中尾部机载雷达(Tail Doppler Radar,TDR)资料在业务系统中的应用效果,本文利用2012年飓风等级热带气旋Isaac期间的TDR资料,采用业务HWRF(Weather Research and Forecasting model for Hurricane)数值模式与业务GSI(Grid-point Statistical Interpolation system)三维变分同化(Three-Dimensional Variational Data Assimilation,3DVar)系统对TDR资料进行了同化,展开了一系列预报试验,并对其效果进行了分析和研究。结果表明与HWRF的业务预报相比,GSI系统同化TDR资料后对热带气旋的路径和强度预报有明显改进;但其同化效果同时也表明业务三维变分中的静态背景误差协方差在TDR资料的应用中仍需要进一步的改进。

基于卫星辐射率资料的两种三维云反演方法对比研究

基于格点统计插值分析系统(Gridpoint Statistical Interpolation analysis system,简称GSI),利用粒子滤波(Particle Filter,简称PF)方法对卫星红外辐射率资料进行了云覆盖、云高等三维云图产品的反演研究。选取了具有高时空分辨率的静止卫星GOES(Geostationary Operational Environmental Satellites)-Imager辐射率资料进行了云反演试验,初步评估了PF云反演方法的可行性及其与多元极小残差(Multivariate and Minimum Residual,简称MMR)云反演方法的异同。结果表明:两种方法反演得到的云覆盖和云顶气压与NASA基于CO2切片法反演得到的GOES云产品一致性较高。PF和MMR方法反演产品的优点是云图信息是三维分布的,相对于NASA提供的GOES云产品能提供更全方位立体的云信息。MMR方法需要利用一维变分逐步拟合观测来反演三维云图产品;PF方法采用不同模式垂直层的云覆盖比例作为不同粒子来近似后验概率分布,计算效率大大提高。进一步提出了一种新的基于"扰动粒子"的粒子滤波云反演方法,结果表明:在滤波过程中采用足够多的粒子样本(样本数量约为250)可以改进后验概率密度函数的估计,有效地避免了粒子发散问题,改善了云反演的结果。

多普勒天气雷达资料同化对江淮暴雨模拟的影响

利用GSI同化系统（Gridpoint Statistical Interpolation System）对我国多普勒天气雷达资料进行直接循环同化分析,并采用WRF-ARW3.5.1中尺度模式对2013年我国夏季江淮流域典型暴雨过程进行模拟试验.结果表明经过质量控制的雷达径向风、反射率因子资料经GSI同化系统同化后,可形成合理的分析增量.仅同化径向风,模拟的风场与实况更接近,模拟的降雨落区与观测雨带位置更加接近.仅同化反射率因子,对水平风场的直接调整比较小,通过水凝物含量调整,对水平和垂直风场进行调整,对降水的落区影响较小,主要影响模拟的降水强度.同时同化两种资料,能更好地反映风场特征,并改善强降水的落区和强度的模拟.模拟改善最明显是在积分12～36h时段内,该时段有效雷达资料量较多,表明同化雷达资料对暴雨模拟确实具有正效果.

地面观测资料地形高度订正对我国东部暴雨数值模拟的影响

采用中尺度气象模式WRFv3.8.1(Weather Research and Forecasting Model)和GSI同化系统(Gridpoint Statistical Interpolation System),建立了一套循环同化系统,开展了一个月的地面观测资料、探空资料、雷达资料和卫星资料的同化试验。在试验结果基础上,针对我国西部地区复杂地形,根据模式地形高度与实际测站地形高度的差异对地面观测资料进行订正,并以2016年6月30日至7月6日长江中下游地区一次暴雨天气过程为例,进行数值模拟,对比分析地面观测资料的高度订正及同化对我国东部暴雨数值模拟的可能影响。模拟结果表明:(1)批量循环同化试验模拟的地面变量较ERA-Interim再分析资料的均方根误差普遍减小,对地面气象要素的模拟有一定的改善;(2)地面观测资料经地形差异订正后同化到模式中,模拟的降雨落区和量级与观测实况更为接近,TS评分、散度和垂直速度方面都有一定的改进,表明西部地区地面观测资料经地形高度订正后再同化到数值模式中能改进数值模式对我国东部暴雨的模拟效果。