GPS折射角资料的变分同化试验

越来越多的新型观测资料为数值天气预报水平的进一步提高提供了许多新的机会。在各种新型的观测资料中,GPS(全球定位卫星系统)折射角资料无疑是非常重要的。GPS折射角资料具有分辨率高、全天候探测、覆盖全球等优点,实现对GPS折射角资料的变分同化,将具有非常重要的意义。文中介绍了如何获得及同化GPS折射角资料的原理。对GPS折射角资料的变分同化可以分为两种:间接同化和直接同化,文中对这两种方法都作了具体介绍。在变分同化的最小化过程中,计算效率无疑是最重要的,而优化步长的计算又直接关系到算法效率的成败。根据最小化算法的特点,通过数学推导,得出一种适合于各种最小化算法的计算优化步长的自适应方法。最后,还利用1995年10月11日的GPS折射角资料进行了数值试验,结果表明了变分同化方法和计算优化步长方法的有效性。     

在澳大利亚气象研究中心短期访问情况总结

根据中澳双边协议，我于2004年4月8日至8月14日到澳大利亚气象研究中心(BMRC)进行了为期4个多月的短期访问。澳大利亚气象研究中心是澳大利亚气象局下属的研究机构，下设6个研究组，研究内容包括模式发展、数据同化、天气预报、气候预测、     

扩展卡尔曼滤波数据同化试验--基于Lorenz(1960)系统的研究

本文采用Lorenz(1960)系统，在只考虑初始误差及观测误差而不考虑模式误差的情况下，利用扩展卡尔曼滤波(Extended Kalman Filter)数据同化方法进行了数值模拟试验。数值试验的结果表明：扩展卡尔曼滤波数据同化方法对系统状态的估计有较好的改善作用，能有效的抑制估计误差的增长；加大观测频率，可以进一步改善数据同化的效果，使估计误差进一步减小；由于模式误差的存在，系统的不稳定能量会不断的累积，出现了估计误差的异常增长和计算的不连续现象，在模式预报方程中的均值演变方程加人二阶偏差纠错项，对控制估计误差的异常增长，进一步改善数据同化的效果有较明显作用。     

多普勒雷达资料4DVAR同化反演的模拟研究

利用Sun等建立的同化模式和四维变分同化方法对多普勒雷达资料反演大气风场、热力场和微物理场进行了模拟试验研究.反演的基本思路是将4DVAR同化方法应用到三维云模式,定义价值函数表征雷达资料与模式预报结果之间的差别,通过极小化价值函数得到反演场,价值函数相对模式控制变量的梯度由伴随模式求取.试验结果表明,4DVAR同化技术能够从单(双)多普勒雷达资料反演大气三维风场、热力场和微物理场.各个变量反演精度高低与同化过程中变量受约束的大小程度呈正相关.速度场和雨水场反演精度较高,温度场、云水和水汽的反演精度次之,温度场的准确反演需要较长的同化时间.价值函数中加入背景场,哪怕是单点探空给出的平均场信息也有利于提高反演精度.在采用单部多普勒雷达资料进行反演时,速度场的反演误差较大.反演区相对雷达站的位置变化对速度场反演结果有一定的影响,而对其他变量的反演影响很小.两个时次的雷达观测资料基本足够提供反演所需的时间演变信息,同化更多时次的雷达资料,反演效果改进很小.雷达观测资料的缺值会显著降低同化效果,甚至可能导致同化失败,引入背景场可以改善这一状况.4DVAR同化技术对于雷达观测资料误差不太敏感.利用双多普勒雷达合成风场提供水平风场边界条件是比较准确可靠的.在反演主体离边界较远时,VAD风场也基本可用作水平风场边界条件.微物理场的反演对模式中的微物理参数化方案较敏感.     

利用ARGO资料改进海洋资料同化和海洋模式中的物理过程

国际ARGO计划的实施每年将可提供多达 10万个剖面 (0～ 2 0 0 0m水深 )的海水温度和盐度资料 ,这些资料的获取无疑将会大大促进海洋和大气科学的发展 ,使人们加深对海洋过程的了解 ,揭示海 气相互作用的机理 ,为长期天气预报和短期气候预测提供模式初始场 ,提高长期天气预报和短期气候预测的能力。如何利用这些资料开展研究工作以及在实际业务中应用这些资料是目前大气和海洋科学界的一个前沿课题。本研究将ARGO浮标资料引入了国家气候中心的NCC GODAS同化系统 ,结果分析表明 ,同化ARGO资料后所得到的海温场在三大洋中不仅在温度数值的大小 ,而且在分布形式方面都与观测场具有较好的一致性 ,可以很好地反映出观测到的冬季和夏季海温的分布形式以及海温的季节变化特征和异常特征。本研究还应用最新的ARGO海洋观测资料 ,通过建立新的热带西太平洋次表层海温参数化方案 ,改进了Zebiak Cane(1987)海洋模式 (ZC模式 ) ,克服了ZC模式几乎没有模拟赤道西太平洋表层和次表层海温变化能力的缺陷。在ZC模式中引用新的次表层海温参数化方案后 ,在赤道西太平洋不仅次表层海温的模拟得到了改善 ,对海面温度异常的模拟也有了较大的改进 ,不仅模拟出了赤道西太平洋表层和次表层海温异常的年际变化特征 ,也模拟出了与观     

MODIS与NCEP大气可降水量资料的比较分析

利用中国大陆地区2001年4个季节(1、4、7、10月)中8d和4m的NCEP资料，对整层大气的比湿进行积分得到大气可降水量。选用了同时同地的MODIS大气可降水量资料，然后对两者进行了对比分析。结果发现：在中国西北、内蒙地区MODIS大气可降水量资料要比NCEP资料普遍偏大，而在东南和华南部分地区则普遍偏小。如果对上述两个地区的MODIS资料分别乘以修正系数0．933983和1．07686，则两者的差别可控制在0．2cm以内。因此，MODIS大气可降水量资料经过修正后，可以为卫星反演模式提供同化性较好的输入资料。     

安徽铜陵铜官山矿区中生代岩浆-热液过程：来自岩石包体及其寄主岩的证据

安徽铜陵铜官山矿区的燕山期中酸性-酸性小侵入岩体在时间上和空间上与区内的层控矽卡岩型铜(金)矿床密切相关。在这些小侵入岩体中，特别是在老庙基、小铜官山和金口岭岩体中，产有二长质到闪长质的同源包体、角闪石堆积岩包体和黑云母片岩残余包体。对这三类岩石包体及其寄主岩进行了详细的岩石学和矿物学研究以及单矿物氧同位素分析，同时收集了相关的岩石化学和地球化学资料，为阐明矿区岩浆-热液过程提供了依据。分析结果表明，闪长岩和辉石岩包体的(^87r／^86Sr)，为0．7070～0．7073，εM(t)为-9．7，而石英二长闪长岩主岩(^87r／^86Sr)。为0．7072～0．7077，εNd(t)为-10．6～-11．9。铜官山矿区堆积岩包体中的堆积晶、同源包体和寄主岩中的斑晶以及同源包体及寄主岩中的基质的矿物结晶温度分属890～970℃，730～755℃和675～730℃三个区间，对应的深度为24～29km，9～15km和4～6km。它们分别代表了深位岩浆房、浅位岩浆房和岩浆侵位处矿物结晶的温度和深度深位岩浆房的深度对应于岩石圈中下地壳硅镁层的深度，而浅位岩浆房的深度对应于岩石圈中-新元古界浅变质岩系的深度从宕石包体及其寄主岩锶、钕同位素以及岩石学和矿物学资料来看，深位岩浆房中的岩浆可能是由底侵的碱性玄武岩浆与下地壳硅镁层发生相互作用形成的，而浅位岩浆房中的岩浆可能是由来自深位岩浆房的演化岩浆与中-新元古界浅变质岩系发生相互作用形成的。二长质同源包体与黑云母片岩残余包体过渡，有时闪长质同源包体与寄主岩过渡，相互之间的界线模糊不清。角闪石堆积岩包体中金属氧化物和硫化物的共存表明，在堆积岩结晶时已有相当数量的铁、铜和硫溶解在演化的岩浆中。由此可以推断，已初步富集铁、铜和硫的演化岩浆与深度同浅位岩浆房相当且富合成矿元素的变质岩发生同化混染作用，可以富集足够的成矿物质以形成铜官山矿区的矽卡岩型铜铁硫化物矿床，矿区同源包体中斜长石的δ^18OSMOW‰值为9．0～9．2，寄主岩中斜长石和石英为9．4～9．9，矽卡岩中石榴石和石英为3．92～11．84，矿石中磁铁矿和石英为3．84～5.85，而相应的δ^18H2O‰值在寄主岩中为6．87，矽卡岩中为6.85～6.89，矿石中为8．18～12．64。此外，在寄主岩及其岩石包体中同时产有熔融包裹体、熔融-流体包裹体和流体包裹体，并能见到不混溶包裹体。这些事实结合矿物平衡地质温度计计算结果和收集的包裹体测温资料，表明矿区的岩浆-热液过程可以分为：1)岩浆结晶；2)岩浆流体出溶和出溶流体演化(大致对应于矽卡岩化)；和3)成矿热液活动(对应于铜金矿化)三个阶段。     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

集合卡尔曼滤波同化中雷达位置的敏感性研究

针对对流尺度集合卡尔曼滤波（EnKF）雷达资料同化中雷达位置对同化的影响进行研究。为了考察强对流出现在雷达不同方位时集合卡尔曼滤波同化雷达资料的能力,以一个理想风暴为例,设计了8个均匀分布在模拟区域周围的模拟雷达进行试验。单雷达同化试验中,初期同化对雷达位置较敏感,而十几个循环后对雷达方位的敏感性降低。造成初期同化效果较差的雷达观测位于模拟区域正南和正北方向,这两部雷达与模拟区域中心的连线垂直于风暴移动方向（即环境气流的方向）。双雷达试验的结果表明,正东、正南、正西和正北方向的雷达组合观测会使同化初期误差较大,这说明并不是所有与风暴连线成90°的雷达组合都能在短时同化中得到合理的分析结果,还需要都处于模拟区域对角线上（即与环境气流成45°夹角）,同化效果才较好。短时同化后的确定性预报结果表明,较大分析误差也会导致较大预报误差。这些分析误差主要是由于同化初期不准确的集合平均场驱动出的不合理的背景误差协方差造成的。当背景场随着同化循环得到改进后,驱动出的合理的背景误差协方差使得不同位置雷达同化造成的差异逐步减小。基于上述结果,引入迭代集合均方根滤波（iEnSRF）算法,结果显示使用该算法后,雷达位置对同化效果的影响减小,同化不同位置的雷达资料均能有效降低分析和预报误差。      

变分同化框架通过背景误差协方差构建动力平衡约束的研究进展

通过背景误差协方差构建动力平衡约束是变分同化框架设计的重要环节。它不仅帮助实现变量间的协同分析,提高观测使用效率,还能改善变分极小化问题的性状。本文在系统梳理通过背景误差协方差引入动力平衡约束的方式、流程的基础上,对求解目前全球和有限区域变分同化系统普遍采用的准地转平衡和静力平衡约束的共性问题和存在的不足作了归纳总结。分析了求解准地转平衡约束的三类方案:动力平衡方程方案、统计方案和动力-统计相结合方案的优缺点。对照比较了不同垂直离散方案下求解静力平衡约束时遇到的欠定问题的表现以及解决途径。最后,展望了基于背景误差协方差构建动力平衡约束在赤道等特殊地区、高分辨率同化系统、以及集合-变分混合同化系统发展中面临的挑战和机遇。