多种观测资料的四维变分同化对台风路径预报的影响

利用了MM5V3模式及其伴随模式、快速辐射传输模式RTTOVS-5及其伴随模式, 研究了多种资料的四维变分资料同化对台风路径预报的影响. 同化资料包括大尺度背景场资料、Bogus资料、云迹风资料、卫星反演资料和卫星红外辐射计(HIRS)资料等, 一共针对5个台风个例进行了数值试验和同化试验. 数值结果表明, 应用了四维变分资料同化方法, 能够更好地描写初始时刻的台风结构以及提高数值模式的初始场质量.     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR),将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场,对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验.由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面,且高耸于对流层中部,故分布于高原大地形"坡面"不同高度的自动站网观测要素,将与无线电探空探测获取的大气"廓线"信息存在着某种程度的关联性,其不仅在观测点高度、梯度特征,而且在观测时间频数、"定点"、"定高"及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势.高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性"强信号",并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整,从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力.研究表明,青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

GRAPES 变分同化系统中卫星辐射率资料的直接同化

变分方法能够处理与代表大气状态的预报模式变量有复杂非线性关系的观测资料, 使得直接同化与大气状态量有着非线性关系的观测量(如卫星辐射率)成为可能. 各种观测资料的同化都需要有一个对应的观测算子, 观测算子给出了大气状态物理量和观测物理量之间的确定映射关系. 详细介绍了GRAPES-3DVar同化系统对实际卫星辐射率资料直接同化的实现, 包括系统中不同选择的模式变量所对应的空间插值、直接同化卫星辐射率观测的物理量变换和质量控制等观测算子的各个组成部分. 之后, 考虑实际卫星辐射率资料, 进行了应用试验. 为此使用NOAA17 AMSU-A和AMSU-B的辐射率资料, 设计了两个同化试验方案. 根据试验结果能够在清楚的物理意义上理解和反映GRAPES-3DVar系统直接同化卫星辐射率资料的合理效果.     

集合预报最优初值形成的四维变分同化方法

提出一种利用四维变分同化方法吸纳ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法具有明确统计意义的特点和滞后平均预报法包含多时刻初值信息的长处，来形成一组与动力模式相协调的集合预报初值的方法，以克服初值由ＭｏｎｔｅＣａｒｌｏ法或滞后平均预报法形成的不足，改善集合预报效果，在已建立的Ｔ４２谱模式四维分同化系统基础上，对６组个例分别进行了控制，对比数值试验，结果表明，由四维变分同化方法形成集合预报初值的预报效果旬尺度上要好于滞     

“世界屋脊”大地形坡面探测同化信息对下游天气的预警效应

采用WRF模式多时间层三维变分同化技术(3DVAR), 将青藏高原及其周边地区AWS自动气象站观测网多要素资料同化进数值模式的初始场, 对发生于2008年1月中国南方及长江中下游特大雪灾天气进行数值模拟试验. 由于青藏高原具有极其陡峭的大地形坡面, 且高耸于对流层中部, 故分布于高原大地形“坡面”不同高度的自动站网观测要素, 将与无线电探空探测获取的大气“廓线”信息存在着某种程度的关联性, 其不仅在观测点高度、梯度特征, 而且在观测时间频数、“定点”、“定高”及其同步性等方面均具有不同于平原自动站、常规探空的特殊功能优势. 高原大地形坡面自动站网信息同化场亦可提供高原东部下游天气系统高敏感区前兆性“强信号”, 并实现模式高原及周边区域初始场大气动力、热力三维结构客观化调整, 从而提升下游区域灾害天气系统模拟与预报能力. 研究表明, 青藏高原及其周边地区自动站的水汽、温度、气压等资料同化信息对于预报下游区域的降水预报至关重要.     

GRAPES新一代全球/区域变分同化系统研究

概要叙述了新发展的全球与区域同化预报系统的资料同化部分的科学设计与初步试验的结果. 本阶段的目标设定为建立可以直接同化卫星辐射率等遥感观测资料的系统框架, 采用三维变分同化方法, 并实现全球与区域一体化. 为了与预报模式一致, 分析变量定义在离散格点上. 将分析变量分解为动力平衡与不平衡两个部分, 并引入递归滤波或谱变换滤波进行变量变换, 得到与分析变量相异的控制变量, 它们使目标函数的极小化过程的性状得以大大改善. 而平衡关系的选择可以根据分析变量的尺度特征来确定, 其在总分析方差中所占的比例则由背景场的误差方差所控制. 理想试验的结果与解析求解一致, 表明了系统数值方案的正确性. 利用实际观测资料进行连续同化试验, 结果表明即使在使用常规资料条件下, 变分同化方案与过去通行的同化方案相比也有突出的优势. 最后讨论了系统进一步发展的问题.     

初始扰动对数值模式模拟能力的影响

大气和海洋模式数值模拟的结果是否准确, 首先取决于模式的模拟能力. 由于大气和海洋运动本质上是非线性的, 其运动状态依赖于初始场(初值). 模式作为非线性发展方程的离散化形式, 其运动状态仍然依赖于初始场. 初始场的微小变化有可能导致模式的结果完全不同, 甚至使模式丧失模拟能力. 而对大气和海洋运动的实际问题进行数值模拟时, 无论所用的观测资料如何准确, 初始场难免存在着误差. 由于这些误差的存在, 可能会使得模式的结果与实际状态相比大相径庭. 因此, 探讨初始扰动对模式模拟能力的影响就成为大气和海洋科学中的一个热点和难点问题. 正是基于这种情况, 激发了20世纪80, 90年代资料同化技术的快速发展. 通过资料同化的方法对初始场误差进行订正, 极大地改善了初始场的质量, 使其更接近大气和海洋运动的实际状态, 模式的模拟能力得到了一定的提高. 但资料同化的方法到底能在多大程度上改进模式的模拟能力, 到目前为止仍是一个尚未解决的难题.     

西北太平洋威马逊台风结构的卫星观测同化分析

以0205号台风威马逊为个例, 采用经过三维变分同化分析的AMSU微波资料研究西北太平洋台风结构. 分析结果表明, AMSU微波同化资料能够更加合理地反映台风三维结构特征, 增强了与强台风相对应的暖心结构, 台风中、下层的气旋性环流明显加大, 台风顶部出现强盛的反气旋性环流, 反映了台风本身所携带的水汽和水汽供应; 微波同化资料可以部分地弥补热带洋面上常规观测资料的不足.     

GRAPES新一代全球/区域多尺度统一数值预报模式总体设计研究

新一代全球/区域多尺度统一的同化与数值预报系统(global/regional assimilation and prediction system, 缩写为GRAPES)已在中国气象局研究建立. 该系统的核心技术包括: 资料变分同化; 半隐式-半拉格朗日差分方案和全可压/非静力平衡动力框架; 可自由组合的、优化的物理过程参数化方案; 全球、区域一体化的同化与预报系统; 标准化、模块化、并行化的同化与模式程序. 针对GRAPES系统的正确性、有效性, 已经进行了一系列的标准测试和应用模拟试验, 包括常规资料分析应用、雷达和卫星非常规资料直接分析应用试验. 该系统已在国家级、区域级气象业务中心运行, 在实际气象业务中发挥了重要应用. 本文重点介绍数值预报模式, 包括总体设计思路与策略、多尺度统一动力模式构建、物理过程参数化方案组合优化、模式程序结构设计等; 同时, 还通过介绍GRAPES模式的模拟试验和实际应用结果等, 展示多尺度统一模式的可行性和科学性、实际应用的能力和水平.     

海表温度的自适应变分同化

在以前工作的基础上，进一步对所提出的自适应变分资料同化方法在表面海温（SST）资料同化进行了探讨，并将其应用到实际的SST资料同化中，利用一个湍流封闭混合层模式对LOTUS锚系浮标资料进行了同化试验，同化结果表明，自适应变分方法对海表和海面以下混合层的海温都能够进行较好地订正。     

星载MODIS资料与地面光度计探测气溶胶变分场

提出了地面多点动态光度计与MODIS卫星遥感气溶胶综合观测技术途径, 研究结果表明, 卫星MODIS遥感气溶胶资料经地面光度计观测场变分技术处理可取得显著的效果. 另外, 采用Terra卫星MODIS遥感与地面光度计变分处理的气溶胶分布特征初次揭示了北京周边地区(河北、山东等省)气溶胶及其污染排放影响特征. 这类气溶胶区域性影响特征与北京周边山谷南面开口的“马蹄型”地形相关, 文中采用HYSPLIT-4轨迹分析模式及其气象资料分析, 证实了此个例周边污染物扩散过程轨迹及其区域气溶胶影响特征.     

中国及周边海海温资料同化系统

在一个嵌套的海洋环流模式基础上,采用基于变分原理的最优插值方法,初步建立了一个中国及周边海海温资料同化系统.利用1998世界大洋数据集(WOD98)中的海温垂直剖面资料和欧洲中心再分析风应力资料进行了连续12年的同化试验,初步结果表明,同化方案是有效可行的,与未同化前相比,资料同化提高了模式计算的真实性,对中国及周边海海洋环流状况的描述有了很大改善.如所揭示的黑潮的强度、流幅、夏季黄海冷水团及其对应的水平环流、晚夏早秋南海的偶极子涡及其中间的东向急流等都更接近于观测结果.     

基于海气耦合模式的南中国海北部风暴潮模拟

伴随台风产生的大风、暴雨、巨浪、风暴潮形成的台风灾害链对沿岸地区产生巨大影响,研究台风的形成和运动机理,减小风暴潮灾害,具有重要的科学价值和社会意义.台风影响期间,大气与海洋之间存在强烈的质量、能量交换,风场、流场、波浪场等物理场相互作用、相互影响.基于中尺度大气模式WRF和区域海洋模式ROMS,构建南中国海地区海气耦合模式,针对2012年台风"启德"进行数值模拟.通过观测数据对台风路径和强度进行验证,结果表明,建立的WRF-ROMS耦合模式在对台风"启德"影响下的南中国海风暴潮模拟中展现出较高的模拟精度.通过数值模式计算结果揭示了台风、风暴增水和风生流场的时空分布特征.台风运动过程中台风动力场、风暴增水及流场在空间上均具有"右偏性"的不对称分布特征,近岸风暴增水对台风的响应在时间上存在滞后性,风生流场具有较明显的滞后性特征.     

土壤湿度资料同化对中国东部夏季区域气候模拟的改进

采用牛顿张弛同化法把GSWP2资料同化进区域气候模式BCC_RegCM1.0(简称RegCM)中土壤湿度初始场, 结果得到采用不同张弛参数对土壤湿度资料进行同化, 均能不同程度的改进气温和降水的模拟, 当张弛强度取0.5和张弛时间为5 d时, 对中国东部地区气温和降水模拟的改进效果较好. 加入土壤湿度资料同化后, 不仅对中国东部地区的降水和气温的空间分布型有所改进, 而且修正了控制试验中地表气温的系统性冷偏差以及中国东部地区的降水偏少, 使地表气温和降水的模拟值较控制试验结果接近于观测值, 这说明RegCM对地面气温的偏低和降水量的偏少, 可能与陆面过程中的土壤湿度处理有较大的关系, 今后应注重RegCM中土壤湿度的作用.     

海洋与台风相互作用研究进展

台风灾害是全球最主要的气象灾害之一.到目前为止,人们已经从大气科学的角度对台风进行了长期系统并且卓有成效的研究.但人们对台风过程中海洋的剧烈变化及其对台风的反馈仍然缺乏足够的认识,这也成为限制台风研究和预报水平的一个瓶颈问题.因此,海洋与台风在各种时空尺度上的相互作用机理及其对台风预报和短期气候趋势预测的贡献是当前国际海洋与大气科学研究的重大前沿课题.本文基于国家重点基础研究发展计划,总结了海洋与台风相互作用的最新研究成果,重点梳理了海洋中尺度过程对台风的影响与反馈、海洋与台风的低频相互作用及其对短期气候变化趋势的影响、台风过程中的海洋多源资料同化及利用海气耦合模式进行台风预报等若干方面的研究进展.最后,提出了今后在海洋与台风相互作用研究中需要关注和重点解决的若干关键科学问题.     

耦合气候系统模式FGOALS-s2海洋数据同化试验模拟的冬季Hadley环流长期变化趋势

分析了中国科学院大气物理研究所近期气候预测系统DecPreS的初始化试验的模拟结果,该试验本质上是基于耦合气候系统模式FGOALS-s2的海洋数据同化试验.海洋数据同化方案采用了集合最优差值(ensemble optimal interpolation,EnOI)和分析增量更新(incremental analysis update,IAU)相结合的方案.该研究把同化试验与该模式参与第五次"国际耦合模式比较计划"(CMIP5)的历史气候模拟试验(简称历史试验)结果进行了比较,重点研究海温被观测约束的同化试验对NCEP/NCAR再分析资料揭示的北半球冬季Hadley环流增强趋势的再现能力.结果表明,历史试验模拟的北半球冬季Hadley环流在热带地区存在虚假减弱趋势,同化试验有效地改进了上述偏差,模拟的Hadley环流在5°~15°N呈显著增强趋势,与再分析资料更为接近.同化方案有效改进了对北太平洋和赤道东太平洋海温变化趋势的模拟能力,使得模拟的海温梯度变化更趋合理,最终令Hadley环流变化较之历史试验更接近再分析资料.     

一个预报台风路径的数值方法

Kasahara提出的台风路径预报模式,是将流场分为台风流场和基本流场,台风移动速度卽为基本流场的引导速度与台风内力产生的速度的合成,实际上后者较小,因此,卽为基本气流的引导。数值预报方法只利用了台风的初始位置,而预报员日常习用的方法却考虑了台风的实况路径,天气实践经验表明,一般说来,台风的移动特性有相当的时间连续性,而引导法则只是在近似的程度上描述了台风移动的规律,特别是目前在台风所在的大洋上,记录稀少,高空流场知道得很不准确,而台风的实况位置相对地说来,要准确得多,作为初值问题的数值预报放弃了利用已     

2000年夏季南海西南部环流同化试验

对2000年夏季南海南部进行同化模拟，对比航次资料的分析表明，通过在模式中同化卫星遥感海面高度信息，改善了南海南部流场的模拟结果，减少了由于风应力强迫场误差带来的模式模拟的不确定性，得到了较为真实的2000年夏季南海南部温盐场，为改善海洋环流模拟提供了一条新思路．     

利用气候模式能够预测西北太平洋台风活动的气候背景吗?

首先利用1948~2004年观测和再分析资料分析了西北太平洋(WNP)台风频次与夏季平均纬向风垂直风切变、外逸长波辐射以及对流层高、低空散度场之间的相关关系, 表明台风发生频次与三者在台风发生源区都存在密切关系, 因而对西北太平洋台风活动异常具有显著的预测意义. 然后, 利用中国科学院大气物理研究所的9层全球大气环流格点模式(IAP9L-AGCM)进行了34 a (1970~2003年)集合回报试验, 考察了该模式对台风源区纬向风垂直切变以及对流层低层散度场的预测能力. 结果表明, 前者回报结果与实测间的时间相关系数可达0.70, 后者回报结果与实测间的空间相关系数达0.62, 这说明模式对WNP台风活动中主要相关大尺度环境场具有较大的气候预测潜力, 从而有能力在一定程度上实现西北太平洋台风活动异常的实时气候预测.     

台风麦莎(Matsa)的波状降水特征研究

采用地面加密观测资料、中国风云2号卫星黑体亮度温度(TBB)资料以及NCEP1° × 1°再分析资料, 分析2005年8月登陆中国的台风Matsa大范围暴雨带的结构特征, 研究台风激发的大气波动、大气三维结构及其与台风雨带的关系. 采用观测实事、诊断分析与大气波动理论, 探讨这类台风引起的远距离暴雨带的形成机理. 结果表明: (ⅰ) Matsa雨带具有显著的波状分布特征和远距离传播特征. (ⅱ) 雨带从台风中心向北绵延达2000 km, 波长约500~1000 km, 波动周期12~24 h. (ⅲ) Matsa雨带分布的波状结构与台风周围大气的三维结构特征, 包括扰动涡度散度场、垂直运动场和水汽通量散度场等相应的波动变化特征有密切关系. (ⅳ) 观测实事和理论分析结果表明, Matsa北向传播的大型雨带分布特征与大气惯性波与大气重力内波的混合波特征有关. (ⅴ) 只有在适当的大气层结与合适的重力波垂直波数条件下, 台风扰动才能激发此类远距离传播的波动, 并形成大范围的波状雨带.