ATOVS资料在长江流域一次暴雨过程模拟中的应用

利用2002年 "973" 中国暴雨试验(CHeRES)期间获取的常规、非常规观测资料, 对7月22～23日长江中下游地区的一次大暴雨过程进行了分析和模拟研究.分析表明, 此次降雨过程是由东北-西南向梅雨锋上发生发展的β中尺度对流云团造成.在高低空环流的共同作用下, 高空槽后干冷气流与西南暖湿气流在长江中下游地区频繁交汇, 使得中尺度对流系统得以持续发展.模拟研究发现, 由于梅雨锋云带结构比较松散, 造成降雨的强对流系统尺度较小, 仅利用常规探空资料难以理想地模拟出降雨过程中对流云团的强度、演变.为此, 采用不同同化方案同化NOAA16卫星的ATOVS资料, 对此次降雨过程进行了对比模拟试验.结果发现, 形成模式初始场时考虑间接同化ATOVS反演得出的温、湿资料, 模式虽然同样能较好地对造成暴雨的主要天气系统、降雨的主要落区以及暴雨发生的时段进行模拟, 但雨区和雨强的模拟效果没有明显改进.相比而言, 采用增量三维变分同化系统, 直接同化ATOVS资料形成初始场, 不仅可以较好地模拟出暴雨天气形势、主要影响系统, 而且对降雨的落区、强度、暴雨发生时段均有较好的反映.模拟试验结果表明, 直接同化ATOVS资料, 模拟的梅雨锋上局地暴雨强度与实际降雨量级基本一致, 且可以有效改进对流层温、湿场分布.这不仅说明ATOVS资料的使用对于提高梅雨锋上局地暴雨过程模拟效果是可行的、必要的, 而且也为该资料用于梅雨锋暴雨的预报奠定了基础.     

ATOVS资料的变分同化对一次暴雨过程预报的影响分析

利用ATOVS卫星辐射率资料和T213资料,采用GRAPES 3D-Var同化系统和中尺度暴雨数值模式AREM设计了直接用T213做初始场的控制试验和以T213做背景场直接同化ATOVS辐射率资料的同化试验,对2005年7月9—10日发生在湖北西部-河南南部的一次大暴雨过程进行了数值模拟分析。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料获得的分析场可有效改进温度场和湿度场的分布,尤其是对海上、高原等地的改进明显。对比试验结果表明,同化试验较控制试验可更好地模拟出暴雨的天气形势、主要影响系统,对降雨的落区、强度、暴雨发生时段有更好的反映。     

台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验

利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风"莫拉克"导致的台湾南部2009年8月8—9日特大暴雨过程进行数值预报。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征。对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者。在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著。连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近。     

卫星辐射率资料EnSRF同化及暴雨模拟应用

基于自主构建的WRF—EnSRF（Weather Researchand Forecasting—Ensemble Square—Root Filter）同化系统,同化了ATOVS（Advanced TIROS Operational Vertical Sounder）辐射率资料,以检验该系统同化卫星资料的能力及其在暴雨过程模拟中的效能。对2008年6月6—7日广东地区一次大暴雨过程进行了同化及数值模拟试验,结果表明,同化ATOVS辐射率资料得到的分析场,丰富了对流层高层的大气温度和对流层中低层的大气湿度信息,对风场也有一定的改进。控制试验和同化试验都较好地模拟出了降水的主要落区和发生时段,但控制试验对暴雨、大暴雨的雨区和雨强的模拟效果欠佳;相比而言,同化试验对强降水中心的位置、范围的模拟均有更好的反映,模拟的暴雨强度也与实际降水量级基本一致,同化改进效果明显。     

AMSU辐射率资料在“07·07”暴雨个例中直接同化的试验研究

利用AMSU辐射率资料和常规观测资料,采用自行模拟的区域背景误差协方差(B)的WRFDA同化系统和中尺度数值模式WRF预报系统,对2007年7月8—9日发生在江淮流域的一次暴雨过程进行了模拟研究,设计了4组试验方案,对比分析了不同方案的模拟结果。结果表明,连续同化AMSU辐射率资料,可以改善降水预报效果,尤其是降水强度;通过连续使用AMSU资料,可以改进影响暴雨系统的大尺度环境场;AMSU-A资料对温度场有较为明显的影响,而AMSU-B资料对湿度场的调整有较大的贡献。     

ATOVS资料在淮河暴雨预报中的同化应用研究

ATOVS资料的获取弥补了测站稀少地区常规观测资料的不足,尤其是有云条件下的温湿资料,这两种资料对于模式的降水预报极为重要。采用T213-SSI业务系统,对全球NOAA16、17的ATOVS资料进行同化试验,分析了ATOVS资料在极端暴雨天气预报中的应用效果。对2007年7月7—9日发生在淮河流域的一次暴雨过程进行数值模拟研究,设计3种同化方案,对比分析了不同方案的同化模拟结果。试验表明:长期同化AMSU资料,可以改善降水预报,尤其是降水强度的改善明显。通过连续同化,卫星资料能改进大尺度环境场、温湿场和动力场。剔除AMSU-A地面通道及低层700 hPa通道资料的同化效果要优于全部同化,对于暴雨中心的模拟位置、强度有较明显改进,中高层形势场的降水直接影响系统也更加接近实况,温湿场、风场的调整作用尤其明显。     

不同同化方案在一次梅雨锋暴雨预报中的应用研究

基于ATOVS辐射率资料和GTS常规观测资料融合,通过不同化任何观测资料的控制试验、3DVAR同化试验和ETKF-3DVAR混合同化试验,对2013年7月4—5日一次梅雨锋暴雨天气过程进行模拟分析。结果表明:混合同化方案能够明显地提高暴雨预报准确率,且有效改善了风场、温度场和相对湿度场等各个气象要素的初始场结构,而这些气象要素对于暴雨的预报准确性具有重要作用。且混合同化方案对于中低层大气改进效果较为明显。在数值积分过程中,随着时间的推移,混合同化方案的优势逐渐减弱。     

直接同化卫星辐射率资料在暴雨预报中的应用研究

为了考察T213-SSI同化全球ATOVS卫星辐射率微波资料在极端暴雨事件预报中的应用效果和能力,评估和分析卫星资料的应用对极端暴雨事件预报效果的影响,利用T213-SSI准业务同化系统,对2007年7月16-19日的川渝地区暴雨过程进行了模拟分析.此次暴雨过程致灾严重,同时是一次预报难度很大的、西风带系统调整下的转折性天气过程,非常值得研究.共开展了3组模拟试验:第一组试验只同化常规资料;第二组试验连续同化10天常规资料和卫星微波资料,第三组试验只同化一个时次、分别使用常规资料和不同波段微波资料(AMSUA和AMSUB).结果表明:(1)仅同化一次卫星资料的暴雨预报不及连续同化10天卫星资料的效果好,说明卫星资料的使用需要有较长时间的累积才能产生较好效果;(2)卫星资料的长期使用可以改进大尺度环境场,使得暴雨天气过程的直接影响系统更接近实际;(3)AMSUA资料对温度场的调整有较大贡献,AMSUB资料对湿度场也有较为明显的影响.     

ATOVS资料同化方案对暴雨模拟效果的影响

本文利用WRF 模式及其3DVar 同化系统,以2009 年6 月29 日00 时到30 日00 时的湖北鹤峰暴雨为研究个例,对ATOVS 探测器的AMSU-A、AMSU-B 和HIRS 三类资料进行了不同的同化方案试验。结果表明:同化ATOVS 三类资料对暴雨模拟的影响不同,HIRS 资料对暴雨模拟效果改进最大,AMSU-B 次之,AMSU-A 最小。同时同化ATOVS 三类资料时,AMSU-A 资料起主要作用,其同化效果与同时同化ATOVS 三类资料相近,优化组合同化AMSU-B 和HIRS 资料的效果最好。同化ATOVS 不同资料对初始要素场的影响不同,AMSU-A 资料主要影响大气温度场,AMSU-B 资料对中高空要素场的影响较大,HIRS 资料对低空湿度场及风场的协同改变最有利于降水模拟的改善。同时ATOVS 资料的稀疏分辨率也是影响同化效果的一个因子,在模式分辨率不变时,同化资料稀疏分辨率可能存在最佳选择。     

资料同化对一次华南暴雨影响的数值试验研究

针对一次华南暴雨过程,采用WRF区域中尺度模式进行了控制试验和同化试验.利用WRF-3DVAR同化系统同化了常规探空和地面观测资料,分析了两种资料对初值场的影响,以及对降水和各物理量预报效果的影响.结果表明:同化能改进初始场,并可改进暴雨落区和强度预报;同化可提高WRF模式对风场、温度场、高度场以及水汽场的预报能力.但有一定的时效性;同时同化探空和地面资料,比仅同化探空资料对大气低层物理量的预报能力要提高较多.     

对于一次川渝暴雨的ATOVS资料同化数值模拟

利用我国全球中期数值预报业务模式T213L31及其三维变分同化系统SSI,对全球NO—AAl6、17的ATOVS资料进行了同化试验。对2007年7月16-18日发生在川渝地区的一次暴雨过程进行数值模拟研究,对比分析了仅同化常规资料与加入卫星资料后的同化结果及模拟结果。试验表明：T213L31模式加入同化AMSU资料后,可以改善降水预报,尤其是降水强度。通过连续滚动同化卫星资料,模式对于大尺度环境场改进明显,模拟效果更加接近实况。AMSU资料的使用可以改进温度场、湿度场以及风场,对于降水落区的预报有很好的指示意义。同化AMSU资料虽然一定程度上增加了降水区的湿度,但是该区域为一个稳定维持的低湿中心占据,是造成降水落区出现偏差的原因。     

Improving the Analyses and Forecasts of a Tropical Squall Line Using Upper Tropospheric Infrared Satellite Observations

The advent of modern geostationary satellite infrared radiance observations has noticeably improved numerical weather forecasts and analyses.However,compared to midlatitude weather systems and tropical cyclones,research into using infrared radiance observations for numerically predicting and analyzing tropical mesoscale convective systems remain mostly fallow.Since tropical mesoscale convective systems play a crucial role in regional and global weather,this deficit should be addressed.This study is the first of its kind to examine the potential impacts of assimilating all-sky upper tropospheric infrared radiance observations on the prediction of a tropical squall line.Even though these all-sky infrared radiance observations are not directly affected by lower-tropospheric winds,the high-frequency assimilation of these all-sky infrared radiance observations improved the analyses of the tropical squall line’s outflow position.Aside from that,the assimilation of all-sky infrared radiance observations improved the analyses and prediction of the squall line’s cloud field.Finally,reducing the frequency of assimilating these all-sky infrared radiance observations weakened these improvements to the analyzed outflow position,as well as the analyses and predictions of cloud fields.     

GRAPES区域扰动预报模式动力框架设计及检验

设计了适用于四维变分同化系统的扰动预报模式GRAPES_PF。根据GRAPES的地形追随坐标非静力原始方程组,采用小扰动分离方法推导微分形式的线性扰动预报方程组,并利用与GRAPES非线性模式相似的数值求解方案求解线性扰动微分方程组。在设计扰动预报模式时采用了两个时间层半隐式半拉格朗日方案对动量方程、热力学方程、水汽方程和连续方程进行时间差分,空间差分方案的变量分布水平方向采用Arakawa C跳点网格,垂直方向采用Charney/Phillips跳层。利用代数消元法进一步推导得到只包含未来时刻扰动Exner气压的亥姆霍兹方程,进而通过广义共轭余差法（GCR）求解,在此基础上得到未来时刻扰动量的预报值。基于所开发的扰动模式开展了数值试验。首先在非线性模式中施加一个中尺度初始扰动高压,得到初始扰动在非线性模式中的后续演变,然后将相同的初始扰动作为扰动模式的初值进行时间积分,将扰动模式预报的结果与非线性模式的结果做了对比。结果表明,所开发的扰动模式GRAPES_PF较好地模拟了惯性重力内波的传播过程:初始高压扰动激发了一个迅速向外传播的惯性重力内波,在气压场向风场适应的过程中,水平风场、垂直运动、位温和湿度等变量均出现了扰动增量,与非线性模式得到的结果相当接近。GRAPES_PF作为GRAPES非线性模式的合理线性模式为建立基于线性扰动预报的区域四维变分同化系统奠定了科学基础。      

基于卫星亮温资料同化对2009年热带风暴“浪卡”的数值研究

本文利用三维变分同化系统（WRFDA）,设计了4个同化试验方案,将ATOVS卫星亮温资料直接同化到中尺度数值模式（WRF）中,研究同化ATOVS不同卫星亮温资料对2009年04号热带风暴“浪卡”数值模拟的影响。结果表明,直接同化卫星亮温资料能够改善初始场结构（大气流场、温度场）,尤其是对西太平洋反气旋系统,进而提高对热带气旋路径的模拟精度。同化不同类型的ATOVS卫星亮温资料对于热带气旋的移动路径有着不同程度的改善,其中以HIRS3和HIRS4资料同化对热带气旋移动路径改善效果最好。     

Intercomparison of the performance of MM5/WRF with and without satellite data assimilation in short-range forecast applications over the Indian region

The present study is conducted to verify the short-range forecasts from mesoscale model version5 (MM5)/weather research and forecasting (WRF) model over the Indian region and to examine the impact of assimilation of quick scatterometer (QSCAT) near surface winds, spectral sensor microwave imager (SSM/I) wind speed and total precipitable water (TPW) on the forecasts by these models using their three-dimensional variational (3D-Var) data assimilation scheme for a 1-month period during July 2006. The control (without satellite data assimilation) as well as 3D-Var sensitivity experiments (with assimilating satellite data) using MM5/WRF were made for 48 h starting daily at 0000 UTC July 2006. The control run is analyzed for the intercomparison of MM5/WRF short-range forecasts and is also used as a baseline for assessing the MM5/WRF 3D-Var satellite data sensitivity experiments. As compared to the observation, the MM5 (WRF) control simulations strengthened (weakened) the cross equatorial flow over southern Arabian sea near peninsular India. The forecasts from MM5 and WRF showed a warm and moist bias at lower and upper levels with a cold bias at the middle level, which shows that the convective schemes of these models may be too active during the simulation. The forecast errors in predicted wind, temperature and humidity at different levels are lesser in WRF as compared to MM5, except the temperature prediction at lower level. The rainfall pattern and prediction skill from day 1 and day 2 forecasts by WRF is superior to MM5. The spatial distribution of forecast impact for wind, temperature, and humidity from 1-month assimilation experiments during July 2006 demonstrated that on average, for 24 and 48-h forecasts, the satellite data improved the MM5/WRF initial condition, so that model errors in predicted meteorological fields got reduced. Among the experiments, MM5/WRF wind speed prediction is most benefited from QSCAT surface wind and SSM/I TPW assimilation while temperature and humidity prediction is mostly improved due to latter. The largest improvement in MM5/WRF rainfall prediction is due to the assimilation of SSM/I TPW. The assimilation of SSM/I wind speed alone in MM5/WRF degraded the humidity and rainfall prediction. In summary the assimilation of satellite data showed similar impact on MM5/WRF prediction; largest improvement due to SSM/I TPW and degradation due to SSM/I wind speed.     

Application of ATOVS microwave radiance assimilation to rainfall prediction in Summer 2004

Experiments are performed in this paper to understand the influence of satellite radiance data on the initial field of a numerical prediction system and rainfall prediction. First, Advanced Microwave Sounder Unit A （AMSU-A） and Unit B （AMSU-B） radiance data are directly used by three-dimensional variational data assimilation to improve the background field of the numerical model. Then, the detailed effect of the radiance data on the background field is analyzed. Secondly, the background field, which is formed by application of Advanced Television and Infrared Observation Satellite Operational Vertical Sounder （ATOVS） microwave radiance assimilation, is employed to simulate some heavy rainfall cases. The experiment results show that the assimilation of AMSU-A （B） microwave radiance data has a certain impact on the geopotential height, temperature, relative humidity and flow fields. And the impacts on the background field are mostly similar in the different months in summer. The heavy rainfall experiments reveal that the application of AMSU-A （B） microwave radiance data can improve the rainfall prediction significantly. In particular, the AMSU-A radiance data can significantly enhance the prediction of rainfall above 10 mm within 48 h, and the AMSU-B radiance data can improve the prediction of rainfall above 50 mm within 24 h. The present study confirms that the direct assimilation of satellite radiance data is an effective way to improve the prediction of heavy rainfall in the summer in China.     

Radar data assimilation of the GRAPES model and experimental results in a typhoon case

Constructing β-mesoscale weather systems in initial fields remains a challenging problem in a mesoscale numerical weather prediction (NWP) model. Without vertical velocity matching the β-mesoscale weather system, convection activities would be suppressed by downdraft and cooling caused by precipitating hydrometeors. In this study, a method, basing on the three-dimensional variational (3DVAR) assimilation technique, was developed to obtain reasonable structures of β-mesoscale weather systems by assimilating radar data in a next-generation NWP system named GRAPES (the Global and Regional Assimilation and Prediction System) of China. Single-point testing indicated that assimilating radial wind significantly improved the horizontal wind but had little effect on the vertical velocity, while assimilating the retrieved vertical velocity (taking Richardson's equation as the observational operator) can greatly improve the vertical motion. Experiments on a typhoon show that assimilation of the radial wind data can greatly improve the prediction of the typhoon track, and can ameliorate precipitation to some extent. Assimilating the retrieved vertical velocity and rainwater mixing ratio, and adjusting water vapor and cloud water mixing ratio in the initial fields simultaneously, can significantly improve the tropical cyclone rainfall forecast but has little effect on typhoon path. Joint assimilating these three kinds of radar data gets the best results. Taking into account the scale of different weather systems and representation of observational data, data quality control, error setting of background field and observation data are still requiring further in-depth study.     

GRAPES全球三维变分同化系统的检验与诊断

中国气象局数值预报中心新近升级的GRAPES全球三维变分同化系统的大气基本状态变量在物理属性与定义的网格和坐标上与预报模式保持一致,是一个完全针对GRAPES预报模式的同化系统。该系统不仅有利于减小分析误差,也是构建GRAPES四维变分同化系统的基本环节之一。该文通过与观测资料的对比、与国际其他业务中心分析场的对比,以及中期数值预报的检验,对新的GRAPES全球三维变分同化系统性能进行较全面讨论,并通过对这一系统的检验,探索资料同化系统性能的检验方法,尤其是观测资料同化效果的定量评价方法。诊断结果表明:在宏观特征上,GRAPES变分同化系统的分析场与欧洲中期数值预报中心和美国国家环境预测中心的分析场十分相似, 但细节上仍有差别。这些差别主要源自GRAPES同化系统中探空、地面报、掩星以及飞机报观测的贡献偏大,而卫星垂直探测仪观测资料的作用尚未充分发挥。从探测单要素来讲,风及湿度观测的作用发挥不够。此外,青藏高原周围地区、模式高层及赤道地区分析场偏差较大,它们与模式地形及高层的处理等有关系,这些问题有待进一步改进。