资料同化中背景场位势高度误差统计分析的研究

在客观分析中,背景误差协方差对观测信息的传播和平滑、反映不同变量之间的关系有着非常重要的作用.构造合理的背景误差协方差矩阵对于同化系统至关重要,甚至会决定同化分析的好坏.作者主要利用观测余差方法,用T213预报资料和无线电探空观测资料统计我国区域的背景位势高度误差协方差样本,分析背景误差协方差场的结构特征和拟合误差场的空间分布.     

全球资料同化中误差协方差三维结构的准确估计与应用Ⅰ:观测空间协方差的准确估计

观测误差与背景误差协方差在四维资料同化和业务资料分析系统中起到决定性作用,它决定着观测信息与背景初猜值信息的相对重要性以及这些信息在空间及不同变量间的扩展方式。由于实际大气的真值并不知道,需要发展不同的技巧来估计观测误差与背景误差协方差,其中在观测空间利用观测与背景初猜值之差来分离观测误差与背景误差协方差的方法估计出的结果较为准确,其估计出的观测误差可直接用于资料分析系统中,背景误差可作为标尺来度量其他方法估计结果的可靠性。文章采用国家气象中心T213L31全球中期分析预报系统的6 h预报作为背景初猜场及同时段冬夏两个季节的北半球探空,利用贝塞尔函数拟合方法来分离观测误差与背景误差协方差,并比较了东亚区、北美区、欧洲区3个探空资料均匀密集区的区域与季节变化结果。结果表明,观测空间拟合方法所要求的水平均质、各向同性在欧洲区和北美区成立程度较好,在东亚区略差,使用时需要斟酌。此外均方差区域间差别较大,在冬季明显大于夏季,温度场偏大0.2 K,风场偏大0.9 m/s。温度场在400 hPa以下与150 hPa以上,背景误差略小于观测误差,而在200—300 hPa,背景误差略大一些。风场的特点与温度场比较一致。温度与风场背景误差主要集中在前40波,并在20波左右达到最大,水平相关季节区域差别不大,而温度垂直相关比风场窄,两者相关范围比较大的波数主要集中在前20波。此外利用贝塞尔函数拟合方法获得结果的分析表明,在质量场中不同区域季节间温度误差的稳定性要明显好于高度场,涡度散度的稳定性要明显好于流函数和势函数,特别是对于特征长度更为明显。这表明利用贝塞尔函数拟合方法获得的结果对校准在全球资料同化中采用温度、涡度散度作为资料同化的分析变量具有一定的优势。     

背景误差协方差变量平衡特征及其对台风同化和预报的影响

构造合理的背景场误差协方差是做好资料同化的关键。分析了背景误差协方差中变量相关关系在台风季节和非台风季节隐含的不同动力平衡特征,并讨论其对台风同化和预报的影响。分析发现,与非台风季节相比,在台风季节温度与非平衡速度势具有更强的动力相关性,拟相对湿度与其他控制变量的相关性也更显著。这些动力相关性在背景场误差中协方差的引入,将在同化分析过程中使得观测信息可以合理地对同化分析场产生影响。台风循环同化和预报的结果验证了对变量平衡特征的分析:背景误差协方差中新平衡关系的建立,对同化和预报有较大的正面影响,尤其是相对湿度和其他控制变量相关的建立,明显改善了台风路径、强度和降水的预报效果。      

基于云依赖背景场误差协方差的雷达资料同化及对降雨预报影响研究

传统变分同化方法中使用各向同性和均质的背景场误差协方差,忽略了背景场误差协方差的天气系统依赖性,而在变分框架下引入集合流依赖的背景场误差协方差还需要额外的集合预报.为在变分同化中引入更合理的背景场误差协方差,通过引入云指数构建"云依赖"背景场误差协方差,提出了一种云依赖背景场误差协方差的同化方案,并应用于雷达等多源观测...     

纬度依赖背景场误差协方差及其对台风同化和预报的影响研究

合理的背景场误差协方差矩阵是做好变分同化的关键。为进一步认识背景场误差协方差矩阵在中尺度预报中的作用,对背景场误差协方差中平衡关系的纬度依赖特征及其对中尺度同化及预报效果的影响进行了研究。为使得平衡关系既包含纬度依赖特征,又降低纬度依赖带来的非平衡的噪音信息,在背景场误差协方差矩阵构造的平衡变换过程中引入了递归滤波的方法,对平衡变换中的回归系数进行了滤波平滑。同化单点观测的理想试验表明纬度依赖的背景场误差协方差具有更合理的动力关系,且滤波后的背景场误差协方差既保持了纬度依赖特征且明显平滑了噪音信息。台风“莫拉克”同化数值模拟试验表明纬度依赖的背景场误差协方差明显提高了36 h及以上的中心海平面最低气压和路径预报的预报效果。      

时间依赖的多尺度背景误差协方差研究II——应用

将基于GRAPES 3D-Var资料同化系统构造的具有时间依赖特征与多尺度特征的新型背景误差协方差应用于一个实际天气个例研究,确定出新型协方差中不同尺度标准差合适的缩放系数。该新型协方差在不同尺度的分析过程中产生了量值与尺度差异很大的分析增量,既很好地保留大尺度背景场信息,也使局地观测信息被很好保留并有效提取。不同尺度分析增量的共同作用最终导致分析场调整出更符合天气系统尺度特征的增量,从而更大程度地调整不同尺度天气系统的结构,并进一步改进相应的降水预报。另外,将观测资料按空间分布密度高低分别同化,能更有效提取不同分布密度观测资料中不同尺度的信息。为期一个月的批量试验表明,该协方差对应的前12 h降水预报效果改善明显,尤其是强降水预报。      

GRAPES全球三维变分同化中卫星微波温度计亮温的背景误差及在质量控制中的应用

模式变量背景误差在观测空间的投影,也即观测变量的背景误差包含了变分同化系统的重要信息,其在诊断和分析变分同化系统中资料的影响等方面具有重要作用,特别是在背景场检查质量控制中。在GRAPES全球三维变分同化(3DVar)系统中仅给定了控制变量的背景误差,并未直接给定观测变量的背景误差。为了能够对GRAPES全球3DVar进行全面的诊断和分析,改进卫星微波温度计资料的质量控制,推导出GRAPES全球3DVar同化系统控制变量随机扰动方法估计观测变量的背景误差的公式,为分析和改进GRAPES全球3DVar提供了一个有力工具,并进而估计了AMSU-A亮温的背景误差,分析了AMSU-A不同通道亮温的背景误差特征,将其应用于GRAPES全球3DVar的AMSU-A亮温的背景场检查质量控制中。结果表明,控制变量随机扰动方法估计的GRAPES全球3DVar同化系统AMSU-A亮温的背景误差正确合理。同化循环预报试验结果表明,亮温的背景误差在背景场检查中的应用显著提高了GRAPES全球3DVar同化的亮温资料的数量,显著提高了GRAPES南半球对流层中高层位势高度场的预报技巧。在GRAPES全球3DVar同化系统中推导和实现的控制变量扰动方法为诊断和分析GRAPES全球3DVar观测资料同化效果提供了有力工具。      

背景场误差样本模拟对同化及数值预报效果的影响北大核心CSCD

合理估计背景场误差协方差矩阵(B)是做好变分同化的关键环节。利用控制变量随机扰动法(RandomCV)、增长模繁殖法(BGM)及NMC法等3种背景场样本模拟方法,基于WRFDA系统计算B矩阵,对B矩阵的特征及其对同化预报效果的影响进行了研究。B矩阵的特征分析和单点观测试验表明,NMC法与RandomCV法得到的B矩阵误差方差较大,在同化中观测的权重更大;RandomCV法得到的B矩阵,背景场误差中变量的长度尺度更大,说明同化中观测的水平影响范围更大。连续循环同化和预报试验表明:应用RandomCV法计算得到的B矩阵分析与预报的效果明显优于系统自带的以及BGM法得到的B矩阵,且效果与NMC法相当与NMC方法相比,采用RandomCV方法产生背景场样本具有时间和人力成本相对低的优点。     

混合误差协方差用于集合平方根滤波同化的试验

在集合卡尔曼滤波方法中, 根据预报集合统计提供的依流型而变的预报误差协方差对同化起到决定性的作用。但在集合样本容量不足及模式存在系统误差时, 由预报集合估计的预报误差协方差会出现明显偏差。既要减小这种估计偏差对同化产生的影响而又不增加计算量, 一种可供选择的方法是将定常或准定常的高斯型预报误差协方差和由预报集合估计的预报误差协方差加权平均用于集合卡尔曼滤波同化。利用浅水方程模式, 通过观测系统模拟试验检验在不同的模式误差、 集合成员数以及观测密度条件下, 将这种混合预报误差协方差矩阵用于在集合平方根滤波的效果。试验结果表明, 当预报集合成员数较多而模式又无误差时, 不必采用混合的预报误差协方差矩阵, 否则, 采用混合的预报误差协方差矩阵都有可能改进分析和预报。混合预报误差协方差的最优的权重系数与模式误差关系密切, 模式误差越大, 定常预报误差协方差的权重越大。最优的权重系数与集合成员数及观测密度也有一定关系。     

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。     

L波段雷达探空高度评估及其质量标识

以美国NCEP FNL分析数据和我国GRAPES_GFS预报数据为背景场,对2016年7月1日-2017年6月30日北京探空站的L波段秒级探空位势高度（探空高度）从观测余差、平均偏差、标准偏差、概率密度分布、峰度系数、偏度系数、相关系数和均方根误差等参数进行误差分析。根据分析结果对探空高度进行质量标识,并根据质量标识的结果再次求解参数,评估质量标识效果。结果表明:探空高度质量较好,无论是基于NCEP FNL还是GRA-PES_GFS,探空高度的误差基本在±5 dagpm以内。探测高层的观测余差平均偏差和标准偏差表明基于GRAPES_GFS的评估优于NCEP FNL的评估。单一个例选取的可疑点和错误点阈值具有误差特征、自适应的特点。     

多型号地基微波辐射计亮温准确性比对

目前,国内外对于地基微波辐射计的探测能力多从温湿廓线等二级产品级进行考察,其误差包含反演算法和硬件系统两部分的贡献,不易区分。为直接考察硬件系统的观测性能,试验将评估对象前移,直接对一级亮温数据进行比对分析。利用2016年1月-2018年3月中国气象局大气探测试验基地4台地基微波辐射计和业务探空的同址观测数据,以探空数据输入MonoRTM辐射传输模型得到的正演亮温为参考,考察不同天气、不同季节微波辐射计的探测准确性。结果表明:国产与进口设备观测亮温的准确性相当。4台地基微波辐射计实测亮温与模拟亮温相关性较好,相关系数基本超过0.9,均达到0.001显著性水平。晴空条件下,实测亮温较模拟亮温均方根误差平均为2.08~3.75 K;德国辐射计亮温偏差最小,各通道平均偏差为1.08 K,均方根误差平均为2.08 K。亮温偏差在冬季最小,夏季达到最大。建议提高定标准确度并进行质量控制以确保亮温准确性,谨慎使用降水期间辐射计的观测数据。     

基于一维变分算法的红外高光谱(IASI)卫星遥感大气温湿廓线研究

大气温湿度廓线是大气重要参数,在数值天气预报及天气预警中具有重要的应用价值。为获得高精度的大气温度与水汽混合比廓线数据,研究了基于Metop-A/IASI红外高光谱资料的大气温度与水汽混合比廓线变分反演方法。利用IASI高光谱传感器温度和水汽探测通道资料,结合CRTM模式和WRF模式预报技术,使用一维变分方法,研究了卫星资料质量控制、背景误差协方差本地化、观测误差协方差计算等方法,构建了大气温度及水汽混合比廓线变分反演系统,并在北京、青岛、沈阳3个地区开展了反演试验。以探空为标准的反演结果对比显示,使用WRF模式预报值作为背景场,温度的平均误差绝对值小于0.6 K,均方根误差为0.89 K;水汽混合比的平均误差绝对值小于0.021 g/kg,均方根误差为0.02 g/kg。试验结果表明:基于一维变分方法,可以利用Metop-A/IASI红外高光谱资料进行大气温度与水汽混合比廓线高精度探测。     

加密探空资料在华南暴雨数值预报的应用试验

应用逐时同化预报系统CHAF进行加密探空资料同化试验,比较了同化加密探空资料与仅同化常规探空资料所得同化分析场和模式预报结果的差异.同化加密探空资料所得分析场水汽的均方根误差减小,水汽条件和大气环流形势与实况更接近.以加密同化探空资料所得分析场为模式初始场进行预报,雨区的分布和降水量级都较控制试验有改善.分析模式预报改...     

All-sky Data Assimilation of MWTS-2 and MWHS-2 in the Met Office Global NWP System.

Microwave radiances from passive polar-orbiting radiometers have been, until recently, assimilated in the Met Office global numerical weather prediction system after the scenes significantly affected by atmospheric scattering are discarded.Recent system upgrades have seen the introduction of a scattering-permitting observation operator and the development of a variable observation error using both liquid and ice water paths as proxies of scattering-induced bias. Applied to the Fengyun 3 Microwave Temperature Sounder 2(MWTS-2) and the Microwave Humidity Sounder 2(MWHS-2), this methodology increases the data usage by up to 8% at 183 GHz. It also allows for the investigation into the assimilation of MWHS-2 118 GHz channels, sensitive to temperature and lower tropospheric humidity, but whose large sensitivity to ice cloud have prevented their use thus far. While the impact on the forecast is mostly neutral with small but significant shortrange improvements, 0.3% in terms of root mean square error, for southern winds and low-level temperature, balanced by 0.2% degradations of short-range northern and tropical low-level temperature, benefits are observed in the background fit of independent instruments used in the system. The lower tropospheric temperature sounding Infrared Atmospheric Sounding Interferometer(IASI) channels see a reduction of the standard deviation in the background departure of up to 1.2%. The Advanced Microwave Sounding Unit A(AMSU-A) stratospheric sounding channels improve by up to 0.5% and the Microwave Humidity Sounder(MHS) humidity sounding channels improve by up to 0.4%.     

基于ERA Interim的L波段探空秒级风速算法检验

本文基于L波段探空雷达高垂直分辨率方位数据,通过在不同探空高度处选取不同尺度的时间窗口,设计了计算秒级风速的3种方案。通过比较3种计算方案得到的秒级风速与ERA-Interim再分析资料在平均偏差Bias和均方根误差RMSE等指标上的差异,给出了计算秒级风速的最优算法。结果表明:由于雷达的定位存在系统偏差,窗口选取过大或过小均会引入较大的秒级风速误差,选取适当尺度的时间窗口是准确计算秒级风速的必要条件。另外,基于ERA-Interim再分析资料具备良好的时空一致性,本文提出了1种检验L波段秒级风速算法优劣的新方案。     

TK 2GPS人影探空火箭与L波段探空数据差异性分析

开展TK-2GPS人影探空火箭探测数据的分析检验,对于了解试验仪器的适用性和数据可靠性及其在人影中的应用前景非常重要。利用TK-2GPS人影探空火箭和L波段探空资料,采用平均偏差、均方根误差和相关系数等分析方法,对两种探空的温度、相对湿度、风向及风速等要素的差异性和变化特征进行了对比分析,并对可能造成差异的原因进行了探讨。结果表明:探空火箭与L波段探空同要素间均呈显著的正相关,通过了0.05及以上显著性检验。温度、风速平均偏差和离散度较小,相关性最好;相对湿度的平均偏差虽大,但相关性较好;风向在各高度层的离散度较大。两种探空的温度、风速垂直廓线变化趋势一致性高;相对湿度垂直廓线变化趋势存在一定差异,前者相对湿度较后者明显偏小。随水平探测距离的增加,探空火箭探测数据相对L波段探空的偏差值有所增大。通过相关分析建立的相对湿度订正方程,能很好地对探空火箭的相对湿度进行订正。     

不同模式误差方案在集合Kalman滤波土壤湿度同化中的比较试验

本文主要目的是探讨不同模式误差方案在土壤湿度同化中的性能。基于集合Kalman滤波同化方法和AVIM (Atmosphere-Vegetation Interaction Model) 陆面模式, 利用理想试验对膨胀因子方案 (Covariance Inflation, 简称CI)、 直接随机扰动方案 (Direct Random Disturbance, 简称DRD)、 误差源扰动方案 (Source Random Disturbance, 简称SRD) 等3种模式误差方案的同化效果进行了比较, 讨论了各方案在不同观测误差、 观测层数、 观测间隔情况下的同化性能。试验结果表明在观测误差估计完全准确的情况下, 3种方案都能获得较好的同化效果, 并且SRD方案相对于真值的均方根误差最小。当观测误差估计不准确时, SRD方案的同化效果仍能基本得以保持, 而CI和DRD方案则对观测误差估计更为敏感, 同化效果下降明显。当同化多层观测时, CI和DRD方案由于难以保持不同层观测之间的匹配关系, 同化结果反而变差, 而SRD方案能有效协调同化多层观测, 增加观测层后同化结果有了进一步的改善。当观测时间间隔较大时, CI和DRD方案的同化效果显著下降; 而SRD方案由于包含了一定的误差订正功能, 在观测稀疏时仍能保持较好的同化效果。     

杭州L波段和59-701高空探测系统资料对比分析

为比较L波段高空探测系统和59-701高空探测系统的资料异同,采用平均差、均方差比较的方法分析了杭州站平行观测一个月资料的温压湿资料,比较其异同及产生原因,为更好利用高空探测资料、改进L波段高空探测系统提供参考。通过比较发现:L波段高空探测系统比59-701高空探测系统所测的温度、高度资料更稳定、离散率更小,对提高预报准确率有利。两套系统的温度差值在70 hPa层出现明显拐点,其原因有待进一步研究。