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非线性平衡方案在三维变分同化系统中的应用

气象学报 2006年第2期64卷 137-148页

作者：庄照荣薛纪善朱宗申李兴良中国气象科学研究院国家气象中心北京100081

文中考虑气流出现明显的弯曲和辐合时,资料变分同化方案中的风压场间动力学约束问题。在强涡旋、锋面等剧烈变化的系统中,地转平衡和线性平衡方程均不能很好地描述风压场关系,非线性平衡方程考虑了流场曲率的作用,能更恰当地反映风压场... 详细信息

文中考虑气流出现明显的弯曲和辐合时,资料变分同化方案中的风压场间动力学约束问题。在强涡旋、锋面等剧烈变化的系统中,地转平衡和线性平衡方程均不能很好地描述风压场关系,非线性平衡方程考虑了流场曲率的作用,能更恰当地反映风压场的关系。把非线性平衡方案应用于三维变分同化分析系统中,可以得到和天气形势相关联的模式变量背景误差协方差,对热带气旋进行同化试验后得到的分析场更协调。结果表明,非线性平衡方程的应用,可以提高强涡旋系统中三维变分同化分析场的质量,对热带气旋强度预报有一定的改善。

关键词：变分同化非线性平衡方程背景误差协方差

GRAPES区域扰动预报模式动力框架设计及检验

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气象学报 2020年第5期78卷 805-815页

作者：冯业荣薛纪善陈德辉吴凯昕中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广州510641 中国气象科学研究院北京100081 国家气象中心北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：扰动预报模式 GRAPES非线性模式四维变分同化半隐式半拉格朗日方案亥姆霍兹方程

基于雷达反射率反演降水率的一维+三维变分同化研究及试验

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气象学报 2012年第5期70卷 1128-1136页

作者：张诚忠薛纪善张林万齐林中国气象局广州热带海洋气象研究所广州510080 中国气象科学研究院北京100081

基于雷达反射率反演的降水率,以线性化的大尺度凝结方案和简化的CUDU对流参数化方案为降水的观测算子,建立大气湿度一维变分同化系统。通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线,以三维变分同化方法引进水汽廓线,为精细模式提供高质量的... 详细信息

基于雷达反射率反演的降水率,以线性化的大尺度凝结方案和简化的CUDU对流参数化方案为降水的观测算子,建立大气湿度一维变分同化系统。通过一维变分系统获得合理的大气水汽廓线,以三维变分同化方法引进水汽廓线,为精细模式提供高质量的水汽初估值场。以一个强降水过程和2011年5月一个月为例,通过一维+三维变分同化系统订正大气水汽初估值,初步评估采用一维+三维变分同化系统同化雷达资料后对短期降水预报的影响。

关键词：雷达反射率水汽廓线一维+三维变分同化

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三维变分同化雷达资料暴雨个例试验

气象学报 2010年第6期68卷 779-789页

作者：刘红亚薛纪善顾建峰徐海明上海中心气象台上海200030 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 南京信息工程大学南京210044

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,仅同化多普勒雷达经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... 详细信息

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,仅同化多普勒雷达经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50km,最大上升速度位于500hPa附近,超过3.0m/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 gkg;造成的降水强度可达30mm/h,具有明显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。

关键词：三维变分径向风反射率因子云微物理量垂直速度

区域极轨卫星ATOVS辐射偏差订正方法研究

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气象学报 2007年第1期65卷 113-123页

作者：刘志权张凤英吴雪宝薛纪善国家卫星气象中心中国气象科学研究院北京100081

近年来,卫星辐射资料在数值天气预报(NWP)系统中的直接同化研究取得了长足进展。为了利用TIROS业务垂直探测器(ATOVS)的辐射资料,必须对卫星观测辐射值的系统性偏差进行订正。在ECMWF原全球TOVS辐射偏差订正方案基础上,结合ATOVS资料特... 详细信息

近年来,卫星辐射资料在数值天气预报(NWP)系统中的直接同化研究取得了长足进展。为了利用TIROS业务垂直探测器(ATOVS)的辐射资料,必须对卫星观测辐射值的系统性偏差进行订正。在ECMWF原全球TOVS辐射偏差订正方案基础上,结合ATOVS资料特征和中国的实际情况,建立了适用于区域NOAA-15/16/17极轨气象卫星ATOVS辐射资料的偏差订正方案。该方案偏差订正分两步进行:首先进行扫描偏差订正,然后进行气团偏差订正。扫描偏差是临边测量相对于星下点测量的系统偏差,统计显示该种偏差具有一定的纬度依赖性,所以订正时按每10度的纬度带分别进行订正。气团偏差订正主要就是根据当时的天气条件进行订正,而天气条件一般用预报因子来定量表示。文中从中国国家气象中心T213背景场导出预报因子:(1)1000—300 hPa的厚度,(2)200—50 hPa的厚度,(3)模式地表温度,(4)总可降水量。模式预报因子的使用从观念上将对观测值的订正变为对计算前向辐射值的订正问题。试验结果表明,订正结果显著。

关键词： ATOVS辐射值扫描偏差订正气团偏差订正.

全球GRAPES等压面三维变分分析预报循环系统及试验

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高原气象 2014年第3期33卷 666-674页

作者：庄照荣薛纪善陆慧娟韩威刘艳国家气象中心北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

利用全球通讯系统GTS传输的常规观测资料和卫星资料,用全球与区域同化预报系统GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球等压面三维变分分析和中期数值预报模式进行为期两个月6 h分析预报循环试验,并对分析结果... 详细信息

利用全球通讯系统GTS传输的常规观测资料和卫星资料,用全球与区域同化预报系统GRAPES(global/regional assimilation and prediction system)全球等压面三维变分分析和中期数值预报模式进行为期两个月6 h分析预报循环试验,并对分析结果进行了诊断分析。结果表明,位势高度在中低纬对流层顶及以上区域存在5~20 gpm负偏差,在100 hPa以下的南北极区域存在5~20 gpm正偏差;相对湿度在南极存在较大负偏差,在高层有较大正偏差。风场在赤道中高层有较明显的偏差。在500 hPa上北半球GRAPES位势高度与NCEP资料的均方根误差在10 gpm左右,南半球在15~24 gpm之间。与探空观测相比,经变分分析后,分析的偏差和均方根误差都有所减小,但位势高度背景场存在明显负偏差,而且在100 hPa以上位势高度改进不如低层明显。全球等压面三维变分分析预报循环试验表明,分析预报循环系统能稳定运行,但是分析和6 h预报场还存在系统性偏差。

关键词： GRAPES 等压面三维变分中期数值预报模式分析预报循环

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

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气象学报 2009年第1期67卷 50-60页

作者：马旭林庄照荣薛纪善陆维松南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室南京210044 中国气象科学研究院灾害天气国家重点试验室北京100081

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR)。该资料同化系统的垂直... 详细信息

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR)。该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致。由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案。通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难。重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化。理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善。

关键词： GRAPES 非静力模式资料同化数值预报

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

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气象学报 2021年第6期79卷 902-920页

作者：冯业荣薛纪善李梦婕戴光丰中国气象局广州热带海洋气象研究所/广东省区域数值天气预报重点实验室广州510641

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... 详细信息

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。

关键词：四维变分资料同化(4DVar) 扰动预报模式 GRAPES 区域模式

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GRAPES伴随模式底层数据栈优化

应用气象学报 2011年第3期22卷 362-366页

作者：任迪生沈学顺薛纪善张林赵文涛国防科学技术大学计算机学院长沙410073 中国气象科学研究院北京100081

GRAPES伴随模式是其四维变分同化系统的核心组成部分。由于其计算过程复杂,临时数据较多,实现中采用断点存储策略可以有效减少伴随模式的计算时间和存储空间。极限断点存储策略是在单积分步内以全存储策略实现为基础,将其中部分基态以... 详细信息

GRAPES伴随模式是其四维变分同化系统的核心组成部分。由于其计算过程复杂,临时数据较多,实现中采用断点存储策略可以有效减少伴随模式的计算时间和存储空间。极限断点存储策略是在单积分步内以全存储策略实现为基础,将其中部分基态以计算代替的一种类断点存储策略。在该策略的支持下,需要一种新的数据管理结构,来保证程序的正确运行。文章提出了在已有栈基础上优化的新数据存储管理方式——嵌套多链栈,这种结构可有效满足使用极限断点存储技术实现GRAPES伴随模式的初态管理需求。试验表明:相比断点存储技术,在总内存增加不超过30%的情况下可使GRAPES的运行效率提高1倍。

关键词： GRAPES 伴随模式优化嵌套多链栈