NUMERICAL EXPERIMENTS ON MULTI-LEVEL STATISTICAL ESTIMATION OF DYNAMIC BALANCE CONSTRAINTS IN GRAPES-3DVAR

This paper further explores the estimating and expressing of dynamic balance constraints using statistical methods in GRAPES-3DVAR (Version GM). Unlike the single-level scheme which only considers the coupling between mass and wind at one level, the multi-level scheme considers the coupling between their vertical profiles and calculates the balanced mass field at each layer using the rotational wind at all model levels. A reformed ridge regression method is used in the new scheme to avoid the multicollinearity problem and reduce the noises caused by unbalanced mesoscale disturbances. The results of numerical experiments show that the new scheme can get more reasonable vertical mass field, reduce the magnitude of the adjustment by the initialization, and improve the potential temperature analysis performance. Furthermore, the results of forecast verification in January (winter) and July (summer) both confirm that the new scheme can significantly improve the temperature forecast accuracy and bring slight positive effects to the pressure and wind forecast.     

地面报中高山站资料的应用分析

无线电探空仪观测和地面观测资料作为天气分析和数值预报最常用、最重要的两种资料数据源,两者时空分辨率有着明显的差异。如何利用地面观测资料的高时空分辨率特点来补充探空观测资料在一些地区的欠缺和不足,特别是地面高山站资料的使用对对流层底层环流场的影响及对精细化数值天气预报风场分析指示意义等都需要进一步的探究。文章通过对地面高山站资料在资料同化中不同的使用方式的分析,探索其作为探空资料的补充在资料同化中的贡献。个例试验选取2013年6月29日00时地面资料和探空观测资料进行资料同化,试验方法:分别将地面高山站资料作为探空资料和地面资料应用于同化分析中,结果表明:地面高山站资料当探空资料使用时对850和925 hPa风场同化分析有正效果。在地面高山站资料当探空资料使用和当地面资料使用的对比中,其24 h 850和700 hPa高度和风场预报试验差异不显著;但24 h降水预报结果显示:地面高山站资料当探空资料使用对降水强度和位置的预报都有弱的正贡献。连续试验的降水预报检验证明:在地面高山站较多的西南区,高山站资料当探空资料使用在小雨、中雨、暴雨等量级的预报评分要优于高山站资料当地面报使用,且其预报偏差也较小;在中国区降水预报检验高山站资料当探空资料和地面报使用差异不大。     

利用地面观测资料参考标定雷达VAD资料气压高度方法研究

针对雷达VAD资料因不包含气压高度信息而在使用中受到限制的问题,设计了VAD资料气压高度标定方案。提出了以雷达站所在地地面气象观测要素作为参考的标定方法。具体为在压高公式中引人多元大气温度递减方案,地面基础要素由雷达站配备的地面自动气象观测站提供。针对这个方案敏感的温度垂直递减率,利用2007年全年探空资料计算得到温度垂直递减率随高度、时间、区域变化的分布,并分别进行常数温度递减率、随高度变化、随时间变化的温度垂直递减率,以及随两者同时变化的温度垂直递减率对标定结果误差影响的敏感性分析,并与传统的气候标定方案误差进行对比。通过一年的实际观测资料试验,结果表明：相对于不引入观测的气候统计值标定方案,可大大缩减标定误差。尤其是随高度和时间同时调整的温度垂直递减率的地面观测要素参考标定方案的误差最小,适应VAD资料的特点。     

天气预报的业务技术进展

该文总结回顾了中央气象台近年来的天气预报业务技术进展。天气预报质量的历史演变显示了预报业务水平的提高, 这种业务能力的提高既反映了预报技术的发展, 也带来了天气预报业务的变化。对业务天气预报中各种预报技术应用进展的分析表明:数值预报在天气预报业务能力提高中发挥着重要的基础性作用; 同时, 基于对不同尺度天气影响系统发展演变过程深入认识的基础上, 天气学的预报方法依然是预报业务中的重要技术方法; 动力诊断预报已成为灾害性天气预报中的重要手段之一, 数值预报产品的解释应用是实现气象要素精细定量预报的技术途径。     

中央气象台全球中期数值预报业务系统的发展

回顾中央气象台全球中期数值天气预报业务系统的发展历程,重点回顾和综述中央气象台建立全球预报业务以来的科学技术进步,概括了引进的谱模式系列在本地化、业务应用及发展过程中取得的成就,着重介绍在自主发展GRAPES_GFS全球中期预报系统的不同阶段取得的科技成果。     

GRAPES_Meso背景误差特征及应用

基于2015年6月—2016年5月GRAPES_Meso有限区域中尺度数值预报模式产品,采用美国国家气象中心（NMC）方法和高斯函数拟合方案统计中国区域的背景误差和水平相关尺度随纬度、高度和季节的变化特征。结果表明:控制变量的背景误差与水平相关尺度不仅随高度和纬度有明显变化,其中非平衡Exner气压和比湿具有明显的局地性和季节变化特征。非平衡Exner气压的背景误差在青藏高原地区较大,且冬季最大,夏季最小。比湿背景误差在低纬度热带季风区较大,且夏季最大,冬季最小。非平衡Exner气压和比湿的水平相关尺度在冬季最大,夏季最小。同时文中采用随高度变化的水平相关尺度替换GRAPES-3DVar中单一尺度参数,1个月的分析和模式预报试验表明,6 h的位势高度预报在对流层有明显改进;风场分析及其12 h内的预报在平流层改进明显;对24 h不同量级降水的预报有显著正贡献,也显著改善24 h内的小雨、中雨和大雨的空报现象,明显改善12~24 h特大暴雨的漏报现象。     

复杂地形下地面观测资料同化III. 两种解决模式地形与观测站地形高度差异方法的对比分析

模式地形与观测站地形高度差异是地面资料同化方案设计中的一大难点。本文通过个例和单点试验对第I和第II部分 (徐枝芳等, 2007a, 2007b) 中涉及的两种解决模式地形与观测站地形高度差异的地面资料同化方法 (即增加温度地形代表性误差和温度订正方法) 进行对比分析, 并将这两种方法应用于WRF_3DVAR, 进行3个月的连续数值试验。研究结果表明: 随着地形高度差异的增加, 采用增加观测误差方法得到的估计值向其它资料同化分析值 (背景场值) 靠近, 在一定的高度差异下则失去了同化分析地面资料的意义; 温度订正方法对温度递减率的取值较为敏感, 在有探空资料参与同化分析时, 温度递减率取值敏感性相对减弱。当采用的订正值较为准确时, 采用温度订正方法较增加观测误差方法能更好地处理两种地形高度差异, 地面资料信息应用更充分, 得到的估计值最有可能接近真实值。当模式地形与观测站地形高度差异较小 (小于100 m) 时, 两种解决模式地形与观测站地形高度差异的方法达到的效果基本一致。单点及个例试验表明, 有探空资料等高质量观测参与同化分析时, 采用增加观测误差方法得到分析场更接近真实场。三个月连续试验也表明有探空资料参与同化分析时, 采用增加观测误差方法比温度订正法改进的郭永润同化方案 (Guo et al., 2002) 同化地面资料效果好, 且加入地面资料同化对所有量级降水预报都有所改善。当地面资料同化方案没处理好时, 加入地面资料同化的效果反而不如不加地面资料同化。     

变分质量控制在区域GRAPES-3DVAR中的应用研究

观测资料的质量控制是数值预报系统中不可缺少的重要组成部分.质量控制方案的好坏影响到数值预报分析系统中观测资料的使用,影响数值模式初始分析场的效果,还直接影响模式预报的结果.本文将变分质量控制方案应用于我国的区域GRAPES三维变分(3DVAR)同化系统中,改善了该系统分析与预报效果,并对2009年7月2日00:00(北京时)-3日00:00发生在我国南方的一次暴雨过程进行了数值模拟试验及2009年夏季(6-8月)3个月的连续试验.个例试验和连续试验结果均表明,应用变分质量控制后的分析结果更加合理.尽管对高度场和风场的分析结果改变不显著,但湿度场的分析结果得到改善,水汽输送强度得到调整,更加合理且接近实况;对预报模式初值的改善具有积极意义.同时也提高了模式对降水落区、强度的预报能力.     

GRAPES_RAFS系统研发

基于GRAPES (Global and Regional Assimilation and Prediction System)模式的GRAPES_RAFS (Rapid Analysis and Forecast System)系统是一个向前的间歇性同化分析的分析系统,能将多种高时空分辨率的观测资料充分利用起来,同时也是一个不断更新数值预报产品的中尺度数值预报系统.本文从该系统的结构、流程所涉及的各技术环节进行阐述,通过与业务GRAPES_MESO的预报效果对比分析对该系统的短时临近预报能力以及影响该系统短临预报性能的关键技术进行研究.研究结果表明:利用我国新一代数值预报系统GRAPES模式及GRAPES_3Dvar建立的全国稠密资料快速更新同化分析预报系统(GRAPES_RAFS系统)具有一定短时临近预报能力.同化系统的背景误差协方差准确描述、模式系统动力框架及物理过程精确度的提高能有效提高该系统的预报能力,而局地稠密资料的合理使用是该系统提供高质量预报的另一个关键技术,在资料相对稀少的情况下,该系统的短临预报性能面临严重挑战.     

国家气象中心台风数值预报系统的发展

回顾了自"八五"科技攻关以来国家气象中心台风数值预报业务系统的发展历程,包括我国第一代区域模式台风数值预报系统、全球谱模式台风数值预报系统以及中国气象局自主发展的GRAPES全球模式及区域台风数值预报系统。比较不同时期台风数值预报系统的关键技术特征和预报性能,重点介绍GRAPES区域台风模式的主要技术成果,并对国家级台风数值预报系统未来5年的发展进行展望。