基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验

为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化（4DVar）系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程（长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等）。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法（GCR）求解扰动亥姆霍兹（Helmholtz）伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。      

风廓线雷达资料质量控制及其同化应用

为更好地同化风廓线雷达观测资料开展了相应的质量控制与同化应用研究。针对2013年5月广东地区13部风廓线雷达的观测数据,采用经验正交函数(EOF) 分析方法对其进行质量控制。相比原始观测,经过质量控制的风场提高(降低)了来自时空大(小)尺度的贡献,较好地滤除了小尺度高频脉动,也较好地保留了大尺度平均状态与局地中小尺度系统的共同影响,并且更加接近ECMWF再分析场。此外,还对质量控制后的数据进行了垂直稀疏化。分别计算了质量控制前、后风廓线雷达观测与NCEP 6 h预报场的差值,对比差值的特征发现,经过质量控制的数据的观测增量更好地满足了高斯分布与无偏假设。针对一个实际天气个例,基于GRAPES 3D-Var同化系统,分析了质量控制后的风廓线雷达资料对模式分析与预报的影响。试验表明,在循环同化过程中加入风廓线雷达资料可以更好地描述模式初始场低层风场的特征,从而对强降水的位置与强度做出更好的预报。针对2013年5月的批量试验表明,同化风廓线雷达资料使短期降水预报有明显的改善。     

1998年中国区域降水低频变化的传播机制的初步分析

使用美国NCEP/NCAR再分析和中国实际降水的逐日资料,研究了1998年夏季中国区域低频降水传播变化的机制.结果显示,(1)中国中东部地区低频降水经向传播都与南海季风和印度季风的变化相对应,低频降水在经向传播中存在不连续现象,是由于低频下沉气流造成的;(2)中国中部区域低频降水纬向传播特征是在不同时间低频降水的纬向传播方向有明显差别,初步认为造成这种现象的可能机制是纬向风气流的变化;(3)高原地区与平原地区之间的低频雨带活动具有不连续性,这是由于在高原东坡存在低频下沉补偿气流造成的.     

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。     

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。      

采用预报涡旋的初始化方案对2015年台风“莲花”、“灿鸿”的试验研究

提出了一种采用预报涡旋的初始化方案,用预报涡旋代替bogus模型参与构建模式初始场,采用权重形式合成预报涡旋和分析涡旋获取台风初始涡旋。针对2015年“莲花”和“灿鸿”台风,基于该初始化方案设计了一系列对比试验进行数值模拟,并对结果进行分析。结果表明:(1)该方案得到的台风初始涡旋结构比bogus模型合理;(2)预报涡旋权重不宜取太大;(3)从长时效预报效果看,采用24 h内预报涡旋比采用长时效预报涡旋台风的路径和强度误差减小;(4)采用同一权重方案对“莲花”、“灿鸿”预报的改进效果不同,其原因与预报涡旋和分析涡旋的协调程度有关。多台风情形下可在初步评估的基础上采用不同时效的预报涡旋和不同权重方案。      

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。     

雷达反演潜热在华南区域数值模式汛期短时临近降水预报的应用试验

为了评估潜热对短临降水预报的影响,基于雷达反演潜热的基础上,以2014年3月30日的强降水个例和2013年5月的31天为样本,进行了初值有无引入潜热释放引起位温增量的批量试验。(1)强降水个例模拟试验发现,初值引进潜热后预报的12 h累积降水中心与实况一致,预报的前4 h雷达反射率从范围、强度上更接近观测的反射率,逐小时TS比无潜热试验要高。(2)诊断分析表明模式初值引进潜热后,调整降水区域上空大气的温度结构,订正或加强次级环流,触发对流不稳定能量释放,利于成云致雨。(3)批量对比试验反映初值潜热对前12 h逐时降水预报一直保持正影响。      

三维变分同化雷达资料暴雨个例试验

采用中国新一代数值预报模式及其同化系统开展雷达资料的三维变分同化和数值模拟研究.通过一次暴雨个例的对比试验,结果表明:不考虑垂直运动影响的情况下,仅同化多普勒雷达径向风资料可以增加初始场中的中小尺度系统信息,并在一定程度上改善预报开始阶段的降水;同化由反射率因子导出的垂直速度、雨水混合比并令上升区饱和,可以较大改善降水预报结果;联合同化径向速度和反射率因子资料将得到它们的共同影响.模拟的β中尺度对流系统6 h的演变过程与观测十分一致,基本消除了旋转加强现象.发展旺盛阶段的对流单体南北方向范围约50 km,最大上升速度位于500 hPa附近,超过3.0 m/s;雨水最大含量在400 hPa附近,超过5.0 g/kg;云水最大值位于600 hPa,约0.5 g/kg;造成的降水强度可达30 mm/h,具有明显的β中尺度系统的特征.初始场中水汽是否达到β中尺度降水维持所需条件是至关重要的,如果初始场中水汽条件较差,即使含有云水、雨水、垂直速度的信息,这些信息也会很快消亡,难以维持下去;此外,雷达资料的质量控制也是十分重要的.     

FY-2C云迹风资料在中尺度数值模式中的应用研究

利用探空观测资料对FY-2C云迹风资料进行统计检验和误差分析,并针对其误差特征进行偏差订正和热成风原理两种方法的质量控制.然后通过GRAPES-3Dvar同化到GRAPES-Meso模式中,对2005年7月1日00时至7月2日00时发生在中国西北部的一次暴雨过程进行了数值对比试验.结果表明:云迹风数量在垂直方向上主要集中分布于500 hPa以上的对流层中高层,在250 hPa附近数量分布概率最大;高度在500 hPa以下云迹风存在明显的风向误差和很大的风速误差,而且误差分布发散,可用性较差.500 hPa以上层次的云迹风误差较小,且误差分布呈高斯分布具有一定的系统特性,可用性较好;通过质量控制后,可以把风向错误或风速偏差太大的云迹风予以剔除,进一步提高云迹风的精度;同化云迹风资料后,在暴雨区附近初始风场低层的西南气流明显加强,有利于暴雨区水汽输送和水汽辐合,最终能很好地改善24 h暴雨预报的强度和落区.