单多普勒雷达径向风同化的改进

基于现有的单多普勒雷达径向速度资料直接同化和间接同化方法,提出了一种改进同化方法,通过引入反演方程组作为观测算子,将分析单元内径向风的空间变化信息作为同化变量。同时,根据模式的分辨率和精度要求调整分析单元大小,从而能够有效地弥补数据稀释化所带来的高分辨率数据遗失问题。相对于直接同化只同化雷达观测径向风,改进方法不仅包含径向风信息,而且包含径向风的空间变化信息;相对于传统的间接同化,改进方法不直接使用强约束求解析风场,避免了将反演风场完全等同于"观测风场",能够较大程度地克服反演误差对同化效果的影响。通过理想实验和观测系统模拟试验表明:改进方法对于传统的直接同化和间接同化具有一定的兼容性,应用灵活,具有积极的改进意义。     

气象探空火箭测风不确定度评估方法

本文在气象火箭测风反演数学模型基础上,通过误差分析理论和曲线拟合最小二乘原理,对大气风场反演结果不确定度的评估方法进行了研究。根据火箭探空仪在空中的运动规律,首先建立数学反演模型,推导得到风速和风向的计算公式;然后根据误差理论,推导得出反演风速和风向的不确定度表达式;基于多项式拟合方法,进一步推导得出拟合后的风速和风向的系统误差和随机误差公式,并求解公式中系数。最后以1次气象火箭实测数据为例,对风场及其不确定度进行了分析计算。结果表明:风速反演不确定度随高度降低而减小,在50～60km高度不确定度约为2.8～3.5m/s,50km以下不确定度在1m/s以内;风向在正北方向(0°)附近摆动时,会导致反演不确定度异常增大,其他高度不确定度基本在10°以内。     

ASCAT反演风场与华南及南海站点观测对比分析

利用2014—2017年华南沿海及南海的浮标站、海岛站、石油平台站、沿海自动站等277个自动站风场数据,与ASCAT反演风场进行了对比分析。结果表明,当观测风速小于5 m/s(大于15 m/s)时,ASCAT反演风速的平均绝对误差在3 m/s左右(存在2级左右的高(低)估);当风速介于5~10 m/s时,平均绝对误差在2 m/s左右(多数ASCAT有1~2级的高估);介于10~15 m/s时,ASCAT反演结果相对最好,风速、风向准确率能够达到60%以上。ASCAT对风速的反演结果受陆地影响较大,与观测风速的相关系数从高到低可分为三类:(1)浮标、平台站;(2)西沙、南沙自动站;(3)广东沿海自动站及海岛站、海南海岛站。ASCAT反演风场在风向的应用较风速更优,其中,东北风样本数最多,其次分别为西南风、东南风和西北风。浮标站、平台站、西沙自动站的风向反演质量相对较好;所有测站风向偏差主要由5 m/s以下的弱风贡献。单站多年月平均风速变化显示,ASCAT反演风速相对测站主要为正偏差,且秋冬季比春夏季偏差更大,这可能与大气稳定度有关。      

基于三台测风激光雷达的大气湍流和三维风场研究

为了获取大气湍流和空间三维风场结构,利用3台同型号的测风激光雷达开展协同观测试验。（1）利用虚拟铁塔协同观测技术开展大气湍流探测,与香河102 m铁塔安装的三维超声风速仪观测结果做对比,32 m处高频（10 Hz）风速的相关系数高达0.92,平均误差为0.77 m/s,均方根误差为0.41 m/s;大气湍流强度（TKE）的相关系数高达0.99,平均误差为?0.02 m2/s2,均方根误差为0.08 m2/s2,并且协同观测的高频风速与三维超声风速仪的观测结果具有相同的频谱结构。（2）利用扫描协同观测技术开展三维风场探测,与铁塔上的常规测风设备相比,其90 m高度处的水平风速和风向的相关系数分别为0.92和0.93,平均误差为?0.41 m/s和0°,均方根误差为0.73 m/s和34°。相比于单台测风激光雷达,基于3台测风激光雷达协同观测技术具有一定的优势:不需要风场水平均匀的假设、探测精度更高等。但其对观测环境的要求较高:观测路径上不能有遮挡、观测必须协同等。在科研业务应用中,需要根据实际的观测需求合理制定观测方案。      

应用MODIS数据反演青藏高原地区地表反照率

应用RossThick-LiTransit核驱动BRDF（bidirectional reflectance distribution function）模型,选择2004年Terra MODIS（moderate resolution imaging spectraradiometer）500 m分辨率数据,对青藏高原地区的地表反照率进行了反演研究,并以平均气溶胶光学厚度值0.11计算了正午时（北京时间12：00）实际的地表反照率,反演结果与当地的地表覆盖类型和地形具有较好的一致性。此外,藏北高原4个辐射观测站点观测资料与反演结果的比较表明,500 m分辨率反演结果不仅可以满足气候和陆面过程模式的精度要求,而且精度高于美国1 km分辨率反照率反演结果。     

多普勒雷达资料4DVAR同化反演的模拟研究

利用Sun等建立的同化模式和四维变分同化方法对多普勒雷达资料反演大气风场、热力场和微物理场进行了模拟试验研究.反演的基本思路是将4DVAR同化方法应用到三维云模式,定义价值函数表征雷达资料与模式预报结果之间的差别,通过极小化价值函数得到反演场,价值函数相对模式控制变量的梯度由伴随模式求取.试验结果表明,4DVAR同化技术能够从单(双)多普勒雷达资料反演大气三维风场、热力场和微物理场.各个变量反演精度高低与同化过程中变量受约束的大小程度呈正相关.速度场和雨水场反演精度较高,温度场、云水和水汽的反演精度次之,温度场的准确反演需要较长的同化时间.价值函数中加入背景场,哪怕是单点探空给出的平均场信息也有利于提高反演精度.在采用单部多普勒雷达资料进行反演时,速度场的反演误差较大.反演区相对雷达站的位置变化对速度场反演结果有一定的影响,而对其他变量的反演影响很小.两个时次的雷达观测资料基本足够提供反演所需的时间演变信息,同化更多时次的雷达资料,反演效果改进很小.雷达观测资料的缺值会显著降低同化效果,甚至可能导致同化失败,引入背景场可以改善这一状况.4DVAR同化技术对于雷达观测资料误差不太敏感.利用双多普勒雷达合成风场提供水平风场边界条件是比较准确可靠的.在反演主体离边界较远时,VAD风场也基本可用作水平风场边界条件.微物理场的反演对模式中的微物理参数化方案较敏感.     

二等皮托管测风误差分析及偏差模拟计算

皮托管是组成风速检定装置的主要计量标准设备,其测量精度对检定质量具有重要影响.从皮托管测风原理出发,详细介绍了影响皮托管测风误差的相关因素,模拟计算了各因素对风速测量产生的影响,分析了影响皮托管测风误差的主要因子.结果表明：温度和阻塞系数是影响二等皮托管测风误差的主要因素.当环境温度偏差为±8℃时,可引起二等皮托管风速测量误差为干0.44 m/s（v=30 m/s）.当阻塞修正系数偏差±0.02时,可引起二等皮托管风速测量误差±o.6 m/s（v=30 m/s）;皮托管系数、大气压力和湿度经修正后对二等皮托管测风精度影响相对较小.     

利用非流体静力伴随模式同化大气无线电折射率

近来，基于全球定位系统（ＧＰＳ）提出了一种遥感水汽的新途径。根据ＧＰＳ折射率测量结果能够反演出温度和水汽和垂直廓线。对于气象部门来说，这是一种有价值的潜在资料源。基于宾州／ＮＣＡＲ的中尺度模式的绝热版本及其伴随模式发展了一种四维资料同化系统。然后，进行了一系列观测系统模拟试验来评估ＧＰＳ推算的大气折射资料的效果。结果表明，大气折射率同化在反演水汽垂直廓线中是非常有效的。推算出的水汽场的精度明显比用传统反演技术得到的精度要好。大气折射率同化也能提供有效的温度信息。资料同化结果对于附加在模拟折射率观测值上的随机误差较不敏感。而它们对于观测值的空间分辨率却非常敏感。谱分析表明，湿度场具有较小尺度的变化且对大气折射率观测值的分辨率比温度更敏感。当折射率观测值分辨率较粗时，单个观测值同化得到的结果比在模式格点上内插的观测值同化的结果要好。沿大约２４０ｋｍ距离（ＧＰＳ折射率观测的特征尺度）平均的折射率观测值的同化对温度和湿度场的反演仍得到相当好的结果。     

双雷达风场反演拼图在登陆台风“莫兰蒂”(1614)强降水精细预报中的同化应用试验

利用福建龙岩、漳州、泉州新一代多普勒天气雷达和厦门海沧双偏振雷达探测资料,采用动态地球坐标系下双雷达三维风场反演与拼图技术,基于天气研究和预报模式（Weather Research and Forecasting,WRF）及其资料同化系统,对登陆台风“莫兰蒂”（1614）引起的2016年9月14—15日福建强降水过程进行了双雷达风场反演拼图资料检验及其三维变分同化对强降水精细预报影响的数值试验,结果发现:（1）动态地球坐标系下双雷达反演风场能合理反映实际风场分布状况,其误差相对较小。相较厦门翔安风廓线雷达及厦门探空秒级测风数据,反演风风向（风速）平均绝对误差分别为7.8°（2.6 m/s）及3.4°（1.1 m/s）;（2）反演风场水平方向稀疏化对同化及预报结果极为重要,过密的反演风场资料会给同化及预报结果带来负效果。文中采用18、6、2 km 3重嵌套,在3重嵌套区域均进行同化以及仅在2 km区域进行同化两种情况下,均表现为当反演风场资料水平分辨率提高到0.1°时,同化分析及预报的台风环流开始受到负影响;且当反演风场资料水平分辨率越高时,负效果越明显。敏感性试验结果显示,分辨率取0.2°时数值预报效果最好;（3）以美国国家环境预报中心全球预报系统（National Centers for Environmental Prediction/Global Forecast System,NCEP/GFS）0.5°×0.5°分析场为初值,基于3个不同起报时刻（2016年9月14日14时、20时及15日02时）（北京时,下同）模拟的福建省境内台风内核雨带和螺旋雨带逐时演变、台风路径与强度、逐时降水TS评分和空间相关差异显著,其中14日14时起报试验效果最好;而14日20时起报试验效果最差,这与该试验初始台风大风轴风速明显偏大有关;（4）在上述3个不同起报时刻试验基础上,分别增加双雷达反演风场资料的三维变分同化后,福建境内地面风场和台风内核雨带、螺旋雨带逐时分布、逐时降水TS评分和空间相关、台风环流结构以及U、V风垂直廓线分布均有明显改善,最大正影响时效可达24 h;但仅对1—6 h时效内台风路径有改善。      

基于DART +WACCM模式搭建的平流层同化、天气预报和气候预测模型研究

本论文基于WACCM（Whole Atmosphere Community Climate Model）模式最新版本WACCM6和DART（Data Assimilation Research TestBed）同化工具最新版本Manhattan,开发了中高层大气温度、臭氧和水汽卫星资料的同化接口,搭建了一个包含完整平流层过程的数值同化、天气预报和短期气候预测模型（此后简称模型）;本模型对2020年3～4月平流层大气变化进行了同化观测资料的模拟,并以同化试验输出的分析场作为初值,对5～6月的平流层大气进行了0～30天天气尺度预报以及31～60天短期气候尺度预测的回报试验。结果表明:本模型能较好地重现2020年3、4月北极平流层出现的大规模臭氧损耗事件随时间的演变特征,模拟结果和Microwave Limb Sounder（MLS）卫星观测结果很接近;而未进行同化的模拟试验,虽然可以模拟出北极臭氧损耗现象,但是模拟的臭氧损耗规模相比MLS卫星观测结果要低很多;利用同化试验4月末输出的分析场作为初值,预报的5月北极平流层臭氧体积混合比变化与MLS卫星观测值的差值小于0.5,预测的6月北极平流层臭氧变化只在10～30 hPa之间的区域,与观测之间的差异达到了1 ppm（ppm=10?6）。本模型不但改善了北极平流层化学成分变化的模拟,也显著地提升了北极平流层温度和环流的模拟。本模型同化模拟的3～4月、预报预测的5～6月北极平流层温度和纬向风变化与Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications, Version 2 （MERRA2）再分析资料结果具有很好的一致性,仅在北极平流层顶部,预报预测的温度和纬向风分别与再分析资料之间的均方根误差（RMSE）约为3 K和4 m s?1。未进行同化的试验模拟的3～4月、预报预测的5～6月北极平流层的温度和纬向风与MERRA2再分析资料之间的RMSE在大部分区域都达到6 K及5 m s?1以上。从全球范围来看,本模型对平流层中低层模拟性能改善最为显著,其预报预测结果与观测值之间的差异,比未进行同化试验的结果,减少了50%以上。     

中尺度模式遗传算法同化系统及同化试验研究

设计了一个以MM5模式为基础的遗传算法同化系统,并对一次暴雨过程进行了实际降水的模拟,通过对比遗传同化和伴随同化的降水预报效果,对遗传算法同化系统的同化性能进行验证。试验结果表明,遗传算法与四维变分相结合的同化系统能有效地改善模式的初始场,使MM5模式要素预报和降水预报的准确率得到提高。     

Optimal estimation of Eddy viscosity and friction coefficients for a Quasi‐three‐dimensional numerical tidal model

Abstract

It is shown that the parameters in a quasi‐three‐dimensional numerical tidal model can be estimated accurately by assimilation of data from current meters and tide gauges. The tidal model considered is a semi‐linearized one in which advective nonlinearities are neglected but nonlinear bottom friction is included. The parameters estimated are the eddy viscosity, bottom friction coefficient, water depth and wind drag coefficient, the first three of which are allowed to be position‐dependent. The adjoint method is used to construct the gradient of a cost function defined as a certain norm of the difference between computed and observed current and surface elevations. On the basis of a number of tests, it is shown that very effective estimation of the nodal values of the parameters can be achieved using the current data either alone or in combination with elevation data. When random errors are introduced into the data, the estimated parameters are quite sensitive to the magnitude of the errors, and in particular the eddy viscosity is unstably sensitive. The sensitivity of the viscosity can be stabilized by incorporating an appropriate penalty term in the cost function or alternatively by reducing the number of estimated viscosity values via a finite element approximation. Once stabilized, the sensitivity of the estimates to data errors is significantly reduced by assimilating a longer data record.     

中尺度数值模式的资料同化系统——(一)伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码的方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

数值天气预报同化系统的构造及试验研究

采用伴随码方法构造了数值天气预报的伴随模式系统，并对其正确性进行了检验，发现伴随码推导伴随模式是很有价值的工具。用理想场和实际资料进行的试验发现：权重函数和尺度因子选取的不同及不同的网格距对伴随模式同化系统会产生不同的影响。试验表明伴随模式系统有较强的同化能力。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

一次降水过程的GPS可降水量资料同化试验

选取2005年7月23—24日北京、天津、河北地区的一次强降水过程,利用MM5模式进行数值模拟试验和GPS可降水量资料的伴随同化试验。为了检验GPS可降水量资料对模式湿度场的改善程度和伴随同化效果,采用24h降水TS评分、模拟湿度场与真实场的均方差和实况降水等检验方法,通过温度场、高度场和风场的均方差试验,结果证明加入GPS可降水量资料在改善初始湿度场的同时对初始温度场、高度场和风场也有不同程度的改善。     

Some aspects of modelling low-level jets

An improved non-stationary two-layer model is presented for the simulation of wind speed maxima in the nocturnal boundary layer. The model is based on the idea of Blackadar (1957), who proposed as forcing mechanism an inertial oscillation of the ageostrophic component of the wind vector in the levels above the top of the nocturnal radiation inversion. First, the time-dependent variation of the nocturnal boundary-layer height is studied by means of prognostic equations; there is a good agreement between observed and calculated height data for three days of the Wangara experiment. Furthermore, a diurnal variation of the drag coefficient is considered in the lower layer by decreasing the coefficient by a factor of 10–20 due to stabilization of this layer during the night. The marked temporal decrease (increase) of the drag coefficient in the first hours after sunset (sunrise) is described by a function . The incorporation of these two effects into the model gives results which are in good agreement with observed wind data for Wangara days 13/14, 30/31, and 33/34.     

云导风资料同化在伴随模式同化系统中的应用

以一次发生在长江流域的暴雨过程为例,设计了几种数值试验方案,并进行模拟。结果表明,MM5伴随模式同化系统能有效改善初始场与模式的协调能力,提高模式对于降水场和其它要素场的预报;使用云导风资料修正初始场后直接模拟的效果比未使用时直接模拟的效果要好,对部分区域的强降水预报精度有一定程度的改善;使用伴随模式同化系统后,加入云导风资料的同化试验对其它要素的改善与直接同化常规资料的效果相比,改善优势不明显,但从各要素的误差来看,对于风场的改善最好。     

山西省大雾的中尺度数值模拟

利用中尺度模式MM5（The Fifth—Generation NCAR／Penn State Mesoscale Model）对山西省2009年发生的3场典型雾个例进行了数值模拟,探讨了物理过程参数化方案对雾数值模拟的影响,确定了基于模式模拟数据的雾判别指标,为该地区大雾数值预报系统的研制提供了理论基础。结果表明,综合考虑边界层方案和辐射方案对地表温度、高空温度、2m温度及相对湿度、10m风速、雾的空间分布、雾的生消过程、雾的发展高度等要素数值模拟的影响,边界层方案选用high-resolution planetary boundary layers cheme（HIR）方案、辐射方案选用Cloud方案时,雾数值模拟的结果与实况更为一致。综合分析多个典型雾个例的模拟结果,山西省境内雾的预报指标为：20m液态水含量为0．13～0．6g·kg^（-1）,20～1500m高度大气层存在逆温层,10m风速小于4m·s^（-1）。