不同观测误差确定方法对地基GNSS-ZTD资料同化预报效果影响的对比分析

利用2016年6—8月华北—东北地区的地基全球卫星导航系统的天顶总延迟（GNSS-ZTD）观测资料、东北区域中尺度数值预报系统,以2016年6—8月的13 d强降水为例,开展基于Desroziers等（2005）理论的Des方法和传统方法进行观测误差确定的天顶总延迟资料同化对比试验研究,探讨Des方法相对于传统观测误差确定方法对天顶总延迟资料同化预报效果的影响,并以未做天顶总延迟资料同化的试验为对照试验,考察天顶总延迟资料在数值模式中的同化应用效果。结果表明:（1）Des方法得到的天顶总延迟观测误差诊断值较为合理,诊断值站点间差别较大,说明逐站进行观测误差诊断的必要性;（2）天顶总延迟资料同化使强降水的强度、落区预报性能得到提高,使温、湿、风等要素的预报与观测接近,Des方案同化分析、预报效果优于传统方案;（3）对2016年7月25日华北—东北强降水过程进行了同化预报分析,整体而言,天顶总延迟资料同化有效增强了对流层中低层初始湿度场,修正了积分初期水凝物含量与位置,进而改善了降水预报效果,修正了对照试验对辽宁东部地区强降水的明显漏报,且通过降水的反馈作用改进了温度与风场预报效果。基于Des方法逐站诊断观测误差相比传统方法得到的观测误差更为合理,因此能够提高天顶总延迟资料的同化预报效果,同化天顶总延迟资料能够提高降水及温、湿、风等气象要素的预报水平。      

不同观测资料在西南地区数值预报中的应用

利用3.4版WRF同化与预报系统开展自动站、探空、GPS大气可降水量和云迹风资料的同化对比试验,了解现有业务中已同化观测资料在新版系统中的应用效果,确定资料同化优选方案,为西南区域中心数值预报业务改进提供参考。试验表明:(1)自动站资料测站多、分布不均,对初猜场低层要素调整作用大,会减小温度、相对湿度误差;探空资料站点少、垂直信息丰富,对初猜场各层误差减小均有贡献;云迹风资料垂直分布不均,集中在对流层中高层,因此对初猜场的最大调整集中在中高层,会减小位势高度误差;GPS测站少,被剔除的比例高,对初猜场调整作用很小;(2)单独同化试验发现探空、云迹风资料有助于该地区降水预报改进,而自动站和GPS资料对降水预报有负作用;(3)同时同化探空、云迹风资料有利于西南地区降水预报准确率提高,尤其对大降水中心预报。     

风廓线雷达资料在GRAPES-Meso模式中的同化应用研究

以未来业务化应用为目标,本文进行了业务数值预报模式GRAPES_Meso（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中的风廓线雷达资料同化应用研究。基于2015年7月的全国风廓线雷达观测数据,首先建立了面向同化应用的风廓线雷达资料两步质量控制方案。通过对比分析质量控制前后风廓线雷达观测资料集与欧洲中心再分析资料ERA-Interim的差值场特征,论证了质量控制方案的合理性,两步质控后风场误差显著减小,同时观测背景差更接近高斯分布,符合数值同化应用假设。将质量控制后的风廓线雷达资料应用于GRAPES-3DVAR系统,开展有、无风廓线雷达资料同化的对比试验,通过批量试验和台风“莲花”个例分析来探讨风廓线雷达资料同化对数值预报的影响。研究表明:在循环同化过程中加入风廓线雷达资料对数值模式初始场有一定改善,风场、温度场、湿度场的分析误差均有减小,从而使短期降水（0～12 h）的预报技巧得以提高。针对台风暴雨个例分析结果表明,风廓线雷达资料同化能有效地调整台风降水区的动力结构和水汽分布,在模式中形成更有利于对流发展的环境条件,从而更好地预报降水的位置与强度。     

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。     

bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估

利用区域地基GPS网反演的高时空密度的大气垂直方向水汽总量，也称为可降水量（PWV），可大大弥补常规探空探测水汽资料的不足。为了全面评估区域GPS网PWV资料同化对业务数值天气预报改进程度的目的，在个例研究分析的基础上，进行了连续38天的GPS/PWV资料三维同化（3D-Var）改进数值业务预报的试验。研究方法是根据长江三角洲地区GPS气象网在2002年梅雨和盛夏季节观测的刖资料，通过三维变分同化建立中尺度数值预报模式MM5的初始场，逐日作出长江三角洲地区24小时的降水量预报。以6小时累积雨量为对象，与未同化GPS／刖资料的MM5的相应预报比较，通过多种评分方法，评估了GPS／PWV资料改进MM5降水预报的效果。结果表明GPS／PWV资料同化后的MM5降水预报能力在大部分时间和大部分地区都有所提高，主要是伪击率有较明显的下降，对小范围降水预报的改进更为明显。预报明显改进的区域恰好位于GPS站填补常规探空站间距较大的地区。     

同化青藏高原地区GPSPW数据对长江中下游地区降水预报的影响评估

长江中下游地区位于东亚季风区,其夏季降水的水汽部分来源于孟加拉湾的水汽输送。本文利用青藏高原地区全球定位系统(GPS)站点观测到的大气可降水量(PW)资料,采用WRF模式(Weather Research and Forcasting Model)的同化模块(WRFDA),将这支水汽输送带的信息同化进数值模式,并用WRF模式对长江中下游地区的7月份降水预报进行批量试验和个例分析。批量试验和个例分析采用3种方案:无资料同化的控制试验(NoDA),冷启动同化试验(Cold)和循环同化试验(Cycling)。此外,还针对Cycling方案进行延长预报时长的补充试验以探究同化带来正效果最明显的时段。同时为了探究同化正效果的来源,针对Cycling方案进行只同化被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验(Cycling_less_a)以及只同化不被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验(Cycling_less_b)。试验结果表明:同化青藏高原地区的GPS数据能在一定程度上改善长江中下游地区的降水预报,对于48~72小时的降水预报改善效果尤为明显,且Cycling方案在整体上优于Cold方案。对于Cycling方案,在120小时预报时长内,同化正效果最明显时段为48~72小时。当水汽输送带较多地经过同化区域时,降水的TS评分能得到明显改善,而当水汽输送带较少地经过同化区域时,降水的TS评分改善效果不明显。如果只同化被水汽输送带覆盖到的GPS站点的GPSPW数据,仍然可以保留住大部分的同化正效果,因此,针对性地同化GPSPW数据是可行的。     

同化青藏高原地区GPSPW数据对长江中下游地区降水预报的影响评估

长江中下游地区位于东亚季风区,其夏季降水的水汽部分来源于孟加拉湾的水汽输送。本文利用青藏高原地区全球定位系统（GPS）站点观测到的大气可降水量（PW）资料,采用WRF模式（Weather Research and Forcasting Model）的同化模块（WRFDA）,将这支水汽输送带的信息同化进数值模式,并用WRF模式对长江中下游地区的7月份降水预报进行批量试验和个例分析。批量试验和个例分析采用3种方案：无资料同化的控制试验（NoDA）,冷启动同化试验（Cold）和循环同化试验（Cycling）。此外,还针对Cycling方案进行延长预报时长的补充试验以探究同化带来正效果最明显的时段。同时为了探究同化正效果的来源,针对Cycling方案进行只同化被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_a）以及只同化不被主要水汽输送带覆盖的GPS站点的补充试验（Cycling_less_b）。试验结果表明：同化青藏高原地区的GPS数据能在一定程度上改善长江中下游地区的降水预报,对于48～72小时的降水预报改善效果尤为明显,且Cycling方案在整体上优于Cold方案。对于Cycling方案,在120小时预报时长内,同化正效果最明显时段为48～72小时。当水汽输送带较多地经过同化区域时,降水的TS评分能得到明显改善,而当水汽输送带较少地经过同化区域时,降水的TS评分改善效果不明显。如果只同化被水汽输送带覆盖到的GPS站点的GPSPW数据,仍然可以保留住大部分的同化正效果,因此,针对性地同化GPSPW数据是可行的。     

一次降水天气过程的GPS掩星资料在GSI同化系统中的应用

为了探索全球定位卫星观测系统无线电掩星技术(Global Positioning System/Radio Occulta-tion,简称GPSRO)在业务数值预报模式中的应用效果,以美国NCEP(National Centers for Environ-mental Prediction)业务同化系统为平台,对有/无COSMIC(Constellation Observing System for Meteor-ology,Ionosphere and Climate)GPS无线电掩星观测资料进行了一次降水过程的详细的同化对比试验。试验中GPSRO观测算子主要采用了相对简单但计算省时的局地(Local)同化技术。该个例试验表明:COSMICGPS掩星观测对分析影响较大的地区是常规观测资料较稀缺地区(如洋面),因此在这些地区GPSRO资料可以被看作是对常规观测很好的补充。同时还注意到COSMIC GPS RO资料在对流层下层对湿度场分析和预报的影响显著,在对流层中上层对风场分析也产生正面影响。这证实GPS RO资料在业务数值天气预报中应用的有效性,为我国数值预报未来开展业务GPS掩星观测资料同化提供了有益的科学参考依据。     

地面GPS探测大气可降水量的初步结果

地面全球定位系统（GPS）探测大气可降水量时空分布的可行性和可靠性研究，对地面GPS用于提高预报降水和恶劣天气的准确性和气候变化的研究具有重要作用。收集了覆盖于全国的23个站和我国周边的6个国际GPS服务（IGS）基准站为期6 d的GPS观测资料，组成了一个GPS气象学的区域性地面实验网，进行了我国首次GPS气象学试验。归算用的软件是在美国麻省理工学院GPS分析软件GAMIT基础上发展起来的上海天文台GPS精密定轨定位软件SHAGAP。为了提高对流层天顶延迟的监测精度和分辨率，我们采用了分段的参数估计和随机过程相结合的估算方法来处理对流层延迟，由此获得了分辨率分别为2 h和30 min，精度好于1 cm的天顶延迟量。通过天顶干延迟和天顶湿延迟的分离和天顶湿延迟到可降水量的转换，得到了精度为1～2 mm的可降水量的计算结果。将这些结果与实测探空仪资料计算的结果相比较，两者基本符合。试验的结果初步验证了地面GPS观测为气象服务的可行性和可靠性。同时指出了今后地面GPS在气象上应用的现实性。     

广东省GPS/PWV资料的质量控制及其对前汛期降水预报影响的初步研究

对2009年8月—2012年8月广东省地基GPS反演的可降水量(GPS/PWV)资料进行分析,建立了该资料的质量控制方案。该方案能合理剔除取值不合理的"离群"资料及与背景场偏差较大的资料。选取2010年5月6—7日及2012年4月27—28日两次前汛期降水过程进行数值试验,经过质量控制,只允许与背景场偏差较小的GPS/PWV资料进入GRAPES三维变分同化系统。并对初始湿度场进行合理调整,使数值预报模式的24 h累积降水量的量级和落区的预报得到明显改进,从而提高数值预报模式的降水预报能力。     

Doppler Radar Data Assimilation with a Local SVD-En3DVar Method

An observation localization scheme is introduced into an ensemble-based three-dimensional variational (3DVar) assimilation method based on the singular value decomposition technique (SVD-En3DVar) to improve assimilation skill. A point-by-point analysis technique is adopted in which the weight of each observation decreases with increasing distance between the analysis point and the observation point. A set of numerical experiments, in which simulated Doppler radar data are assimilated into the Weather Research and Forecasting (WRF) model, is designed to test the scheme. The results are compared with those obtained using the original global and local patch schemes in SVD-En3DVar, neither of which includes this type of observation localization. The observation localization scheme not only eliminates spurious analysis increments in areas of missing data, but also avoids the discontinuous analysis fields that arise from the local patch scheme. The new scheme provides better analysis fields and a more reasonable short-range rainfall forecast than the original schemes. Additional forecast experiments that assimilate real data from 10 radars indicate that the short-term precipitation forecast skill can be improved by assimilating radar data and the observation localization scheme provides a better forecast than the other two schemes.     

WRF-DA中地面观测资料同化方案的改进与应用

为了改善地面自动气象站观测数据在WRF-DA（the Weather Research and Forecasting Model-Data Assimilation）系统中的同化应用效果,提高数值模式的预报性能,对WRF-DA地面资料同化方案中温度和风速订正方案进行改进,形成地面资料同化更新方案。通过考虑地形高度差异对同化效果的影响,调整同化方案中地面要素由实际地形高度订正到模式高度的同化订正方案,提升地面观测温度及风速订正值的合理性。并进一步分析了2017年7月5日个例试验结果及2017年7月整月的批量试验,发现相比于使用原方案同化后的预报效果,选取更新方案同化地面自动气象站观测资料的模式预报效果在前9 h温度和风速的预报误差明显降低,且在24 h预报时效内更新方案对于模式预报均起到改善作用。      

可降水量同化对初始湿度场调整的应用研究

设计了一个三维变分同化方案,利用非静力中尺度模式MM5和由实况观测反演得到的可降水量资料,运用该变分同化方法改善初始湿度场,并对2003年7月9～10日的暴雨过程进行数值模拟对比试验.结果表明,①可降水量资料的变分同化对初始湿度场具有较强的调整能力;②同化可降水量后,可以明显地改善模式初始湿度场,能够有效地提高降水模拟的准确率.     

雷达VAD风廓线资料质量控制研究

多普勒天气雷达VAD（Velocity Azimuth Display）风廓线资料可以提供高时间分辨率的高空风场信息。本文针对中国雷达VAD风廓线资料，设计发展了面向资料同化应用的NMIC（国家气象信息中心）质量控制方案，该方案改进了NCEP（国家环境预报中心）方案中存在的问题。利用2020年2—8月的L波段秒级探空风场资料，分别对比质量控制前、经过NCEP质量控制方案、以及经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料，统计分析结果表明经过NMIC质量控制方案的VAD风廓线资料最接近观测，准确度最高，并且在各个高度上其偏差和均方根误差最小，充分说明了NMIC质量控制方案的有效性。相对背景场偏差分析表明，经过NMIC质量控制方案的VAD资料偏差和均方根误差最小，与背景场的偏差更接近高斯分布，更能满足资料同化的要求。本文的研究有助于推进VAD风廓线资料在数值预报科研和业务中的应用。     

GPS ZTD资料同化对台风“利奇马”模拟的影响研究

2019年超级台风“利奇马”对我国东部地区造成了巨大灾害,针对台风“利奇马”,研究GPS ZTD资料同化对于台风“利奇马”登陆后降水预报的影响。在进行GPS ZTD资料同化试验前,采取了稳定性检查、极值检查、双权重检查、偏差订正检查等质量控制方法以改善资料的同化应用水平。模拟试验结果表明在同化探空、风廓线等常规资料基础上,增加质控GPS ZTD有效改善了初始场的水汽条件,使得低层水汽辐合更强,从而改进了台风外围雨带的预报。并且通过循环同化能够改善初始环流场,进而改进了台风路径的预报使得台风主体降水的位置得到改善。     

卫星资料循环同化应用对区域数值预报效果影响分析

为提高卫星资料在同化系统中的利用率及验证卫星微波资料对区域数值预报效果的影响,本文以2008年8月1-31日为研究时段,利用WRF模式及其WRF-3DVAR同化模块,设计并构建了卫星微波资料的快速循环同化方案,分析循环同化方案对数值预报的改进效果.结果表明,相比于单时次同化,循环同化方案使各预报要素的相关系数在一定程度上得到改善,均方差也呈现减小的趋势.此外,对研究时段内暴雨和台风个例的具体分析显示,循环同化方案能够有效改善降水和台风路径的预报.     

Vaisala RS92/90 探测仪的湿度观测偏差订正初步试验

探空观测资料无论在天气预报还是数值预报中都是最基本和最重要的一类资料源。Vaisala RS92/90探测仪资料又在这类观测中占比很大,其湿度观测资料质量的好坏直接影响同化分析和降水预报,故需要对该资料进行质量评估与偏差订正。通过与NCEP和EC再分析的湿度场比较,发现Vaisala RS92/90探测仪的湿度观测偏差,借鉴Yoneyama et al(2008)对该仪器湿度观测的偏差订正方案,从几种订正方案中优选出对分析改进最为显著、考虑太阳辐射等因素影响的订正方案,并将该方案应用到GRAPES-GFS准业务试验中。试验结果表明:Vaisala RS92/90探空湿度观测偏差订正后,同化分析与预报有中性偏正效果。连续试验中订正后预报距平相关在东亚与热带有改进,预报评分显示热带、北半球评分略有提高。该订正方案在实际业务中有其应用价值。     

台风数值预报中受云影响微波卫星资料的同化试验

目前, 数值预报中卫星资料的应用主要只是针对晴空条件, 大量受云和降水影响的卫星资料被丢弃不加以使用。但是, 云雨区观测往往包含有大量与天气系统发生发展密切相关的大气信息, 对这部分资料的同化应用由此成为当前研究的一个重要问题。在快速辐射传输模式中云雨粒子辐射效应的考虑还有待于进一步完善情况下, 云雨区卫星资料的应用通常是采用云检测方案对观测受云影响的严重程度进行判识并决定使用的取舍。以0604号热带气旋Bilis作为研究个例, 该文设计了一组受云影响微波卫星资料不同云检测方案和通道选择的应用试验。对AMSU-A资料, 云检测方案包括散射因子、降水概率和小雨检测3种, AMSU-B卫星资料的云检测方法选用了通道2亮温模拟观测误差和Bennartz散射因子。在对进入分析系统卫星资料与天气系统的配置关系、卫星模拟与实际观测偏差特征的统计以及对初始分析影响研究的基础上, 探讨了它们对台风不同阶段数值预报效果的影响。     

基于NLS-4DVar方法的雷达资料同化及其在暴雨预报中的应用

在基于本征正交分解POD（Proper Orthogonal Decomposition）的集合四维变分同化方法（POD4DEnVar）建立的雷达资料同化系统（PRAS）的基础上,本文利用非线性最小二乘法的集合四维变分同化方法（NLS-4DVar）对PRAS进行改进,解决PRAS在高度非线性情况下的适应性问题,建立了新的雷达资料同化系统（NRAS）。通过观测系统模拟试验OSSEs（Observing System Simulation Experiments）和两次实际暴雨同化试验（2010年7月8日,中国中部地区;2014年3月30日,中国华南地区）对NRAS进行检验,并与PRAS的同化结果进行了对比。结果表明:无论是OSSEs还是实际雷达资料的同化,相对于PRAS,NRAS能够进一步提高同化效果。通过增加迭代的次数,NRAS能够有效地调整初始场的风场和水汽场,进一步提高了降水强度和位置的预报精度。但随着迭代次数的增加,对初始场的调整变小,进而对降水预报效果的改进也减小。试验结果表明NRAS能够有效解决PRAS在高度非线性情况下的应用问题,通过有限次数的迭代,即可得到近似收敛的结果。因而NRAS有望在数值预报中更有效地同化雷达资料,提高中小尺度天气的预报水平。