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1.
本文通过深入分析伴随敏感性（ADS）方法、第一奇异向量（LSV）方法、以及条件非线性最优扰动（CNOP）方法在目标观测敏感区识别方面的原理,提出了非线性程度的概念和计算方法,考察了转向型和直线型台风的非线性程度,分析了上述三种方法在不同非线性程度下识别的敏感区的异同,同时对比了转向型和直线型台风的敏感区的差异,并通过敏感性试验探讨了在不同非线性程度下以及在转向型与直线型台风中,预报对敏感区内初值的敏感性程度,进而探讨台风目标观测在不同情况下的有效性。结果表明,转向型台风的非线性程度差别比较大,或者特别强,或者特别弱;而直线型台风非线性程度居中,不同台风个例之间的非线性程度差别较小。对于非线性较弱的台风,三种方法识别的敏感区较为相似,而对于非线性较强的台风,LSV方法与ADS方法识别的敏感区较为相似,但是与CNOP方法识别的敏感区具有较大的差别。对于转向型台风,敏感区主要位于行进路径的右前方,而对于直线型台风,敏感区主要位于初始台风位置的后方。敏感性试验表明,不论台风非线性强弱,转向还是直行,CNOP敏感区内的随机扰动发展最大,而LSV敏感区内叠加的随机扰动发展次之,ADS敏感区内叠加的扰动发展最小;此外,非线性弱的台风,扰动的发展大于非线性强的台风的扰动的发展,表明非线性弱的台风预报受初值影响更大,目标观测的效果可能会更明显。 相似文献
2.
本文总结了近年来条件非线性最优扰动方法的应用研究的主要进展.主要包括四个方面:(1)将条件非线性最优扰动(CNOP)方法拓展到既考虑初始扰动又考虑模式参数扰动,形成了拓展的CNOP方法.拓展的CNOP方法不仅能够应用于研究分别由初始误差和模式参数误差导致的可预报性问题,而且能够用于探讨初始误差和模式参数误差同时存在的情形;(2)将拓展的CNOP方法分别应用于ENSO和黑潮可预报性研究,考察了初始误差和模式参数误差对其可预报性的影响,揭示了初始误差在导致ENSO和黑潮大弯曲路径预报不确定性中的重要作用;(3)考察了阻塞事件发生的最优前期征兆(OPR)以及导致其预报不确定性的最优增长初始误差(OGR),揭示了OPR和OGR空间模态及其演变机制的相似性及其局地性特征;(4)研究了台风预报的目标观测问题,用CNOP方法确定了台风预报的目标观测敏感区,通过观测系统模拟试验(OSSEs)和/或观测系统试验(OSEs),表明了CNOP敏感区在改进台风预报中的有效性.具体地,台风OGR的主要误差分布在某一特定区域,空间分布具有明显的局地性特征,在台风OGR的局地性区域增加观测,有效改进了台风的预报技巧,该区域代表了台风预报的初值敏感区.事实上,上述El Ni(n)o事件、黑潮路径变异以及阻塞事件的OGR的空间分布也具有明显的局地性特征,这些事件的OGR刻画的局地性区域可能也代表了初值敏感区. 相似文献
3.
对近年来利用条件非线性最优扰动（Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP）方法开展的黑潮目标观测研究进行了总结,主要包括日本南部黑潮路径变异的目标观测研究、黑潮延伸体模态转变的目标观测研究和源区黑潮流量变化的目标观测研究。通过计算这些事件的CNOP型扰动,发现这些事件的CNOP型扰动具有局地特征,可以作为实施目标观测的敏感区。理想回报试验结果表明,如果在由CNOP方法识别的敏感区内实施目标观测,则会大幅度提高上述事件的预报技巧。 相似文献
4.
《气象科学进展》2016,(6)
介绍了条件非线性最优扰动(Conditional Nonlinear Optimal Perturbation,CNOP)的定义及其在大气和海洋等可预报性研究中的应用。根据研究对象不同,CNOP分为与初始扰动有关的CNOP(CNOP-I)方法、与模式参数扰动有关的CNOP(CNOP-P)方法和同时考虑初始扰动和模式参数扰动的CNOP方法。目前,CNOP-I方法已经应用于ENSO、黑潮和阻塞可预报性以及热盐环流和草原生态系统稳定性的研究。此外,CNOP-I方法也被应用于探讨台风目标观测的研究,利用CNOP-I方法能够识别出台风预报的初值敏感区,通过观测系统模拟试验表明在初值敏感区增加观测能够有效改进台风的预报技巧。CNOP-P方法也在ENSO和黑潮可预报性以及热盐环流和草原生态系统稳定性研究中得到了应用。为了将CNOP方法应用于更多的领域,本文利用一个简单的Burgers方程,介绍了如何通过建立Burgers方程的切线性模式和伴随模式,从而利用非线性最优化算法计算获得CNOP。这一数值试验为将CNOP方法应用于更多的领域提供了借鉴。 相似文献
5.
目标观测是有效提升观测效能和观测质量的一种观测策略,其核心部分是敏感区的识别。本文在Lorenz-96模式上比较了奇异向量法(SVs)、集合变换卡尔曼滤波法(ETKF)和条件非线性最优扰动法(CNOP)识别敏感区的优劣,并尝试揭示ETKF方法性能不稳定的原因与机制。试验结果表明:在312h内的不同预报时刻,CNOP方法识别的敏感区范围较小且对预报效果的提升率最高;SVs方法识别的敏感区对72h内的预报有较好的改进,但72h后改进程度急剧下降,到120h后基本失效;ETKF方法识别的敏感区在72h内不如其他方法的效果好。此外,在ETKF方法识别的敏感区与随机选取的敏感区对比中发现,由于ETKF方法操作时采用顺序观测资料处理方案搜寻敏感区,本质上忽略了观测资料间的相关性,导致ETKF方法识别出的敏感区并不一定是全局信号方差最大的区域,对预报效果的改善有限,这也说明了如何优化敏感区搜寻方案是提高ETKF方法效能的关键。 相似文献
6.
条件非线性最优扰动在长江中下游地区冬季暴雨中的应用研究 总被引：1，自引：0，他引：1
为了提高长江中下游地区高影响天气的数值预报,利用条件非线性最优扰动(CNOP)方法,对一次长江中下游地区冬季降水个例(高影响天气事件)进行目标观测研究,并通过观测系统模拟试验(OSSE)检验了该方法确定敏感区的有效性和可行性。试验结果表明,CNOP方法可有效识别对应于高影响天气事件的敏感区。通过对敏感区进行初始场修正后,可明显改善验证区内24 h累积降水预报误差和总能量预报误差。进一步分析发现,通过改善敏感区内的初始场信息(如水汽通量场和低层冷空气活动等),使得数值模式不仅能更真实刻画该天气系统的初始结构,还能更好模拟出该天气系统随时间的演变特征,因而减少了验证区内对该天气系统的预报误差。这一结果表明可以把CNOP方法应用于长江中下游地区高影响天气事件的目标观测研究或实践中。 相似文献
7.
条件非线性最优扰动方法在适应性观测研究中的初步应用 总被引：12，自引：3，他引：12
针对适应性观测中敏感性区域的确定问题，考虑初始误差对预报结果的影响, 比较了条件非线性最优扰动(CNOP)与第一线性奇异向量(FSV)在两个降水个例中的空间结构的差异，考察了它们总能量范数随时间发展演变的异同。结合敏感性试验的分析，揭示了预报结果对CNOP类型的初始误差的敏感性要大于对FSV类型的初始误差的敏感性，因而减少初值中CNOP类型误差的振幅比减少FSV类型的收益要大。这一结果表明可以把CNOP方法应用于适应性观测来识别大气的敏感区。关于将CNOP方法有效地应用于适应性观测所面临的挑战及需要采取的对策等也进行了讨论。 相似文献
8.
一种求解条件非线性最优扰动的快速算法及其在台风目标观测中的初步检验 总被引：2，自引：0，他引：2
条件非线性最优扰动(CNOP)是Mu等2003年提出的一个新的理论方法,它是线性奇异向量在非线性情形的推广,克服了线性奇异向量不能代表非线性系统最快发展扰动的缺陷,成为非线性系统可预报性和敏感性等研究新的有效工具.然而,由于以往CNOP的求解需要采用伴随技术,计算量相当巨大,限制了该方法的推广应用.为了克服这一困难,本文基于经验正交分解(EOF),提出了一种求解CNOP的快速算法,利用GRAPES区域业务预报模式实现了CNOP快速计算,并在台风"麦莎"的目标观测研究中得到初步检验,通过观测系统模拟实验(OSSE)检验了该方法确定敏感性区域(瞄准区)的有效性和可行性.试验结果表明,用快速算法求解的CNOP,其净能量随时间快速地发展,而且发展呈非线性.在台风"麦莎"个例的目标观测试验中,用快速算法得到的预报时间为24 h的CNOP可以有效地识别瞄准区,并通过瞄准区内初值的改善,可明显减少目标区域(检验区)内24 h累计降水预报误差.尤其,累计降水预报的这种改进效果能够延伸到更长时间(如72 h),尽管检验时间是设在第24小时.进一步分析发现,24 h累计降水预报误差的减少是通过利用瞄准区内改善的初值改进初始时刻台风暖心结构、高空相对涡度以及水汽条件等而得以实现的. 相似文献
9.
在基于条件非线性最优扰动(CNOP)的台风适应性观测研究中,针对预报模式的湿物理参数化产生的“on-off”开关导致传统伴随方法不能为最优化过程提供正确梯度这一现象,将模式含有“on-off”开关时求解CNOP的问题视为非光滑最优化问题,引入遗传算法,在给出详细的算法流程后,以一个在强迫项中含“on-off”开关的理想模式,分析了“on-off”开关对求解CNOP的影响,三个数值试验检验了模式含有“on-off”开关时遗传算法求解CNOP的有效性,并分析了不同初始种群对最优化结果的影响。结果显示,所采用的含有“on-off”开关的理想模式下,遗传算法能有效求解CNOP,最后对遗传算法求解CNOP的优缺点进行了详细讨论。 相似文献
10.
目前常用的流函数-势函数(ψ-χ)和水平风分量(U-V)两种动力控制变量方案分别被认为适用于大尺度同化和对流尺度同化,而两种方案在台风尺度同化中的具体特征及其对台风预报的影响尚未明确。基于WRF-3DVarDA系统,分析不同动力控制变量方案的背景场误差协方差的统计特征,并进行了单点观测同化理想试验和5场台风过程的20组连续循环同化和预报批量试验。两种动力控制变量方案的背景场误差协方差的统计特征分析表明,ψ-χ方案背景场误差更小、长度尺度更大,而U-V方案的局地性特征更明显,方差更大;单点观测试验证实了两种方案的统计特征,也表明ψ-χ作为控制变量会导致虚假负增量的出现;批量试验表明,U-V方案的台风路径、最大风速以及台风强度的整体优于ψ-χ方案;诊断分析表明,U-V方案得到的更合理的热动力结构特征是提高台风预报的主要原因。 相似文献
11.
QIN Xiao-Hao 《大气和海洋科学快报》2010,3(3):170-175
In this paper, several sets of observing system simulation experiments (OSSEs) were designed for three typhoon cases to determine whether or not the additional observation data in the sensitive regions identified by conditional nonlinear optimal perturbations (CNOPs) could improve the short-range forecast of typhoons. The results show that the CNOPs capture the sensitive regions for typhoon forecasts, which implies that conducting additional observation in these specific regions and eliminating initial errors could reduce forecast errors. It is inferred from the results that dropping sondes in the CNOP sensitive regions could lead to improvements in typhoon forecasts. 相似文献
12.
This study examines the time and regime dependencies of sensitive areas identified by the conditional nonlinear optimal perturbation(CNOP) method for forecasts of two typhoons.Typhoon Meari(2004) was weakly nonlinear and is herein referred to as the linear case,while Typhoon Matsa(2005) was strongly nonlinear and is herein referred to as the nonlinear case.In the linear case,the sensitive areas identified for special forecast times when the initial time was fixed resembled those identified for other forecast times.Targeted observations deployed to improve a special time forecast would thus also benefit forecasts at other times.In the nonlinear case,the similarities among the sensitive areas identified for different forecast times were more limited.The deployment of targeted observations in the nonlinear case would therefore need to be adapted to achieve large improvements for different targeted forecasts.For both cases,the closer the forecast time,the higher the similarities of the sensitive areas.When the forecast time was fixed,the sensitive areas in the linear case diverged continuously from the verification area as the forecast period lengthened,while those in the nonlinear case were always located around the initial cyclones.The deployment of targeted observations to improve a special forecast depends strongly on the time of deployment.An examination of the efficiency gained by reducing initial errors within the identified sensitive areas confirmed these results.In general,the greatest improvement in a special time forecast was obtained by identifying the sensitive areas for the corresponding forecast time period. 相似文献
13.
采用预报涡旋的初始化方案对2015年台风“莲花”、“灿鸿”的试验研究 总被引：2，自引：1，他引：2
提出了一种采用预报涡旋的初始化方案,用预报涡旋代替bogus模型参与构建模式初始场,采用权重形式合成预报涡旋和分析涡旋获取台风初始涡旋。针对2015年“莲花”和“灿鸿”台风,基于该初始化方案设计了一系列对比试验进行数值模拟,并对结果进行分析。结果表明:(1)该方案得到的台风初始涡旋结构比bogus模型合理;(2)预报涡旋权重不宜取太大;(3)从长时效预报效果看,采用24 h内预报涡旋比采用长时效预报涡旋台风的路径和强度误差减小;(4)采用同一权重方案对“莲花”、“灿鸿”预报的改进效果不同,其原因与预报涡旋和分析涡旋的协调程度有关。多台风情形下可在初步评估的基础上采用不同时效的预报涡旋和不同权重方案。 相似文献
14.
Observation System Experiments for Typhoon Nida (2004) Using the CNOP Method and DOTSTAR Data 
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下载免费PDF全文 CHEN Bo-Yu 《大气和海洋科学快报》2011,4(2):118-123
This study investigated the influence of dropwindsonde observations on typhoon forecasts. The study also evaluated the feasibility of the conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP) method as a basis for sensitivity analysis of such forecasts. This sensitivity analysis could furnish guidance in the selection of targeted observations. The study was performed by conducting observation system experiments (OSEs). This research used the fifth-generation Mesoscale Model (MM5), the Weather Research and Forecasting (WRF) model, and dropsonde observations of Typhoon Nida at 1200 UTC 17 May 2004. The dropsondes were collected under the operational Dropsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region (DOTSTAR) program. In this research, five kinds of experiments were designed and conducted:(1) no observations were assimilated; (2) all observations were assimilated;(3) observations in the sensitive area revealed by the CNOP method were assimilated;(4) the same as in (3), but for the region revealed by the first singular vector (FSV) method;and (5) observations within a randomly selected area were assimilated. The OSEs showed that (1) the DOTSTAR data had a positive impact on the forecast of Nida’s track;(2) dropsondes in the sensitive areas identified by the MM5 CNOP and FSV remained effective for improving the track forecast for Nida on the WRF platform;and (3) the greatest improvement in the track forecast resulted from the CNOP-based (third) simulation, which indicated that the CNOP method would be useful in decision making about dropsonde deployments. 相似文献
15.
Considering the feature of tropical cyclones (TCs) that strong positive vorticity exists in the lower layers of troposphere, this study proposed to use vorticity at 850 hPa as cost function to find the conditional nonlinear optimal perturbation (CNOP), which was largely different from those previous studies using total energy of perturbed forecast variables. The CNOP was obtained by an ensemble-based approach. All of the sensitive areas determined by CNOP with vorticity at 850 hPa as cost function for the three cases were located over the TC core region and its vicinity. The impact of the CNOP-based adaptive observations on TC forecasts was evaluated with three cases via observational system simulation experiments (OSSEs). Results showed obvious improvements in TC intensity or track forecasts due to the CNOP-based adaptive observations, which were related to the main error source of the verification area, i.e., intensity error or location error. 相似文献
16.
2011年“洛克”和“桑卡”双台风预报效果的初值试验研究 总被引：1，自引：3，他引：1
采用南海台风模式,对2011年业务预报误差较大的台风“洛克”（1115）和“桑卡”（1116）双台风的初值方案进行试验和研究,目的在于寻求改进预报的线索,从而提升台风模式性能。针对“洛克”和“桑卡”台风设计了几组初值方案对比试验,结果表明,仅对弱台风“桑卡”进行重定位和bogus的初值处理,与对双台风都进行初值处理相比较,两台风的路径预报误差减小。分析认为仅对弱台风作初值处理以改善其涡旋环流的影响是该双台风路径预报得以改进的原因。对2011—2012年所有弱台风进行批量预报试验,结果表明对弱台风采用重定位和bogus的初值处理,台风路径预报和强度预报的误差减小。对弱台风进行重定位和bogus初值处理,可改善模式对弱台风的预报效果。此外,目前南海台风模式中现有的bogus方法构造的涡旋相对于弱台风而言云顶偏高,可考虑发展针对弱台风的涡旋模型。 相似文献