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Variational Quality Control of Non-Gaussian Innovations in the GRAPES m3DVAR System: Mass Field Evaluation of Assimilation Experiments 被引量:2
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作者 Jie HE Xulin MA +4 位作者 Xuyang GE Juanjuan LIU Wei CHENG Man-Yau CHAN Ziniu XIAO 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2021年第9期1510-1524,共15页
The existence of outliers can seriously influence the analysis of variational data assimilation.Quality control allows us to effectively eliminate or absorb these outliers to produce better analysis fields.In particul... The existence of outliers can seriously influence the analysis of variational data assimilation.Quality control allows us to effectively eliminate or absorb these outliers to produce better analysis fields.In particular,variational quality control(VarQC) can process gray zone outliers and is thus broadly used in variational data assimilation systems.In this study,governing equations are derived for two VarQC algorithms that utilize different contaminated Gaussian distributions(CGDs): Gaussian plus flat distribution and Huber norm distribution.As such,these VarQC algorithms can handle outliers that have non-Gaussian innovations.Then,these VarQC algorithms are implemented in the Global/Regional Assimilation and PrEdiction System(GRAPES) model-level three-dimensional variational data assimilation(m3 DVAR) system.Tests using artificial observations indicate that the VarQC method using the Huber distribution has stronger robustness for including outliers to improve posterior analysis than the VarQC method using the Gaussian plus flat distribution.Furthermore,real observation experiments show that the distribution of observation analysis weights conform well with theory,indicating that the application of VarQC is effective in the GRAPES m3 DVAR system.Subsequent case study and longperiod data assimilation experiments show that the spatial distribution and amplitude of the observation analysis weights are related to the analysis increments of the mass field(geopotential height and temperature).Compared to the control experiment,VarQC experiments have noticeably better posterior mass fields.Finally,the VarQC method using the Huber distribution is superior to the VarQC method using the Gaussian plus flat distribution,especially at the middle and lower levels. 展开更多
关键词 variational quality control non-Gaussian distribution INNOVATION OUTLIER data assimilation
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青藏高原区域资料同化的变分质量控制研究:参数优化及其有效同化
2
作者 杨嘉瑞 和杰 +2 位作者 马旭林 郝冰洁 张彤彤 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第4期443-458,共16页
青藏高原(下称高原)区域天气系统变化对其周围及下游区域的数值天气预报质量具有重要影响。然而,高原区域质量偏低且稀少的观测资料严重制约了同化分析效果和预报质量。变分质量控制方案(VarQC)具有合理利用不同质量观测资料改善同化分... 青藏高原(下称高原)区域天气系统变化对其周围及下游区域的数值天气预报质量具有重要影响。然而,高原区域质量偏低且稀少的观测资料严重制约了同化分析效果和预报质量。变分质量控制方案(VarQC)具有合理利用不同质量观测资料改善同化分析性能的良好能力。鉴于此,在对高原区域观测误差非高斯分布特征分析的基础上,构建了适应高原区域观测误差特征的“高斯分布+均匀分布”的变分质量控制方案(Flat-VarQC),优化了其关键参数,使其能更准确地基于同化新息向量调整观测对同化分析的影响权重,从而提高高原区域稀少观测资料的有效同化率,改善高原区域的同化分析质量。试验结果表明:高原区域观测误差具有更明显的“厚尾分布”特征,同化过程中单纯的高斯分布假设将导致观测资料的有效同化率偏低,从而降低了高原区域有限观测资料对同化分析的贡献;适用于高原区域资料特点的变分质量控制关键参数优化是充分发挥高原区域FlatVarQC改善同化分析质量的关键;Flat-VarQC能够明显提升高原区域常规资料的有效同化率,吸收更多“有益”资料信息,剔除“有害”资料信息,从而提高观测资料对同化分析的正贡献。这对于高原区域中、小尺度天气系统的同化分析和强降水预报具有更显著的改善效果。 展开更多
关键词 青藏高原 资料同化 变分质量控制 新息向量 观测误差
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Variational quality control of non-Gaussian innovations and its parametric optimizations for the GRAPES m3DVAR system 被引量:1
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作者 Jie HE Yang SHI +2 位作者 Boyang ZHOU Qiuping WANG Xulin MA 《Frontiers of Earth Science》 SCIE CSCD 2023年第2期620-631,共12页
The magnitude and distribution of observation innovations,which have an important impact on the analyzed accuracy,are critical variables in data assimilation.Variational quality control(VarQC)based on the contaminated... The magnitude and distribution of observation innovations,which have an important impact on the analyzed accuracy,are critical variables in data assimilation.Variational quality control(VarQC)based on the contaminated Gaussian distribution(CGD)of observation innovations is now widely used in data assimilation,owing to the more reasonable representation of the probability density function of innovations that can sufficiently absorb observations by assigning different weights iteratively.However,the inaccurate parameters prevent VarQC from showing the advantages it should have in the GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)m3DVAR system.Consequently,the parameter optimization methods are considerable critical studies to improve VarQC.In this paper,we describe two probable CGDs to include the non-Gaussian distribution of actual observation errors,Gaussian plus flat distribution and Huber norm distribution.The potential optimization methods of the parameters are introduced in detail for different VarQCs.With different parameter configurations,the optimization analysis shows that the Gaussian plus flat distribution and the Huber norm distribution are more consistent with the long-tail distribution of actual innovations compared to the Gaussian distribution.The VarQC’s cost and gradient functions with Huber norm distribution are more reasonable,while the VarQC’s cost function with Gaussian plus flat distribution may converge on different minimums due to its nonconcave properties.The weight functions of two VarQCs gradually decrease with the increase of innovation but show different shapes,and the VarQC with Huber norm distribution shows more elasticity to assimilate the observations with a high contamination rate.Moreover,we reveal a general derivation relationship between the CGDs and VarQCs.A novel schematic interpretation that classifies the assimilated data into three categories in VarQC is presented.They are conducive to the development of a new VarQC method in the future. 展开更多
关键词 data assimilation variational quality control contaminated Gaussian distribution non-Gaussian distribution INNOVATION
原文传递
GRAPES_Meso V4.0主要技术改进和预报效果检验 被引量:83
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作者 黄丽萍 陈德辉 +4 位作者 邓莲堂 徐枝芳 于翡 江源 周非非 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2017年第1期25-37,共13页
针对GRAPES_Meso V3.0存在的降水量偏大、模式运行不稳定、近地面温度预报偏差较大、可同化资料偏少以及分辨率偏低等问题,开展了多方面的改进工作:引入变分质量控制以及探空湿度的偏差订正,实现了GPS/PW资料、FY-2E云导风资料以及无线... 针对GRAPES_Meso V3.0存在的降水量偏大、模式运行不稳定、近地面温度预报偏差较大、可同化资料偏少以及分辨率偏低等问题,开展了多方面的改进工作:引入变分质量控制以及探空湿度的偏差订正,实现了GPS/PW资料、FY-2E云导风资料以及无线电掩星资料的同化应用,提高了模式分辨率,引入四阶水平扩散方案,调整了微物理参数化方案与动力框架的耦合方案,完善了地面辐射能量平衡方程以及优化了后处理雷达组合反射率因子的诊断方案,并集成所有改进成果形成新的业务化GRAPES_Meso V4.0。批量试验结果表明:GRAPES_Meso V4.0降水ETS评分普遍提高,同时预报偏差明显降低,月平均降水更接近实况,且能够较好地刻画雨带细节;2 m温度预报偏差有较为显著的改善,大部分地区24 h预报有1~2℃左右的降低,有些地区有3~5℃的降低;GRAPES_Meso V4.0对高度场、温度场和风场的改进效果比较显著,500 hPa的温度、风速、位势高度场的相关系数均有显著提高,850 hPa的均方根误差也明显降低,整体性能明显高于GRAPES_Meso V3.0。 展开更多
关键词 GRAPES_MesoV4.0 FY-2E资料同化 物理过程参数化 变分质量控制 模式分辨率
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卫星云图资料反演的质量控制及变分同化数值试验 被引量:22
5
作者 闵锦忠 沈桐立 +1 位作者 陈海山 孙麟平 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2000年第4期410-418,共9页
该文针对数值化的 GMS红外卫星云图资料的特点 ,利用改进的统计反演方法分别求出温度和湿度估计场 ,设计了几种订正方案对反演出的温度和湿度进行质量控制 ;控制后的反演场再与常规观测资料进行变分同化 ,最后用 MM4模式进行了模拟对比... 该文针对数值化的 GMS红外卫星云图资料的特点 ,利用改进的统计反演方法分别求出温度和湿度估计场 ,设计了几种订正方案对反演出的温度和湿度进行质量控制 ;控制后的反演场再与常规观测资料进行变分同化 ,最后用 MM4模式进行了模拟对比试验 .结果显示 ,在合理的泛函设计的基础上 ,质量控制的好坏直接影响预报结果 .用分析场格点值进行订正效果优于用测站值直接订正 ,加上对云图反演的值进行系统误差订正后 ,有效提高了降水预报准确率 .值得指出的是 ,加进云图资料后 ,明显改善了模式降水预报的强度和区域 ,与仅用常规探空资料相比更接近于实况 . 展开更多
关键词 卫星云图 质量控制 变分同化 MM4模式
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风廓线雷达资料质量控制及其同化应用 被引量:36
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作者 张旭斌 万齐林 +2 位作者 薛纪善 丁伟钰 李昊睿 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2015年第1期159-176,共18页
为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF)分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)... 为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF)分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)尺度的贡献,较好地滤除了小尺度高频脉动,也较好地保留了大尺度平均状态与局地中小尺度系统的共同影响,并且更加接近ECMWF再分析场。此外,还对质量控制后的数据进行了垂直稀疏化。分别计算了质量控制前、后风廓线雷达观测与NCEP6 h预报场的差值,对比差值的特征发现,经过质量控制的数据的观测增量更好地满足了高斯分布与无偏假设。针对一个实际天气个例,基于GRAPES 3D-Var同化系统,分析了质量控制后的风廓线雷达资料对模式分析与预报的影响。试验表明,在循环同化过程中加入风廓线雷达资料可以更好地描述模式初始场低层风场的特征,从而对强降水的位置与强度做出更好的预报。针对2013年5月的批量试验表明,同化风廓线雷达资料使短期降水预报有明显的改善。 展开更多
关键词 风廓线雷达 质量控制 变分资料同化
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卫星资料的非线性反演同化与一次强降水预报试验 被引量:19
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作者 胡文东 沈桐立 +4 位作者 丁建军 刘建军 陆晓静 陈晓娟 王承伟 《高原气象》 CSCD 北大核心 2006年第2期249-258,共10页
利用地球同步气象卫星红外资料,通过优选BP人工神经网络和最优拟合回归这两种非线性方法,建立了反演宁夏大气相对湿度场的数学模型。反演湿度场经过变分同化与质量控制后,代入中尺度数值预报模式MM5,对一次突发性强降水过程进行了预报... 利用地球同步气象卫星红外资料,通过优选BP人工神经网络和最优拟合回归这两种非线性方法,建立了反演宁夏大气相对湿度场的数学模型。反演湿度场经过变分同化与质量控制后,代入中尺度数值预报模式MM5,对一次突发性强降水过程进行了预报试验。结果表明,使用该资料后,数值预报模式对这次突发强降水过程的预报能力明显提高,模式输出产品具有预报指示意义,spin-up问题得到了一定程度的改进。 展开更多
关键词 气象卫星红外资料 非线性反演 变分同化 质量控制 强降水预报试验
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卫星云图反演资料质量控制方案在暴雨模拟中的对比研究 被引量:4
8
作者 赖绍钧 沈桐立 +1 位作者 何芬 孙桂平 《气象科学》 CSCD 北大核心 2005年第6期551-559,共9页
本文以2003年7月9~10日发生在江淮流域的暴雨过程为例,应用FY-2B卫星红外云图灰度资料,利用统计回归的反演方法求出高分辨率的温度和湿度的反演场用于改进预报的初始场.设计和对比了几种质量控制方案,再将控制后的反演场与常规资料进... 本文以2003年7月9~10日发生在江淮流域的暴雨过程为例,应用FY-2B卫星红外云图灰度资料,利用统计回归的反演方法求出高分辨率的温度和湿度的反演场用于改进预报的初始场.设计和对比了几种质量控制方案,再将控制后的反演场与常规资料进行同化,最后用MM5模式进行了模拟对比试验.结果表明:在模式的初始场中引入卫星云图反演场能反映出更为细致的中尺度结构,有效地增强了对降水有重要影响的高湿区;锋生函数质量控制方案改善模式的初始场,从而改善了MM5模式降水预报的落区和强度,提高了降水预报准确性及Ts评分. 展开更多
关键词 卫星资料反演 资料变分同化 质量控制
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卫星云图资料同化中的质量控制及其在暴雨预报中的应用 被引量:5
9
作者 郑祚芳 沈桐立 张秀丽 《灾害学》 CSCD 2003年第1期1-8,共8页
以1996年7月3~4日发生在江淮流域的暴雨过程为例,依据统计特征分别以常规分析场、正涡度高值区、高低空急流为标准,设计了三套方案对卫星反演湿度场进行质量控制。利用中尺度MM5模式进行的数值试验表明:经质量控制后预报场得到较大改善... 以1996年7月3~4日发生在江淮流域的暴雨过程为例,依据统计特征分别以常规分析场、正涡度高值区、高低空急流为标准,设计了三套方案对卫星反演湿度场进行质量控制。利用中尺度MM5模式进行的数值试验表明:经质量控制后预报场得到较大改善;质量控制方案的优劣对预报效果有直接影响,选择合理的控制标准是重要的。 展开更多
关键词 卫星云图资料同化 质量控制 湿度场 数值试验 中尺度MM5模式 预报效果 暴雨预报
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在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究 被引量:3
10
作者 李华宏 沈桐立 王曼 《南京气象学院学报》 CSCD 北大核心 2003年第6期749-758,共10页
资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一,受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中,弥补常规观测网时空分辨率的不足,成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28—29日发生在江淮流域的暴雨过程... 资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一,受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中,弥补常规观测网时空分辨率的不足,成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28—29日发生在江淮流域的暴雨过程为例,依据其中尺度场和能量场特征,分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中,结果表明:经质量控制后,可以明显地改善降水区域及降水量的预报;对降水预报,特别是强降水天气过程的预报,该质量控制方案具有普遍意义。 展开更多
关键词 数值预报 卫星资料 质量控制 资料变分同化
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观测资料的四维质量控制:变分法 被引量:17
11
作者 朱江 《气象学报》 CSCD 北大核心 1995年第4期480-487,共8页
利用四维变分资料同化技术,定义了观测资料的误差均差比,并在理论上初步探讨了利用误差均差比来判断资料中重大误差(grosserror)的合理性。利用简单的Lorenz模式进行了一些数值试验,以检验质量控制方案。
关键词 大气 观测数据 质量控制 变分法
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应用多普勒天气雷达资料对四川“7·3”暴雨的变分同化试验 被引量:4
12
作者 杨银 朱克云 +1 位作者 张杰 戴昌明 《成都信息工程学院学报》 2013年第1期17-23,共7页
针对2011年7月3日四川地区一次强降雨过程,以NECP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用中尺度数值天气预报模式WRF及其三维变分同化系统3DVAR,同时对多普勒天气雷达的径向速度和反射率因子进行了三维变分同化对暴雨模拟... 针对2011年7月3日四川地区一次强降雨过程,以NECP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用中尺度数值天气预报模式WRF及其三维变分同化系统3DVAR,同时对多普勒天气雷达的径向速度和反射率因子进行了三维变分同化对暴雨模拟效果影响的研究。结果表明:同化了雷达资料后的初始场能够更加精细的刻画初始风场和水汽通量场的分布与数值,能展现出风场的辐合辐散区域,对水汽通量的中心位置有较大影响,大风速区域和水汽通量高值中心有较好的对应关系;同化了多普勒雷达资料后能较为明显的改变降雨落区及强度的预报精度,前6h有明显的改善作用,随着时间的增加改善作用逐渐减小,前9小时改进作用仍很明显,对比24小时实况降雨仍存在一定的改善作用;经过质量控制后的雷达资料对暴雨预报的改善作用要优于未进行质量控制的雷达资料以及每隔一小时加入一次雷达资料要优于每隔半小时加入雷达资料对于暴雨预报的改善作用。 展开更多
关键词 气象学 资料同化 暴雨 三维变分同化 径向速度 反射率因子 质量控制
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气象卫星资料在天气预报分析业务中的应用 被引量:8
13
作者 毕宝贵 林建 徐晶 《气象》 CSCD 北大核心 2004年第11期19-23,共5页
对TOVS和云导风非常规反演资料进行了质量控制 ,并将控制后的反演场与常规观测资料以及T1 0 6分析场资料进行变分同化 ,得到合成分析场。结果表明 :在合理的目标函数设计的基础上 ,合成分析场与仅用常规探空资料相比更接近于实况 ,弥补... 对TOVS和云导风非常规反演资料进行了质量控制 ,并将控制后的反演场与常规观测资料以及T1 0 6分析场资料进行变分同化 ,得到合成分析场。结果表明 :在合理的目标函数设计的基础上 ,合成分析场与仅用常规探空资料相比更接近于实况 ,弥补了实况资料的不足。运用MICAPS中特有的网格点绘图功能实现了机器自动绘制历史天气图工作。经检验误差较小 ,线条平滑。该方法为在实时天气图和历史图分析中使用非常规资料提供了一条新的途径 ,具有一定的实用价值。 展开更多
关键词 气象卫星资料 合成分析 天气预报 探空资料 变分同化 反演 MICAPS 平滑 常规 控制
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利用微波探测仪(ATMS)对在轨微波辐射计观测精度的模拟分析
14
作者 杜明斌 王超 +3 位作者 安大伟 李泓 李雪 杨何群 《上海航天》 CSCD 2018年第2期66-72,共7页
微波辐射计的观测精度及其对数值模式同化应用的影响评估是微波辐射计观测指标设计的重要参考。基于微波探测仪(ATMS)资料,利用三维变分同化系统模拟分析在轨微波辐射计的观测精度指标。针对ATMS观测误差特征,在其观测基础上增加均值为... 微波辐射计的观测精度及其对数值模式同化应用的影响评估是微波辐射计观测指标设计的重要参考。基于微波探测仪(ATMS)资料,利用三维变分同化系统模拟分析在轨微波辐射计的观测精度指标。针对ATMS观测误差特征,在其观测基础上增加均值为零、标准偏差分别为0.5,1.0,1.5,2.0K的正态随机扰动,进而获得不同精度的观测模拟值序列,然后利用Harris和Kelley的辐射资料偏差订正经验方法订正不同精度的观测资料。偏差订正后,利用三维变分同化模式(WRFDA)直接同化ATMS资料。通过2016年6月6h预报场的同化试验,评估了不同观测精度的模拟资料对数值模式的同化影响。 展开更多
关键词 卫星资料 微波辐射计 直接同化 观测模拟 观测精度 质量控制 偏差订正 随机扰动
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Application of FY-2C Cloud Drift Winds in a Mesoscale Numerical Model
15
作者 李华宏 王曼 +1 位作者 薛纪善 杞明辉 《Acta meteorologica Sinica》 SCIE 2010年第6期740-748,共9页
Statistical tests and error analysis of cloud drift winds(CDWs) from the FY-2C satellite were made by using radiosonde observations.According to the error characteristics of the CDW,a bias correction using the therm... Statistical tests and error analysis of cloud drift winds(CDWs) from the FY-2C satellite were made by using radiosonde observations.According to the error characteristics of the CDW,a bias correction using the thermal wind theory was applied in the data quality control.The CDW data were then assimilated into the GRAPES-meso model via the GRAPES-3DVar.A torrential rain event that occurred in northwestern China during 1-2 July 2005 was simulated.The results indicate that the CDW data were mainly distributed above 500 hPa and the largest amount of data were at 250 hPa.The CDW data below 500 hPa had errors in both the wind direction and wind speed,and the distribution of the errors was irregular,so these data were discarded.The CDW data above 500 hPa had smaller errors,which presented a Gaussian distribution,so these data were adopted.With the assimilation of the CDW data,the southwest airflow near the torrential rain area became stronger in the initial wind field,which intensified the moisture transport and water vapor flux convergence,and finally improved the accuracy of the 24-h forecast of the torrential rain in both rain intensity and rain areal coverage. 展开更多
关键词 cloud drift wind(CDW) quality control variational data assimilation torrential rain forecast
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