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条件非线性最优扰动(CNOP)是线性奇异向量(LSV)在非线性领域的拓展,它代表了在一定物理约束条件下且在预报时刻导致最大预报误差的一类初始误差.CNOP类型的初始误差在天气和气候的可预报性研究中具有重要作用.在求解复杂数值模式的CNOP中,一般通过数值计算目标函数关于初始扰动的梯度,并沿着梯度下降方向在相空间搜索极值点而得到CNOP.计算梯度常用的一个方法是利用伴随模式得到梯度,然而发展一个复杂模式的伴随模式是困难且非常繁琐的,大大限制了CNOP方法在复杂数值模式中的广泛应用.本文在前人工作的基础上,提出了一种基于奇异值分解(SVD)的集合投影算法.该算法避免了集合投影算法中采用的局地化步骤,从而克服了局地化半径的经验性选择带来的不确定性.将该算法应用于中等复杂程度的ENSO预报模式中计算CNOP.结果表明,用新集合投影算法得到的CNOP能够有效地逼近用伴随算法得到的CNOP,抓住了CNOP的主要空间特征.因此,本文提出的基于SVD的集合投影算法是计算CNOP的一种有效近似算法. 相似文献
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CMAQ-MOS区域空气质量统计修正模型预报途径研究 总被引：17，自引：0，他引：17
通过分析2004年9月~2005年3月北京城市及远郊地区八个测点的大气污染观测资料, 揭示出城区尺度不同测点大气污染同步性与同位相时空变化特征, 并描述出采暖期与非采暖期大气污染物浓度存在源影响相关季节性显著差异, 城区与远郊测站大气污染物浓度亦表现出排放源影响相关显著的区域性特征, 即大气污染物浓度时空分布与排放源强度及其空间分布密切相关; 本文试验研究表明, 美国EPA新一代空气质量模式CMAQ对多类污染物不同尺度“面空间”分布及其变化倾向虽具有较强的预报能力, 但由于污染源时空特征十分复杂, 这是由于模式采用的平均源排放清单难以精细、客观描述预报区域不同尺度污染源强度的时空变化, CMAQ模式尚存在类似其他模式污染浓度预报量与实况相比明显偏低的“系统性”误差, 为了修正上述模式产品源排放清单产生的系统性预报偏差, 本文利用不同季节CMAQ模式产品与观测实况资料, 建立CMAQ-MOS区域空气质量统计修正预报模型, 并采用检验方法评估CMAQ-MOS方案预报能力, 提出采用CMAQ-MOS统计修正模型统计-动力相结合的空气质量预报新途径, 试验研究结果表明CMAQ-MOS方案可显著降低由于污染源影响不确定性产生的模式系统性预报误差, 明显提高了CMAQ模式空气质量预报水平, 本文亦提出了采用点-面结合预报思路, 即在大气污染具有同位相变化特征的“影响域”范围内, 用一个中心测点的CMAQ-MOS产品预报周边区域面上其他预报点的模式产品“再分析”场以及区域平均空气质量“面预报”方案. 相似文献
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人为大气污染的最终根治,依赖于产业和能源结构的调整与升级,在这些问题解决之前,进行合理和经济的减排调控是有效手段.文章利用自然控制论原理和方法,首先在已知污染源时空分布情况下,用数值天气预报作输入,离线作出污染物浓度分布,求解污染源最优减排方案的非完整伴随算子问题,从而可简便地求解出优化减排方案.所谓非完整伴随算子问题,是指就方程的线性部分求出伴随算子并求解,而非线性项则用迭代算法.如欲验证或求更高精度,则以此作为最优减排方案的第一近似,迭代求高阶近似,直至空气质量满足要求;其次,文章还讨论了由已知污染物浓度时空分布情况下,反演污染源的动态分布问题,提出一种可行的数学方法,有助于解决排放源不确定性大的问题,以便保证最优减排调控的实施. 相似文献
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延伸期可预报分量的预报方案和策略 总被引：2，自引：0，他引：2
延伸期时间尺度虽然超过逐日天气预报时效理论上限,但仍然存在可预报的气象场特征.本文针对延伸期尺度的可预报分量,提出了有针对性的预报方案和策略.基于大气系统的混沌特性,从误差增长的角度在数值模式中分离了可预报分量和不可预报的随机分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量,它对初值小的误差不极其敏感.通过在预报过程中滤除随机分量,保留可预报性较高的分量,建立起针对可预报分量的数值模式,避免小尺度分量预报误差的快速增长对预报效果的影响.同时,结合历史资料,利用相似-动力方法对可预报分量的预报误差进行订正,达到减小模式误差和从统计角度考虑随机分量对可预报分量影响的目的.结果表明,该方法能有效提高数值模式对可预报分量的预报技巧,从空间分布上体现为对可预报性较高的地区改进更为明显;从空间尺度上看,改进最为明显的是0波,其次是超长波和天气尺度波,与各尺度的可预报性有很好的一致性.该方法能有效减小可预报分量的模式误差,提高预报技巧,显示出良好的业务应用前景. 相似文献
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修正数值天气预报的非系统性误差的变分方法 总被引：2，自引：0，他引：2
变分方法被用于根据分析场来估计数值天气预报的非系统性误差,从而对预报作出订正．这一方法中假设预报误差与预报场的某种组合线性相关,奇异值分解（SVD）技术被用于由一系列预报和分析场样本产生的相关矩阵得到预报场和误差场之间的映射关系,同时也降低了问题的维数,并使目标函数中的背景误差协方差矩阵成为简单的对角矩阵．利用两种有不同误差的浅水方程模式和模式资料对连续20次的6h,24h和48h预报进行了误差订正试验．试验采用了3种预报场组合方案：第一种方案是末时刻的预报场;第二种方案是初始场和末时刻预报场的组合;第三种方案是末时刻的预报场以及预报的倾向场的组合．结果表明当预报误差明显超过分析误差时,订正能够明显改进预报,其中第三种方案对预报误差的订正效果最好,而其他两种方案不能保证订正都能改进预报． 相似文献
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动力相似预报的策略和方法研究 总被引：7，自引：0，他引：7
为了在现有模式和资料条件下有效提高数值预报水平, 深入开展了动力相似预报(DAP)的策略和方法研究. 提出“利用历史相似信息对模式预报误差进行预报”的新思路, 从而将动力预报问题转化为预报误差的估计问题, 并发展了一种基于相似误差订正的预测新方法(FACE). 进一步将FACE应用于业务海气耦合模式的跨季度预测试验, 夏季平均环流和降水的预测结果表 明, FACE能在一定程度上减小预报误差、恢复预报方差、提高预报技巧. 此外, 敏感性试验显示, 相似的个数、选取变量和度量标准都对FACE预报有显著影响. 相似文献
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郄秀书 袁善锋 陈志雄 王东方 刘冬霞 孙萌宇 孙竹玲 Abhay SRIVASTAVA 张鸿波 卢晶雨 肖辉 毕永恒 冯亮 田野 徐燕 蒋如斌 刘明远 肖现 段树 苏德斌 孙成云 徐文静 张义军 陆高鹏 Da-Lin ZHANG 银燕 余晔 《中国科学:地球科学》2021,(1)
在国家"973"项目"雷电重大灾害天气系统的动力-微物理-电过程和成灾机理"(简称:雷暴973)资助下,2014~2018年连续五年在北京组织开展了雷电(也称闪电)灾害天气系统的暖季综合协同观测实验,旨在获得对北京及周边城市群区域的雷电天气系统特征和规律的实际认识,探索雷电资料在数值预报模式中的同化方法,以期改进雷电重大灾害天气系统的预报效果.主要观测设备包括:由16个子站构成的雷电(全闪)三维定位系统、2台X波段双线偏振多普勒雷达和4台激光雨滴谱仪等,协同观测还充分利用了中国气象局在京津冀地区的中尺度气象观测网.观测结果表明,受地形和环境条件影响,飑线和多单体雷暴是影响北京地区的两类主要的雷电灾害天气系统,它们除产生频繁的雷电活动外,还常伴随突发性局地短时强降水和冰雹,造成城区突发洪涝灾害.雷电密度的高值区位于北京昌平区东部、顺义区的中部和东部以及中心城区.超强雷暴(占总雷暴数的5%)、强雷暴(占比35%)和弱雷暴(占比60%)对总雷电分布的贡献分别为37%、56%和7%.北京城区的热岛效应对过境雷暴增强产生了重要作用,超强雷暴在中心城区的雷电频数可以高达每分钟数百次.雷电活动与雷暴云的热动力、微物理特征之间存在紧密联系,因此雷电频数可以作为冰雹、短时强降水等灾害性天气的指示因子.在对流可分辨数值预报模式中,建立并引入雷电资料同化方案,通过调整或修正模式的热动力和微物理参量,可明显提高模式对强对流和降水的预报效果. 相似文献
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若不考虑特定的数据同化方法,数据同化通常可被分解为先验信息、观测算子、观测误差协方差和背景误差协方差等组成部分.本文基于经典的Lorenz模式,研究了数据同化各组成部分对初始条件误差和预报误差的影响,以期为设计不同尺度天气系统的数据同化方法提供理论基础.研究结果表明,预报误差经历三个典型阶段:0～5天为预报误差的缓慢增长期; 5～15天为预报误差的快速增长期,其中确定性预报和集合预报的误差增长速率具有显著差异; 15天后为预报误差的饱和期.数据同化可通过提供更加准确的初始条件,进而提升可预报性.相比于静态背景误差协方差(B),流依赖的背景误差协方差(Pf)可提供更精确的初始条件,因此当瞬时观测或频繁的时间平均观测被同化时,循环同化效果优于离线同化;但当时间平均观测频率低时则结果相反,这是因为循环同化在模式缺乏预报技巧时无法构造具有信息的先验估计,且流依赖的Pf相比于静态的B不能有效地从含信息量低的观测中提取出观测信息.瞬时观测相比于时间平均观测包含更多的信息,因此在时间频率低的观测系统中,瞬时观测应优先被考虑.此外,集合预报优于确定性预报,且... 相似文献
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《中国科学:地球科学》2017,(10)
针对大气-海洋运动的可预报性,本文回顾了对可预报性概念的认识,讨论了更具一般意义的可预报性的定义.对不同时空尺度天气-气候事件的预报(预测),梳理出了可预报性研究中内禀可预报性上限(Intrinsic predictability limit,IPL)问题的一些未解难题.本文也讨论了初始误差的空间结构与模式参数误差,以及涉及的目标观测问题,给出了未来需要进一步探讨的重要问题.最后,针对业务预报中广泛应用的集合(概率)预报方法,讨论了集合预报-概率预报的可预报性问题及其研究的挑战性,并强调了在随机动力系统中考虑IPL问题的重要性. 相似文献
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结合对流尺度集合预报的强局地性特征,提出了一种局地增长模培育法,并根据理想试验结果从扰动形态、离散度和预报均方根误差三个方面对局地增长模培育法进行了初步评估.局地增长模培育法在增长模培育法的基础上,引入影响半径.在培育过程中,通过计算每个格点的局地预报均方根误差与初始时刻全场预报均方根误差之比,对扰动进行缩放调整.试验结果表明,经过局地增长模培育法调整后的扰动,具有更多的局地化特征.对于扰动物理量与一些近地面气象要素而言,局地增长模培育法能够提高集合的离散度并降低预报均方根误差,提高集合预报系统性能.局地增长模培育法是一种不同于现有基于全局正交思路的初始扰动方法,充分考虑了对流尺度天气系统的局地性,有助于提高对流尺度集合预报的预报效果. 相似文献
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为了建立沿海风功率预报系统,本文探讨了中国沿海风电场风速预报问题,并利用数值模式RAMS对海陆风进行了模拟研究.发现海陆风发生时,海风和陆风阶段风速廓线存在较大差异,海风阶段风速的垂直切变明显小于陆风阶段.海陆风发生时,风速会呈现有规律的变化,即海风和陆风分别有两个时段：风速增加时段和风速减少时段.在为沿海风电场提供风速预报时,当模式预报到海陆风发生时,可以利用海陆风的这种特点,使用统计方法对预报出的风速进行有效的订正.并发现即使没有海陆风发生,当风向为海洋吹向陆地时,风速随高度的垂直切变同样小于陆地吹向海洋的时段.利用统计方法根据不同风向时风速廓线的特性,把数值模式计算高度上的预报结果,精确地插值到风机涡轮高度,会很大程度上减少风速预报的误差及风功率预报环节的误差. 相似文献
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提出了一种依据海洋伴随资料同化达到改进海洋观测方案的客观分析方法.针对一个"真实的海洋"进行不同空间断面(或对不同层次)的假设采样,分别将这些"不完备的观测"应用于Byran-Cox海洋环流模式的伴随系统,可以计算"不完备观测"同化以后的模式环流与"完备观测"资料同化(控制试验)得到的环流之间的距离--反演距离.由于海洋伴随资料同化所具有的局地修正效应和邻域修正效应,不同观测方案所对应的反演距离有着明显的差异.采用上述方法在一定观测代价下可以对大洋风生环流进行观测方案的优化分析. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2017,(9)
基于一个中等复杂程度模式(ICM)集合预报系统(EPS)产生的海表温度距平(SSTA)预报产品,从误差增长的角度探讨了2015/16超强El Nio事件的"春季可预报性障碍"(SPB)问题.通过分析集合预报成员预报误差的增长倾向,发现了2015/16 El Nio事件的预报误差增长呈现显著的季节依赖性,且在春/夏季具有最大增长率,表明ICM-EPS对2015/16 El Nio事件的预报发生了明显的SPB现象.进一步分析表明,上述SPB现象不是由ICM初始场的不确定性引起,而是由其模式误差导致,而ICM-EPS集合预报成员的平均滤掉了部分模式误差的影响,减弱了SPB现象,从而使得2015/16 El Nio事件的预报产生较小的预报误差.通过探讨由海温方程的倾向误差表征的模式误差,该研究揭示了导致SPB现象发生的倾向误差的主要空间特征,并阐明了ICM-EPS低估2015/16El Nio事件强度的原因.此外,本文也揭示了导致显著SPB现象,尤其是导致最大预报误差的SSTA倾向误差的结构特征.该倾向误差的SSTA分量具有赤道中东太平洋负异常,西太平洋正异常的纬向偶极子结构,与Duan等提出的最敏感非线性强迫奇异向量(NFSV)-倾向误差高度相似,从而表明NFSV-型倾向误差也存在于实际的El Nio预报中.该研究也探讨了其他超强El Nio事件,如1982/83和1997/98事件,得到了类似的结果.因此,如果利用NFSV-型倾向误差校正ICM模式误差,ICM-EPS可大大提高超强El Nio事件的预报技巧. 相似文献
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针对延伸期尺度的可预报分量,借鉴了CNOP相关算法,形成了在数值模式中提取可预报分量的实用方法和预报技术.从模式预报误差增长的角度将模式变量分为可预报分量和不可预报的混沌分量,将可预报分量定义为在预报时段内误差增长较慢的分量.基于现有的国家气候中心月动力延伸预报业务模式,建立了针对可预报分量的数值模式.同时结合历史资料有用信息,对数值模式的可预报分量,在历史资料的可预报分量中寻找相似场,降低了相似判断过程中变量的维数,进一步对可预报分量的预报误差进行订正.对混沌分量利用历史资料,通过集合预报方法得出其期望值和方差.数值试验结果表明,该方法能有效提高10～30天延伸期数值模式大气环流场的预报技巧,具有良好的业务应用前景. 相似文献
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利用中尺度模式WRFV2.2及NCEP再分析资料,以24h短期天气模拟的方式,模拟了我国2003年7月下旬江南及华南地区的高温天气,检验了模拟高温对不同陆面方案的敏感性.结果表明,模式总体上能模拟出≥35℃的气温分布形势,但模拟高温对不同陆面方案比较敏感,在模拟强度、TS评分及误差上存在较大差异,如从评分来看,SLAB方案模拟最好,RUC次之,NOAH再次之;不同陆面方案能模拟出方案之间的系统性差异,如三个方案中SLAB方案模拟平均绝对误差最小,模拟低层西太平洋副热带高压脊线最为偏东;不同的陆面方案主要通过模拟地表感热通量的变化影响地面气温变化,由不同方案引起的环流变化与地面气温变化之间的正反馈机制不重要,甚至在主要高温区存在＂负＂反馈.改进陆面方案对提高地面气温的数值预报能力具有重要意义. 相似文献
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采用著名的Lorenz63模式,数值研究了常数型最优强迫在校正数值模式中的作用.结果表明,当数值模式仅考虑由于参数误差导致的随状态变量发展变化的模式误差时,在数值模式倾向方程叠加常数型最优强迫能够很好地抵消该类模式误差对预报结果的影响;当数值模式未考虑观测中依赖于时间的随机过程时,常数型最优强迫也可以较好地抵消由随机过程导致的模式误差的影响.实际情形中,数值模式预报结果同时受到由随机过程和参数不确定性导致的模式误差及其相互作用的影响.结果表明,常数型最优强迫方法同样能够在很大程度上抵消该类混合型模式误差对预报结果的影响.综上所述,即使模式物理过程产生的模式误差是依赖于时间变化的,在模式中叠加常数型最优强迫校正模式的方法也可以在很大程度上抵消模式误差对预报结果的影响.常数型最优强迫方法可能是一个较好的校正模式和改进模式预报技巧的方法. 相似文献
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本文提出了分析区域地震台网地震定位能力的一种通用方法.在分析过程中考虑了如下事实:当改变地震震级和震源在台网区域内的位置时,能读出 P 震相和 S 震相到时的台站组合也随之改变.作为一个实例,具体分析了北京遥测地震台网的定位能力.北京台网现有19个台站,覆盖面积约为300公里400公里.根据观测资料,建立了确定每个台站检测能力(作为台站仪器放大倍数和地震震级的函数)的经验公式.然后,对每个给定震级和震源位置的可能事件,确定其子台网的构成.在这些子台网的基础上,利用奇异值分解技术,对事先设定的到时数据标准误差计算出震源座标的误差分布和线性化条件方程组的条件数分布.对给定震级(例如,ML=1.0,2.0或3.0),将计算结果绘成等值线图.为了进行比较,还分析了一个包括61个台站的北京台网扩建方案,从而可以预先估计未来台网的地震定位能力. 相似文献
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《中国科学:地球科学》2015,(11)
动力学粗糙度长度是大气数值模式和微气象计算的重要物理参数,其准确性会影响大气数值模式的性能和微气象计算水平.然而影响动力学粗糙度长度的因素很多,通常给出的动力学粗糙度长度参数往往只考虑单个因素的作用,其适应能力具有明显的局限性,往往给陆面动量通量(摩擦速度)的估算带来很大误差.本文利用近几年对动力学粗糙度长度与各种不同影响因素的参数关系的研究成果,构建了一个包含近地层大气动力特征、大气热力特征、植被自然生长规律、降水年际波动的生态效应和植被类型等多个影响因子的动力学粗糙度长度参数化方案,该参数化方案几乎考虑了平坦低矮植被动力学粗糙度长度的全部影响因素.同时,还利用兰州大学半干旱气候与环境观测站多年观测资料对该动力学粗糙度长度参数化方案的应用效果与其他实验方案进行了系统比较分析.发现该参数化方案计算的摩擦速度不仅远比用常数动力学粗糙度长度计算的摩擦速度误差小,而且也明显比仅考虑部分因素变化的其他参数化方案计算的摩擦速度误差小.与以往用固定不变的动力学粗糙度长度计算的摩擦速度相比,其与观测值的相关系数由0.752提高到了0.937,标准差和偏差分别降低了近20%和80%;其与观测值的平均值仅相差0.004 m s?1,相对误差仅1.6%左右,大大减少了近地层动量通量的估算误差.检验表明,本文构建的针对平坦低矮植被的动力学粗糙度长度的多因子普适性参数化方案可以为大气数值模式提供更加科学的参数化方案. 相似文献