（气象学专业论文）gps掩星资料三维变分同化及对台风预报的改进试验.pdf

中文摘要 一直以来，台风的登陆问题倍受人们的关注。过去由于探测技术的不完善 和海上观测资料的不足，对台风登陆问题的研究十分有限。近年来，随着大气 探测技术的迅速发展，g p s 掩星折射率等一系列高时空分辨率的非常规资料的 应用弥补了海上观测资料的不足，通过各种同化方法把这些资料应用到数值模 式中去改善初始场，从而大大地提高了台风预报的准确性。 本文在w r f 模式及其三维变分同化系统的基础上，同化了c o s m i c 和 c h a m p 掩星反演的大气w e t p r f 格式资料，考查同化前后对0 7 0 9 号台风“圣帕 路径、强度、降水等方面的改进，初步探讨了g p s 掩星资料在台风预报试验中 的应用。结果表明单点同化试验初始气压、温度、比湿增量场具有对称性结构； 多点同化试验则具有非对称性结构。同化g p s 掩星资料后对“圣帕”的路径和 强度改进并不明显，但对降水结构有较大的调整，说明同化该资料在水汽方面 的回馈较大。1 2 h 的间歇同化试验说明不断地加入g p s 掩星资料对“圣帕”预 报有正面的影响。 利用风云二号卫星f y 2 c 反演的云导风资料，结合g p s 掩星资料加入到“圣 帕”初始场中做1 2 h 间歇同化试验。结果表明：同时同化两种资料后对“圣帕” 路径和降水分布虽无太大改进，但在强度和台风中心最大风速方面改进较明显。 g p s 掩星折射率反演的大气气压、温度、水汽信息并结合云导风资料的同时同 化试验，一定程度上弥补了单独同化g p s 资料缺少风场信息的空白，对探讨多 种非常规资料结合同化对台风预报的改进提供了一种新的思路。 关键词：g p s 掩星资料，云导风，三维变分同化，台风预报，数值试验 a b s t r a c t d i s a s t e r sb r o u g h tb yt y p h o o na r e u s u a l l yi nt h eb e f o r ea n da f t e rl a n d i n g ，d u et op a s t s e ae x p l o r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h el i m i t e do b s e r v a t i o n a ld a t a ，l a n d e dt h eq u e s t i o n r e s e a r c ht ot h et y p h o o nt ob el i m i t e d i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ea i rs o u n d i n g t e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t ，g p so c c u l t a t i o nr e f r a c t i v i t yd a t a ( g p s r f ) s e r i e so f h i g h s p a t i ma n dt e m p o r a lr e s o l u t i o no ft h eu n c o n v e n t i o n a li n f o r m m i o nm a k e su pf o rt h e s h o r t a g eo fo c e a no b s e r v a t i o n a ld a t a , u s i n gt h ea s s i m i l a t i o nw a y ，a p p l i c a t i o no f u n c o n v e n t i o n a ld a t ai nm o d e lm a yb ee f f e c t i v ei ni m p r o v i n gt h em o d e li n i t i a lf i e l d s i nt h i s s t u d y , t h e w e a t h e rr e s e a r c ha n d f o r e c a s t i n g ( w r f ) m o d e l w i m t h r e e - d i m e n s i o n a ld a t aa s s i m i l a t i o n ( 3 d v a r ) i su t i l i z e dt oi n v e s t i g a t ei n f l u e n c e so f g p s r fd a t at a k e nf r o mc o s m i ca n dc h a m ps a t e l l i t e so ns i m u l a t i o n so ft y p h o o n “s e t p a o nt h i sb a s i s ，t h et r a c k ，d e n s i t y , a n dp r e c i p i t a t i o no f “s e t p a a r ea n a l y s e d w i t hg p s r fd a t ai nt h ea p p l i c a t i o n t h er e s u l t si n d i c a t e dt h eg p s r fd a t ah a v e b e n e f i ti nt e r m so ft h ew a t e rv a p o r g p s r fd a t aa s s i m i l a t i o ns h o w e dt h ep o s i t i v e i m p a c to np r e c i p i t a t i o nr a t h e rt h a nt r a c ka n dd e n s i t yf o r e c a s t a s s i m i l a t i o nw i t ht h e 12 h c y c l i n ge x p e r i m e n tg a v eb e t t e rt r a c kf o r e c a s tt h a nt h ec o l d s t a r tr u n sb e c a u s e m o r eo b s e r v a t i o ni n f o r m a t i o nw a si n g e s t e di n t ot h ei n i t i a lc o n d i t i o n a l t h o u g hg p s r fd a t ac a np r o v i d eu s e f u li n f o r m a t i o no nt h et h e r m o d y n a m i c v a r i a b l e s ，t h e yl a c kt h ea b i l i t yt om e a s u r ew i n d s o 。c l o u dd r i f tw i n dd a t at a k e nf r o m f y - 2 cs a t e l l i t ew e r ei n g e s t e di n t ot h em o d e l t h er e s u l t d i s p l a y st h ef u r t h e r i m p r o v e di nt h ed e n s i t ya n dw i n df i e l do f s e t p a ”，b u tw i t ht r a c ka n dp r e c i p i t a t i o n 1 e s si n f e c t e d k e yw o r d s ：g p so c c u l t a t i o nr e f r a c t i v i t yd a t a , c l o u dd r i f tw i n d ，3 d v a r ，t y p h o o n f o r e c a s t ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：基辋旨终： 日 期：z q 垒：垒：丝 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索：有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：塞垒筮 日 期：望全签：竺：! 竺 1 1 选题的意义 第一章前言 当前数值天气预报( n w p ) 已成为一种重要的天气预报手段。要准确地制作 数值天气预报必须具备两个基本条件：一是预报模式能足够精确地反映天气过 程的演变规律；二是模式初值能足够精确地反映初始时刻的大气状态。 随着数值预报技术的日益完善和计算能力的迅速提高，以及人们对大气中 各种物理过程的深入了解，各种数值模式能够越来越准确地描写天气过程的演 变和发展。但这些模式在应用时常因初值不理想而难以发挥其应有的作用。数 值模式的初始场是由观测资料提供的，创建适合模式的初始场应满足两个基本 要求：一是初始场必须在时间和空间上接近观测值；二是必须满足真实大气动 力和统计关系川。早期的数值预报主要是利用定时的常规观测资料( 地面观测、 探空、测风等) 为数值模式提供初值，但常规资料存在着时空分辨率低，空间 分布不均匀性等缺点，再加上高原、沙漠、海洋地区的常规测站非常稀少，仅 依靠这些常规资料难以形成较准确的模式初始场。近年来，随着卫星、雷达等 遥感技术的发展，各种非常规观测资料迅速增多，具有覆盖范围广、时空间密 度大等优点。如何有效地综合利用各种不同层次、不同类型的观测资料，为数 值预报模式提供一个动力上协调的最优初始场，来提高数值预报效果，就是所 谓的资料同化问题【2 】。资料同化包括以下两层基本含义：一是如何合理地利用 各种精度不同的非常规观测资料，把它们与常规观测资料融合为一个有机的整 体，为数值预报提供一个更好的初始场；二是如何综合利用不同时次的观测资 料，将这些资料中所包含的时间演变信息转化为要素场的空间分布状况。而更 广义的资料同化含义应该如d a l e y l 3 】指出的，一个同化循环的内容应该包括质量 控制、客观分析、初始化和为下一次同化的背景场所做的短期预报。同化的功 能也不单单是为数值预报构造初值，在观测系统的评估、资料分析、目标性观 测研究等方面也有着广泛应用。 台风的登陆问题一直以来都是台风研究中的一个重点和难点。过去由于探 测技术落后和海上观测资料不足，对台风登陆前后的研究十分有限。近年来， 随着大气探测技术的发展，气象卫星资料等一系列高时空分辨率的非常规资料 的应用一定程度上弥补了洋面上观测资料的不足，有效地改善了台风预报的初 始场。随着气象卫星观测频道的增加和微波技术的发展，除过去利用可见光或 红外线资料外，逐步增加了s s m i 、g p s 掩星资料、q u i k s c a t 、云导风等观测 台风的资料产品供参考，这些卫星资料的优点是可以迅速地获取大量海洋上空 的气象信息，其水平解析度较大，而其中g p s 掩星资料的垂直解析度是目前公 认最高的一种。如何合理地利用这些资料来改进数值预报的初始场是当前重要 的研究课题。 1 2 资料同化方法的研究进展 资料同化是利用切有用的信息( 大气运动的物理规律，观测资料，观测资 料的不确定性，待定量的气候状态估计) ，尽可能准确地估计处于某一时刻的大 气状态。气象上把p a n o f s k y ( 1 9 4 9 ) 的开创性工作作为资料同化的真正的开端。他 用一个多项式展开去拟合包含数个分析格点的一小块分析区域中所有观测点。 同时尝试了将动力约束( 地转关系) 引入其方法以协调风场和质量场，第一次实 现了真正意义上的客观分析。g i l c h r i s t 和c r e s s m a n ( 1 9 5 4 ) 在此基础上，针对 p a n o f s k y 方法中不同区域间分析的不连续性，提出了“区域多项式”插值方案。 通过拟合每个分析格点影响区域的所有观测值，实现了客观分析的重大改进。 后来，各种新的资料同化方法逐步发展起来，主要包括牛顿松弛法、最优插值 法、统计动力法、卡尔曼滤波法和变分同化方法等。 牛顿松弛法又称松弛逼近( n u d g in g ) ，是由h o k e 【4 提出的一种连续性及经 验性的动力学同化方法。该方法在预报开始之前的一段时间内，通过在一个或 2 几个预报方程中增加一个与预报和实况的差值成比例的虚假倾向项，在可使用 观测资料的时段内，使模式解逼近实测资料，并使变量之间达到动力协调。具 体做法是在数值模式积分的指定同化时段内修改预报方程，即在动力方程后增 加松弛项，使得预报值在同化时段内逐步逼近指定时刻的观测值，同时又能有 效地阻尼由于资料插入而激发的重力惯性波。这种同化方法比较简单，易于实 现任何在时空分布上与模式变量相对应的资料，因此得到广泛的应用。但它一 个最大的缺点是不能同化非模式变量的观测资料。 气象学家一直在探索对进入分析系统的资料( 包括观测值，初猜值和系统 的物理特性) 最优的使用方法，但由于没有直接的方法来定义这种最优权重， 所以只能寻求实现分析值与真值之差的平均意义上的最小算法。统计方法的引 入，成为资料同化方法发展道路上的一个重要里程碑。 g a n d i n 【5 j 在e l i a s s e n ( 1 9 5 4 ) - 1 - 作的基础上，通过引入统计方法，推导出多元 最优插值方程，提出了最优统计插值法( o p t i m u mi n t e r p o l a t i o n ) 0 i 该方法是 基于要素场本身统计结构的一种客观分析方法，这种方法要求各气象要素分析 场在统计意义下的均方根误差最小。背景场的引入使得这种方法比早期的初等 同化方法有着明显的优越性。它的优点在于：1 、能够考虑观测点分布的不均一 性，以及不同观测类型资料的误差水平，便于将资料检查过程结合进来，也便 于推广到三维分析，改善分析在垂直方向的协调性；2 、观测值的权重主要取决 于观测本身之间的关系，而不是取决于观测点之间的空间分布，因而在统计理 论上看更为合理。最优插值法实际上仍然是一种线性回归技术，通过回归产生 的初始场在大量分析基础上，使二次平均误差最小而得出的观测资料的线性组 合。这种同化方法也存在着自身缺点：1 、当维数扩展到时间维时，在连接大气 演变的非线性动力模式时，其最优插值向时间维扩展是一个困难的问题；二是 由于它毕竟是一种统计方法，利用它所得到的分析场就会过于平滑，这就有可 能抑制对于中尺度预报而言十分重要的中小尺度过程，因而不太适合用于中尺 度数值模式进行预报。 3 统计动力法是一种间歇的资料同化方法，它综合利用最优插值法的统计特 性和数值模式的动力特性对不同时次、不同类型的资料进行同化。具体做法是： 第一步，以预报值为初估场，用最优插值法将指定时刻前后3 h 内的所有观测资 料做一次客观分析，得到初步同化后的分析场；第二步，对客观分析结果作初 始化处理，使各要素场之间相互协调，以减小资料更新对模式的冲击；第三步， 将处理后的初值带入模式预报，使资料进一步与模式动力学协调一致。最后模 式向前积分6 h ，为下一个循环周期的客观分析提供初值，或积分2 4 h 或4 8 h 作 例行预报。这种方法的基本思想是：即便模式与资料都不可避免地存在误差， 那么每6 h 用最优插值法作一次客观分析，可不断利用资料对预报偏差进行修正。 而在6 h 的模式积分过程中，则是利用模式的动力特性对资料进行调整。其特点 如下：采用最优插值法，可以自动考虑不同类型资料的特性和误差；以6 h 为一 个同化周期，增加了指定分析时刻的质量；每6 h 做一次资料更新，并经过初始 化处理，可以有效避免连续资料同化中出现的重力波冲击和排斥现象；各个同 化周期的资料通过数值模式的调整，能够与模式动力学在时空上达到协调一致。 但是这种同化方法仍然存在两个缺陷：一是将一个同化周期内的所有资料都作 为指定时刻的资料使用，不能充分利用多时次资料中所包含的时间演变信息； 二是不能对大量非模式变量的资料直接进行同化。 卡尔曼滤波是一种用于气象资料同化的统计学方法。最先由数学家k a l m a n 于1 9 6 0 年【6 j 提出，该方法是以分析误差的最小方差为最优标准，在假设系统是 线性的、白色噪音的、高斯型条件下的一种递归资料处理方法。所谓递归就是 它无需一次性的把所有的资料存储起来再处理，而是一个不断的更新过程，而 是这个过程中始终保持最优，这种方法也被称为顺序同化方法。1 9 6 5 年j o n e s 【7 j 首次将卡尔曼滤波引入气象学。6 0 年代末到7 0 年代初，e p s t e i n l 8 】提出的“随机 动态预报”和p e t e r s e n 9 】提出的“最优顺序分析”进一步将其应用于气象学领域。 但他们的工作对业务实践并没有产生多大的影响。而后，纽约大学科郎( c o u r a n t ) 研究所的一个研究小组( g h i l 等【lo 】) ，开始致力于在气象数据同化中运用卡尔曼 4 滤波的研究并取得了一定成果，他们的工作促进了卡尔曼在气象学领域的推广 与应用。上世纪9 0 年代初期，c o h n | 1 1 1 和d e e 等【1 2 1 分别用系统理论状态估计的 观点去解释数据同化，其方法等同于卡尔曼滤波。l o r e n c l l 3 j 指出，对于完美的 线性模式，卡尔曼滤波的同化效果等价于伴随变分同化，同时其也被认为是解 变分方程的一种方法。虽然卡尔曼滤波的原理并不复杂，但具体实施起来却有 相当的难度。因为：1 、卡尔曼滤波中的模式误差较难给定；2 、计算模式预报 误差协方差矩阵是卡尔曼滤波算法的核心，这需要2 n ( n 是模式控制变量的维 数) 倍的模式积分时间和n n 维矩阵的存贮空间，这意味着要付出昂贵的计算 时间与占用大量的机器内存( e h r e n d o r f e r 【1 4 】) 。 卡尔曼滤波还经历了由线性到非线性的发展过程。由于大气海洋预报模式 都是一个非线性系统，而且对于非常规观测资料也要经常使用非线性观测算子， 所以标准卡尔曼滤波必须要进行相应“扩展”才能适用，因而出现了扩展卡尔 曼滤波。在扩展卡尔曼滤波中，预报误差协方差是通过在一个预报时间间隔内， 对模式的非线性轨迹进行线性化来获取的。原则上讲，可以比依赖于切线性及 其伴随模式后向积分的变分同化方法更方便地应用到真实的大气模式中。但由 于其计算量难以承受，扩展卡尔曼滤波法没有被认为是一种有业务应用前景的 资料同化方法，所以人们不得不对这一问题进行简化假设。因此出现了两种方 法：一个是简化的卡尔曼滤波法，另一个是集合卡尔曼滤波法( e n k f ) 。其中， 集合科尔曼滤波最有发展前景。 1 9 9 0 年代中期，集合预报的思想与卡尔曼滤波的研究逐渐结合起来，这种 新的同化方法继承了卡尔曼滤波的上述长处，但又避免了至少在目前还不能承 受的大量计算，因而具有业务应用潜力。e n k f 已成为当前资料同化领域一个新 的研究热点，其主要的优缺点可以归结如下： 优点：用集合思想解决了一般同化方法在实际应用中背景误差协方差矩阵 估计和预报困难的问题；集合思想的引入，解决了卡尔曼滤波应用在非线性系 统的近似问题；避免了使用伴随模式( 与变分同化相比) ；较易考虑模式误差问 题；可以有效的实现并行化计算。 缺点：有限集合数使得在求解增益矩阵时出现不满秩问题；滤波发散的问 题；分析场作为初始场进行积分时产生的虚假动力学不平衡问题；对复杂的非 线性观测算子的应用问题( 特别是对于非高斯型的观测误差) ；有限个集合数统 计存在的样本误差问题。 近年来，集合卡尔曼滤波( e 心口) 同化技术越来越受到人们的重视和欢迎。 自1 9 9 4 年e v e n s e n i ”】首先把e n k f 用于海洋资料同化以来，e n k f 逐步被用于 不同的研究领域以及不同的模式。h a m i l l 和s n y d e r 1 6 1 尝试了e n k f 和3 d v a r 的结合，其预报场的更新采用3 d v a r 的算法，而背景误差协方差则采用随气流 变化的e n k f 协方差和定常的3 d v a r 协方差的加权平均，结果表明随着样本数 的增加，较大的e n k f 的协方差权重效果更理想。h a n s e n 和s m i t h t l 7 】提出了一 种e n k f 和4 d w 凰相结合的同化方法，结果表明该方法要优于单独的e n k f 或 4 d v a r 方法。h e e m i n k 等【1 8 】研究发现e n k f 与其它滤波器的适当结合也可以得 到更加有效的计算方法。尽管e n k f 同化方法发展的时间较短，但从目前的研 究情况来看，这种方法确实具有很多独特的优点和巨大的潜力。近年来，国际 上对e n k f 的研究急速增加，并且已经取得很多可喜的研究成果，随着研究的 深入，该方法有望能和变分方法一样，成为同化方法的发展主流。 当前数值天气预报中心的业务同化系统大多采用的是变分同化方法。变分 资料同化可抽象为最优控制论中的泛函问题，它包括：泛函选择、预报模式及 其相应的共轭、梯度计算和极小化算法。变分法首先要构造度量模式分析值最 优性的价值函数( 又称目标函数、距离函数等) 。在假设观测和背景场具有无偏 的高斯误差条件下，利用b a y e s 概率原理可以推导出如下价值函数( l o r e n c ， 1 9 8 6 ) ： 了= l ( x - x b ) 7 b 一1 ( x - x ) + ( y 一 & ) 7 r 一1 ( y 一月k ) 】 ( 1 1 ) 上式中x 表示为模式变量，x 6 表示为相应的背景场变量，y 表示为观测变量，日 6 表示为观测算子，艿表示为背景场误差协方差矩阵，灭表示为观测误差协方差 矩阵。对价值函数j 求一级偏导数，并且令导数为0 ，可以得到以下梯度方程： x 4 = x 6 + b h 7 ( h b h7 + r ) 一1 ( y h x 6 ) ( 1 2 ) 其中x 。为满足梯度方程的最优解，卡尔曼滤波法是直接求解1 2 式来求出最优 解x 。，而变分同化是通过下降算法迭代求解满足1 2 式的最优解，迭代求解的 过程称为求价值函数极小化过程。这也是卡尔曼滤波法与变分同化方法的重要 区别之一。 与纯粹的统计插值方法相比，变分方法的优势十分明显：变分同化更能体 现复杂的非线性约束关系；背景场用包含了同化分析时刻以前的有效观测信息， 分析结果更具有连续性；可在目标函数中包含物理过程，并以模式本身作为动 力约束，因而变分同化结果具有物理的一致性和动力的协调性；无需进行观测 筛选，能同时使用所有的有效观测；确定误差协方差时具有更大的自由度，对 新型观测数据的应用能力更强。从理论上说，由于叮以使用复杂的观测算子， 变分同化方法可以同化几乎所有类型的大气探测资料，因此使得同化非模式变 量成为了可能，使得大量的非常规资料得以较好地运用，从而弥补了常规观测 资料的不足。 然而，变分方法也有固有的缺陷。事实上数值预报模式的物理参数化过程 是非线性且不连续的，这会导致目标函数的不连续，以致于目标函数对控制变 量不可微，极小化算法不再适用。另外，复杂大气模式的伴随模式的编写也比 较困难，计算成本太高。 即便如此，变分方法与卡尔曼滤波同化方法一起成为当今资料同化的主流 技术，是气象资料同化发展的主导方向。目前世界上主要的气象业务中心都开 发了3 d v a r 或4 d v a r 同化系统，并在业务上得到了使用。s a s 凼【1 9 】首次将变 分法引入客观分析，并分别推导出了强、弱约束条件下的变分公式2 0 1 ，并论证 了直接求解e u l e r - l a g r a n g e 方程的困难度。l e d i m e t 和t a l a g r a n d 2 1 1 提出伴随方 法求极值，变分方法进入了崭新阶段。c o u t i e r t 2 2 】利用浅水方程及其伴随模式进 行了同化试验。t h e p a u t 2 3 采用多层原始方程模式进行变分同化试验。z o u l 2 4 1 对 四维同化中不完全观测及重力波的控制、正切及伴随码的开关变量问题作了适 定性研究。z u p a n s k i 2 5 1 研究了b e t t s m i l l e r 降水参数化方案的构造，对其下边界 的不连续性作了探讨，提出了简化的正切线性模式，消除不连续性对同化结果 的影响。 我国学者在变分资料同化方面也作了很多卓有成效的工作。早在1 9 5 8 年， 顾震潮 2 6 】就指出在数值预报中引入历史资料的观点。丑纪范通过将微分方程定 解问题变为等价的泛函极值的途径，推广了微分方程解的概念。邱崇践和郜吉 东【27 j 利用浅水方程模式，对变分同化过程中模式误差的影响进行了数值模拟试 验。蒲朝霞和丑纪范【2 8 】把数值预报初始场的形成归结为数学上的一类反问题， 运用数值模式及其共轭方程对气象资料进行变分同化的共轭方法，使众多观测 资料的四维同化与时变的动力模型在初始场的形成过程中统一考察。冯伍虎 2 9 1 利用浅水方程模式进行了4 d v a r 同化数值模拟试验。 1 3 台风资料同化研究进展 近年来，以t r m m ( t r o p i c a lr a i n f a l lm e a s u r i n gm i s s i o n ，热带降水监控计 划) 卫星为代表的微波观测降水取得了很大发展。卫星观测的降水数据广泛应 用于台风的数值模拟和预报中，成为一种利用卫星反演的降水信息改善模式初 始场结构的重要途径。丁伟钰等【3 0 】在g r a p e s 3 d v a r 基础上用改进的郭晓岚 对流参数化方案作为观测算子，同化t r m m 卫星反演的降水率资料，发现该方 案有效改进台风“杜鹃”背景场动力热力结构和路径、降水预报等。 也有利用q u i k s c a t 卫星资料同化海面风场来改善台风预报的。刘春霞【3 l 】 等用w r y 模式及其三维变分系统同化了q u i k s c a t 散射计风场资料，并探讨了 同化前后对台风“黄蜂”三维结构及预报的影响。 王学忠等【3 2 j 讨论了运用卫星亮温资料变分同化初始温度场及相对湿度场对 8 热带气旋路径的影响。 庄照荣等【3 3 】把云迹风资料运用于g r a p e s 三维变分同化系统中，通过对比 不同观测类型资料同化结果，探讨了红外通道和水汽通道云迹风资料对数值预 报分析场的影响。李宁【3 4 】运用w r f 3 d v a r 同化云迹风资料来改善台风“麦莎” 的初始场，发现只同化一个通道时，水汽通道对温压场和风场的改善略优于红 外通道，同时同化双通道的云迹风资料对台风预报的改进效果更明显。 对于不同的非常规资料同化对台风预报的影响，王云峰等f 3 5 】利用m m 5 v 3 及其伴随模式、快速辐射传输r t t o v s 5 及其伴随模式，研究了多种资料的四 维变分资料同化对台风路径预报的影响。同化资料包括大尺度背景场资料、 b o g u s 资料、云迹风资料、卫星反演资料和卫星红外辐射计( h i r s ) 资料等，一共 针对5 个台风个例进行了数值试验和同化试验。数值结果表明，应用四维变分 资料同化方法能更好地描写初始时刻的台风结构及提高数值模式的初始场质 量。 雷达资料的同化也是改善台风预报的一种好方法。x i a o 等【3 6 】利用n c a r 发 展的三维资料同化系统针对台风个例进行研究，结果发现不管是在台风路径的 预报上，还是在对初始场订正效果上，以及在短时间的降水预报结果上，只同 化雷达径向风效果都优于只同化雷达回波。 也有许多研究是基于利用三维或四维变分方法对卫星观测辐射直接同化 的，这种方法可以更精确地描述大气状况，而且利用同化产生的资料来研究台 风的结构是一个有效的途径。张华等1 37 】采用区别于单一微波反演资料分析台风 结构的做法，应用具有穿透能力的微波探测资料，以g r a p e s 三维变分同化系 统为工作平台，对a m s u 辐射率微波资料直接同化来研究台风威马逊的结构。 分析结果表明，a m s u 微波同化资料能够更加合理地反映出台风三维结构特征， 增强了与强台风相对应的暖心结构。另外，张华还介绍了极轨卫星a t o v s 辐射 率资料直接同化的主要技术和实现方法。并指出：实现卫星辐射率资料直接同 化的三要素为：l 、所需的资料分析系统一变分技术；2 、快速、精确的正演算 9 子一快速辐射传输模式；3 、辐射率资料。目前，我国是可以接收美国的a t o v e s 资料，此外，c m a 也已经从欧洲引进了r t t o v 6 快速辐射传输模式( 该模式 是由e c m w f 开发的用于在数值预报中同化卫星资料的第六代快速辐射传输模 式系统。它可以处理n o a a 系列极轨卫星、g o e s 系列静止卫星的t o v s a t o v s 不同通道红外和微波的探测资料，利用大气温度、湿度、云中液态水垂 直廓线以及若干云和表面参数作为输入变量，计算卫星相应通道的辐射值) ，并 与c m a 开发的3 d v a r 成功对接，从而使其同化系统能直接同化a t o v s 资料。 他还介绍了g r a p s 3 d v a r 的主要特点：1 、目标函数采用增量形式；2 、控制 变量取为流函数v ，非平衡速度势函数z 。，非平衡位势。和比湿q ( 或相对湿 度) ；3 、通过变量变换进行预处理( p r e c o n d i t i o n i n g ) ，改善了收敛性，避免了 直接计算背景误差协方差矩阵的逆b _ 的困难；他强调从目前来看，把卫星雷达 反演资料用在模式上至少在业务上是不可行的。包括我国反演的比较好的云导 风资料如果用在数值预报模式中仍然误差很大，所以资料同化的关键是如何从 资料中提取“有用”的信息。他以台风威马逊为例，所用资料为t 2 1 3 模式预报 场和极轨卫星a t o v s 辐射率微波观测资料，利用g r a p s 三维卫星资料变分系 统进行同化，结果能较好地反映出台风的结构特点。 此外，使用静处理的方法将大尺度背景场中弱的或不准确的涡旋滤掉，利 用人造台风b o g u s 技术，在初始场中加入一个基本反映台风结构的人造涡旋， 从而能够改进台风预报初始场。万齐林【3 8 】等提出了一个新的人造台风构造方案， 该方案在初值中引入了较真实的台风结构，尝试利用卫星探测t b b 资料来改进 人造台风中对流加热的分布，确定与卫星t b b 协调一致的人造台风径向环流场。 结果表明能较好地调整风压场的平衡，使得模式对强加入的人造台风更协调。 实践表明这种技术能够改进台风初始场，对台风路径预报准确率也有一定的提 高。然而，虽然当前所用的台风b o g u s 技术通过解平衡方程或多或少地解决了 些动力问题，但涡度平流方程和静力方程没有得到解决，不同变量之间的耦 合也没有真正做到，尤其是在水汽场同其它变量之间的耦合上，一直以来都是 1 0 将水汽场与其它要素分离开来进行考虑的。 与b o g u s 方案相似，b d a 方案【3 9 】( b o g u sd a t aa s s i m i l i t i o n ) 是利用四维变 分同化方法，在分析场中加入一个台风b o g u s ，从而优化不准确的或弱的台风 初始场。b d a 方案包括两个部分：第一部分是台风b o g u s 涡旋构造；第二步 是最小化过程，即强迫预报模式产生与原来初始场相容的台风涡旋场。k u r i h a r a 等【4 0 】提出了g f d l 方案，此方案构造台风初始场的基本思路是先在原始分析场 中消去分析台风，然后加入一个人造台风，即 ( 初始场) = ( 全球分析场) 一( 分析台风) + ( 人造台风) 张根生等【4 l 】利用m m 5 及其伴随模式，以t 1 0 6 分析资料为背景场，设计两种台 风b o g u s 方案对9 6 0 8 号台风的初始场进行优化，并进行了数值模拟试验，结 果表明b d a 方案优化的初始场和路径预报效果优于g f d l 方案。 对于台风形成的台风浪和风暴潮，也可以结合风浪模式进行同化。风浪模 式的输入风场是台风浪数值模拟及预报中的重要部分。一般台风浪的数值模拟 和预报多数是结合经验台风公式和再分析风场构造出较为合理的台风风场，或 利用风场模式的输出作为海浪模式的输入场，张志旭等【4 2 1 结合经验的台风风场 模型和n c e p 再分析资料构造了南海台风风场，并以此作为海浪模式的输入模 拟了台风“约克”经过南海时所产生的台风浪场，魏晓琳【4 3 1 等利用m m 5 模式 输出的1 0 m 风场驱动海浪模式w w 3 ，对台风0 3 1 2 号台风k r o v a n h 及其引起的 台风浪过程进行了数值模拟模拟和同化试验，结果较好地模拟台风的登陆过程、 强度变化及移动路径。 另外还有针对热带气旋的集合预报方法和集合卡尔曼滤波方法。其中集合 预报方法可分为两类【4 4 4 7 1 ，一是扰动台风环境场，二是扰动台风涡旋结构。然 而，在热带气旋短期集合预报中，模式误差对预报误差起着重要的作用，同时 对热带气旋的初始位置、强度和结构也有重要的影响。集合卡尔曼滤波方法则 利用集合为同化提供背景场误差协方差矩阵的计算样本，同化结果为集合预报 提供初始成员。集合与同化相互依存，共同为热带气旋集合预报的预报概率密 度函数估计服务，完整体现了集合同化一体化的思想f 4 8 】。 1 4 本文研究目的、方法和内容 1 4 1 研究目的 本文采用三维变分同化方法，将g p s 掩星资料同化到中尺度数值模式w r f 中去，考查其对台风初始场的改进作用。并在此基础上，利用云导风资料弥补 g p s 掩星资料对于风场的空缺，探讨g p s 掩星资料与其他非常规资料相结合的 同化能力，及多种非常规资料如何实现协调的同化方法，期望能为提高类似台 风的预报效果提供一点思路。 1 4 2 主要研究内容 本文利用中尺度w r f 模式及相应的三维变分系统，同化c o s m i c 和 c h a m p 掩星资料，对模式的初始场进行订正，然后对台风个例“圣帕”进行 数值试验，对比了同化前后的初始场差异，研究了g p s 掩星资料同化对初始各 物理量场的改善情况，并分析了同化后对台风路径，强度，降水等影响。 1 4 3 论文的创新点 本文利用w r f 模式及其三维变分系统，同化g p s 掩星资料反演的大气气 压、温度和水汽资料，并在此基础上分别做了间歇同化c y c l i n g 试验和加入云导 风后调整初始风场的试验，探讨了g p s 掩星资料和其他非常规资料的结合同化 对台风预报的改进。 2 1 前言 第二章g p s 掩星资料介绍 随着大气探测技术发展，一种新地球大气探测技术g p s l e o 无线电掩星 技术被提出。g p s l e o 无线电掩星技术能提供高精度、高分辨率、全球覆盖的 地球电离层和中性层大气剖面，具有全天候、低费用和无系统长期漂移等优点。 g p s l e o 掩星技术与常规大气探测手段( 如探空气球，气象雷达) 不同，它利 用卫星及地球的相互运动和掩星过程中电磁波与大气的相互作用，以及在此过 程中电波产生的附加相位延迟和振幅变化，从中获得不同高度的附加相位及振 幅等信息，由此反演出电离层电子密度、中性大气温度、压力、湿度等参数廓 线。目前该技术已经广泛应用于数值天气预报和大气探测等气象研究领域。 2 2g p s 掩星技术的发展 2 0 世纪9 0 年代，随着g p s 技术的完善和改进，以及卫星和通信技术、g p s 接收机、计算机硬件和软件等技术的发展，g p s 的观测精度获得了量级上的提 高。为此一种利用g p s 技术探测地球大气的新思想被提出，开创了一门大气探 测的新学科一g p s 气象学。 由于观测方法不同，g p s 气象学又可以分成地基和空基g p s 气象学两大类。 前者是利用g p s 地基网络，测定大气中可降水的水汽含量垂直积分，能提供高 分辨率( 2 0 3 0 分钟) 和高精度( 1 - - - , 2 r a m ) 的水汽序列( b e v i s 等，1 9 9 2 ) 。而 空基g p s 气象学，又称为g p s l e o 无线电掩星技术，与地基g p s 网探测水汽 技术相比具有以下异同： 1 、地基网获得的是测站上空水汽垂直积分的时间序列；空基掩星技术获得 的是掩星时刻测点上空大气参数的垂直剖面。 2 、地基网可对现有的g p s 观测网络加以综合利用；空基观测必须依靠专 用的l e o 卫星进行协助观测，而且需要地基跟踪网的配合和控制。 3 、地基网的技术在目前比较成熟：空基观测还存在技术和科学上的若干问 题，需要不断地完善和解决。 此外，由于在g p s 掩星观测中，g p s 和l e o 卫星的相对位置和运动状态 决定了掩星点在空间的运动，而非由发射机和接收机的天线指向所确定；另外， 信号到达接收机的振幅和多普勒频移是其基本的观测量，并非由天线所在空间 的指向来决定。因此，b o a r dt e a m 天线在掩星观测得到了大量的使用，从而大大 降低了仪器和飞行器设计的复杂性和成本问题。 为了开展空基g p s 气象学的研究，1 9 9 3 年u c a r ( t h eu n i v e r s i t y c o r p o r a t i o no f a t m o s p h e r i cr e s e a r c h ) 、亚利桑那州大学和j p l ( t h ej e tp r o p u l s i o n l a b o r a t o r y ) 联手制定了g p s m e t 计划( e x n e r 4 9 1 ，方宗义【5 0 】) 。作为g p s m e t 计划的第一颗实验卫星m i c r o l a b l 于1 9 9 5 年4 月3 口发射成功。这颗轨道高度 为7 5 0 k m ，倾角为7 0 。的l e o 卫星携带了一台由美国喷气推进实验室( j p l ) 参 与研制的适合高频采样的t u r b o r o g u e 型g p s 接收机在地球上空进行观测。理 论上讲，单个l e o 卫星每天可提供大约5 0 0 个掩星事件，而事实上由于m i c r o l a b l 上的接收机的天线指向和内存的限制，再加上只观测了下降掩星而没有观测上 升掩星，实际观测到的掩星事件每天只有约1 5 0 次左右，远远小于理论估计的 观测次数。 即便如此，通过两年左右的运行，它在大气探测和研究中起了重要的作用， 并获得了精度大约为l k 的温度剖面。通过独立的温度估计，还能得到相应的水 汽剖面( k u r s i n s k i t 5 1 j ) 。g p s m e t 计划的成功促成了n a s a 在1 9 9 5 年同意资 助两个较小的国际计划：丹麦的o r s t e d 计划和南非的s u n s a t 计划，并于1 9 9 9 年2 月随着d e l t a 火箭发射升空顺利实现。 随后，两个后续计划s a c c 和c h a m p 分别于2 0 0 0 年6 月和2 0 0 0 年7 月 发射成功。其中s a c c 卫星是由n a s a ( n a t i o n a la e r o n a u t i c sa n ds p a c e 1 4 a d m i n i s t r a t i o n ) 和阿根廷联合研制的：c h a m p ( c h a l l e n g i n gm i n i s a t e l l i t e p a y l o a d ) 卫星计划则由德国空间管理局支持。c h a m p 计划由g f z ( g e o f o r s c h u n g sz e n t r u mp o t s d a m ) 的科学家于19 9 4 年提出，该卫星发射的初 始轨道高度为4 5 4 k r a ，运行轨道不低于3 0 0 k m ，轨道倾角为8 7 2 。，主要用以改 善重力场和磁场模型和开展g p s 掩星观测。由于携带了j p l 提供的最新型的 b l a c k j a c k 型g p s 接收机和后视螺旋型天线，c h a m p 比m i c r o l a b l 更有利于进 行地球大气的掩星观测。因为其信号质量相对于m i c r o l a b i 得到了大幅度的提 高，有利于采用更先进的信号追踪技术，使得即使当a s 开启状态下也能取得 满意的数据资料。c h a m p 的主要任务之一就是利用g p s 掩星技术反演地球大 气层，并己取得了比较满意的初步成果。初次利用c h a m p 掩星数据所获得的 全球分布的干温垂直廓线与e c m w f 提供的大气模型进行对比，结果表明两者 在对流层顶之上温度偏差小于1 k 在g p s m e t 计划的成功经验基础上，1 9 9 7 年中国台湾地区的“国家太空 计划室”( n a t i o n a ls p a c ep r o g r a mo f f i c e ，简称n s p o ) 和美国的u c a r 、j p l 、 n r l ( t h en a v a lr e s e a r c