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.     

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.     

“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.     

“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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

GRAPES物理过程的优化试验及程序结构设计

新一代全球/区域多尺度通用数值分析同化与预报系统(GRAPES)按照模块化、标准化的程序结构, 开发建立了插拔式可移植的区域中尺度和全球中期物理过程软件包, 物理过程的完整性与国外先进的模式相当. GRAPES设计了物理过程与模式框架连接的3层结构程序界面, 为物理过程的插拔使用提供了一个友好界面. 通过个例数值试验, 对格点暴雨现象进行了分析, 改进了垂直速度计算方案, 通过调整GRAPES物理过程方案的相关参数, 对降水方案进行了优化; 结果表明, 物理过程降水方案经过改进后, 基本消除了虚假的格点暴雨现象, 提高了降水预报的准确率.     

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     

中国国家级新一代业务数值预报系统GRAPES的发展

数值预报是世界各国业务天气预报最重要的手段, 是一个国家气象综合能力的集中体现. 2000年, 中国气象局在中国气象科学研究院组建了国家气象数值预报创新基地, 建立和发展具有自主知识产权、面向21世纪的“新一代全球/区域多尺度通用同化与数值预报系统(GRAPES)”. 近年来, GRAPES取得了快速发展, 自主研究建立了从模式到同化、有限区/全球一体化的研究与业务通用的数值预报系统. 对GRAPES数值预报系统进行了简要评述, 从模式系统整体设计方面说明GRAPES数值预报系统的先进性; 从已经实现的多领域应用方面说明GRAPES数值预报系统的多种应用性; 通过区域和全球GRAPES模式的回报试验结果, 说明GRAPES数值预报系统在业务应用中的有效性.     

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.     

基于粗差拟准检定的实时滤波

基于卡尔曼滤波框架的实时滤波算法对测量粗差敏感,需要开发合适的粗差检择算法.将拟准观测思想与卡尔曼滤波框架相结合,提出了拟准检定滤波算法,并详细讨论了算法的扩展性和执行步骤.建立了卡尔曼滤波的可靠性矩阵,据此分析了算法的可靠性.试验数据计算结果得到了与理论分析一致的结论.拟准滤波将新息作为拟准算法的观测初选准则,将拟准算法的复选观测作为滤波器测量,简化了粗差检择过程,且适当改造后,可以涵盖常用的新息算法、抗差估计和原始拟准检定算法.测量信息的选择性利用,使得拟准滤波比新息算法和抗差估计有更高的检择精度和抗粗差转移能力.状态预测模型的利用,使得拟准滤波比原始拟准检定法所需拟准观测数量更少,更加适合观测结构复杂或观测数量较少的系统.这里的检择算法和可靠性分析方法可以用于指导实际系统的滤波器设计.     

一个新的高分辨率洪涝动力数值监测预报系统

基于简单的分布式水文模型CREST和多种卫星遥感资料及站点观测资料等,建立了一个高分辨率的动力数值洪涝灾害预报系统.该系统包含数据输入、水文模型、模式输出以及结果验证4部分.数据输入使用了高分辨率卫星遥感DEM等地表下垫面数据作为边界条件,使用时空分辨率和精度都较好的CMORPH卫星遥感降水资料作为驱动数据,驱动分布式水文模型CREST实时运行,以监测和预报中国地区尤其是无站点观测或者站点较少地区的洪涝灾害.对2008~2011年的水文基本变量后报结果结合不同流域水文站点的水文过程线分析验证表明,水平空间分辨率1 km的系统能够较好地后报中国地区的基本水文过程,能够较好地后报如实际蒸散发、土壤湿度、地表径流等基本水文变量;系统能够较好地模拟和后报河道径流量涨落过程;能够较好地后报洪峰及其对应的流量.同时,经过几次洪涝灾害事件的分析验证,表明系统能较好地监测、预报洪涝发生的时间及其影响的范围,从而可以为防灾减灾提供参考依据.     

火箭弹下投探测台风气象参数新技术及初步试验

与飞机探测台风的技术路线不同,中国气象局上海台风研究所联合中国航天科工集团第四研究院,历时3年完成了一种基于火箭弹的台风下投探测新技术的设计和研制.2015年10月3日23时00分(北京时),首枚台风探测试验火箭弹在海南省万宁市试射成功,6 min内即将携带的多枚下投式探空仪"精准"送入200 km之外的强台风"彩虹"内核区域.与车载GPS探空等资料的初步比对分析表明,实时传回的火箭弹下投探测资料质量可靠.试验的成功,为快速而精准地获取台风内部(不同区域、同时刻)精细结构特征提供了有效的直接观测手段,也为实现基于预报的台风目标敏感性观测提供了新途径.     

一套全球海洋再分析资料初步结果分析

基于全球海洋资料同化系统(BCC_GODAS2.0)的20年(1990～2009年)再分析资料,利用OISST和SODA数据集从整体上进行检验,分析同化产品误差特征表明,同化系统能够有效改进海洋温度和盐度的估计,尤其在赤道东太平洋地区最为显著.垂向温盐总体RMSE相对同化前分别减小0.53℃和0.28psu,相对第一代同化系统BCC_GODAS1.0,温盐各层RMSE均有不同程度的减小.然后利用HadISST数据对比分析了热带太平洋海温异常变化特征.同化结果的Nio3指数与HadISST的海表温度异常有很好的一致性,相关系数高达93.6%;同化结果很好地模拟出了观测HadISST赤道太平洋季节变化特征,而赤道东太平洋地区逐月SSTA标准差季节变化的幅度变化较美国GODAS更接近HadISST;此外,同化在热带太平洋SSTA年际变率的EOF第一主模态所表现的ElNio空间结构,改善了冷舌地区的正异常年际变率强度,第二模态所表现的El Nio Modoki空间结构,改善了赤道东太平洋负异常局限于狭窄赤道地区的问题,并且赤道中太平洋海温正异常向南北高纬地区延伸的幅度和强度都得到加强,与观测HadISST比较吻合.     

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.     

T_m-T_s的相关性分析及全球纬度相关的线性关系模型构建

利用全球大地观测系统(Global Geodetic Observing System,GGOS)大气(Atmosphere)的加权平均温度(Tm)数据和欧洲中尺度天气预报中心(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts,ECMWF)的地表温度数据在全球范围内计算了利用全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)反演水汽中的关键参数加权平均温度Tm与地表温度Ts的相关系数,结果显示二者的相关性主要受纬度影响,在高纬度地区较强,在低纬度地区较弱.虽然二者的相关性在赤道地区较弱,但这些区域的温度变化幅度较小,在这些区域利用线性回归模型建模依然可以取得较好的结果.在此基础上,本文利用2005~2011年的全球大地观测系统大气的Tm数据和欧洲中尺度天气预报中心的Ts数据按纬度建立了全球分区域线性回归模型.来自全球大地观测系统,气象、电离层和气候的星座观测系统(Constellation Observing System of Meteorology,Ionosphere and Climate,COSMIC)以及无线电探空(Radiosonde)的数据对模型的检验表明,新模型与这3种不同源数据都能较好吻合,分别取得了3.2,3.3和4.4 K的均方根误差,精度明显优于Bevis Tm-Ts关系模型.     

中低纬电离层理论模式的构建和一个观测系统数据同化试验

在前人工作的基础上, 完善了一个中低纬电离层理论模式(TIME-IGGCAS: Theoretical Ionospheric Model of the Earth in Institute of Geology and Geophysics, Chinese Academy of Sciences). TIME-IGGCAS模式自洽的求解等离子体连续性方程、动量方程、能量方程, 对地磁场采用偏心偶极近似. 同时结合欧拉网格和拉格朗日网格, 并考虑了等离子体的电场漂移作用. 计算结果表明模式稳定可靠, 能再现大部分电离层大尺度特征. 基于本模式, 进行了一个观测系统数据同化试验. 结果表明, 采用非线性最小二乘拟合的方法, 把观测到的电离层临界频率和峰值高度同化到理论模式中, 能够准确的估算电场漂移作用, 为进一步开发同化模式, 进行电离层现报和预报奠定了基础.     

多源卫星高度计新融合产品的研发与评估

卫星高度计在海洋环流观测、海平面变化分析和海洋环境预报等多个研究和业务领域得到广泛应用.当前在轨运行的高度计卫星已达5颗(Sentinel-3A、Jason-3、Cryosat-2、Saral/Alti Ka以及HY-2A),观测精度不断提高,但卫星高度计融合产品的有效分辨率(可分辨海面涡旋的最小尺度)仍需进一步提升.本研究以变分原理为基础,改进背景场、背景误差协方差矩阵以及观测误差,建立一种新的多源卫星高度计资料融合方法.以南海及其附近海域为目标区域,在格距为0.08°的规则网格上,融合所有在轨运行的5颗卫星高度计的沿轨数据,得到逐日融合产品.评估分析表明:新方法得到的融合产品的有效分辨率达到125 km左右,与国际上广泛应用的AVISO产品相比(格距0.25°,有效分辨率240 km),有效分辨率提高近一倍,融合产品的精度进一步提高,可用于描述更小尺度的海洋环流结构.