南海北部陆架碳循环模式的建立——水动力模式部分

采用普林斯顿海洋模式,旨在建立南海碳循环模式所必须的水动力子模式.该模式在海表采用全球海洋大气综合数据集(The Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set,COADS)资料进行强迫,开边界采用一个全球海洋模式的结果进行强迫.模式结果与卫星高度计和潮汐站水位两方面的实测资料都进行了对比检验,结果表明,模式值与长达7年的高度计月平均水位序列在海盆区和陆架区的平均误差分别为1.8 cm和3.8 cm;与潮汐站水位的平均误差为4.0 cm.模式结果显示,南海北部陆架区海流有显著的季节特征:冬季,沿岸流南下,流轴贴近岸线;夏季,南海反气旋式大环流在陆架沿等深线流向东北方向,流轴接近陆架边缘.模式结果与实测资料比较的误差较小,且与前人研究所得的大面分布也比较一致,因此该模式能成为南海北部碳循环模式的关键性子模式.     

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。     

南海台风Vongfong(2002)的数值模拟试验

利用美国国家大气研究中心和宾夕法尼亚州立大学联合研制的第5代中尺度气象模式MM5对南海台风Vongfong(2002)进行了数值模拟试验,通过路径和移速、强度变化、地面最大风速、降水量和暴雨分布以及云系和螺旋雨带等方面的比较验证表明,MM5模式对台风Vongfong的模拟是比较成功的.模式运行中使用了QuiikScat海面风资料和四维资料同化技术,四维资料同化技术对模拟结果有很好的改善.     

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.     

长江口及邻近海域夏季温盐分布特征数值分析

基于EFDC模式建立长江口及邻近海域三维温盐模型,计算中加入径流、风、潮流和太阳辐射,与2005年7月观测资料进行对比验证表明：该文建立的长江口及邻近海域温盐模型可以较好地模拟该海域夏季温盐分布特征变化.由计算结果分析得到,长江口外夏季等温线呈南北走向,近岸高、口外低,长江口夏季水温分布沿着淡水舌方向由口门外逐渐减小;夏季长江冲淡水特征显著,表层低盐水可越过123° E,在长江口外形成向东淡水舌;长江口外冲淡水作用强烈区域的温盐跃层强度最大,其温跃层强度可达0.3 ℃/m,盐跃层强度可达2/m;长江口外温盐跃层位置重合或接近.     

雷达和卫星资料同化在一次华南暴雨预报中的应用

利用WRF模式和GSI同化系统,搭建了一套可以业务运行的预报系统,实现了对多普勒天气雷达反射率和径向风、葵花(Himawari-8)气象卫星等资料的同化功能。基于本系统,针对同化非常规资料可能带来的资料应用和预报效果问题,设计了多组同化方案,对2017年7月17～18日发生在华南的一次强降水过程进行模拟分析和同化效果评估。结果表明:分别同化常规资料、雷达径向风、雷达反射率反射率、卫星资料均对预报效果有所改进,特别是同化卫星资料,可以改善系统对云水物质的分析能力,进而提高海上天气过程的降水预报。基于分类试验同化的结果,对整体同化常规资料、雷达径向风、雷达反射率和卫星资料等对温度、风向风速、相对湿度和降水等模拟技巧进行评估后发现,整体同化对强降水的发生时间和强度预报有改进,但并非在所有方面都优于单独同化某一类资料的结果。     

东亚及其周边海域的一年大气再分析资料试验与评估

目前东亚及其周边海域还无公开的高分辨率区域再分析资料,但对该地区的高分辨率区域再分析的需求日益增长.该文使用天气研究与预报模式(WRF)和格点统计插值(GSI)同化系统搭建东亚区域再分析系统(EARS),并用三维变分和部分循环同化的方式研制一年再分析试验数据;进而使用气象信息综合分析处理系统(MICAPS)的站点观测资料、欧洲中期天气预报中心再分析5(ERA5)的全球再分析资料、热带降水测量任务(TRMM)的降水资料对一年试验数据进行初步评估.评估结果表明:一年再分析试验数据能较好地表征大气状况,其模拟效果接近甚至优于ERA5;在500hPa层面上,EARS与ERA5所得结果在环流分布上基本一致,但对青藏高原及印度季风区的模拟效果则有差异;在降水评估中,EARS与TRMM的降水分布和强降水中心均能较好地对应.     

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。     

利用海表动力高度资料反演次表层海温结构

为了解次表层温盐结构特征,提出基于谱空间重构的方法,利用海表动力高度资料对次表层海温进行反演,分析该方法的数学原理并给出计算步骤.反演结果表明该方法是可行的.反演均方根误差为0.8703 ℃,误差主要是由谱空间统计模式及只考虑海表动力高度影响造成的;反演得到的次表层海温场误差主要分布在温跃层附近区域.     

"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.     

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。     

波致混合对CCSM3气候模式预测能力的改进

在海气耦合模式CCSM3基础上引入波致混合作用后建立了改进的海气耦合模式,设计了SST同化方案,并进行了2005,2006和2007年ENSO的集合后报和2008年气候预测数值试验.结果表明,改进的海气耦合模式的同化效果优于原来的海气耦合模式CCSM3的同化效果.集合后报与观测资料对比表明:改进的海气耦合模式能够较好地预测当年ENSO事件的发生情况,预报强度和成熟期特征与实际也较吻合,波致混合可以明显地提升气候模式的预测能力.在此基础上利用改进的海气耦合模式对2008年气候异常进行了集合预测,结果表明:始于2007年的La Nina事件将持续至2008年夏季,2008年El Nino事件出现概率很小;2008年夏季中国东南沿海、黄淮流域、东北东南部、新疆中南部以及青藏高原西部降水比往年偏多,局部可能出现洪涝,内蒙古西部、华南西南部以及青藏高原南部降水比往年偏少.我国沿海除两广地区和长江口附近地区外,均有不同程度的降水增加.     

"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.     

地面和探空资料的EnKF同化对北京7·21极端暴雨模拟的影响

针对2012年7月21日北京极端暴雨的业务预报误差, 详细地考察地面和探空资料的EnKF同化对7·21极端暴雨总体时空分布和暴雨触发地面特征模拟的影响, 进而揭示预报误差的可能原因。结果表明, 资料同化显著地改善了北京地区降水时空分布的模拟结果, 证实了前人基于观测和敏感性分析提出的“低涡是北京7·21暴雨的关键影响系统”的判断, 揭示出低涡对应的地面低压东侧倒槽对北京7·21暴雨的直接贡献。研究结果显示, 业务数值模式对此次极端暴雨预报失败的主要原因可能是对低涡和低涡对应的地面低压东侧倒槽强度和位置有较大的预报误差。     

2008年残奥会一次预报失败天气个例的数值模拟不确定性研究

2008年9月14日一个飑线袭击北京, 城区发生了短时雷雨和大风天气, 而当时的天气预报失败。利用WRF (weather research and forecasting)模式和ARPS (advanced regional prediction system)模式的资料分析系统ADAS (ARPS data analysis system), 研究了模式水平分辨率, 不同观测资料(风云2C卫星资料、MICAPS数据、GTS (global telecommunication system)数据)同化所产生的初始场对这次飑线过程模拟的敏感性。结果表明, 15 km模式分辨率不能模拟出北京的降雨过程, 而5 km水平分辨率模式均能模拟出北京的降雨过程, 只是降雨落区和强度有所不同。不用资料同化的对照试验不能模拟出城区主要降水区。使用资料同化系统ADAS后, 降水落区均有改善。MICAPS资料中河套地区一个探空站的加入, 使得初值中河套地区的东北风比控制试验强, 模拟的飑线比控制试验偏南, 和实况更加接近。     

南海表层环流和热结构特征的数值模拟与影响因素分析

 采用普林斯顿海洋模式,在真实的地形数据、计算区域右边界上半部分设为开边界的条件下,对南中国海98°-126°E,3°S -26°N的范围进行了环流和温度结构的模拟。模拟从静止的海洋开始,以1月份的月平均温盐数据为初始场,在12个不同的月平均风场驱动下,模式稳定地模拟了4个模式年。从第3年开始进行数据分析。首先从数值模拟的角度给出了南海表层环流和热结构的时空演变过程,继而详细分析了气候和环境因素的影响。结果表明：冬季南海主要被一个大的气旋式环流占据,夏季主要呈大的反气旋式环流。春季和秋季是季风转换季节,南海环流在受到上一个季节影响的同时也向下一个季节的典型流态转换,并由多个涡旋组成。此外,气候和环境条件的设置,都会影响到南海的环流和热结构特征。     

实验温室温度系统混杂控制器设计与分析

温室环境调控系统是一类具有离散设备控制和连续环境因子输入输出的混杂系统.传统温室控制算法大都没有考虑温室的混杂特性,采用系统建模与古典或现代控制算法控制温室环境系统,缺乏对中国温室实际情况设计控制器和分析系统的混杂特性.为此基于混杂自动机理论,结合实验温室的降温设备,设计了夏季温度混杂控制器,并分析其执行的非阻塞性和确定性.春季和夏季实验表明,该控制器能根据设定值合理及时地切换控制设备状态.此外,建立了夏季和冬季两种典型模式的控制器框架,通过分析2013年夏季至2014年夏季温室内日最低温度,得到切换两种模式的参考时间设定值,为实现温室周年连续控制提供设定参数,对实际生产控制具有指导意义.     

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．     

海洋温盐结构分析的一个诊断模式

提出了分析海洋温盐结构的一个诊断模式.分析的地区是120°W～180°W，65°N～70°N的Beaufort-Chukchi海区.温盐资料的时段从1970年到1993年，它们取自Moods(Master Oceanographic Observation Data Set).结果表明，浅海区(深度≤150m)和深海区的温(盐)廓线有不同的几何特征，设计的诊断模式可以模拟多种类型的温(盐)廓线，通过TF统计检验的温(盐)度廓线的平均均方根误差(RMSE)小于0.3℃(0.3g/kg)，说明模式有很好的性能.