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MM5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。     

全球区域同化预报系统在台风移动与登陆预报中应用

全球区域同化预报系统为中国新一代数值天气预报模式.使用全球区域同化预报系统模式产品和常规观测资料,模拟预报了2005年4个登陆强台风,得到全球区域同化预报系统模式对于台风移动路径、登陆时间、地点、强度等方面的预报能力的初步评价,为应用全球区域同化预报系统模式进行台风天气预报和分析以及对于模式的进一步改进提供一些有意义的依据.结果显示,全球区域同化预报系统模式预报的台风路径24 h平均距离误差小于150 km,48 h平均距离误差小于200 km.模式预报台风强度偏弱,原因在于模式的初始场对台风强度的描述远低于实况,下一步需要改造模式初始场.     

超折射及其对变分同化效率的影响

在应用低对流层中的掩星观测资料进行反演的过程中,当观测资料接近地面或海平面时,大气折射率的垂直梯度小于某个极限值,会产生超折射现象。本文描述了超折射现象的数学表示,对若干个样本的超折射层厚度和发生区域进行了统计分析,并讨论了超折射现象对一维变分同化的影响;通过实验发现,适当地对超折射层进行处理能极大地缩短同化的计算机时和迭代次数,从而提高变分同化的效率。     

同化QuikSCAT资料对台风Vongfong(2002)数值模拟的影响

利用四维同化技术和中尺度数值模式MM5相结合对南海台风Vongfong(2002)的登陆过程进行了模拟,分析表明:同化Qu ikScat资料主要能使模拟的台风移动路径与实况更为接近。而台风的强度变化、降水量和降水分布的模拟与对流参数化方案有密切的关系,其中以Betts-M iller湿对流调整型方案最为合适。HFT试验模拟的台风路径、强度变化、暴雨分布和降水强度与实况一致。且试验结果较好地重现了Vongfong的一些异常特征,如路径突然折向北、移速先慢后快、近海强度加强、降雨量大、强暴雨中心落在台风西北侧等。利用非常规资料改善模式初始场,有逼真的物理过程,可以提高对台风登陆过程的预报。     

折射率同化和弯曲角同化比较

近年来GPS无线电掩星探测技术已成为国际空间测量技术中最热门的研究方向之一,而掩星数据变分同化方法是研究的热点.在球对称模武下,可行且合理的同化方案有折射率同化和弯曲角同化两种.对折射率同化的结果进行了分析;通过Abel积分变换对折射率廓线进行积分得到弯曲角廓线,对其特性进行了深入探讨;并对折射率同化和弯曲角同化的优缺点进行了探讨.     

三维变分映射资料同化技术在台风数值模拟上的应用实验

台风移动路径及登陆是台风预报中的关键问题,提高台风初始分析场质量是改进台风数值预报效果的重要途径之一．文中首先对目前国际上占优势的变分资料同化方法：三维变分资料同化（3DVar）、四维变分资料同化（4DVar）和作者近年提出的三维变分映射资料同化方法（3DVM）的理论进行了简单的比较分析;然后基于MM5-4DVar的系统构建了MM5-3DVM系统;最后以9914号台风Dan为例,利用该系统设计了17组同化卫星AMSU-A反演的温度和风场资料及人造涡旋海平面气压场资料的数值实验,初步探讨3DVM技术对提高台风初始场质量的有效性．与4DVar的对照实验表明：通过文中3DVM系统得到的初始台风结构相对更合理,更能改善台风的模拟,特别是路径预报．敏感性研究表明：初始涡旋的大小、同化时间窗口的长短和信息量的强弱对台风路径和强度变化的敏感性,3DVM比4DVar技术更为稳定．特别地,3DVM利用历史资料只需低廉的计算代价进行初始化,这是符合业务预报需求的．     

用一维变分方法同化GMS-5反演湿度场及其在降水预报中的应用分析

在应用一维变分方法对GMS-5卫星资料反演的相对湿度场进行了同化分析试验的基础上,进一步分析了通过一维变分方法在MM5模式初始湿度场中融入GMS-5反演湿度场后,对降水预报的影响.分析试验结果表明,应用一维变分方法同化GMS-5反演相对湿度场后所得到的分析场,其均方根误差(rm se)在7个标准等压面上都比背景场要明显减小.均方根误差值在250 hPa下降幅度最大,达到7.1,这相当于12-h预报场rm se下降了48%;下降幅度最小的等压面高度是925 hPa,也达到了1.2,相当于12-h预报场rm se下降了15%.背景湿度场高湿区通常呈带状分布,普遍平滑了中尺度信息.运用一维变分方法融入了卫星信息后,分析场不仅明显改善了背景场湿区偏湿、干区偏干的现象,同时也很好地揭示出了三维湿度场的中尺度细微结构.个例分析表明,将一维变分同化后的GMS-5反演湿度场作为MM5模式的初始湿度场,与直接用NCEP资料的预报结果相比,MM5模式预报的降水强度、降水范围和降水强中心位置均有较明显的改善,更接近于实况观测.     

伴随方法在热带气旋路径预测的统计动力预报方案(SD-90)中的应用的研究--Ⅰ:理论基础及数值试验

把变分同化中的伴随方法应用于热带气旋路径预测的统计动力预报方案(SD-90)中,利用前面时刻热带气旋中心位置的观测值,同时确定出初始速度和气压梯度力,然后进行预报.理想试验表明,热带气旋路径无明显转向时,该方案具有较高的预报精度;当热带气旋路径有明显转向时,随着同化时段内的热带气旋路径(作为观测值)趋向于转向处,该方案的预报误差会加大,其主要特征是预报路径的方向有较大偏差;当同化时段内的热带气旋路径(作为观测值)离开转向处时,该方案又趋向于有较高的预报精度.最后结合最优控制思想,对9807号台风进行了同化试验,试验结果表明,效果十分明显.     

热带和副热带大气准双周振荡特征对西北太平洋台风路径的影响

根据美国联合台风预警中心热带气旋的数据(1979—2010年)以及NCEP/NCAR再分析风场和高度场的资料,从气候学角度分析了近32年夏季西北太平洋3类路径台风的大气准双周振荡的特征,并合成分析了6~10月3类路径台风生成时刻的原始环流、低频环流以及QBWO周期内低频环流的演变过程,结果表明:对流层低层至中层的大气存在明显的10~20 d准双周振荡特征,这对西北太平洋台风路径的预报有很好的指示作用;低频环流的演变特征表明,在西北太平洋地区,QBWO是通过低频气旋和低频反气旋来影响南海的季风槽以及副热带高压的强度和位置,进而对台风的生成位置和移动路径产生影响;菲律宾以东低纬度地区生成的低频气旋易于台风的生成,低频气旋的正涡度带走向和移动趋势预示着台风未来的移动方向;另外,在副热带地区同样存在着一支自西向东传播的大气准双周振荡波列,热带与副热带大气准双周振荡的相互作用对台风的路径产生了重要影响,这对台风路径的预报有较好的参考意义.     

台风Wipha云微物理特征数值模拟

 借助非静力中尺度模式ARPS,利用美国国家环境预报中心（NCEP）全球逐6h最终分析资料（FNL）与中国气象局MICAPS系统地面资料和探空资料进行四维同化作为初始场和侧边界,每6h利用实测雨带反插调整模式初始水汽场,进行三重嵌套细网格模拟,利用模式结果研究0713号台风Wipha不同阶段暴雨云微物理过程水平和垂直特征,对了解台风暴雨不同发展阶段云结构和强降水形成机制具有科学意义。     

The ray-tracing mapping operator in an asymmetric atmosphere

In a spherically symmetric atmosphere, the refractive index profile is retrieved from bending angle measurements through Abel integral transform. As horizontal refractivity inhomogeneity becomes significant in the moist low atmosphere, the error in refractivity profile obtained from Abel inversion reaches about 10%. One way to avoid this error is to directly assimilate bending angle profile into numerical weather models. This paper discusses the 2D ray-tracing mapping operator for bending angle in an asymmetric atmosphere. Through simulating computations, the retrieval error of the refractivity in horizontal inhomogeneity is assessed. The step length of 4 rank Runge- Kutta method is also tested.     

利用平行分束偏光镜干涉装置测定晶体折射率

利用平行分束偏光镜、1／2波片、起偏器、检偏器的恰当组合，给出了一套偏振光干涉实验装置。经过分析，该装置不仅能完成偏振光的干涉实验，而且可以测定晶体的折射率或折射率分布情况，通过测量干涉光强，当在单光路中置入折射率均匀晶体时，可以计算出相应的折射率；如果在两个光路中置入同一非均匀折射率晶体，则可以测定该晶体的折射率分布情况，分析了可能的误差来源，并提出了装置的优化设计方案，指出了实验系统的优缺点。     

一种面向工程应用的台风强度统计预测方法

为实现台风强度的年变化预测,提出了一种基于灰色均生函数模型的预测方法。选取最大风速作为台风强度的指标,利用中国气象局发布的西北太平洋台风资料,建立台风登陆和未登陆情况下的预测模型,做5 a预测,并与观测结果对比。结果表明:灰色均生函数模型对台风强度的预测具有较高精度,年平均值最大绝对误差为4.4 m/s,低于2012年各站25次台风强度的数值模式预测结果平均值;年极值最大绝对误差为11.1 m/s,低于上海台风模式对台风个例的预报结果。     

Effects of 4DVAR with multifold observed data on the typhoon track forecast

Effects of 4-dimension variational data assimilation (4DVAR) with multifold observed data on the typhoon track forecast are studied, by using the MM5V3 model, the RTTOVS-5 model and their adjoint models. The data used for assimilation include large-scale background fields data,bogus data, cloud-derived wind data, satellite inverse data,and high resolution infrared radiation sounder data (HIRS).There are 5 typhoon cases are used to perform the numerical experiments and assimilation experiments. The numerical results show that with 4DVAR the initial fields can be greatly improved and the initial typhoon structure can be clearly described.     

台风桑美的路径、强度分析

 2006年8月10日,超强台风“桑美”在浙江温州登陆,成为50年来登陆中国大陆最强的台风,具有近海突然增强、中心气压低、风速大、降雨集中、发展迅速、移动快等特点。台风登陆后深入内陆,减弱缓慢,给浙江、福建、江西、湖南等省造成严重损失。本文对“桑美”的路径和强度特点进行分析研究,为中国台风成因分析与预测预报提供一些参考资料,为以后应对此类自然灾害提供参考。     

基于温湿廓线反演的风云三号D星微波探测仪云区资料同化试验

为了探究云区卫星微波资料的同化应用,利用中国风云三号D星(Fengyun-3D,FY-3D)微波温度计二型(microwave temperature sounder-2,MWTS2)和微波湿度计二型(microwave humidity sounder-2, MWHS2)资料,基于人工神经网络算法研制了云区温湿廓线反演模型,建立了云区资料的间接同化方案。于2019年6月开展晴空和云区同化试验,评估加入云区MWTS2和MWHS2资料对区域模式预报的影响。试验结果表明：MWTS2和MWHS2资料的同化对温湿度预报场有改善,主要体现在模式中高层均方根误差和平均偏差的减小,云区同化的改善幅度比晴空同化更大;同化MWTS2和MWHS2资料对于提高降水预报技巧有积极影响,云区同化对降水预报的改善主要体现在同化后的12～24 h,较晴空同化更明显。针对强降水个例分析表明,MWTS2和MWHS2资料对温度场、湿度场、水汽通量散度场的调整有利于降水预报的改善,而云区同化能够直接对天气系统的初始场进行调整,降水的位置与强度预报效果更好。     

Diagnostic analysis of the asymmetric structure of the simulated landfalling typhoon "Haitang"

The landfalling processes of Typhoon "Haitang" near Lianjiang of Fujian Province of China from 00 UTC 19 to 12 UTC 20 July 2005 were reproduced by using the nesting non-hydrostatic WRF model and data assimilation technology (Level II Doppler radar data of Changle of Fujian Province are assimilated to the simulation every one hour from 01 to 06 UTC 19 July 2005).The mesoscale structure and evolution of the typhoon before,during,and after its landfall were discussed.The simulation data show that the assimilation experiment with the high temporal-and-spatial-resolution radar radial velocity and reflectivity data can produce much better simulation of the typhoon track,intensity evolution and landfalling location than the control experiment without assimilating radar data.By using the assimilation experimental data,the mesoscale fine-mesh structure and evolution before and after typhoon landfall were analyzed.Because of the influence of sea-land thermodynamic difference,two asymmetric convective regions were located at ocean and land,respectively.To better understand and investigate the asymmetric-structure characteristics of the landfalling typhoon,several dynamical diagnostic tools,the helicity (H),the moist potential vorticity (MPV),the convective vorticity vector (CW),the moist vorticity vector (MVV),which are associated with the development of strong convections,are introduced.Further analysis illuminates that the distributions of these physical diagnostic parameters are totally asymmetric,and subsequently,the associated convections also show distinct asymmetry.     

1621号超强台风“莎莉嘉”风暴潮特征分析

为积累风暴潮预报经验,本文采用统计分析法和对比分析法,对1621号超强台风"莎莉嘉"影响广西沿海时的台风资料和风暴潮资料进行研究。结果表明:超强台风"莎莉嘉"路径稳定、强度强、移动速度不稳定,其造成的风暴减水明显,风暴增水周期性明显,多为单峰型,最大增水一般出现在台风登陆前3-5 h;风暴过程中,广西沿海3个监测站最大增水出现时间、强度基本一致;随着风向转变和风速增大,风暴增水呈现逐渐增大的趋势,台风强度越强最大增水越大,最大增水出现时间与台风移动路径有关。