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。     

多普勒雷达资料在数值模式中的应用

本文利用ARPS模式的3DVAR系统和综合云分析系统,成功地将多普勒雷达径向风资料和雷达回波资料加入模式中,分析雷达资料在数值模式短时预报中的作用。通过模拟"718"济南特大暴雨过程,得到如下结论:(1)雷达径向风资料对初始风场调整显著,使其出现明显中尺度特征,积分1h后,对水汽场也有一定的调节作用,但不够显著;(2)雷达反射率资料对初始水汽场调整明显,对定量降水预报和降水落区有很大改进,积分1h后,风场的中尺度特征显著。(3)同化雷达资料的两个试验虽然都与实况略有偏差,但都比非同化雷达资料的试验好。     

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.     

浙江省近海QuickSCAT风场资料同化模拟风速效果垂直变化

为了提高风速模拟预报的准确性,利用中尺度区域模式(weather and research forecasting model,WRF),同化QuickSCAT风场资料,模拟浙江省近海风场。与实测值对比后发现同化后模拟效果得到提升,特别是在四、七月份得到了显著的提升。在300~2 000 m不同高度同化模拟与未同化模拟结果对比中发现,1、4、7月份大部分区域同化模拟风速小于未同化风速,有利于提高模拟效果;同化后对初始场的优化会被模式约束向上传递,优化更高高度的模拟结果,但这种传递有其极限,效果随高度增加逐渐稳定甚至减小。而10月份由于台风和南退副高的影响,同化模拟风速大于未同化模拟,大部区域两者间的差异会随高度增加而增加。     

数值预报产品的历史相似订正方法研究

针对数值预报存在误差的基本事实,提出了一套利用历史相似资料订正数值预报的方案,利用2003-2008年T213 L31数值预报产品和1948-2007年的NCEP资料,建立了100～1000 hPa等压面的高度场、温度场、风场、垂直速度场和水汽场的24～240 h预报的24 h变量订正方程.采用24 h变量相关系数和均方根误差两个指标,对2009-2010年的T213,L31高度场和温度场、数值预报产品的试应用订正效果进行了检验.结果表明:以24 h变量相关系数衡量,高度场和温度场预报订正效果都是正面的,预报时效为96～192 h,订正效果最明显;以均方根误差衡量,高度场和温度场预报订正效果同样是显著改进的;订正效果存在区域差异,高度场订正效果高纬度显著,低纬度差一些;温度场订正效果低纬度要显著一些.     

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.     

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.     

IASI卫星资料同化对江淮暴雨预报的试验研究

对2014年6月26日到6月28日发生在江淮地区的一次暴雨过程,运用中尺度预报模式WRF以及同化系统WRFDA同化ATOVS(包括AMSUA、MHS、HIRS4)和IASI(CO2吸收波段)亮温资料,对比不同卫星资料同化对此次暴雨过程预报影响,评价IASI卫星资料同化对江淮暴雨预报效果。结果表明,相比ATOVS资料同化,IASI资料同化对温度、湿度等气象要素的调整更明显。在24 h和12 h累计降水量模拟上,同化IASI资料对降水范围和降水强度的模拟与实况最为接近。在同化ATOVS试验中加入IASI资料后,降水模拟效果改进不大,说明同化资料的种类越多,相应累计误差越大,对降水模拟改进越不明显。     

3.5维雷达资料变分同化技术及改进方案在WRF中的应用

本文主要介绍3.5维雷达资料同化技术以及增加雷达垂直风场反演信息对该同化技术的影响,利用WRF模式建立了雷达变分同化系统,对同化效果进行检验。3.5维雷达资料同化技术是变分同化技术的扩展,使用多时次雷达观测资料,采用方程约束增加动力学、热力学信息,逐步反演得到风场、动力场和热力场。该技术使用3组连续多普勒雷达体扫资料,分三步获得分析增量以便在背景场基础上更新模式变量。首先利用连续两个时次的格点化三维径向风场来反演三维风场,然后利用连续两个时次的三维风场来依次反演出水平气压场与热力学变量。同时分析空间采用B-样条基底来降低空间的维数,并增加观测信息在空间上的扩散。但该技术也表现出垂直速度强度不够,浮力抬升作用不强的缺陷。针对本缺陷,本文讨论了通过物理初始化方法由雷达回波反演得到的垂直速度,并将该垂直速度作为观测信息同化进入3.5维变分同化中,考察原雷达资料同化方法以及改进方案对随后降水的改善。结果表明,对降水有明显的改善。     

模式初始场信息对江淮暴雨预报的影响

为了研究2003年7月3、4日发生在江淮地区暴雨过程的发生发展机制,揭示AREM对初始场的敏感性,采用1°×1°的NCEP资料对这次暴雨过程的环流形势进行了分析,利用AREM模式对暴雨过程进行了控制试验和初值敏感性试验.采用9点平滑对初始场进行处理,平滑后预报与控制预报的对比结果表明:初始场的信息对降水预报精度有着很大的影响.模式24 h的降水预报对初始的湿度场最敏感,对初始风场和温度场较敏感,对初始位势高度场不敏感;相对于高层来说,对低层风场、湿度场更为敏感.湿度场、温度场高低空配置对降水雨量和范围预报影响较大;对流层低层切变线的辐合作用,高低空急流配置及所维持的强上升运动,低层暖湿气流的水汽输送,是这次暴雨的发生发展的机制.     

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。     

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。     

运动学效应对登陆台风近地面风场模拟的影响

以2016年超强台风"莫兰蒂"为例,采用天气研究与预报模型(WRF)耦合加利福利亚气象模型(CALMET)的方法,提出了适用于台风条件下的CALMET运动学效应改进方案(KETT)。结果表明,KETT方案可以成功消除CALMET原有运动学效应带来的风场模拟系统性误差,并且10 m高度风速和风向模拟误差比原有方案分别降低10.8%和5.4%。在石蛇山区域,与不采用运动学效应相比,KETT方案10 m高度风速和风向的模拟误差均降低12%以上,能够更准确地反映局地地形对台风近地面精细化风场的影响。     

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.     

并列建筑物周围风场的数值模拟

研究单体建筑物高度及并列建筑物高差及并列建筑物间距等因素对并列建筑物周围风场的影响．建立了10组不同的并列建筑群布局,计算采用标准k-ε湍流模型．数值计算得到各种布局下建筑群周围风场,并对它们进行了对比分析．结果表明,单体建筑物高度与并列建筑物高差、并列建筑物间距与单体建筑物高度差共同对并列建筑物周围风场产生影响．     

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。     

基于改进粒子群算法的梯级水风光短期调峰优化调度

针对大规模风电、光电直接并入电网对系统调峰带来的负面影响,同时伴随高弃风、高弃光率的问题,本文提出通过利用水电输出通道将湖北一梯级水电站与附近风电场、光电场并入电网联合调峰的解决办法。首先分析了梯级水电站、风电和光电联合调度的必要性和可行性,提出了梯级水-风-光联合调峰策略,构建了以系统余留负荷均方差最小为目标函数的短期调度模型,最后利用收缩因子和改进粒子群算法求解。通过算例仿真得到,风光与梯级水电站共同参与系统调峰,调峰效果更好,改进后的PSO有更好的寻优精度和收敛速度。给未来实施梯级水电站与周围风、光电场联合调峰策略提供了参照。