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GSI同化系统的背景误差协方差特征及对预报的影响

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热带气象学报 2020年第3期36卷 416-432页

作者：姚乐宝王东海张宇沈丹李国平成都信息工程大学大气科学学院四川成都610225 中山大学大气科学学院/广东省气候变化与自然灾害研究重点实验室/南方海洋科学与工程广东省实验室广东珠海519082 广东海洋大学大气科学学院广东湛江524094 内蒙古自治区气象台内蒙古呼和浩特010051 根河市气象局内蒙古呼伦贝尔022350

在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵,并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析... 详细信息

在同化系统中使用更合理的背景误差协方差对于得到更良好的同化效果至关重要。首先采用NMC方法针对中国区域构建更适合WRF-ARW区域预报系统的B矩阵,并对比分析了其与GSI同化系统预设的NCEP预报系统的B矩阵在分析变量间的平衡关系、分析控制变量的标准差、水平和垂直特征尺度等方面的特征差异。参照这些特征差异设计单点观测试验、背景误差协方差调优参数敏感性试验,确定针对中国区域构建B矩阵的最佳调优参数。并讨论其对一次季风低压强降水天气过程的循环同化和预报效果的影响。结果表明,采用最佳调优参数使用针对中国区域构建B矩阵的试验(Sen6)对V风分量场和相对湿度场的预报性能改进显著,同时也引出了GSI同化系统背景误差协方差参数调优(尤其是水平特征尺度参数调整)的两难问题。在此基础上,采用Hybrid同化方法使用针对中国区域构建B矩阵的循环同化试验(Hyb3)可以进一步改善预报效果,并在一定程度上修正个例模拟雨带的位置。

关键词：资料同化 GSI同化系统背景误差协方差

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

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气象 2016年第9期42卷 1033-1044页

作者：王瑞春龚建东国家气象中心北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：数值天气预报变分同化背景误差协方差动力平衡约束

变分数据同化方法中背景误差协方差矩阵的统计特性研究

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西北师范大学学报（自然科学版） 2019年第1期55卷 50-54页

作者：摆玉龙孟若玉马真东柴乾隆西北师范大学物理与电子工程学院甘肃兰州730070

变分数据同化方法中,背景误差协方差矩阵(简称B矩阵)作为反映模型不同状态变量间关系的重要数学量,对保证解的唯一性和分析值的平滑性具有重要意义.文中简述了B矩阵的结构特征和相关性质.针对难以获得真实B矩阵的情况,采用National mete... 详细信息

变分数据同化方法中,背景误差协方差矩阵(简称B矩阵)作为反映模型不同状态变量间关系的重要数学量,对保证解的唯一性和分析值的平滑性具有重要意义.文中简述了B矩阵的结构特征和相关性质.针对难以获得真实B矩阵的情况,采用National meteorological center(简称NMC)方法对B矩阵进行了近似构造,以Lorenz63模型和三维变分同化算法进行了同化试验,验证了NMC方法的有效性,讨论了B矩阵的数学特性和分布特征.

关键词：背景误差协方差 3D-Var NMC方法统计分析

时间依赖的多尺度背景误差协方差研究Ⅱ——应用

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热带气象学报 2015年第2期31卷 161-172页

作者：张旭斌薛纪善万齐林丁伟钰李昊睿广东省区域数值天气预报重点实验室广东广州510080 中国气象局广州热带海洋气象研究所广东广州510080 中国气象科学研究院北京100081

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... 详细信息

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。

关键词：三维变分背景误差协方差时间依赖多尺度

GRAPES全球变分同化背景误差协方差的改进及对分析预报的影响：背景误差协方差三维结构的估计

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气象学报 2014年第1期72卷 62-78页

作者：王金成庄照荣韩威陆慧娟国家气象中心北京 100081 中国气象局数值预报中心北京100081

回顾并详细推导了估计背景误差协方差统计特征的美国国家气象中心(NMC)方法及其优缺点;采用NMC方法系统地估计了新版GRAPES全球模式的背景误差方差、水平相关特征尺度和垂直相关结构,并与欧洲中心模式结果进行了比较。结果表明,目前GRA... 详细信息

回顾并详细推导了估计背景误差协方差统计特征的美国国家气象中心(NMC)方法及其优缺点;采用NMC方法系统地估计了新版GRAPES全球模式的背景误差方差、水平相关特征尺度和垂直相关结构,并与欧洲中心模式结果进行了比较。结果表明,目前GRAPES全球模式的背景误差方差比以前有了显著减小;水平相关特征尺度随纬度和高度有显著变化;背景误差垂直相关结构与欧洲中心模式结果非常一致,相比经验公式结果更具物理意义,同时,单点试验结果也表明,更新后的垂直相关结构产生的分析增量更合理。通过与欧洲中心模式背景误差协方差三维结构的对比,分析了不同模式间背景误差协方差的异同及GRAPES全球同化分析系统目前存在的一些不足及可能原因。为新版GRAPES全球模式的三维变分系统提供了基本的背景误差协方差的三维结构。

关键词：背景误差协方差美国国家气象中心(NMC)方法 GRAPES全球模式变分同化

时间依赖的多尺度背景误差协方差研究I——构造

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热带气象学报 2014年第4期30卷 675-686页

为了在资料同化中更好地应用多尺度同化技术,针对当前GRAPES多尺度3D-Var同化系统中背景误差协方差设置的缺陷,探讨如何引入随时间演变的多尺度信息的方法。首先,基于GRAPES模式集合预报系统,利用集合预报结果构造了新型的背景误差协方... 详细信息

为了在资料同化中更好地应用多尺度同化技术,针对当前GRAPES多尺度3D-Var同化系统中背景误差协方差设置的缺陷,探讨如何引入随时间演变的多尺度信息的方法。首先,基于GRAPES模式集合预报系统,利用集合预报结果构造了新型的背景误差协方差,该新型协方差的标准差与相关关系能随着时间演变而发生变化,即具有时间依赖特征。然后,为了考虑背景误差协方差的多尺度特征,针对不同尺度背景场将该新型协方差进行不同程度的缩放,即假设不同尺度的背景误差单变量标准差与相关尺度以及多变量相关系数与原估计值之间存在一定的比例关系。通过选择不同的缩放系数,其对应的分析增量将产生不同量值与尺度的变化,即可对相应的分析场进行多尺度调整。

关键词：三维变分背景误差协方差时间依赖多尺度

集合变分混合同化背景误差协方差流依赖性分析

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气象科学 2015年第6期35卷 728-736页

作者：张明阳张立凤张斌张晓慧解放军理工大学气象海洋学院南京211101

通过单点观测试验的方法,对集合变分混合同化背景误差协方差的流依赖特征、流依赖性影响因子、产生原因,以及集合预报方法对流依赖性的影响进行了研究。结果表明:由于引入了集合信息,集合变分混合同化的分析增量与天气系统的分布有关,... 详细信息

通过单点观测试验的方法,对集合变分混合同化背景误差协方差的流依赖特征、流依赖性影响因子、产生原因,以及集合预报方法对流依赖性的影响进行了研究。结果表明:由于引入了集合信息,集合变分混合同化的分析增量与天气系统的分布有关,具有非均匀、各向异性的特征;这种流依赖特征对混合系数敏感,当集合协方差所占权重很小时,分析增量仍呈现出均匀、各向同性特征;混合同化背景误差协方差的流依赖特征不仅与集合样本有关,还与构造集合协方差的ETKF方法有关,只引入与环流形势密切相关的集合样本并不能使分析增量表现出显著的流依赖性,集合样本和ETKF方法共同作用才能将流依赖信息引入到混合协方差中,使分析增量出现流依赖特征;不同集合预报方法对混合协方差的流依赖特征有显著影响,考虑初值和物理过程的超级集合,以及在超级集合样本上再进行ETKF更新扰动后样本构造的混合协方差流依赖特征更加显著。

关键词：集合变分混合同化背景误差协方差流依赖性集合预报单点试验

WRF-Hybrid背景误差协方差调整在台风同化及预报中的应用研究

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气象科学 2015年第2期35卷 150-159页

作者：沈菲菲闵锦忠许冬梅王世璋南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心南京210044 南京信息工程大学气象灾害教育部重点实验室南京210044

利用雷达径向风单点试验和2006年8月超强台风"桑美"个例,首先研究了静态背景误差协方差的尺度化因子和方差在台风系统雷达资料同化中对台风路径和强度预报的影响。结果表明:在高时空分辨率的雷达资料同化中,较小的尺度化因子能显著改进... 详细信息

利用雷达径向风单点试验和2006年8月超强台风"桑美"个例,首先研究了静态背景误差协方差的尺度化因子和方差在台风系统雷达资料同化中对台风路径和强度预报的影响。结果表明:在高时空分辨率的雷达资料同化中,较小的尺度化因子能显著改进对台风路径的预报;尺度化因子的影响比方差的影响更为显著。基于上述实验结果,进一步研究了WRFDA-Hybrid系统中"流依赖"控制变量的水平局地化和垂直局地化对台风预报的影响。试验结果表明:当"流依赖"的水平局地化距离与静态背景误差协方差的尺度化因子具有等效影响范围的时候,WRFDA-Hybrid能够得到比较合理的分析结果。同时针对雷达观测资料的空间分布特征,本文提出了一种新的基于雷达探测高度的垂直局地化方案,对台风的强度和路径预报均有显著的改进。

关键词：台风背景误差协方差 WRF模式多普勒雷达资料

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球面小波背景误差协方差模型的设计

计算机工程与应用 2014年第17期50卷 49-55页

作者：曹小群张卫民宋君强刘柏年国防科学技术大学计算机学院长沙410073

在全球变分资料同化系统中设计和实现了基于球面小波的背景误差协方差(B)模型。引入框架理论构造了球面小波函数;设计了一个基于球面小波变换的全球B矩阵模型;分别通过理想数值试验和在全球变分同化系统中的实现对新模型的有效性进行了... 详细信息

在全球变分资料同化系统中设计和实现了基于球面小波的背景误差协方差(B)模型。引入框架理论构造了球面小波函数;设计了一个基于球面小波变换的全球B矩阵模型;分别通过理想数值试验和在全球变分同化系统中的实现对新模型的有效性进行了验证。试验结果表明:基于球面小波的背景误差协方差模拟方法能够克服由有限背景误差样本引入的取样噪声,能估计出真实的背景误差相关函数;在全球变分同化系统中新模型能够模拟出在物理和动力上正确和有效的背景误差结构函数。

关键词：背景误差协方差球面小波变分资料同化数值天气预报