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。     

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.     

COSMIC掩星反演数据质量分析

利用2007?2010年的中国探空资料评估GPS掩星探测系统COSMIC (constellation observing system for meteorology, ionosphere, and climate)反演产品, 对比数据在空间上限定掩星事件发生地和探空站的水平距离在100 km以内, 在时间上相差不超过1小时, 对比高度范围为925~10 hPa。对比结果表明, COSMIC反演大气温度略低于探空仪测量值, 平均绝对偏差为?0.08 K, 标准差为1.67 K。两者水汽资料在200 hPa以上高度有系统性偏差; 在200 hPa以下, 比湿的平均偏差约为+0.080 g/kg, 标准差为0.692 g/kg, 水汽压平均相对误差约为+69.6%, 标准差为160.0%, 水汽压存在极端低值的异常情况。通过对全球不同区域6种探空仪的对 比, COSMIC反演产品在700 hPa以下高度显著受背景场影响, 由于背景场误差随区域改变, 因此, 只有在精度要求不高的情况下, COSMIC反演产品才适合用于评估其他资料。     

利用GPS掩星数据分析青藏高原对流层顶结构变化

应用GPS无线电掩星数据研究青藏高原上空对流层顶变化.首先，对CHAMP和SAC-C掩星温度廓线一致性进行对比分析，进一步与匹配的无线电探空数据对比，验证高原地区掩星温度廓线的准确性.选用2001年5月至2004年12月CHAMP及SAC-C数据，分析了75°-105°E，25°-40°W青藏高原及105°-135°E，25°-40°W对比区域，对流层顶高度及温度随时间及空间的变化.分别根据最冷点及递减率对流层顶定义，分析了区域内季节变化特征.     

GNSS无线电掩星数据的电离层校正和统计优化

为了消除电离层折射效应对全球卫星导航系统无线电掩星信号的影响,首先对掩星数据进行电离层订正,然后进行统计优化,最后与欧洲中期数值预报中心的数据比较,验证电离层校正和弯曲角统计优化对弯曲角廓线反演精度提高的效果。结果表明:无论是模拟仿真还是真实的掩星事件,电离层校正后,50km以上弯曲角廓线仍呈现高频振荡的形式;统计优化后,50km以上弯曲角廓线近似呈现与中性大气相同的分布规律,基本消除了电离层小扰动和接收机热噪声对高层弯曲角廓线的影响;弯曲角统计优化能有效提高弯曲角反演折射率廓线时的精度。     

利用第二类正则变换方法反演COSMIC掩星探测数据

为了验证第二类正则变换(CT2)方法反演折射率的精度,选取2007-2009年1月和7月的气象、电离层和气候观测系统星座(COSMIC)附加相位和振幅数据,利用CT2方法处理得到折射率,并与利用全谱反演(FSI)方法得到的COSMIC折射率数据、欧洲中期天气预报中心(ECMWF)分析资料折射率进行对比。结果表明,CT2方法反演的折射率、COSMIC折射率以及ECMWF分析资料折射率的平均偏差在1~40km均不超过1%;在1~15km,CT2方法和FSI方法反演的折射率与ECMWF分析资料折射率的平均偏差均在1%以内;CT2方法与ECMWF分析资料折射率偏差的标准差小于FSI方法的。总的来说,CT2方法和FSI方法都具有很高的反演精度,但随着水汽含量的增加,CT2方法和FSI方法的反演精度会降低,并且CT2方法反演的不确定性小于FSI方法。     

COSMIC掩星反演数据质量分析

利用2007—2010年的中国探空资料评估GPS掩星探测系统COSMIC(constellation observing system formeteorology,ionosphere,and climate)反演产品,对比数据在空间上限定掩星事件发生地和探空站的水平距离在100 km以内,在时间上相差不超过1小时,对比高度范围为925~10 hPa。对比结果表明,COSMIC反演大气温度略低于探空仪测量值,平均绝对偏差为0.08 K,标准差为1.67 K。两者水汽资料在200 hPa以上高度有系统性偏差;在200 hPa以下,比湿的平均偏差约为+0.080 g/kg,标准差为0.692 g/kg,水汽压平均相对误差约为+69.6%,标准差为160.0%,水汽压存在极端低值的异常情况。通过对全球不同区域6种探空仪的对比,COSMIC反演产品在700 hPa以下高度显著受背景场影响,由于背景场误差随区域改变,因此,只有在精度要求不高的情况下,COSMIC反演产品才适合用于评估其他资料。     

LEO卫星轨道参数对GPS掩星数量和分布的影响

利用低地球轨道LEO（LowEarth Orbit)卫星所载GPS接收机探测地球大气的分层结构是上世纪80年代后期才发展起来的新技术，不同的LEO卫星，将使发生的掩星事件数量和分布有所差别，在一定的大气折射指数分布模型和现有GPS星座的假设条件下，利用射线追踪法模拟了掩星事件，并讨论了LEO卫星的轨道倾角和高度对掩星事件发生的数量和分布的影响。其结论对实际发射LEO卫星时的参数选取具有参考价值。     

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。     

环境大气中数据同化技术方法及应用

 从数据同化的角度,对卡尔曼滤波技术、元启发式算法、贝叶斯推导及逆扩散/轨迹模拟技术、非参数化回归等技术在污染环境大气模拟技术中的应用情况进行了总结分析。分析结果表明,经多种优化方法试用于解决环境监测数据的同化问题中,元启发式算法结合传统优化技术在有效解决环境监测的数据同化问题中具有良好应用前景。     

海洋数值模拟中的伴随数据同化方法

从伴随方程的推导、伴随数值模型的构造以及伴随数据同化中的最优化方法3个方面对伴随数据同化基本理论的研究现状进行了较为系统的归纳和评述;从优化初始状态、优化模式中不确定参数和优化开边界条件等3方面,综述了伴随法在海洋数值模拟中的应用.最后讨论了伴随法在海洋数值模拟应用中存在的问题,指出,对于伴随法用于数值模型的参数优化,只能对其在物理意义范围内进行适当调整和估计,而不能背离物理背景使目标函数最优.     

Direct assimilation of satellite radiance data in GRAPES variational assimilation system

Variational method is capable of dealing with observations that have a complicated nonlinear relation with model variables representative of the atmospheric state, and so make it possible to directly assimilate such measured variables as satellite radiance, which have a nonlinear relation with the model variables. Assimilation of any type of observations requires a corresponding observation operator, which establishes a specific mapping from the space of the model state to the space of observation. This paper presents in detail how the direct assimilation of real satellite radiance data is implemented in the GRAPES-3DVar analysis system. It focuses on all the components of the observation operator for direct assimilation of real satellite radiance data, including a spatial interpolation operator that transforms variables from model grid points to observation locations, a physical transformation from model variables to observed elements with different choices of model variables, and a data quality control. Assimilation experiments, using satellite radiances such as NOAA17 AMSU-A and AMSU-B （Advanced Microwave Sounding Unit）, are carried out with two different schemes. The results from these experiments can be physically understood and clearly reflect a rational effect of direct assimilation of satellite radiance data in GRAPES-3DVar analysis system.     

大亚湾海域流场数据同化的数值试验

用有限差分隐式方向交替(alternatingdirectionimplicit,ADI)法求解潮波方程,并进行数据同化的数值试验,与未经同化的ADI法计算值相比有较好的效果.结果表明,采用数据同化系数1 12×10-4s-1为最佳选择.     

一种高效的GPS定位数据压缩算法设计

针对基于GPS及GPRS的手持式防走失终端的存储空间小、GPS定位数据量大、累积GPRS传输GPS定位数据流量大导致通信费用高的问题,提出一种专用于NMEA-0183标准GPS定位数据压缩的改进型位映射-半字节压缩算法.经过理论分析以及实际验证,该算法总压缩比不低于74.29%,并且减少了GPRS向监控中心传输的GPS定位数据量,降低了通信费用和GPRS信道的占用时间,提高了定位的实时性.     

Effect of four-dimensional variational data assimilation in case of nonlinear instability

The effect of four-dimensional variational data assimilation on the reduction of the forecast errors is investigated for both stable and unstable flows. Numerical results show that the effect is generally positive. Particularly,its effect is much more significant in the presence of nonlinear instability     

Three-dimensional variational data assimilation implemented in numerical modeling for Wuhan torrential rain in July 1998

On July 20～21, 1998, a torrential rain with 24-hour rainfall of 286 mm occurred in Wuhan, Hubei Province of China. In this study, a three-dimensional variational data assimilation system developed at the Fifth-Generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (MM5) along with conventional rawinsonde sounding and surface observation is used for modeling the heavy rain. It successfully incorporates observational data of temperature, humidity and wind, and provides an optimal analysis being in favor of the formation of heavy rain. The 24-hour rainfall predicted by the new scheme is 109 mm rather than 2.5 mm forecasted by control experiment. Furthermore, the forecasted accuracy of location and time-variation of hourly rainfall reproduced by this model is also improved. Keywords：variational data assimilation, torrential rain, numerical modeling.     

Assimilation analysis of Rammasun typhoon structure over Northwest Pacific using satellite data

The kinetic and thermodynamic structure of typhoon Rammasun (No. 0205) over the Northwest Pacific has been analyzed, using NOAA-16 polar orbiting Advanced Microwave Sounding Unit (AMSU) data collected on 2 July, 2002. The three-dimensional variational (3DVAR) assimilation technology is used to assimilate the satellite observation. The results show that the characteristics of the 3D typhoon structure can be more reasonably described from the assimilated data. The warm-cored structure of the typhoon is enhanced in the analyzed field, which corresponds to strong typhoon. The typhoon cyclonic circulation in the middle and lower layers is apparently strengthened, and the strong anticyclonic circulation appears at the top of the typhoon. The water vapor and its supply in the typhoon are enhanced. The microwave assimilation data may be used to supply the lack of the conventional observation data over the tropical ocean.     

轨道检测GPS数据采集系统硬件设计与实现

 针对传统轨道检测系统效率低、成本高的不足,应用GPS 全球定位技术、GPRS 无线通信技术和CAN 总线技术,提出一种新型轨道检测方案,并对GPS 数据采集系统的关键模块进行了设计。GPS 数据采集系统由4 个基站GPS 模块和1 个流动站GPS 节点组成,实现了相对测量与绝对测量的统一,提高了检测精度;基于GPS 的数据采集实时准确,更新率高达50 Hz;利用GPRS 进行无线数据传输,方便快捷,实时高效;利用CAN 提高了通信速率(高达l Mbps),且可靠性高、性能稳定;通过Flash 存储器进行数据缓存,再传至上位机进行存储与处理,系统容量高达500 G,数据处理简单高效。