（气象学专业论文）云迹风资料同化的比较试验.pdf

摘要 当前，数慎天气预报在哭气预报中起到非常重要的作用，数值天气预报水 平决定天气预报准确率。由予常规站点分布稀疏，观测拜霪次有限，使数傻天气 预报表平嚣提篱存在一定夔骚难。蘧羞大气搽溅蓑拳熬发矮，雷达、翌基饕菲 常规资料作为常规资料的补充被应用到数值预报模式中，龙其是气象盥鼹的云 迹风资料提供了离密度的高燮风场信息，巴烃成为有效的淑善中尺度数值模式 秘始绣、鬟簧数值预掇承乎懿主要手段之。 本文结舍巾尺度数值模式粼5 ，利用n c 即全球再分拼潦料和国家翌羼气象 中心提供的风兹= 号( f y - 2 c ) 的云迹风反演产品，运用瓶接同化与伴随同化 方法分裂将云逑熙资料萼l 入模式进行数毽试验，分析霹徽云透风资料舞对降隶 的影翡，并显考察了两释试验方法霜纯云避风资料对温度场、高度场、风场等 模式变量的修溅效果。 钳对2 0 0 6 举6 兵1 7 匿0 0 u 豫至1 8 箧0 0 淑e 发生在我隰华南鲶豢掰过程进 籍了薄毙蒺掇试验。萁孛，黉傀云透最资料藩对辫零翡预撮效粟均春掰致善， 馘接同化试验谯大雨预报方黼有了一定水平的提高，伴随间化试验在黎黼预报 中裙突破性的进展。进一步对几个方案的模拟结果做均方熬分析，结果袭明同 纯交透风姿黼嚣，不餐提蹇酶永覆摄糠度，嚣且薄溢赛场、褰度场帮最场畜不 溺程度韵改善，尤其是伴璇同化眈直接阐纯在对降水预报激及高 氐空黼风场调 熬等方面更呈现优势。 美键谣：伴隧越忧；直接趟傀；云迹威资料；均方差 i 薹i a b s t r a c t t h e s ey e a r s ，t h ea c c u r a c yo fw e a t h e rf o r e c a s th a sb e e ng r e a t l yp r o m o t e dw i t ht h e d e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o nb e c a u s en u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o n 矗l a y a l l i m p o r t a n t r o l e i nt h ew e a t h e r f o r e c a s t r e g u l a rs t a t i o n sd i s t r i b u t e s p a r s e l y ，o b s e r v a t i o nt i m ei sl i m i t e ds oi ti sd i f f i c u l tt oi m p r o v e 吐l ea c c u r a c yo f n u m e r i c a lw e a t h e r p r e d i c t i o n a l o n g w i t ht h ea i r s o u n d i n gt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t ，r a d a ra n ds a t e l l i t e sd a t aa n do t h e ru n c o n v e n t i o n a li n f o r m a t i o na sa s u p p l e m e n tt ot h ec o r v e n t i o n a li n f o r m a t i o na p p l i e dt on u m e r i c a lp r e d i c t i o nm o d e l s ， e s p e c i a l l vs a t e l l i t ec l o u dd r i f tw i n dd a t ab e c o m eo n eo ft h ep r i m a r ym e a n st h a t a p p l yl o t so fu p p e r - w i n dd a t aa n di m p r o v et h ei n i t i a lf i e l do fm e s o s c a l en u m e r i c a l m o d e le f f e c t i v e l y t h i sp a p e ro nt h eb a s i so fu s i n gt h em e s ；o s c 越en u m e r i c a lt r t o d e lm m 5 、 r e a n a l y s i sd a t ao fn c e pa n dt h ef y - 2 cc l o u dd r i f tw i n dd a t ai n v e r s e db yn a t i o n 毽1 s a t e l l i t em e t e o r o l o g i c a lc e n t e r c i o u dd r i f tw i n dd a t aa tea s 蛀m i l a t e di n t o n u m e r i c a l e x p e r i m e n t sb y d i r e c ta s s i m i l a t i o na n d a d j o i n t - a s s i m i l a t i o n ，t h e i m p r o v e m e n t sd e g r e ea f t e ra s s i m i l a t i o n 纽t e m p e r a t u r e ，h e i g h ta n dw i n df i e l d 妣 t e s t e d 蚴ac a s eo fh e a v yr a i nf a l lt a k i n gp l a c ef r o m0 0 hj u n e1 7 协毯hj u n e1 8 ， 2 0 0 6i nt h es o u t ho fc h i n a ，t h ec o m p a r i s o ne x p e r i m e n t so fd i f f e r e n ts c h e m e sa r e p e r f o r m e d a f t e ra s s i m i l a t ec l o u dd r i f tw i n dd a t a , t h ef o r e c a s t0 1 1t h ep r e c i p i t a t i o n s w a se n h a n c e d , i nd i r e c ta s s i m i l a t i o ne x p e r i m e n tt h ef o r e c a s to nt h eh e a v yr a i nw a s e n h a n c e dt oa c e r t a i nd e g r e e i na d j o i n t a s s i m i l a t i o ne x p e r i m e r i tt h ef o r e c a s to nt h e r a i n s t o r mw i t hab r e a l a h r o u g h 。t h eo u t p u to fm o d e li sb e e na n a l y z e db yr m s + 前l e r e s u l t s8 r ea sf o l t o w s t h ea c c u r a c yo f f o r e c a s t i n gp r e c i p i t a t i o n sc a l lb ei m p r o v e d a f t e ra s s i m i l a t i o nc l o u dd r i f tw i n dd a t aa n dt e m p e r a t u r e ，h e l g h t ，a n dw i n df i e l da r e r o o d i f i e dt oac e r t a i ne x t e n t + p a r t i c u l a r l y ，a d j o i n ta s s i m i l a t i o ne x p e r i m e n ts h o w s m o r ea d v a n t a g e st h a nd i r e c ta s s i m i l a t i o ne x p e r i m e n ti na c c u r a c yo fp r e c i p i t a t i o n a n dh at e m p e r a t u r e ，h e i g h t ，w h a df i e l d + k e yw o r d s ：a d j o h a ta s s i m i l a t i o n ：d i r e c ta s s i m i l a t i o n ：c l o u dd r i f tw i n d ：r m s 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 薹、坚持戳擘求实、翩薪捧靛科学精神款事研究工律。 2 、本论文悬我个人在导师指导下进行的研究王作和取得的研 究成暴。 3 、本论文中除孳l 文井，羼番实验、数据箨有关材料均是真实酶。 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 擒已经发表或撰写过靛研究成果。 s 、其健圊恚对本研究所做的贡献均邑在论文中作了声飘并表 示了谢意。 俸者签名： 壅殛曼 e l 裁：边塞塞鲻。 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息置程大学有燕保留、使用学位论文的规 定，攀授骞权保罄学谴论文并羯蓦家主管部门或箕指定机构送交论 文靛患子版霹纸质版：有权将学位论文用子非赢剃誉静酶少囊复制 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 关数据瘴进行检索；有权将学位论文的标题亵摘要汇编窭舨。傺塞 的学健论文在解密后适用本规定。 作者签名： 盎函暨 基麓：避。魏 第一章绪论 数值天气预报( n 孵) 作必一嵇天气预报攀段己经在天气预报中扮演簧越来 越重要的角色，天气预报准确率的提高很大程度上依赖于数值天气预报水平的 提高。数值天气预报业务中。为了得到精确的预报值，必须要有两个条件：准 确兹初值、合理的边德帮完善的模式。也就是说一个成功豁大气模拟主要由两 个关键郭分构成：第一要有一个宪整、准确地描述绘定时刻大气状态三维结构 的资料( 初懂) ，第二要有一个基于大气动力学方程组帮物理参数化方案的高性 能数值模式( 模式) 。物理学家b j e r k n e s 把天气预报归结为初值问题，所以好 的初始条件被认为是整个数值预报领域的一个非常重要的方面。 当前，数值预报中仍然存在狠多霭难，随着观测技术翡不断发展，观测资 料翁嚣搴空分布不断扩大熬及类型耜数銎氇不断增多，翔肖有效逢剥魇这些资料 为数值预报提供更好的初始场信患越来越被人们重视；另外还有求解闻题麴计 算不稳定l 生、初始资料的不准确性对物理过程理解的局限性以及巨大的计算壁 等，这些困难都制约数值预报结果准确性进一步提高。 l 。1 资料同化的爨的 资料丽诧发展较抉，获旱鬻没有理论基础蘸客观分析，发展到如今基于统 计售计器变分鼹种理论熬分橇方法，对产生再分析资料黎提高预报鹣准确鉴都 产生了积极的作用。 数值模式着重考虑了某尺度范围内的运动特征，是为了特定的目的设计 的，必然不能全面反映大气实际的运动状况，预报结果必然不同于真实大气的 观测结果。此外，戬大气动力学方程为基恐鹣数值天气预报，初始场麴精确褴 童接决定着预擞靛精确性。这是因为；第一，数篷模式是掇挺模式方程靛数学 性质使方楗有确定的解，使模式能够恰当反应所关心尺度的大气遨动。第二， 数值模拟需要的是规则格点上初始时刻模式变量的全体，并与模式的动力、热 力过程相协调，但是数值模式却是根据大气动力学的基本过程来对资料进行选 择性吸收，所以常规蕊料难以满足这样的要求。所以观测确定初值的问题便成 为使不同时刻、不同地点、不固要素的观测资料融入随时间变化的模式状态的 过程，这就是观测资料的四维同化问题。 一方面数值预报模式对大气和物理过程的刻划和反映程度，表明模式本身 存在误差，另一方面，用作模式积分的初始条件的好坏，表明观测资料误差的 存在。所以，模式误差鞍资料误差是制约数值预报准确率提高朗两个关键的制 约因子。大量磺究表明，改进初始场的精度将有利于改善数值预报的结果，网 化方法是改进模式最优初始场的有效途径。 圭2 资料同化方法 资料同化是包括客观分析方法在内，大致可分为三类：空间插值法、最优 插值方法和变分方法。空间插值法由于其简单且便于实施而被长期使用，它是 采用“影响瀚数 来霜化气象资料中所包含的信息。这种算法有自身缺点：容 易导致高频振荡、产生风场和气压场的不平衡、初始场与模式不协调以及计算 不稳定。最优插值法本质上是一种线性阐归方法，它的优点是能够“自动”整 理精度不同的各种观测数据并且考虑了观测和预报之间的一切线性相关以及 赢测要素固有的统计结构。该方法的缺点是不能比较完整地考虑模式的动力约 束，使用这种方法得到的分毒露场眈较平滑，有可麓抑毒l 对中尺度 常重要靛，l 、 扰动的发展，而且对于非线性预报模式预报效果不好。一直到二十蹩纪七十年 代初，国内外主要的还是多元最优插值方法。 变分方法是在满足模式动力约束的条件下，分析场与观测场的“距离”达 到最小而得到初始场。变分法在理论上比前两种方法有优越性，但豳于数值模 式暑 常复杂，自由度太大使得交分法的汁算量和贮存量都很大，因此在一段时 ， 间之内变分法只是停螫于理论。八十年代中期，翻维伴随变分同化方法的提出， 使得资料变分同化方法的研究进入了崭新的阶段。 1 3 资料同亿的研究进展 1 9 2 2 年，r i c h a d s o n 第一次将同化的思想用于数值天气预报的主观分析中。 他将观测资料手工搔值到网格点上+ 作为数值预报的初始场，但是他预报中所 采用的原始方程没有做任何滤波处理，预擐结粜以失败丽告终。1 9 5 0 年c h a r n e y 等采用主观分析方法确定初值并使用正压涡度方程作为预报方程，在第一台电 子数字计算机上进行计算，成功地完成了第一次数值天气预报。 到了2 0 世纪4 0 - 5 0 年代，人们逐渐发震了气象领域中豹客观分析方法( 箍称 o a ) 。早期的o a 方法较简单，如1 9 4 9 年p a n o f s k y 缟淞的多项式拟合方法，由于其 分析是在小区域内进行的，所以往往导致分析在拟合的各区域之间不连续。 1 9 5 4 年，g i i c h r i s t 等拜1 提出了理想的逐步订正法。1 9 5 9 年c r e s s m a n 陴1 在该方 法的基础上采用迭代求解方法引入了背景场的概念，解决了多项式拟合中的不 连续问题。直到1 9 6 3 年g a n d i n 提出了最优插值法( 简称o i ) 。资料同化才有了 基于统计估诗理论的基础。这种方法在2 0 世纪8 0 - 9 0 年代韵数值天气预报业 务哪中得到了广泛应用。 随着观测技术和数值模式的发展，为资料同化带来了更多的机遇和挑战， 对它也提出了更高的要求。如何在客观分柝中弓l 入这些非常规赍料，成为资料 同化的研究的重点。2 0 世纪6 0 年代后期，d a n a r d 等n 3 指出气象帮海洋分析丽 临着如何同化不同来源的信息的问题，随后有了变分方法。变分法的优点是进 一步摆脱了观测量和分析量之间存在线性关系的限制，可醣誊接丽化非常规姿 料，得到物理瓢动力上与模式更协调鹩初始场。它包括三维蔓分三维变分( 简 称3 d v a r ) 和四维变分( 简称4 d v a r ) 。 三维变分的做法是：在某一时刻进行的分析，前时刻的弼化结果可传炎 蜃一嚣妻裁摸式运行麴初始甥。实现避程孛存在豁露难是怎样合理设诗背景凌误 差协方差矩阵的模激，使所有模戮液量之间正懋的的背景协方麓定义准确而且 各变攮的误差合理，因为这会决定在分析场中观测场和背景场的权重。此方法 主要肖娃下翁魏点：塞予三维交分进器懿是三维燮凌戆全是分析镬褥分睾露愚金 禺最傀韵。其次，瓣测算子可以是非线性的，计算简单。第三，它可以将一楚 额外的项( 如平衡埙戚平滑项) 加入到目标泛潮羼来实现一蝗外部的弱约策。 第露计算孛县需要求甥线性算予及其俸照算子。懑蓠霪际上主瑟气数值预报审 心大多采爵三维交分进行弱纯，爨内龚建东耩张断等弼将3 d v a r 应用到实际分 析中，在海洋资料同化中，z h o u 脚1 、z h u 等n 采用的也是3 d a g r 。 4 势娃r 运掌可有鞲秘途径实聪：纂一静是俸髓麴差分，惑恣续戆正模型褥 到连续的斧筵摸燮方程寝霾标泛畿髂梯度表达斌，再对它稍遴行差分离数。第 二种途径是差分的伴随，由离散的正模型直接导出离散的伴隧模型及目标滋函 的梯度d 。 鼗学家k a l m a n 瓣在t 9 6 0 军挺窭了卡畚曼滤波麓哆方法一它是孩分拼误 差的蛾小方差为最优标准，假定糕统是线性的、噪音是白色、高斯型条件下的 一种递熙资料处理方法。2 0 世纪年代中期，k a l m a n 滤波首次被零l 入气象攀， 影袋卡尔曼滤波麓瓷料嚣毒 ：方法。1 9 9 4 年e v e n s e n 鞋窭在海洋书酋次鬟基集食卡 尔蔓滤波的应用。 隧维变分回化是把不同时刻、不同地区、不同性质的气蒙资料( 包括常规 窝嚣豢娆麓嚣囊辩辨及预攘资辩等，逶蓬统诗笃凄力关系( 怠括蓣擐搂式使 之在劫力与热力上协调起来，以得到质量更好的涟续天气分析图及预报国的问 题“们。 嚣缝变努霹纯方法是骧交分壤论瓷薹磁，能嚣豢叁蒸遗撼溪瀑赛耩鬻数德 模式奇妙的结合起来，从而在一嫩程度上弥补了给定时刻由予探空站不足造成 的损失，也适用于非定时资料的同化。运用伴随技术的四维变分同化方法匙在 终统麴变分方法基獭上，餐瑟l 变分隳鬟囊共辘方程理论，将一阕露刻貉一落蘧 4 测资料( 包括常规观测资料和非常规观测资料、模式资料和非模式资料) 作为一 个整体同时考虑，用模式预报值和观测值构造目标函数，用预报方程及其伴随 方程适应的下降算法，调整模式控制变量，包括状态变量和模式参数寻找出 多时次资料中所包含的时间演变信息，使目标函数达到最小，求出最优初始条 件，从而将数值模式和资料约束相结合的变分方法。它将传统的约束变分问题 转化为无约束的变分问题，使得客观分析场的初始化变得没有必要，从而避免 了初始化所带来的误差，是用来求解大气科学中偏微分方程中反问题的一种有 效方法。同时卫星、雷达等非常规资也可以同化到模式中去。因此，这种方法 具有坚实的数学理论基础及无可比拟的优越性，因而也是目前最有前途的资料 同化方法。 1 4 伴随同化的意义和进展 伴随模式在我国只是近年来才得以发展。沈桐立、陈子通等n 5 1 对伴随模式 码的检验问题做了讨论。试验表明采用共轭码方法是可行的，其伴随模式与理 论推导的共轭方程是相容的，还发现该同化系统有消除随机干扰的能力，同化 效果好的特点。朱克云削等将一阶有限元浅水方程的伴随模式应用于气象资料 同化。费文龙n 7 1 等用概率统计理论证明了伴随同化方法的初始估计的优良性， 给出评估伴随同化方法效果的指标及简单算法。李晓莉等n 刚以中尺度模式瑚4 为基础，利用伴随码技术改进、完善了m m 4 伴随模式同化系统，并利用该系统 进行了常规资料和非常规资料的伴随模式同化试验。朱江等刚研究了时间、空 间上离散的模式如果含有带开关的参数化物理过程，某些对应的变分同化问题 可阻看成为非光滑优化问题，并系统地讨论了与此相关的几个理论问题。王栋 梁等心“1 以中尺度数值模式m m 5 为例，讨论了如何用伴随码技术建立m m 5 伴随模 式，以及权重、尺度因予的选择、梯度的检验，并利用实况资料进行同化试验， 提高了模式对降水的预报。王必正k “等人在下边界为第三类边界条件下，推导 5 了适台子n 孵的永汽方程靛俸随方程，并利用目标函数的极值性，得出了水汽 四维资料同化问题的伴随算法。朱江删等人构造了m e l l o r - y a m a d a 湍流封闭模 式下一个改进的切线模式，提高了对非线性扰动的逼近。w a n g 镣瞪3 1 基于非线性 扰动方程对开，关变量离题作了研究。王颓风等汹提出了利用避证方向遗传算 法求解变分同化这一最优化问题的方法，并对理想初始场作数值模拟，结果表 明模拟效果较好。王栋梁等对包括k u o 降水参数化方案的非静力中尺度数值模 式涮5 髓匿维变分瓷科同纯系统进彳亍研究，刳鹦对实际降水的模拟，诧较详细 地讨论了有关的“开关剪变量以及切弱线性间纯和伴髓问题。吕成青等潞3 对数 据同化中的伴随方法的有关问题的研究，实现了确定开边界条件的自动化过 程。范水勇等瞳鄹采用伴随码方法构造了数值天气预报的伴随模式系统，并对其 正确性进行了检验，发现伴随码推导伴随模式是根有价值的工兵。王云峰强订 等根据v c a 方法的思想，通过在模式方程中引进个对模式塑量的时间导数进 行修正的项，用来连续调整模式的解，从丽达到资料同让的目的，同时还提出 了一种简单求算优化步长的薪方法。 目前伴随模式更为普遍的应用是预报方程的敏感性分析，即当初始条件、 边界条件、模式方程发生了某些改变( 包括参数改变 之后会对后来的预报产生 怎样的影响。d e r b e r 嘲考虑到模式躲诿差，在镞报方程中加入了强追项来进行 变分同化，结果显示了它能纠正一部分模式误差。d a v i d 和b a o 阻印利用伴随方 程对参数估计的可杼性进行了研究，取得了较好的结果。邱祟践等汹利用浅水 方程模式，对变分四维同纯过程中模式中误差的影嫡进行了数氇模拟试验，实 验显示了模式误差被“混淆”入韧始场的现象，在一些模式变量无观测时，这 种混淆的后果更为严霪。郜吉东饵等用l o r e n t z 系统作7 共轭变分同化的数值 试验，菠现四维尉纯帮可预擐麓黻是联系在一起的。蓬着方程不精确程度韵增 加，变分同化的效果愈来愈差，赢到所做的预搬无任何意义可言。如果在做变 分同化的同时对模式参数也进行厦演，则可使得基于l o r e n t z 系统所做的预报 效果大大提高。n l s 等”陛5 利掰高分辨率有限区域的罐模式进行了预l 撮误差和初 6 始条棒熬敏感牲试验。结果曼暴，在6 - 4 8 小时静预报范匿蠹，伴随同他系统 能提高初始场的精度。b a o 翻r o n a l d 嘴在考虑了插值区域抗动的前提下，利用 有限区域的伴随模式对预报结果的敏感性进行了分析。p u 晴钔利用伴随模式考虑 了韧始条件对预报误差的敏感性提出了一个准厦演的线性方法。李华宏等爝伴 骚方法，通造同纯实际疆测资辩，褥到一个在空簿尺度上与气象要素戏测场相 照配的又与模式协调较好的地形场，有效地改善了模式的降水预报。 了 第二章云迹照资料在数值天气预报中的应用 2 1 暴雨预报的研究进展 暴磊是一种严霪翡灾害姓天气，我鲎是令受暴雨灾害影响严重翡嚣家， 如：1 9 5 4 年、1 9 9 8 年长江全流域性的大洪水，1 9 9 1 、2 0 0 3 年淮河流域、1 9 8 1 年 长波上游严重洪涝，1 9 9 6 年、2 0 0 2 年长江中游的濑南出现了中等程度的洪涝， 瓣入瑟静经济财产鞠人身安全具有重大影嫡。密于暴两灾害绘人民帮雷家带来 了巨大的损失，因此，对暴雨的研究一直是气象学家及气羰业务工作者蠛关注 的阕题之一，提离暴雨的监测、预测能力是国家减灾防灾的重点。但是暴雨研 突有缳大难度，由予暴雨斡持续性与突发性，另外对于特大暴雨懿“突发、 “多发 及其“转折”的关键时机难于捕捉，特别是特大暴雨的落区、突发时 间、强度突变及其成灾分布的估测都有很大的难度。迄今为止，对暴雨的发生 发展及移动交讫规律等煮有许多缺乏客嚣认识髓方瑟，逐有诲多阚题有待深 入研究。因此如果要提高暴雨的预报水平，除了需要分析大量的观测攀实， 对其物理过程进行深入的分析和研究外，述螫建立和改进中尺度资料的同他 及物理过程，以提高对暴覆中足度系统熬模拟能力藕分耩水平，雯癸还霈受充 分利用卫星、雷达等遥感资料，这些对中国气象工作者也是藿大的挑战。 针对我国暴雨灾害的严重性，陶诗言先生就对暴雨以及中小尺度系统的 天气学特征及动力学进行过系统全面靛研究，增强了气象工作者黠暴爵系统麓 认识和预报能力。关于暴雨的成因机理，特别是暴雨发生时不同尺度系统的演 变及其相互作用的研究口潞1 表明，暴雨的发生是不同天气尺度系统相互作用造 成的。在稳定的大形势背景下，短波稽、低涡、气旋等天气尺度系统翳活动，造 成一次次豹短期暴雨过程。后聚有研究表明，梅雨锋是汛期造成我翟酶水韵一 个煎臻天气系统7 圳i ，梅雨锋黼带内降水刁= ：均，常有一个个捺雨雨团。挪威学 派的锋蠢气旋降水区分布的模型，著l i 适合中餐大醚梅雨降水翡情褫，中蓬 8 梅薷降水带有硝显的薛性。另外东照高空急流是影嫡表亚及中国天气的重要系 统，东驻大气环流的季风转换、中鞠犬部分地区雨季的开始和结束都与西风急 流位置的南北移动以及强度变化有紧密的联系1 。低空西南风急流是引起中 国暴雨鹤主要天气系统n 心1 。在高低空急流研究中，另一个重要进步是加大了 对高低空急流相互作用方面的研究，如朱乾根h 锄等通过对1 9 9 8 年发生子武汉 酣近的次强暴雨过程的分析发现，边界层南风急流、低空西风急流和高空西 风惫流上下的耦合作用是强暴雨发生镌重要原嚣。低涡是遣威属鄯暴雨的主要 天气系统之一，中国科学家对低涡进行过大量的研究，并且得到了许多重要 成果。 以往对于暴鬻中尺度动力分祈常用是能量转换收支分析、涡度、散度、涡 度收支、涡度平流、溢度平流、各种不稳定指数等的诊断扣1 ，近年来，除了 位涡、螺旋度等动力变量在暴雨中尺度动力分析中的广泛应用以外，一些新的 物理量，如非均匀饱和广义湿位涡、对流涡度矢量戳及有限区域风场分解方法 在暴雨中尺度动力分析中也得到了更多的应用。 随着对暴雨的深入研究，非常规探测资料( 如卫星资料、臀达资料等) 的大 量增加，极大地改善了全球范围内的观测资料状况，特别是卫星探测资料不仅 覆盖藏广、对空密度大，而且具有缀好的一致性，这为资料同化提高数值模式韧 值场质晨创造了有利条件。 通过卫星、雷达回波可以接受与强降水宥关的动力和微物理过程资料，遮 对于深入研究暴雨的中只度雨带的高空结构穰寄帮助。我国气象学者也将避神 新的技术应用到暴雨的研究中。2 0 世纪8 0 年代以后，随着国外静止卫星云遮风 资料的研究和应用，发现云迹风在中尺度系统分析中有重要作用并己开始崩于 暴雨洪涝灾害的天气分析研裂”蝴。 2 。2 云迹风资料的应用现状 云迹风是静止气象卫星的导风产品，亦称为云导风( c l o u dd r i t fw i n d ， 简称c d w ) ，即是指用连续几幅静止气象卫星图像追踪图像上示踪图像块( 简称 乐踪云) 的位移，计算示踪云所代表的云或承汽特征所在盼高度层次，以获得 这些层次上风的估计值。云避风可为大气分析和数值预报模式提供在赤道两侧 5 0 度范围内大量有用资料。通过静止卫星发送的云图计算出云迹风是对全球风 场资料的有益补充。 2 0 世纪8 0 年代，随着国外静止卫星云迹风资料的研究和应用，发现云迹 风在中尺度系统分析中有重要作用，并开始用于暴雨洪涝灾害的天气分析研 究。国井学者最早开发了云迹风自动计算系统，对云迹风矢的误差和质量控制 方法进行了讨论：国内的学者用红外和水汽两个通道的卫星测值指定云迹风的 高度并在云迹风的模块搜索、质量控制、高度赋值等过程中采用了有自己特色 豹算法，进一步分析了云迹风计算工作中的两个几何问题，即图像匹配问题和 风矢量计算问题，通过这些问题，分剐研究如何减少云迹风的计算误差及如何 准确地求出风向风速。许健民等对一次暴雨强降水进行了数值模拟及云迹风资 料同化试验研究，结果表明，云避风资料同化能有效地改善高空最场质量并能 清楚且生动地照示天气系统发展变化的细节，在数值天气分析和预报中具有广 泛的应用前景，对暴雨落区分析和预测有重要的指示意义。 2 3 云迹风的计算原理 用静止气象卫星云图的图像估算风场，其主要任务是准确地追踪连续的几 幅静止气象卫晨云图上的霾标云块( 示踪云) 的位移，以及准确地计算出示踪 云所代表的云或水汽特征所在的高度从而获得这些层次上风的估计值。下面对 f y - 2 c 卫星云迹风产品的生成原理进行简单介绍。 1 0 云迹风的生成需要以下几个步骤：示踪云目标选择、示踪云目标追踪、示 踪云高度制定和质量控制。首先，在第二幅图像上星下点东西南北各5 0 个经 纬度的范围内，每隔l 度计算一个点为示踪云目标的中心点，示踪云目标区内 像元问观测数据最大值与最小值之差，须大于若干个量化等级。国家卫星气象 中心的简算算法不依赖于数值预报结果，追踪区范围大，误追踪概率小，且计 算工作量增加不多。第二步，将第二幅图像上的目标与第一幅和第三幅图像上 的追踪区进行相关匹配，相关系数最大的位置是目标最可能的初始和终了位 置，用几何公式算出前后两个风矢量。第三步，用红外和水汽两个通道的数据 共同制定云迹风的高度，用红外和水汽通道图像测值的分布，初判示踪云中的 图像特征在高层还是在底层。如果云的高度在水汽通道权重函数峰值高度 ( 4 0 0 h p a 上下) 以上，那么红外和水气通道观测值之间存在线性相关。求出其关 系回归线的斜率，利用关系回归线与红外水汽亮温相等关系式的交点求出云迹 风的高度；如果云的高度在本汽通道权重函数峰值高度( 4 0 0 k p a 上下) 以下，那 么水汽通道观测不到云。在示踪云目标区内水汽通道测值为常数，此时用最低 红外亮温求出云的高度。由于卫星探测资料，不受沙漠、海洋等陆地条件限制， 与常规观测资料形成互补，尤其在海洋上空气象资料的获取方面，能够起到重 要的补充作用。 云迹风作为卫星重要的反演资料之一，常常作为大气环流分析、数值预报 的原始资料。从1 9 9 7 年开始，国家卫星中心每天四次( o o 、0 6 、1 2 、1 8 时) 向 国家气象中心传送卫星云迹风资料，目的是通过引入卫星云迹风资料来订正分 析场，进而提高客观分析风场质量。 本文采用国家卫星气象中心处理的f y 一2 c 云迹风资料作为同化试验非常规 资料应用对象。f y 一2 c 卫星大气运动矢量产品是根据红外云图和水汽图像资料 推算出的大气运动矢量。该产品的主要特点是能揭示云的移动规律，看出大气 运动趋势和系统发展演变规律。主要用于数值预撇的初始场，弥补站点稀少地 区缺测资料的现象，提高数值预报的准确性，可以与其他资料共同揭示大气运 劫规律，特瓤是上鼹大嘎运魂规律。孵- 2 号静止卫星链子1 0 5 6 蠢道上空，该 卫星云迹风资料属予离散场资料格式，资料范蠲从东经5 5 度到东经1 5 5 魔， 北纬5 0 度到南纬5 0 度，分辨率魑i 。xi 。简度分辨范围从5 0 毫巴到9 5 0 毫匿。 第三章中尺度数值模式m m 5 的介绍 3 1 删5 模式的发展 美国宾州大学( p e n ns t a t eu n i v e r s i t y ) 和国家大气研究中心( n c a r ) ，从 二十世纪七十年代中期起开始研制p e n ns z a t e n c a r 中尺度数值模式m m 4 ( 早 期为删2 ) ，经过二十多年的不断改进和应用，先后形成了8 个版本，这些版本 己经被美国大学和科研单位广泛应用于对热带风暴、中纬度气旋锋面系统、暴 雨、中尺度对流系统等重要天气过程的中尺度数值模拟以及对环境科学的研 究。到了9 0 年代初，在m m 4 的基础上，进一步研制出了新一代的系统m m 5 。m m 5 的几个重大进展是：( 1 ) 研制出了非流体静力学模式的选项，在模式中既有静 力又有非静力的动力框架，使得模式能更加真实的模拟实际大气。( 2 ) 具有多 重嵌套功能。m m 5 模式水平分辨率可达到5 公里，垂直分辨率可达4 0 层，网格 嵌套层数最多可达1 0 层，这样的模式设置这对于深入细致地研究中小尺度系 统是一个有力的工具。( 3 ) 提供了降水处理的显式计算方案，即提供了从云和 降水形成的微物理过程着眼来计算的方案。这对于研究或预报尺度较小的强降 水过程无疑是非常有益的。另外在行星边界层( p b l ) 物力过程参数化、大气辐 射参数化等方面均有改进或完善。( 4 ) 具有四维资料同化的能力，此项的作用 是使模式的中间结果能够不断地逼近实际的观测或分析。 3 2 埘5 模式的基本预报方程 m m 5 模式中变量的水平分布定义，u 、v 变量在圆点上，其他变量如t 、q 、 p 等定义在叉点上。瑚5 在静力模式的基础上，增加了非静力动力框架，非静 力模式采用参考态气压定义垂直坐标，而不是采用实际的气压场，地面参考气 压完全依赖于地形高度。模式在处理非静力平衡时将气压、温度和空气密度定 义为参考项和扰动项两部分，即： y ( x ，y ，z ，t ) = ) ，o ( z ) + ，( x ，y ，z ，t )( ，代表温度，压强，空气密度) 垂直坐标完全由参考气压定义： 盯2 1 二里! p ，一p i p ，是参考状态大气表面气压，p ，是参考状态大气顶层的气压，网格点上的气 压给定为： p - p o r + p 。+ p 买甲p ，_ ) ，) 。p 。( z ，y ) 一p ，其中三维压力扰动量p 。是一个可预报量。 ( 1 ) 水平动量方程： 了a p u + r a p ( a p p 一三p 等卦叫学+ 业a y 】 砸 a 仃a 口jl 缸 。 l 一ap=_u一(9+udlv+p声一pewcos臼+p。0o r 。 警+ 等( 等一手等等) m 2 亚竽+ 堕笋 一i a p v a + v d l v p 少+ p e w s i n o + d ， d 仃 业o pw ；一m ：f 掣+ a p 半l m 1 一迹a p w o 州，d 形 o t l 觇 a y ia d 一g 告侈等争酱) - p 她。， 一p e ( u c o s 8 一v s i n o ) + d 。 ( 3 ) 连续方程： 1 4 丝2(半+迹)_簪叫伽嗍g护石owat o y i a x ja 仃 。， 。，一0 6 a d m 2 p 汐io u i m 。一矿i a p 石a u + 可o v m 一旦n i p 亚o y 旦a o ) 矗p 。 ( 4 ) 热流量方程： 坚a t 2 ( 学+ 学1 - 巫a c t + 伽 i 缸 却j ， 一筹p c ( 业o x + 学卜学+ 譬+ 等。岛 p 砂 j a 盯 c p 。o 1 吉( 字嗍叫 ( 5 ) 水汽方程： 迪a t 2 ( 巫o 业x + 华1 - 迹a o 伽嘎 ia yj 1 ”一一和 + p ( 一只+ j 乞一f 乙+ 最c + p c o n ) 。 业a t 2 ( 气警+ 学1 _ 迹a o 删也。 i 缸 a vi q 广一一q c + p ( ，名+ p + p r c + ，毛。一，乙) 迪a t = 嘲2 ( 鼍竽+ 尘。业y1 _ 等屺胛峨， i 缸 ja 仃 q 广。一“ 其中：o r = - 绰w 一罂玺“一罂芝v p p o x po y d i v ：m zo p u i m + a p v l m + 旦里二立 o x o y i a 0 t a n 0 ；一c o s 西a , 1 i a y j b 巾| 弛 1 5 其中：乏错为水汽饱帮条件下由求汽凝结成的云冰项，k 为雨或雪翡降 落末速，p 为云冰的沉降，p 劓是雨水碰并云冰项，云水向雨水自转化 项，为雨水的蒸发顼，只为冰晶麴初始僮。允为经度，力纬度，。一2 q c o s ， q 为地球的自转速度。 3 3 姗5 模式的系统结构 撇5 模式系统结构主要由7 个程序块组成，其执行顺序及各模块功能分别 如下： ( 1 互鼹融至嚣模块：根据绘定的模式中心经纬度、格点数及格距生成潮5 模式在投影图上粗网格区域和嵌套区域，然后运用滑动抛物线内插法或 c r e s s m n a 分析法将把纬度网格的地形资料和陆面特征参数资料插值到m m 5 模 式的矩形网格上。 ( 2 ) d a t a g r i d 模块：目的是将糨分辨率的全球或半球经纬网格资料水平内 插到模式中尺度网格上，形成第一猜值场( f i r s tg u e s sf i e l d ) 。 ( 3 ) r a w i n s 模块：这两个程序豁功能是读入地面蕊测秘探空麓溅资料，通 过极值检查及水平梯度检查等剔除错误记录，然后用逐次订正法进行客观分 析，得到所需要的等压面上模式格点的值。 ( 4 ) i n t e r p 模块；读入前两个模块处理的结果，该模块的另一个功能是把 前述得到的各等压面场插值成翁上的场，从而形成模式预报时的初始场和侧 边界条件。亦称其为前处理模块。 ( 5 ) 涮5 p c 模块：这是模式系统的核心模块，主要功能是辩间积分，进行数 值天气预报。它以i n t e r p 模块输擞的初始条伴和边界条件为基础，根据不网 的物理过程选择适当的方案进行预报或模拟，在仃面进行积分预报。 ( 6 ) b a c k e n d 模块：主要任务是读入删5 积分模块的预撤结果，并把拶艇上 】6 的各变量插值到等压面上，称其为后处理程序。 ( 7 ) r d v 5 5 模块：读入后处理模块输出的数据，输出各要素场数据资料用 于绘图分析。 第四章直接同化与伴随同化的基本原理 4 1 直接同化云迹风资料 本文中定义直接同化是一种将云迹风资料同化到模式的初始场，对模式生 成的客观分析场进行订正的简单同化方法。常规定时探空风场信息受测站布点 的限制，往往在空间上呈现不均匀性，对于测站稀少的地区，风场资料尤为缺 乏，使得数值模式的初始场不能达到最优。非定时的高密度分布的卫星资料能 够大大弥补风场资料，模式通过同化云迹风资料使得风场、湿度等相关量场都 能得到调整，从而能够达到提高模式初始场质量及提高模式预报精度的目的。 由于卫星云迹风资料已经过严格的质量控制，所以将云迹风资料同化到模 式的初始场实际是通过以下两个步骤来实现的：第一步用预处理方法将云迹风 插值到模式网格点上，第二步是用预处理之后格点上的云迹风资料来订正经过 客观分析后格点上的常规探空资料，从而实现了将云迹风资料同化到模式初始 场中。 这样处理的目的是：首先，实际上云迹风资料经反演、质量检查之后仍与 常规探空风资料存在一定误差，如直接引用到模式初始场可能会导致局地风速 切变较大，不符合实际风的分布特征，从而也会影响模拟结果，因此经过云迹 风的再次订正处理，可能会较好地减小这种误差，另外由于卫星云迹风资料空 间分辨率高于常规探空观测资料，因此用预处理之后格点上的云迹风资料来订 正经过客观分析后格点上的常规探空资料，可以改进模式的初始场。具体的实 现方法在第五章详细介绍。 4 2 伴随同化云迹风资料 四维伴随变分同化方法主要包括：只标函数的选择、目标函数梯度的求解、 1 8 伴随方法、下降算法、权重系数的选取、尺度化过程几个方面。 4 2 1 目标函数的选取 首先要构造度量模式解与相应时刻的观测场逼近程度的泛函( 又称代价函 数或距离函数) 。 设x 是模式变量，则目标函数( 离散形式) 可定义为： ， j ( x q 。) ) 一e ( x ( t ，) 一x 晰瓴) f w ( x ( t ，) - x o b , ( t j ) ) ( 1 ) j _ u 其中是x 控制变量，x ( t 。) 代表模式初始场，x ( t ，) 代表t ，时刻模式的输出 值。w 是权重系数，上标t 表示矩阵的转置，下标o b s 表示观测值，n 是在同化 时段内有观测的时间次数，由于模式非常复杂，自由度太大，根本无法写出 x ( t 。) 的闭合解。 4 2 2 目标泛函梯度的求解 基于共轭方程理论，以数值预报模式为约束条件建立伴随方程，可求解目 标函数梯度。设w 使h i l b e r t 空间，定义内积( ，) ，矢量x e w ，l 是依赖于 h i l b e r t 空间的一个有界可微泛函，根据h i l b e r t 空间性质，存在如下变分关 系： l 7 = ( v l ，x ) ( 2 ) j7 o 。) ) 1 ( v r ( x ( t 。) ，石o 。) )( 3 ) ，( x p 。) ) = w ( x ( t ，) 一x 咖( f ；) ) r x ( r ，) ( 4 ) p ( x ( ) ) p x 缸。) 一蓦( x ( f ，) 一x 咖o f ) ) 7 x ( r ，) ( 5 ) 而大气运动方程的扰动方程是： 】9 詈( 啦 ( 6 ) 则扰动方程的计算可由以下式表示： x 纯) 一只陋) z g 。) ( 7 ) 将以上方程整理可以得到： 扣( x ( f 。) ) ，x 纯) - 薹矽( z 以) 一x 出( f f ) ) p ( x ) x o 。) ( 8 ) 由h i l b e r t 空间性质，其中l 是l 在h i l b e r t 空间的共轭算子，当h i l b e r t 空 间为有限维且可用正交坐标系描述时，r 代表算子l 的矩阵的转置f ，可得 v j ( x ( t 。) ) | e w ( x ( t f ) 一x o b s ( t f ) ) 覃( x ) ( 9 ) 设的共轭算子为f ”僻) ，可得如下共轭伴随方程： 一等伽 ( 1 0 ) 也可由下式表示： x 一瓯) p 。逑产瓴) ( i i ) 其中：p 。( x ) 是只( x ) 的共轭算子，此处等于只r ，因此目标函数的梯度 可以表示成： w ( x q 。) ) 一e w ( x ( t ；) - x 曲。0 ；) ) p ) ( 1 2 ) 由( 1 2 ) 可以看出只要w ( x q 。) 一x 出0 。) ) 为初始值向后积分伴随模式( 1 1 ) 到初始时刻，并在每个有观测资料时刻，将w ( x q 。) 一x 。撕纯)