集合卡尔曼滤波同化探空资料的数值试验

应用集合卡尔曼滤波（Ensemble Kalman Filter;EnKF）方法,同化了2005年7月一次暴雨过程的探空观测资料,并用非静力中尺度模式MM5进行数值模拟试验。结果表明：在理想模式的假设下,即假设真实模拟和所产生的集合用的是同一个模式并有相同的初始误差,EnKF方法同化的分析结果较好。如果不运用EnKF方法同化探空观测资料,则集合预报结果和不加扰动的单个数值预报结果都没有EnKF方法同化过的好。     

基于集合Kalman滤波数据同化与偏差修正的热带气旋强度集合预报研究

采用基于集合Kalman滤波数据同化和偏差修正方法的集合预报技术来研究热带气旋的强度预报问题.集合预报系统考虑初值误差和模式误差,利用MM5中尺度模式,采用Anthes-kuo、Grell和Betts-Miller等积云参数化方案和High-res-olution Blaekadar、Burlk-Thompson、MRF等边界层过程的9组不同的组合,分别进行45、60和75 min的短时预报.对9个预报结果采用"镜像法",得到18个集合成员.将蓝金涡旋作为同化的观测场,18个集合成员作为集合Kalman滤波的初始背景集合,采用ENSRF算法和逐点局地分析算法进行同化.同化后的结果作为集合预报的初值,预报过程对模式参数采用前述9种组合,进行72小时预报.通过求取偏差系数对预报结果进行修正,减小模式系统误差.选2003-2004年16个台风过程作为预报个例,讨论偏差修正前后对预报结果的影响.实验结果表明,基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报相对于非同化的集合预报对路径预报的改进效果优于强度预报.平均而言通过偏差修正,强度集合预报的潜力得到挖掘,绝对误差明显减小,通过偏差修正减小了强度集合预报均值的误差,进而使得预报概率密度函数均值向理论值靠近,从而提高了概率预报的精度和合理性,因此基于集合预报的偏差修正分析方法,是改善热带气旋强度预报水平的有效途径.     

基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋路径集合预报研究

构建了一个基于集合Kalman滤波数据同化的热带气旋集合预报系统，通过积云参数化方案和边界层参数化方案的9个不同组合，采用MM5模式进行了不同时间的短时预报。对预报结果使用“镜像法”得到18个初始成员，为同化提供初始背景集合。将人造台风作为观测场，同化后的结果作为集合预报的初值，通过不同参数组合的MM5模式进行集合预报。对2003～2004年16个台风个例的分析表明，初始成员产生方法能够对热带气旋的要素场、中心强度和位置进行合理扰动。同化结果使台风强度得到加强，结构更接近实际。基于同化的集合路径预报结果要优于未同化的集合预报。使用“镜像法”增加集合成员提高了预报准确度，路径预报误差在48小时和72小时分别低于200 km和250 km。     

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统Ⅰ:系统设计及初步试验

集合卡尔曼滤波资料同化方法,可以用集合样本统计出随天气形势变化的误差协方差,是当前资料同化领域的研究热点。主要介绍了GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的设计以及初步的试验结果。针对集合卡尔曼滤波同化实际观测资料难以实施的问题,采用成批观测同化的顺序同化方法进行多变量的集合卡尔曼滤波同化;为了滤除有限集合数造成的误差相关噪音和缓解求逆矩阵不满秩的问题,在水平和垂直方向都采用了Schur滤波;建立了与GRAPES预报模式的垂直坐标和预报变量一致的模式面集合卡尔曼滤波系统;集合样本的生成考虑了模式变量的空间相关和模式变量之间的相关,通过利用三维变分分析中的控制变量变换得到模式变量扰动场。通过比较GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统和GRAPES区域三维变分资料同化系统的单点观测资料同化分析结果,对比背景误差相关系数的分布,验证了GRAPES集合卡尔曼滤波系统的正确性。此外,同化区域探空观测资料试验结果表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统能够得到合理的分析,并且具有实际运行能力。对分析结果进行12h预报表明,GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统的分析协调性不如三维变分资料同化系统。     

集合方根滤波同化多普勒雷达资料在一次飑线过程中的应用研究

针对2005年7月12日发生在山东省中西部地区的一次飑线天气过程,采用集合方根滤波方法开展基于WRF模式的多普勒雷达资料的同化应用试验,考察了此同化系统对实际雷达资料的同化效果。主要结论如下：（1）集合方根滤波同化系统能有效同化实际雷达资料,雷达资料的加入增加了模式的中小尺度信息,使分析场得到了显著改善,有效缩短了模式起转时间,改进了对地面降水的预报。（2）利用三次同化分析后的集合平均分析场进行的确定性预报表明,与控制试验相比,同化后分析场能更准确地预报飑线系统的微物理量场,预报的流场结构符合风暴的动力特征,动力场和热力场的分布与配置也基本合理。（3）集合平均分析场对飑线系统传播方向的预报与实况一致,但预报的系统传播速度较实况快,由于对流系统的非线性发展迅速,对系统的预报时效为5—6 h。     

时间扩展取样集合卡尔曼滤波同化模拟探空试验研究

目前,集合卡尔曼滤波同化预报循环系统主要的计算量和时间都花费在样本成员的预报上,小样本数虽能减少计算量,但样本数过少,特别是当有模式误差时,又会导致滤波发散。为了提高集合卡尔曼滤波同化预报循环系统的效率并减轻滤波发散等问题,开展了基于WRF的时间扩展取样集合卡尔曼滤波同化模拟探空的试验研究,以考察其在中尺度模式中的同化效果。预报时对一组样本数为Nb的样本,不仅在分析时刻取样,同时也在分析时刻前和后每间隔Δt时间进行M次取样,即在没增加预报样本数的情况下,增加了分析样本成员数(Nb+2M×Nb),从而在保证不降低分析精度的前提下,也达到减小集合卡尔曼滤波的计算量的要求。通过一系列试验来检验时间扩展取样的时间间隔Δt及在分析时刻前和后最大取样次数M对同化结果的影响。试验结果表明,当选择合适的Δt和M时,时间扩展集合卡尔曼滤波的同化效果非常接近于样本数为(1+2M)×Nb的传统集合卡尔曼滤波效果,具有一定的可行性。     

ATOVS辐射率资料的直接变分同化试验研究

文中采用增量三维变分 ( 3D Var)同化方法 ,对先进的微波探测装置 (AMSU A)探测的辐射亮温资料与常规探空资料在MM5中尺度数值预报模式中的直接同化和预报进行对比试验研究。结果表明 ,同化AMSU A辐射亮温资料对中高层温度分析场的影响最明显 ,对MM5模式的温度和水汽混合比预报有总体上的正效应 ,但对降水预报的改善作用不大     

过去状态估计之集合Kalman滤波扩充状态变量法研究

集合Kalman滤波是由大气数据同化发展的新的同化算法,它利用蒙特卡罗方法计算背景场的误差协方差矩阵,克服了Kalman滤波需要线性化的模型算子和观测算子的难点。但是这种同化方法是一种顺序数据同化方法,无法对过去状态变量进行同化订正。而过去状态的估计对于建立大气或海洋历史资料库、获得准确的数值预报初始场有着重要的意义。本文在集合Kalman滤波同化方法的基础上,提出了可以对过去状态进行估计的集合Kalman滤波扩充状态变量法,然后分别采用空气质量方程和Lorenz系统对这种方法进行了检验。数值试验结果表明,这种方法可以对非线性系统中的过去状态变量进行有效的估计订正,说明该方法是可行的。     

关于集合Kalman滤波的理论和方法的发展

随着同化方法的不断的发展，一种新的资料同化方法——集合Kalman滤波正在兴起。简单地回顾了同化方法的发展，探讨了集合Kalman滤波的特点。同时，还介绍了集合Kalman滤波发展的过程以及指出目前所面临的问题和未来的发展趋势。     

WRF-EnKF系统对中国南方一次暴雨过程确定性预报的试验

文章利用美国宾州州立大学的WRF EnKF(Ensemble Kalman Filter)实时预报系统(Real time Penn State WRF EnKF System),针对2013年5月15—16日发生在中国南方的暴雨过程进行了数值预报试验,以初步检验该系统对我国南方降水确定性预报的效果。数值试验采用2013年5月14日08时（北京时）起报的6 h间隔的1°×1° NCEP GFS (globle forecast system) 60 h预报数据（预报到5月16日20时）作为初始条件和边界条件。其中,控制试验不同化任何观测资料,同化试验通过集合卡尔曼滤波方法同化常规探空资料,分别进行确定性预报。结果表明：利用WRF EnKF系统同化常规探空资料,显著改善了数值预报的初始场,减小了各物理量的预报偏差和预报均方根误差,进而提高了此次暴雨过程的降水落区和强度的预报准确率。     

长江中下游地区梅雨期降水的集合预报试验

本文利用MM5模式,通过改变模式的积云参数化方案、边界层过程和云微物理方案,构造了一个15个成员的集合预报系统,对2001年长江中下游地区梅雨期降水做了集合预报试验。试验表明,集合预报与决定预报相比,可以有效地提高梅雨降水的预报准确度;在不同分辨率条件下集合预报相对于决定预报的提高程度是不同的,分辨率越低,集合预报的价值越大。尽管如此,集合预报还具有的内在缺陷是对小雨高估、大到暴雨低估。试验也揭示了,MM5模式本身对于降水有过分预报的倾向,粗网格模式配置对细网格内降水产生重大影响。     

神威中期集合数值预报产品的业务应用

目前神威中期集合数值预报产品包括 500 hPa 集合平均预报图、850 hPa 温度距平概率分布图、不同降水级别的降水概率分布图。 其中 500 hPa 集合平均预报场对欧亚大型环流形势演变趋势、春季风沙天气、降水天气过程以及夏季副热带高压变化趋势等的预报中得到应用, 850 hPa 温度距平概率分布图对未来气温变化趋势以及冷空气过程的预报有很好的使用价值, 而降水概率分布图可供预报员在做降水预报时参考。     

集合预报系统及其产品应用综述

本文简要介绍了数值天气预报的一个重要分支——集合预报系统的研究背景，开发研究思路，集合预报产品输出的形式，集合预报输出的处理和统计解释，以及国外应用集合预报的情况。作为一项新的预报技术，集合预报将越来越受到重视。     

区域气候模拟研究中的物理集合技术

文中介绍了基于MM 5有限区域模式的物理集合构造方法 ,通过对模式中的 5种物理过程加以扰动、组合而得到一个有 19个成员的物理集合系统 ,并用其对 1998年夏季发生在中国东部地区的异常洪涝天气气候特征进行了模拟研究。以集合预报的 3种基本释用方法 ,对集合模拟产生的大量输出结果作了细致的分析 ,发现在区域气候模拟中 ,引入物理集合是可行的 ;它为区域气候数值研究提供了更多的手段和信息 ;集合系统存在的不足之处在于 :集合成员间离散程度不足、集合模拟范围较狭窄 ,这使得离差对误差的实际预报能力低于潜在预报能力 ,也使集合概率预报的精度降低。     

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化系统Ⅱ：区域分析及集合预报

GRAPES集合卡尔曼滤波资料同化方法能够分批同化常规观测资料,GRAPES集合卡尔曼滤波同化系统的设计及其与GRAPES三维变分同化系统的对比试验结果表明,GRAPES集合卡尔曼滤波系统能够得到合理的分析,并且具有实际运行能力。在此基础上,进行集合卡尔曼滤波区域同化分析及集合预报试验,对比区域模式面三维变分同化分析预报结果,研究表明,集合卡尔曼滤波分析比三维变分分析具有一定优势,降水预报更接近实况。考察了预报误差特征随天气形势的变化情况,表明预报误差相关场和均方差的分布随着天气形式不同而变化。     

随机强迫对集合预报效果的影响研究

以Lorenz96模式为动力框架,建立了考虑模式随机强迫不确定性的集合预报系统,并选择模式气候态和集合平均预报效果为研究对象,研究随机强迫对集合预报效果的影响.结果表明,在数值模式积分过程中引入恰当的随机强迫构成的新计算范式,较非随机强迫更接近真值的气候平均与气候标准差,对刻画数值模式的气候态也有正效果;且随机强迫的正效果主要体现在长时效阶段.集合平均预报方面,绝大部分白噪声随机强迫对应的集合预报效果优于非随机强迫集合预报,集合预报效果也随白噪声强迫增大非单调变化,并且非线性系统不同,相同比率的白噪声随机强迫产生的效果也不同.同时,绝大部分红噪声随机强迫对应的集合预报效果也优于非随机强迫集合预报,但仅部分φ(表示所引入外强迫的随机性部分和确定性部分相互耦合的一个度量)值对应的红噪声强迫集合预报优于白噪声随机强迫集合预报;而且红噪声随机强迫集合预报改善效果随系数的正负分布非对称且非单调变化.此外,相关系数φ的选择也依赖于模型.     

集合预报最优ETKF初始扰动方法设计及其在暴雨中的应用

为改进集合转换卡尔曼滤波方法(Ensemble Transform Kalman Filter,ETKF)在初始扰动中离散度偏小的问题,考虑引入物理不确定性。使用初始时刻离散度检验两种ETKF初始扰动方案改进的程度,通过动力和水汽条件分析探求改进机制。利用WRF模式构建更新预报系统,选取2014年5月一次暴雨个例进行集合降水预报试验,通过ETKF方法设计两种不同的初始扰动方案。结果表明:在分析循环中引入多物理扰动的初始扰动方案(multi)相比单一物理过程的初始扰动方案(mono)在初始时刻离散度和模拟动力水汽条件以及降水评分上均有较大改进。初始扰动中multi的离散度相比mono整体更优,显然添加了多物理扰动方案的试验对结果有改进作用;在对两种方案的机理分析中,multi对于降水位置的明显改善主要取决于散度及水汽通量散度模拟能力的提高;在离散度分析中,multi方案在强对流区域的改进效果比在整个区域中的更好,而对各变量的离散度和均方根误差之比相当,说明集合预报系统的合理性;对各量级预报结果评分显示,multi方案均呈现较好表现能力。     

上海区域数值预报模式集合预报系统的建立与试验

以目前运行的上海区域业务数值预报模式为基础,从预报模式的不确定性出发构造8个预报成员,建立了上海区域数值预报模式集合预报系统的初步模型,并对2004年夏季进行了逐日48 h预报试验。结果表明:集合平均对华东地区城市降水、温度、海平面气压等气象要素的总体预报能力与分辨率高3倍的业务模式相当,其中对雨量较大降水、最低温度、海平面气压(0~24 h)的预报效果好于业务模式;集合预报还能提供客观化、定量化的降水概率预报,对降水的发生、尤其是特大降水的发生有着很好的提示作用。     

短期集合预报技术在梅雨降水预报中的试验研究

数值预报的误差来源于初始场和模式的误差,集合预报技术是减小这些误差的有效方法。该文以MM5模式作为试验模式框架,模式的积云参数化方案分别取Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller方案,边界层参数化方案分别取MRF和Eta方案,通过组合4种积云参数化方案和两种边界层参数化方案产生8个集合成员,对1999年华东地区梅雨期间3个降水个例进行48 h集合预报试验。结果显示不同集合成员的预报结果各不相同,积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大;不同集合成员预报降水的偏差也各不相同,大多存在湿偏差,量级小的降水的湿偏差程度比量级大的降水的湿偏差程度小;对于不同个例,各成员中预报效果相对较好的成员是不同的,集合平均后可以得到一个比较稳定的预报结果;从集合预报结果中还能得到客观化和定量化的降水概率预报,它能对可能发生的天气现象发出信号。     

国家气象中心集合数值预报检验评价

对国家气象中心的奇异向量法初值扰动的 32 个成员的集合预报, 利用 2000 年 5 月到 10 月的实况资料进行了 T alagrand 概率分布、离散度、Brier 评分(BS)、Brier 技巧评分(BSS)、 命中率以及空报率的统计检验。 并且对奇异向量法和时间滞后法的两种集合预报结果也进行了比较分析。