Time-Expanded Sampling Approach for Ensemble Kalman Filter:Experiment Assimilation of Simulated Soundings          下载免费PDF全文

YANG Yi  GONG Zhongqiang  WANG Jinyan  LIU Xinhua 《Acta Meteorologica Sinica》2011,25(5):558-567

In the Ensemble Kalman Filter (EnKF) data assimilation-prediction system, most of the computation time is spent on the prediction runs of ensemble members. A limited or small ensemble size does reduce the computational cost, but an excessively small ensemble size usually leads to filter divergence, especially when there are model errors. In order to improve the efficiency of the EnKF data assimilation-prediction system and prevent it against filter divergence, a time-expanded sampling approach for EnKF based on the WRF (Weather Research and Forecasting) model is used to assimilate simulated sounding data. The approach samples a series of perturbed state vectors from Nb member prediction runs not only at the analysis time (as the conventional approach does) but also at equally separated time levels (time interval is △t) before and after the analysis time with M times. All the above sampled state vectors are used to construct the ensemble and compute the background covariance for the analysis, so the ensemble size is increased from Nb to Nb+2M￡Nb=(1+2M)×Nb) without increasing the number of prediction runs (it is still Nb). This reduces the computational cost. A series of experiments are conducted to investigate the impact of △t (the time interval of time-expanded sampling) and M (the maximum sampling times) on the analysis. The results show that if △t and M are properly selected, the time-expanded sampling approach achieves the similar effect to that from the conventional approach with an ensemble size of (1+2M)×Nb, but the number of prediction runs is greatly reduced.  相似文献   

气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM_2.5浓度模拟的影响研究     

宋佳琨  陈耀登  陈丹 《气象学报》2021,79(3):477-491

相比冬季大范围静稳条件下的污染堆积过程,秋季气象条件更加复杂和局地化,气象条件模拟不确定性给秋季气溶胶模拟带来了更大难度,且目前研究较少考虑气象-气溶胶因素在线模拟和联合同化。使用WRF/Chem模式和格点统计差值（GSI）三维变分同化系统,2015年10月进行了为期1个月的气象-气溶胶资料联合同化及模拟试验,并基于此讨论了气象-气溶胶资料联合同化对秋季PM_2.5浓度模拟的影响。结果表明,WRF/Chem模式可以模拟出秋季污染天气过程,但对华北平原和中东部地区存在高估、西北部存在低估现象;同化地面PM_2.5浓度观测资料可以改进对PM_2.5浓度的模拟,上述两个地区的偏差均得到订正,6 h预报偏差均降低至6 μg/m3以内;重点针对华北地区的分析表明,秋季PM_2.5污染过程与特殊气象条件（湿度升高、风场辐合、区域输送）密切相关,因此在地面PM_2.5观测资料同化基础上增加常规气象资料同化,能进一步提高对华北平原气象-污染过程的表达,PM_2.5浓度预报相关系数从0.86提高至0.89。气象-气溶胶联合资料同化能更加准确地模拟秋季气溶胶污染过程,为更好地开展污染成因和在气象预报框架下开展气象-气溶胶相互影响研究提供了基础。   相似文献   

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     

冯业荣  薛纪善  李梦婕  戴光丰 《气象学报》2021,79(6):902-920

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。   相似文献   

集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化中的应用研究Ⅱ：参数选取与数值试验     

龚建东  张林  王瑞春 《气象学报》2021,79(1):48-64

研究的第一部分讨论了如何有效应用集合预报误差的科学方案,确定了集合预报误差在GRAPES（Global Regional Assimilation and PrEdiction System）全球4DVar（four dimensional variational data assimilation）中应用的分析框架。在此基础上研究了针对集合预报误差实际应用于GRAPES全球4DVar,解决接近或超过100个集合样本数时高效生成的计算效率问题,以及与GRAPES全球4DVar匹配的同化关键参数确定问题。选择基于4DVar的集合资料同化方法生成集合样本,通过将第1个样本极小化迭代过程中产生的预调节信息用于其他样本极小化做预调节,将计算效率提高了2倍。通过时间错位扰动方法增加集合样本数,实现集合样本增加到3倍。对集合方差进行膨胀,并选择水平局地化相关尺度为流函数背景误差水平相关的1.4倍。通过批量数值试验方法确定背景误差与集合预报误差的权重系数,对60个集合样本当集合预报误差权重为0.7时预报效果最好。对北半球夏、冬两季各52 d的批量试验表明,对于南、北半球En4DVar （ensemble 4DVar）较4DVar的改进在冬季主要集中在700—30 hPa,而在夏季主要集中在400—150 hPa。赤道地区受季节影响较小,En4DVar对位势高度、风场与温度的改进都较为明显,且经向风场的改进最为显著。文中研发的集合预报误差在GRAPES全球4DVar中应用的方法合理可行。   相似文献   

循环同化雷达资料对一次飑线系统临近预报的改进作用     

董琪如  邱晓滨  王莹  王泽林  李季  梁绵 《气象与环境学报》2021,37(3):1-11

利用WRF（Weather Research Forecast）模式及其3D-Var（Three-Dimensional Variational assimilation）变分系统,针对2017年7月7日一次飑线进行了雷达资料的循环同化敏感性试验。结果表明：以循环同化雷达资料至飑线成熟期时刻的试验预报效果最好,主要原因在于预报的低层西北冷空气较强,从而导致较强的低层切变,再配合强的热力不稳定条件从而使飑线的发展得以维持。通过七组试验对比表明,对于单次雷达资料,同化的时机更为重要。同化飑线成熟阶段的雷达反射率,对低层热力层结有改善作用,为飑线发展提供了不稳定能量;对于循环同化,通过观测的影响和模式自身的热动力调整,对流场也有较好的修正作用,为对流系统的持续发展提供了充分的动力条件。  相似文献   

基于闪电定位和雷达资料的邵阳地区雷电预报预警研究     

周明薇  王道平  罗龙友  王少娟  郭斌 《气象与环境学报》2021,37(3):117-124

选取2018年夏季邵阳地区的17个雷暴单体和9个非雷暴单体,分析了单体30 dBz、35 dBz和40 dBz回波顶高及0℃、-10℃和-20℃层超过30 dBz、35 dBz和40 dBz的回波面积与闪电发生的关系,利用40 dBz回波顶高、-10℃层以上超过40 dBz的回波面积及其与单体总面积的百分比对该地区闪电进行预报。结果表明：雷暴单体和非雷暴单体在回波强度为40 dBz时,超过0℃、-10℃和-20℃三种层结高度所占百分比的差值最大。-10℃层的40 dBz回波顶高较其他层结高度能更好地区分邵阳地区的雷暴单体与非雷暴单体。-10℃层以上超过40 dBz的面积所占单体总面积百分比大于1%这一阈值时,可作为区分雷暴单体和非雷暴单体的一个有效预警指标。综合使用40 dBz回波顶高、-10℃层以上超过40 dBz的回波面积及其与单体总面积的百分比对12个单体样本进行检验,雷暴单体预报的准确率达66.7%,非雷暴单体判断的准确率为83.3%。  相似文献   

2010—2018年辽宁省雷电流幅值特征分析     

程攀  曾杨  程雷  庞文静  肖光梁  荣先远 《气象与环境学报》2021,37(4):107-113

基于辽宁省2010-2018年闪电定位（ADTD）资料,运用统计学方法分析了雷电流幅值时间变化特征;运用规程计算公式和IEEE推荐公式分别计算了雷电流幅值累积概率密度,并和实际地闪雷电流幅值累积概率密度曲线做了对比分析;运用最小二乘法拟合了IEEE推荐公式。结果表明：2010-2018年辽宁省地闪以负闪为主,占比高达89%,而负地闪雷电流幅值主要集中于-50~-20 kA;地闪频次在2011-2013年逐年升高,而后逐年减少,总地闪和负地闪的平均雷电流幅值自2010-2013年逐年降低,而后逐年升高;地闪主要发生在汛期的7-8月,平均雷电流幅值在冬季最高,且日变化平稳;雷电流幅值为20-50 kA的总地闪和负地闪累积概率密度曲线下降最快,而雷电流幅值在20 kA左右的累积概率密度曲线开始下降,总体下降速度较慢;通过对IEEE推荐公式进行拟合,拟合后的雷电流幅值累积概率密度分布曲线更加接近实际。  相似文献   

Contributions of Fuqing ZHANG to Predictability,Data Assimilation,and Dynamics of High Impact Weather: A Tribute     

Zhiyong MENG  Eugene E.CLOTHIAUX 《大气科学进展》2022,39(5):676-683

This article reviews Fuqing ZHANG’s contributions to mesoscale atmospheric science,from research to mentoring to academic service,over his 20-year career.His fundamental scientific contributions on predictability,data assimilation,and dynamics of high impact weather,especially gravity waves and tropical cyclones,are highlighted.His extremely generous efforts to efficiently transmit to the community new scientific knowledge and ideas through mentoring,interacting,workshop organizing,and reviewing are summarized.Special appreciation is given to his tremendous contributions to the development of mesoscale meteorology in China and the education of Chinese graduate students and young scientists.  相似文献   

Possible link between new coronavirus variants and atmospheric lightning and seawater intrusion          下载免费PDF全文

Jianping Huang  Yingjie Zhao  Danfeng Wang 《大气和海洋科学快报》2022,15(1):100135

自新型冠状病毒肺炎暴发一年多以来,已经对全球产生深远影响.新型冠状病毒肺炎变异毒株的出现使当前疫情发展充满了不确定性.从这方面出发,我们讨论病毒变异与大气因素之间的联系.根据固氮过程和硝酸盐在人体中的转化过程,我们提出了新型冠状病毒肺炎变异毒株的出现或许和闪电以及海水入侵有联系.我们的研究对新型冠状病毒肺炎变异毒株可能的产生原因提供新的观点.  相似文献   

再分析资料和陆面数据同化资料土壤湿度产品在中国北方地区的适用性评估          下载免费PDF全文

刘维成  徐丽丽  朱姜韬  段伯隆  孙义  郑涛 《大气科学学报》2022,45(4):616-629

土壤湿度是地球系统模拟的重要参数之一,准确获得其时空分布和变化特征是研究陆-气相互作用的基础。再分析资料和陆面数据同化资料均可提供全球或区域高分辨率土壤湿度产品,但在使用前需要对其进行评估分析。利用土壤湿度观测数据,计算ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、CRA40再分析资料和GLDAS-Noah、GLDAS-CLSM、CLDAS陆面数据同化资料土壤湿度产品与观测数据的中位数、模拟偏差、相关系数等统计指标,并分季节和气候区讨论不同土壤湿度产品在中国北方地区的模拟效果。结果表明:整体来看,CRA40与观测值的相关性最好,ERA5和ERA5-Land分别对干中心、湿中心模拟效果更好,GLDAS-Noah对于较干土壤地区模拟略偏湿,CLDAS对较湿土壤地区模拟结果以系统性偏干为主,NCEP-DOE R2和GLDAS-CLSM模拟效果较差;ERA5、ERA5-Land、NCEP-DOE R2、GLDAS-Noah和CLDAS在所有季节均为模拟正偏差,春季模拟效果较好的是CRA40、ERA5-Land,夏季和秋季ERA5-Land、ERA5和CRA40与观测值相关性较好,不同产品模拟的冬季土壤湿度和观测值相关性是全年中最小的;不同土壤湿度产品在干旱区以模拟偏湿为主,GLDAS-Noah模拟效果最佳,但模拟土壤湿度峰值和谷值的出现时间较观测较早,GLDAS-Noah、CRA40、ERA5能较好模拟季风区干、湿土壤的持续时段和土壤湿度变化振幅,大部分产品能模拟出夏季风影响过渡区较干土壤和较湿土壤的出现时间。  相似文献