WRF模式在云南一次强降水过程中的应用

利用WRF数值模式,针对云南省一次强降水过程进行的数值试验,得到几个有意义的结论:①WRF模式的三维变分同化系统能反映地转平衡等多变量之间的相互关系.②在此次强降水过程试验中,同化系统能把雷达反演风场中低空急流信息有效地引入模式初始场,并按照同化模型进行增量空间分配,有助于增强降水区的水汽输送,改善模式较强量级降水的预报漏报率.③多个时次雷达资料的同化对降水预报的改善更加突出,具有高时空分辨率特性的雷达资料同化在提高客观预报质量方面有着较好的应用前景.     

北京地区一次强降水过程的多种观测资料四维变分同化试验

采用MM5非静力预报模式及其伴随模式系统,对2005年汛期北京地区的一次局地强对流降水过程进行了包括地面每3小时一次的湿度观测资料、北京地区自动站逐小时降水资料、北京地区逐30分钟GPS可降水量观测在内的多种观测资料的四维变分同化试验。结果表明,采用四维变分方法同化多种非常规中尺度观测资料后,模式成功地模拟出此次降水过程,不仅很好地修正了变分同化窗内的降水预报,同时也使同化窗口以后的降水预报获得了较为明显的改善,并且发现同化了多种观测资料后获得的最优初始场较原模式初始场对流不稳定能量显著增加,具有更利于降水形成的动力及热力条件。还对各种观测资料在四维变分同化中的相对重要性进行了分析。     

北京地区一次强降水过程的多种观测资料四维变分同化试验

采用MM5非静力预报模式及其伴随模式系统,对2005年汛期北京地区的一次局地强对流降水过程进行了包括地面每3小时一次的湿度观测资料、北京地区自动站逐小时降水资料、北京地区逐30分钟GPS可降水量观测在内的多种观测资料的四维变分同化试验。结果表明,采用四维变分方法同化多种非常规中尺度观测资料后,模式成功地模拟出此次降水过程,不仅很好地修正了变分同化窗内的降水预报,同时也使同化窗口以后的降水预报获得了较为明显的改善,并且发现同化了多种观测资料后获得的最优初始场较原模式初始场对流不稳定能量显著增加,具有更利于降水形成的动力及热力条件。另外还对各种观测资料在四维变分同化中的相对重要性进行了分析。     

海洋变分同化背景场误差协方差矩阵构造技术

为改进背景场误差协方差矩阵构造技术,提高海洋资料变分同化效果,首先将背景场误差协方差矩阵分解为背景误差标准偏差矩阵、非平衡变量空间相关算子以及多变量间平衡算子3部分,然后利用广义扩散方程模拟空间相关算子,联合引入温盐约束关系、线性状态方程、海表高度诊断方程、静力平衡、地转平衡关系模拟多变量平衡,最后给出了一种适用于海洋资料变分同化的背景场误差协方差矩阵构造方案。单点海表温度观测模拟同化试验表明,该方案可实现观测信息在三维空间、多变量间的传播,充分体现了背景场误差协方差矩阵在同化中的作用。     

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.     

STMAS中雷达反射率数据三维变分同化方案

介绍了在时空多尺度分析系统(STMAS)中以雨水含量作为控制变量,利用Z-qr关系,实现对区域中多部雷达回波强度资料三维变分同化方案,和水汽惩罚项模块方案。方案避免了利用Z-qr关系直接以回波强度或雨水混合比为控制变量会造成一阶导数不连续的问题。实例分析同化后初始场表明,从同化后的雨水混合比反算出来的回波强度与观测结果保持了较好的一致性。以2009年8月的MORAKOT台风个例为例,设计实验来分析本文提出的雷达回波强度资料同化和水汽惩罚项方案效果。结果表明:雷达回波强度资料的同化方案(STMAS方案),提高了降水位置和强度预报的准确性; 加入惩罚项和对雷达回波强度资料的同化模块后(HYDRO方案),削弱了水汽影响并加强了其他物理量的变化,相对STMAS方案,台风总降水增强了,但在强降水区域的降水强度减弱; 相对控制试验,2种方案均改善了降水位置和强度的预报。     

"98·7"武汉暴雨模拟中的三维变分资料同化研究

1998年7月20～21日,在湖北省武汉市发生了一场特大暴雨,24h降水量达286mm.利用一个三维变分资料同化系统及常规探空和地面观测资料,对这次特大暴雨进行了同化模拟研究.该系统有效地同化了温、湿、风观测资料,所得最优分析结果十分有利于强降水的产生.与第五代PSU/NCAR中尺度模式的控制试验模拟的24h2.5mm的降水量相比,新方案模拟的24h降水量达109mm,而且模拟的降水落区和降水起始时间也都有较大的改进.     

"98·7"特大暴雨降水资料的四维变分同化研究

1998年7月21日00UTC～22日00UTC,湖北省的武汉-黄石地区发生了特大暴雨,其中黄石市24 h降水量达276 mm.文中应用四维变分资料同化方法,研究了初值对这次暴雨过程数值模拟的影响.通过对6 h同化窗口内339个站点逐小时观测降水的变分同化,MM5伴随模式得到了一个与模式相协调并且在热力和动力上都接近于自然强降水发生的初始场,使用该初始场模拟的武汉-黄石地区的24 h降水量超过了220 mm.在同化降水观测资料的同时加入了湿度观测资料后,在一定程度上约束了模式的水汽场,防止了同化窗口内模式初始场越过最佳逼近,从而使降水模拟的TS评分得到进一步提高.     

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。     

用四维变分法同化自动站降水资料

用自动站降水资料作了四维变分同化试验.试验表明,由于它的加入,增加了初始场中的中尺度信息,改进了中尺度数值模式MM5的预报,增强了模拟开始阶段的降水量, 改进了降水量的落区预报,减弱了模式开始阶段的"spin-up"现象.试验还表明,自动站降水资料的时间变化信息,在同化时也起重要作用.     

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。     

C波段雷达快速循环同化技术在宁夏降水天气预报中的应用

介绍了宁夏C波段雷达快速循环同化技术及其在2018年夏季降水预报中的应用效果。快速循环同化技术主要基于天气研究预报(weather research and forecasting,WRF)模式,通过对C波段多普勒雷达资料进行去除奇异点、地物遮挡、谱宽检查、退模糊等质量控制,利用三维变分同化、动力降尺度及冷暖启动方法,实现了C波段多普勒天气雷达观测数据的逐小时快速循环同化分析,可逐时滚动输出未来12 h逐小时间隔、水平分辨率3 km的降水、气温、风向风速、相对湿度、物理量场等格点预报产品以及雷达回波产品。通过在2018年宁夏降水预报中的应用分析发现,加入雷达资料同化后的WRF模式降水预报能力有明显提升,可为宁夏降水天气智能网格预报特别是暴雨的短临预报预警提供技术支撑。     

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．     

基于高度再指定的FY-2C双通道云导风同化及预报试验

为了探求FY-2C双通道云导风在实际预报中的可用性,先对双通道云导风进行合并,并利用T511模式12 h预报场对云导风进行高度再指定,使得云导风资料的空间密度和质量明显提高。进而利用WRF模式及其变分同化系统WRFDA对高度再指定前、后的云导风在同化及预报中的影响进行了研究,结果表明：同化原始云导风使初估风场的统计误差增大,而同化高度再指定后的云导风对初估风场有明显的改善作用;同化原始云导风会导致压、温、湿的初估场误差增加,但同化高度再定位后的云导风效果明显好于同化原始云导风;同化高度再定位后的云导风对48 h内的风场预报有改善作用,随着预报时效的延伸,风场的改善带动了其他要素场从负影响到正影响的转变。     

观测资料同化与有限区模式初期降水预报

选取1991年7月3日至4日出现在我国江淮流域的梅雨暴雨天气过程,针对有限区模式降水预报中“旋转加强”问题,试验2种初值化方法即牛顿连续松弛逼近技术和降水-湿度场调整方案来改进模式的初期降水预报。试验结果表明：(1) 用湿度场调整方案同化观测降水资料,使同化时段降水区的中低层低压系统明显加强,所形成的初值具有较好的中尺度信息;但该方案会出现观测值与模式不协调引起的虚假小扰动。(2) 用牛顿连续松弛逼近技术同化业务观测系统的速度场和温度场资料,所形成的初值场形成了大尺度特征,同时对应江淮雨带的中低层低压系统加强,所形成的初值能够具有一定的中尺度信息。(3) 因此两者结合得到了最好的预报效果。对于梅雨天气过程,牛顿连续松弛逼近技术更有效。     

一维逆时热传导初值问题的反演方法

利用同化方法对一维逆时热传导问题进行了研究。首先构造一个正问题,其初值为给定时刻的观测值,目的是获得足够多的观测值;然后利用变分同化对初值进行反演;最后进行数值模拟。数值模拟结果显示该方法可行且具有一定的抗噪性。     

区域生长法在多普勒天气雷达速度场分析中的应用

随着多普勒天气雷达技术的诞生及其迅速发展,多普勒天气雷达速度场资料在强对流天气系统分析、数值模式资料同化中的应用越来越广泛.但是由于采样的限制,尽管在硬件上已经采用了双Plus Repeat Frequency技术,但多普勒天气雷达能探测的速度范围依然有限,常常在大风区会出现多普勒速度模糊现象.这给资料分析、风场反演和资料同化带了很多的困难,因此解决资料中出现的速度模糊问题已经越来越重要,通过风场分片光滑的性质,提出了区域生长法在多普勒天气雷达速度场分析中解决速度模糊现象的技术.最后以目前全国布网的CINRAD SA型多普勒天气雷达探测资料为主,进行了大量的试验,结果证明该方法能较好的退出多普勒速度场中的速度模糊现象.     

南海三维变分海洋同化模式及其验证

基于Princeton Ocena Model(POM)建立了一个南海三维变分海洋同化模式,该模式主要用于卫星遥感高度计沿轨资料同化,考虑了每条轨道上的误差相关性,并且引入递归滤波优化运算.采用1998年春季和夏季、2000年夏季3个航次温盐资料对这个系统进行评估表明,相对于未同化的模式模拟结果,无论对温盐异常年份还是正常年份,该系统的温盐均方根误差和偏差都显著减小,误差结构更符合正态分布.特别是在盐度场上能重现南海由于降水和径流所造成的淡水盖,该系统也能将海表动力高度信息有效传递进模式次表层;温盐资料验证各航次评估结果差别不大,表明该同化系统性能是稳定的.     

二阶有限元浅水模式的伴随变分资料同化

应用二阶有限元浅水方程的伴随模式作资料同化场的数值试验,并利用极小化方法对具有随机扰动的初始场进行优化处理．通过该极小化算法,使所定义的目标函数达到最小,从而得到最优的气象要素初始场．数值试验结果表明：二阶有限元模式的变分资料同化对具有随机扰动的初始场的处理是很有效的．     

基于双高斯拟合的风廓线雷达在降水条件下的风场反演

风廓线雷达在降水天气下探测到的返回信号主要包括大气湍流信号和降水粒子信号,其功率谱数据在结构上通常表现为双峰结构,并且在一定程度上可以看成是双高斯形式的。本文利用北京延庆CFL-08型边界层风廓线雷达在降水条件下获得的探测数据,采用双高斯拟合的方式将湍流谱和降水谱分离开,并通过分离之后的湍流谱对不同强度的降水过程进行了垂直速度场和水平风场的反演。反演结果表明,利用双高斯拟合可以有效地将湍流谱和降水谱区分开,反演得到的垂直速度场、水平风场较处理之前更加精确。