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北京“7.21”暴雨雨团的发生和传播机理 被引量:85
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作者 陈明轩 王迎春 +1 位作者 肖现 高峰 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2013年第4期569-592,共24页
基于京津冀5部新一代天气雷达、区域5min自动站和中尺度数值模式模拟资料,通过雷达资料快速更新循环四维变分同化技术和三维数值云模式对低层三维动力和热动力特征的模拟分析,为北京"7.21"特大暴雨中尺度对流系统(Mesoscale C... 基于京津冀5部新一代天气雷达、区域5min自动站和中尺度数值模式模拟资料,通过雷达资料快速更新循环四维变分同化技术和三维数值云模式对低层三维动力和热动力特征的模拟分析,为北京"7.21"特大暴雨中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,MCS)的结构特征和传播机理的分析提供了佐证。结果表明:(1)低层动力场和地形强迫对MCS的触发、增强和维持起到关键作用。在MCS形成阶段,地形强迫有利于低空偏南气流带来的暖湿空气在山前的辐合上升。随着MCS的加强,强降水区域呈现与地形走向接近的"西南—东北"向带状分布,单体移动具有明显的"列车效应",而MCS整体则向东偏南缓慢传播。在MCS传播前沿(山前)形成强的出流风场,低层2 km以下均为深厚的辐合上升区且进一步加强,表明地形强迫和低层风辐合对偏南暖湿空气抬升起到重要作用,有利于MCS长时间"列车效应"的维持和MCS的发展。MCS出流风场与平原地区近地面偏南风交汇,使得在距MCS传播前沿约50 km的、已经存在的一个接近"西西南—东东北"走向的出流边界明显增强。在MCS传播前沿存在较为明显的0-3 km风垂直切变,由MCS出流与低层偏南风形成的风向切变以及地形强迫造成的风速切变构成,切变区域与地形走向及MCS伸展方向密切相关,切变强度达到中纬度低层强切变阈值范围。低层风垂直切变与MCS存在明显的正反馈效应,亦有利于MCS的长时间发展和维持。(2)低层热动力场为MCS的发展、传播提供了重要条件。在MCS传播前方的环境低层是明显的暖湿区,而在传播后方的低层则是由于地面冷锋及MCS降水造成的冷区,冷暖空气交汇对MCS的高度组织化和强降水的持续起到重要作用。低层的热力层结不稳定区域主要分布在MCS的南部到西南部地区,为MCS尾部风暴单体的不断新生和移动传播创造了良好的热力条件。最后,通� 展开更多
关键词 特大暴雨 7 21 北京 雷达资料 四维变分 数值模拟
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基于雷达资料4DVar的低层热动力反演系统及其在北京奥运期间的初步应用分析 被引量:44
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作者 陈明轩 王迎春 +1 位作者 高峰 王婷婷 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第1期64-78,共15页
在变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)中,通过对雷达资料的质量控制和预处理、云尺度模式的暖雨参数化方案、中尺度初猜场的插值分析方法、循环同化的冷启动和热启动中尺度背景场的计算方案等进行改进,实现了VDRAS对低层动力和热力场的分析... 在变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)中,通过对雷达资料的质量控制和预处理、云尺度模式的暖雨参数化方案、中尺度初猜场的插值分析方法、循环同化的冷启动和热启动中尺度背景场的计算方案等进行改进,实现了VDRAS对低层动力和热力场的分析反演及其在北京奥运期间的实时应用。改进后的VDRAS利用四维变分(4DVar)同化技术和一个包含简化暖雨参数化方案的云尺度模式,对北京和天津2部S波段天气雷达资料进行12min间隔的快速更新循环同化分析,反演与对流风暴生消发展密切相关的低层热动力三维结构,包括水平风场、垂直速度、辐合辐散、扰动温度、扰动温度梯度等,以及它们的时间增量。通过对北京奥运期间2个风暴个例的实时反演结果的分析表明,VDRAS反演的动力场能够反映低层的水平辐合、垂直抬升、风暴出流及它们的变化特征,而热力场则能够反映与风暴相伴随的冷池结构及其变化、阵风锋的相对位置及强弱。VDRAS的反演结果符合风暴发展传播与冷池、阵风锋、辐合抬升之间关系的概念模型。利用边界层风廓线雷达、地面自动站及地基微波辐射仪的观测资料,对VDRAS实时反演结果的初步统计检验表明,反演的风场和温度场与观测比较接近,风场能够反映出与风暴密切相关的低层风的垂直切变特征,温度场则能够反映出由于风暴过程所导致的地面温度的剧烈变化。与风廓线观测相比,反演的低层风速偏弱,偏差和均方根误差分别在-1.5m/s和2.5m/s以内,而风向的偏差和均方根误差分别在20°和45°以内。与地基微波辐射仪观测相比,反演的低层温度偏低,偏差和均方根误差分别在-1.9℃和2.8℃以内。 展开更多
关键词 多普勒雷达 对流风暴 4dvar 热动力反演
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资料同化方法的理论发展及应用综述 被引量:42
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作者 官元红 周广庆 +1 位作者 陆维松 陈建萍 《气象与减灾研究》 2007年第4期1-8,共8页
简单介绍了资料同化的概念、功能及分类,回顾了资料同化的发展历程,对各个时期发展的各种方法的理论进行了概述,并指出了每种方法的优缺点及应用进展。目前,三维变分在业务上得到了广泛的应用和推广,随着研究的深入和计算机水平的不断提... 简单介绍了资料同化的概念、功能及分类,回顾了资料同化的发展历程,对各个时期发展的各种方法的理论进行了概述,并指出了每种方法的优缺点及应用进展。目前,三维变分在业务上得到了广泛的应用和推广,随着研究的深入和计算机水平的不断提高,四维变分和集合Kalman滤波在将来业务预报中有广泛的应用前景。 展开更多
关键词 资料同化 三维变分 四维变分 集合卡尔曼滤波 综述
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四维变分方法反演低层风场能力研究 被引量:37
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作者 牟容 刘黎平 +1 位作者 许小永 庄薇 《气象》 CSCD 北大核心 2007年第1期11-18,I0001,共9页
从新一代天气雷达径向速度资料中反演出可靠的三维风场对提高新一代天气雷达的应用水平有重要的作用,将雷达直接观测的径向速度转换成台站预报员更为熟悉的风场结构,对识别中小尺度信息有很大帮助。为此该文对4DVAR同化技术在风场业... 从新一代天气雷达径向速度资料中反演出可靠的三维风场对提高新一代天气雷达的应用水平有重要的作用,将雷达直接观测的径向速度转换成台站预报员更为熟悉的风场结构,对识别中小尺度信息有很大帮助。为此该文对4DVAR同化技术在风场业务反演中应用的可能性进行了探讨,利用广州、济南新一代多普勒天气雷达观测资料,从是否加入云模式湿过程以及迭代次数、计算时间、背景场、初始场、分辨率和反演区域等方面对干模式的4DVAR系统进行了讨论,并从风场结构、均方根差别等方面对反演结果进行分析。多种试验表明,干模式的4DVAR系统与湿的云模式反演结果差异不大。模式的初始场和背景场对反演结果具有较高的敏感性,利用前一时次的反演结果作为背景场迭代15~20次的干模式结果可以很好地在业务上试运行,对台站预报员提高中小尺度天气预报的准确率有着很重要的作用。 展开更多
关键词 多普勒雷达 4dvar 低层风场 准业务试验
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基于雷达资料四维变分同化和三维云模式对一次超级单体风暴发展维持热动力机制的模拟分析 被引量:37
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作者 陈明轩 王迎春 +1 位作者 肖现 高峰 《大气科学》 CSCD 北大核心 2012年第5期929-944,共16页
利用三维云尺度数值模式和雷达资料快速更新循环四维变分同化(4DVar)技术,对京津冀地区一次强降水超级单体风暴发展演变的热动力机制进行了数值模拟和结果分析,并结合雷达、加密探空和自动站资料,揭示了快速变化的近风暴大气环境及风暴... 利用三维云尺度数值模式和雷达资料快速更新循环四维变分同化(4DVar)技术,对京津冀地区一次强降水超级单体风暴发展演变的热动力机制进行了数值模拟和结果分析,并结合雷达、加密探空和自动站资料,揭示了快速变化的近风暴大气环境及风暴自身的热动力三维特征对超级单体形成、发展和演变的影响。雷达回波观测分析表明,这是一次由多单体合并加强为"右移"超级单体而后又分裂为多单体的风暴过程。在超级单体形成到发展成熟阶段,风暴前方中低层环境垂直风切变逐渐加强,为超级单体中稳定旋转上升气流和中气旋的形成创造了重要条件。模拟的风矢端图也指示出,风暴前方的低层环境风随高度存在显著的顺时针切变,有利于超级单体风暴的持续发展和右移。与风暴相伴随的冷池以及冷池出流(阵风锋)与低层环境风场的辐合均不断增强,风暴前沿的气流上升明显,低层暖湿空气在强的风切变作用下旋转上升进入风暴内,使得超级单体得以维持和加强。在超级单体消散分裂为多单体阶段,模拟的热动力特征均不利于其进一步发展。此时,中低层切变明显减弱,风矢端图具有明显的有利于多单体风暴发展的"直线型"特征。低层扰动温度显示冷池进一步增强并明显扩展,其扩展速度快于风暴的发展移动速度,冷池前沿伸展到风暴前面。低层风场指示冷池出流(阵风锋)更加强烈且存在明显的"前冲"特征,并开始"脱离"风暴前沿。风暴前方的辐合上升也明显减弱。基于模拟结果计算了与超级单体发展密切相关的风暴相对环境螺旋度(SREH)、风暴整体理查森数(SBRN)和风暴强度(SS)。结果显示,在超级单体形成和发展成熟阶段,SREH>150m2/s2,SBRN<45,SS>0.4,而在超级单体形成之前和接近消散阶段,SREH<150m2/s2,SBRN>45,SS<0.4。上述结果与前人研究结论基本一致,反映出模拟的SREH、SB 展开更多
关键词 雷达资料 4dvar 云模式 超级单体 热动力机制
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An Economical Approach to Four-dimensional Variational Data Assimilation 被引量:26
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作者 王斌 刘娟娟 +5 位作者 王曙东 成巍 刘娟 刘成思 Qingnong XIAO Ying-Hwa KUO 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2010年第4期715-727,共13页
Four-dimensional variational data assimilation (4DVar) is one of the most promising methods to provide optimal analysis for numerical weather prediction (NWP). Five national NWP centers in the world have successfu... Four-dimensional variational data assimilation (4DVar) is one of the most promising methods to provide optimal analysis for numerical weather prediction (NWP). Five national NWP centers in the world have successfully applied 4DVar methods in their global NWPs, thanks to the increment method and adjoint technique. However, the application of 4DVar is still limited by the computer resources available at many NWP centers and research institutes. It is essential, therefore, to further reduce the computational cost of 4DVar. Here, an economical approach to implement 4DVar is proposed, using the technique of dimension- reduced projection (DRP), which is called "DRP-4DVar." The proposed approach is based on dimension reduction using an ensemble of historical samples to define a subspace. It directly obtains an optimal solution in the reduced space by fitting observations with historical time series generated by the model to form consistent forecast states, and therefore does not require implementation of the adjoint of tangent linear approximation. To evaluate the performance of the DRP-4DVar on assimilating different types of mesoscale observations, some observing system simulation experiments are conducted using MM5 and a comparison is made between adjoint-based 4DVar and DRP-4DVar using a 6-hour assimilation window. 展开更多
关键词 4dvar ADJOINT dimension reduction historical sample observing system simulation experiment
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京津冀一次飑线过程的精细时空演变特征分析 被引量:25
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作者 刘莲 王迎春 陈明轩 《气象》 CSCD 北大核心 2015年第12期1433-1446,共14页
基于雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)分析系统,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达资料和区域(约700个)自动站资料对2013年7月30—31日京津冀地区一次飑线系统在移动过程中系统不同部位的热动力结构及其环境场时空演变特征进行... 基于雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)分析系统,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达资料和区域(约700个)自动站资料对2013年7月30—31日京津冀地区一次飑线系统在移动过程中系统不同部位的热动力结构及其环境场时空演变特征进行了分析。结果表明,这次飑线过程是在有利的天气尺度背景形势下发生发展的。飑线形成初期,其中段和南段前部有强的暖湿空气辐合上升运动,并受到强的中层垂直风切变的影响,且在飑线中南段两侧水平正负涡度近似平衡,这种环境下,十分有利于飑线中南段的组织发展。而北段前部受弱的中层垂直风切变及辐散下沉运动影响,不利于北段系统有组织的发展;随着飑线移动下山,中段和南段前部在较强的中层垂直风切变控制下,出现强的暖湿空气辐合上升运动,且存在偏南暖湿气流稳定输送到系统上升运动区中,这对飑线系统中段和南段自身对流单体新生及高度组织化极为有利。随着飑线演变为弓形回波,中段环境场仍维持强的中层垂直风切变且位于冷池出流边界的控制之下,由于地形强迫效应,有利于弓形回波前沿低空偏南暖湿气流的辐合上升,是飑线下山迅速增强并发展成弓形回波,且稳定维持的主要原因。 展开更多
关键词 分析系统 飑线 时空演变 雷达 4dvar
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GRAPES全球切线性和伴随模式的调优 被引量:24
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作者 刘永柱 张林 金之雁 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2017年第1期62-71,共10页
伴随技术是四维变分同化(4DVar)系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPE... 伴随技术是四维变分同化(4DVar)系统中计算代价函数梯度的最佳办法,切线性和伴随模式的效果和效率直接影响着4DVar系统的发展。基于GRAPES(Global and Regional Assimilation PrEdiction System)全球切线性和伴随模式1.0版本,利用GRAPES全球模式2.0版本在并行框架和性能等方面的改善,重新优化和设计了GRAPES全球切线性伴随模式2.0版本,提高了GRAPES全球切线性和伴随模式的效果和效率,优化了切线性模式程序结构,使其计算时间最优可控制在非线性模式的1.2倍以内;采用在切线性模式中保存基态的方法,重构了伴随模式的程序结构,使其计算时间最优控制在非线性模式的1.5倍以内;在GRAPES全球切线性物理过程的设计中,将线性物理过程的轨迹基态计算和切线性扰动计算解耦,提高了G-RAPES全球切线性和伴随模式的计算效果和效率。 展开更多
关键词 切线性模式 伴随模式 四维变分同化 GRAPES模式
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基于雷达四维变分分析系统的强对流高分辨率模拟个例分析和批量检验 被引量:20
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作者 陈明轩 肖现 +3 位作者 高峰 雷蕾 王迎春 孙娟珍 《气象学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第3期421-441,共21页
利用以雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)技术和三维数值云模式为核心的模拟分析系统,通过同化京津冀区域6部新一代天气雷达逐6 min的径向速度和反射率因子资料,并融合区域自动站逐5 min观测和中尺度数值模式结果,对发生在京津冀... 利用以雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)技术和三维数值云模式为核心的模拟分析系统,通过同化京津冀区域6部新一代天气雷达逐6 min的径向速度和反射率因子资料,并融合区域自动站逐5 min观测和中尺度数值模式结果,对发生在京津冀地区的18个对流风暴"事件"进行了高分辨率数值模拟,开展了个例分析和全部模拟结果的检验评估。个例分析结果表明,模拟的低层三维动力、热动力和水汽特征可以明确解释复杂地形条件下对流风暴的局地新生、组织化和线状中尺度对流系统(MCS)的形成。高分辨率模拟结果也明确指示了线状中尺度对流系统中对流风暴单体不断新生(再生)和"后向传播"的机制,以及地形强迫在风暴形成和演变中的重要作用。基于一部风廓线雷达、两部地基微波辐射计、一个秒级探空和一个边界层观测塔等局地高频非常规观测数据对18个对流风暴"事件"模拟结果的检验表明,0—3 km的风速、风向和温度的模拟误差(包括偏差和均方根误差)总体较小。其中,最低模式层(187.5 m)风速偏差和均方根误差分别在-0.5和0.9 m/s以内,最高检验层(2.8125 km)风速偏差和均方根误差分别在-0.9和1.6 m/s以内,风速误差随高度逐渐增大;风向偏差在14°—22°,风向均方根误差小于38°;温度偏差和均方根误差分别在-1和1.8℃以内。系统模拟的低层风速、风向和温度的偏差和均方根误差在对流风暴内部稍大于外部。上述研究表明,该系统模拟结果对对流风暴生消、发展及生命史特征的临近预报和预警具有重要指示意义。 展开更多
关键词 雷达 四维变分同化 对流 数值模拟 检验
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多普勒激光雷达风场反演方法研究 被引量:14
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作者 王改利 刘黎平 +3 位作者 邱崇践 刘智深 吕博 牟容 《大气科学》 CSCD 北大核心 2010年第1期143-153,共11页
采用三维变分同化反演(3DVAR)、四维变分同化反演(4DVAR)对多普勒激光雷达资料反演风场的方法进行了研究,利用车载多普勒激光雷达在2008年残奥会测试赛期间外场试验取得的数据,反演了海面10m高度处的风场,并将风场反演结果与浮标资料进... 采用三维变分同化反演(3DVAR)、四维变分同化反演(4DVAR)对多普勒激光雷达资料反演风场的方法进行了研究,利用车载多普勒激光雷达在2008年残奥会测试赛期间外场试验取得的数据,反演了海面10m高度处的风场,并将风场反演结果与浮标资料进行了对比分析,结果表明:3DVAR、4DVAR风场反演方法均能实现近海面风的精细化风场反演,并能反映出风向的变化,反演风场与浮标数据基本一致,在风速较大的天气情况,3DVAR与4DVAR反演风场的一致性要好于风速较小的天气情况;4DVAR反演方法中以浮标资料作为背景场,使得其与浮标的符合程度要好于3DVAR方法反演风场;反演风场的风向与浮标风向具有很好的相关关系,反演风场的风速与浮标风速具有一定的相关关系,反演风场的风向、风速与浮标的风向、风速之间平均均方根误差和平均绝对误差表明,这两序列之间具有一定差别,在风速较小的天气情况下使用时需要注意。 展开更多
关键词 多普勒激光雷达 三维变分同化反演 四维变分同化反演 风场反演 结果分析
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中央气象台全球中期数值预报业务系统的发展 被引量:14
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作者 沈学顺 陈起英 +4 位作者 孙健 韩威 龚建东 李泽椿 王建捷 《气象》 CSCD 北大核心 2021年第6期645-654,共10页
回顾中央气象台全球中期数值天气预报业务系统的发展历程,重点回顾和综述中央气象台建立全球预报业务以来的科学技术进步,概括了引进的谱模式系列在本地化、业务应用及发展过程中取得的成就,着重介绍在自主发展GRAPES_GFS全球中期预报... 回顾中央气象台全球中期数值天气预报业务系统的发展历程,重点回顾和综述中央气象台建立全球预报业务以来的科学技术进步,概括了引进的谱模式系列在本地化、业务应用及发展过程中取得的成就,着重介绍在自主发展GRAPES_GFS全球中期预报系统的不同阶段取得的科技成果。 展开更多
关键词 谱模式 GRAPES_GFS 动力框架 物理过程 四维变分同化
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GRAPES全球四维变分同化系统极小化算法预调节 被引量:12
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作者 张林 刘永柱 《应用气象学报》 CSCD 北大核心 2017年第2期168-176,共9页
在进行多次外循环更新的增量分析框架下,前一次极小化迭代过程中产生的信息可提供给下一次极小化做预调节。该文在GRAPES全球四维变分同化系统中对极小化算法——L-BFGS算法实施了这种预调节,通过全观测的个例试验和批量试验进行评估,... 在进行多次外循环更新的增量分析框架下,前一次极小化迭代过程中产生的信息可提供给下一次极小化做预调节。该文在GRAPES全球四维变分同化系统中对极小化算法——L-BFGS算法实施了这种预调节,通过全观测的个例试验和批量试验进行评估,发现进行预调节后L-BFGS算法的收敛效率得到明显提高,而且在1个月的循环试验中表现十分稳定。该工作可以帮助GRAPES全球四维变分同化系统有效减少极小化的迭代次数,有利于满足业务化运行的时效要求。另外,间隔6 h和间隔24 h的两次4DVar分析对应的海森矩阵变化不大,因此,前一时刻极小化过程产生的信息提供给后一时刻的极小化进行预调节也有一定效果。 展开更多
关键词 L-BFGS算法 预调节 四维变分
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Impact of 4DVAR Assimilation of Rainfall Data on the Simulation of Mesoscale Precipitation Systems in a Mei-yu Heavy Rainfall Event 被引量:10
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作者 储可宽 谈哲敏 Ming XUE 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2007年第2期281-300,共20页
The multi-scale weather systems associated with a mei-yu front and the corresponding heavy precipitation during a particular heavy rainfall event that occurred on 4 5 July 2003 in east China were successfully simulate... The multi-scale weather systems associated with a mei-yu front and the corresponding heavy precipitation during a particular heavy rainfall event that occurred on 4 5 July 2003 in east China were successfully simulated through rainfall assimilation using the PSU/NCAR non-hydrostatic, mesoscale, numerical model (MM5) and its four-dimensional, variational, data assimilation (4DVAR) system. For this case, the improvement of the process via the 4DVAR rainfall assimilation into the simulation of mesoscale precipitation systems is investigated. With the rainfall assimilation, the convection is triggered at the right location and time, and the evolution and spatial distribution of the mesoscale convective systems (MCSs) are also more correctly simulated. Through the interactions between MCSs and the weather systems at different scales, including the low-level jet and mei-yu front, the simulation of the entire mei-yu weather system is significantly improved, both during the data assimilation window and the subsequent 12-h period. The results suggest that the rainfall assimilation first provides positive impact at the convective scale and the influences are then propagated upscale to the meso- and sub-synoptic scales. Through a set of sensitive experiments designed to evaluate the impact of different initial variables on the simulation of mei-yu heavy rainfall, it was found that the moisture field and meridional wind had the strongest effect during the convection initialization stage, however, after the convection was fully triggered, all of the variables at the initial condition seemed to have comparable importance. 展开更多
关键词 4dvar rainfall assimilation impact mesoscale convective system mei-yu heavy rainfall
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一次多单体风暴的传播特征及其预警研究 被引量:10
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作者 郭鸿鸣 李江波 +1 位作者 李飏 李宗涛 《气象与环境学报》 2017年第4期1-10,共10页
利用多普勒雷达和4DVAR反演的0.5—5.0 km中低层风场资料及地面、高空、区域自动气象站等观测资料,对2016年6月8日秦皇岛地区一次致灾性强对流天气过程中风暴的生成和发展进行了综合分析,并探讨了多单体风暴的短临预警。结果表明:上干... 利用多普勒雷达和4DVAR反演的0.5—5.0 km中低层风场资料及地面、高空、区域自动气象站等观测资料,对2016年6月8日秦皇岛地区一次致灾性强对流天气过程中风暴的生成和发展进行了综合分析,并探讨了多单体风暴的短临预警。结果表明:上干冷、下暖湿的层结条件有利于强对流天气的发生,地面辐合线和露点锋是秦皇岛地区此次强对流天气的触发机制,区域自动气象站风场和温度的突变对风暴单体的出流阵风锋具有指示作用。当风暴加强为超级单体并与阵风锋接近时,在超级单体的中低层(0.5—5.0 km),出流与入流形成的辐合上升运动位于回波强度为15—30 d Bz的边缘区域,而低层较强回波区域多为下沉气流,上升和下沉运动的分离确保了超级单体可以维持长时间的发展,出现传播运动;出流阵风锋远离成熟风暴单体后侧,在其后侧约15.0—20.0 km处触发生成新的对流单体,导致对流系统的后向传播运动。通过传播运动矢量方向的估算可以提前预判风暴单体的发展区域,预警时效可以提前30 min,垂直累积液态水含量密度持续大于4 g·m-3对2—5 cm大冰雹的预报具有重要指示作用。 展开更多
关键词 4dvar 超级单体 阵风锋 后向传播 垂直累积液态水含量密度
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GPS/LEO掩星观测的变分同化技术 被引量:7
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作者 刘敏 郭鹏 《天文学进展》 CSCD 北大核心 2006年第1期27-42,共16页
在简单介绍GPS/LEO掩星探测大气的发展历史和科学意义之后,详细阐述了反演的基本原理;分析了标准反演中存在的问题,并说明一维变分同化(1DVAR)在反演方法中的重要性;给出了一维变分同化中价值函数的求解,以及各种同化因子;简单介绍了对... 在简单介绍GPS/LEO掩星探测大气的发展历史和科学意义之后,详细阐述了反演的基本原理;分析了标准反演中存在的问题,并说明一维变分同化(1DVAR)在反演方法中的重要性;给出了一维变分同化中价值函数的求解,以及各种同化因子;简单介绍了对当前气象学中普遍使用的四维变分同化(4DVAR);重点讨论了各种同化方法,以及使用各种同化因子的优缺点。最后,通过CHAMP卫星的观测实例分析,验证了GPS数据在数值天气预报(NWP)中的作用,以及相对于标准反演法一维变分对气象要素的改进。 展开更多
关键词 天体测量学 同化 综述 GPS/LEO 无线电掩星 一维变分 四维变分
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An Adjoint-Free CNOP–4DVar Hybrid Method for Identifying Sensitive Areas in Targeted Observations: Method Formulation and Preliminary Evaluation 被引量:4
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作者 Xiangjun TIAN Xiaobing FENG 《Advances in Atmospheric Sciences》 SCIE CAS CSCD 2019年第7期721-732,共12页
This paper proposes a hybrid method, called CNOP–4 DVar, for the identification of sensitive areas in targeted observations, which takes the advantages of both the conditional nonlinear optimal perturbation(CNOP) and... This paper proposes a hybrid method, called CNOP–4 DVar, for the identification of sensitive areas in targeted observations, which takes the advantages of both the conditional nonlinear optimal perturbation(CNOP) and four-dimensional variational assimilation(4 DVar) methods. The proposed CNOP–4 DVar method is capable of capturing the most sensitive initial perturbation(IP), which causes the greatest perturbation growth at the time of verification;it can also identify sensitive areas by evaluating their assimilation effects for eliminating the most sensitive IP. To alleviate the dependence of the CNOP–4 DVar method on the adjoint model, which is inherited from the adjoint-based approach, we utilized two adjointfree methods, NLS-CNOP and NLS-4 DVar, to solve the CNOP and 4 DVar sub-problems, respectively. A comprehensive performance evaluation for the proposed CNOP–4 DVar method and its comparison with the CNOP and CNOP–ensemble transform Kalman filter(ETKF) methods based on 10 000 observing system simulation experiments on the shallow-water equation model are also provided. The experimental results show that the proposed CNOP–4 DVar method performs better than the CNOP–ETKF method and substantially better than the CNOP method. 展开更多
关键词 CNOP 4dvar NLS-4dvar TARGETED observations SENSITIVE area identification
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一种非对称台风Bogus方法的数值模拟应用 被引量:8
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作者 袁炳 费建芳 +2 位作者 王云峰 韩月琪 卢强 《海洋通报》 CAS CSCD 北大核心 2010年第2期187-193,共7页
前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征,也弃掉了背景场的合理成分,有必要改用更精细的非对称台风Bogus模型对BDA方案做出改进。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的非对称台风Bo... 前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征,也弃掉了背景场的合理成分,有必要改用更精细的非对称台风Bogus模型对BDA方案做出改进。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的非对称台风Bogus方法,针对0613、0704台风个例,通过4DVAR技术,利用MM5模式及其伴随模式对此Bogus资料进行BDA同化试验和模拟预报,数值结果表明:BDA方法同化非对称台风Bogus模型,其路径预报效果优于同化轴对称台风模型,同化两种Bogus资料都使台风强度模拟效果得到极大改善,但改善程度相当,故台风的非对称结构及副高等外围环境场及背景场弱台风中合理信息对台风的准确模拟起到关键作用,同时,Bogus资料同化方法用于远洋上的台风时,需注意台风模型与副高的配置关系。 展开更多
关键词 非对称台风 四维变分资料同化 BDA方案 路径和强度预报
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应用ATOVS资料和非对称Bogus资料对登陆台风韦帕的4DVAR数值模拟分析 被引量:6
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作者 袁炳 费建芳 +1 位作者 王云峰 卢强 《气象》 CSCD 北大核心 2010年第5期13-20,共8页
前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征并弃掉了背景场的合理成分,也没有考虑大环境场的影响及湿热要素的同化。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的精细非对称台风Bogus方法,并... 前人研究中BDA方法采用的轴对称Bogus台风不能反映个别台风具体特征并弃掉了背景场的合理成分,也没有考虑大环境场的影响及湿热要素的同化。因此,提出一种充分融合分析场信息和实际观测信息并考虑副高影响的精细非对称台风Bogus方法,并在MM5的伴随同化系统中引入快速辐射传输模式RTTOV8,通过四维变分同化(4DVAR)技术,加入海面风场和气压场Bogus资料及多颗卫星多条轨道上的ATOVS红外和微波卫星辐射亮温资料并考虑Noah陆面过程方案来对登陆台风韦帕进行数值模拟,结果表明,单独同化海面Bogus资料的BDA方案可间接产生初始场非对称三维环流结构和暖心结构,但对湿度场及台风周围大环境场的调整不足,台风登陆后的路径预报改善也不明显;引入陆面过程方案弥补了Bogus资料对台风登陆后路径预报的不足;加入ATOVS资料能对湿度场及台风周围环境场做出调整,重构了大量中尺度结构信息,取得更为精细的初始台风环流和温压湿场结构,保持BDA方案路径及强度预报的优势的同时,使预报的降水强度增加,降水落区发生改变。 展开更多
关键词 数值天气预报 台风初值化 4dvar 非对称台风 ATOVS资料 台风模拟
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Construction and Application of a Regional Kilometer-Scale Carbon Source and Sink Assimilation Inversion System(CCMVS-R) 被引量:1
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作者 Lifeng Guo Xiaoye Zhang +8 位作者 Junting Zhong Deying Wang Changhong Miao Licheng Zhao Zijiang Zhou Jie Liao Bo Hu Lingyun Zhu Yan Chen 《Engineering》 SCIE EI CAS CSCD 2024年第2期263-275,共13页
CO_(2)is one of the most important greenhouse gases(GHGs)in the earth’s atmosphere.Since the industrial era,anthropogenic activities have emitted excessive quantities of GHGs into the atmosphere,resulting in climate ... CO_(2)is one of the most important greenhouse gases(GHGs)in the earth’s atmosphere.Since the industrial era,anthropogenic activities have emitted excessive quantities of GHGs into the atmosphere,resulting in climate warming since the 1950s and leading to an increased frequency of extreme weather and climate events.In 2020,China committed to striving for carbon neutrality by 2060.This commitment and China’s consequent actions will result in significant changes in global and regional anthropogenic carbon emissions and therefore require timely,comprehensive,and objective monitoring and verification support(MVS)systems.The MVS approach relies on the top-down assimilation and inversion of atmospheric CO_(2)concentrations,as recommended by the Intergovernmental Panel on Climate Change(IPCC)Inventory Guidelines in 2019.However,the regional high-resolution assimilation and inversion method is still in its initial stage of development.Here,we have constructed an inverse system for carbon sources and sinks at the kilometer level by coupling proper orthogonal decomposition(POD)with four-dimensional variational(4DVar)data assimilation based on the weather research and forecasting-greenhouse gas(WRF-GHG)model.Our China Carbon Monito ring and Verification Support at the Regional level(CCMVS-R)system can continuously assimilate information on atmospheric CO_(2)and other related information and realize the inversion of regional and local anthropogenic carbon emissions and natural terrestrial ecosystem carbon exchange.Atmospheric CO_(2)data were collected from six ground-based monito ring sites in Shanxi Province,China to verify the inversion effect of regio nal anthropogenic carbon emissions by setting ideal and real experiments using a two-layer nesting method(at 27 and 9 km).The uncertainty of the simulated atmospheric CO_(2)decreased significantly,with a root-mean-square error of CO_(2)concentration values between the ideal value and the simulated after assimilation was close to 0.The total anthropogenic carbon emissions 展开更多
关键词 CCMVS-R Regional carbon assimilation system Anthropogenic carbon emissions CO_(2) POD 4dvar
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Dynamical and Microphysical Retrieval from Simulated Doppler Radar Observations Using the 4DVAR Assimilation Technique 被引量:5
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作者 许小永 刘黎平 郑国光 《Acta meteorologica Sinica》 SCIE 2005年第2期160-173,共14页
Based on a cloud model and the four-dimensional variational (4DVAR) dataassimilation method developed by Sun and Crook (1997), simulated experiments of dynamical andmicrophysical retrieval from Doppler radar data were... Based on a cloud model and the four-dimensional variational (4DVAR) dataassimilation method developed by Sun and Crook (1997), simulated experiments of dynamical andmicrophysical retrieval from Doppler radar data were performed. The 4DVAR data assimilationtechnique was applied to a cloud scale model with a warm rain parameterization scheme. The 3D wind,thermodynamical, and microphysieal fields were determined by minimizing a cost function, defined bythe difference between both radar observed radial velocities and reflectivities and their modelpredictions. The adjoint of the numerical model was used to provide the gradient of the costfunction with respect to the control variables. Experiments have demonstrated that the 4DVARassimilation method is able to retrieve the detailed structure of wind, thermodynamics, andmicrophysics by using either dual-Doppler or single-Doppler information. The quality of retrievaldepends strongly on the magnitude of constraint with respect to the variables. Retrieving thetemperature field, cloud water and water vapor is more difficult than the recovery of the wind fieldand rainwater. Accurate thermodynamic retrieval requires a longer assimilation period. Theinclusion of a background term, even mean fields from a single sounding, helped reduce the retrievalerrors. Less accurate velocity fields were obtained when single-Doppler data were used. It wasfound that the retrieved velocity is sensitive to the location of the retrieval domain relative tothe radars while the other fields have very little changes. Two radar volumetric scans are generallyadequate for providing the evolution, although the use of additional volumes improves theretrieval. As the amount of the observations decreases, the performance of the retrieval isdegraded. However, the missing observations can be compensated by adding a background term to thecost function. The technique is robust to random errors in radial velocity and calibration errors inreflectivity. The boundary conditions from the dual-Doppler synthesized win 展开更多
关键词 doppler radar 4dvar assimilation RETRIEVAL cost function
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