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数值天气预报中集合-变分混合资料同化及其研究进展 被引量:36
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作者 马旭林 陆续 +2 位作者 于月明 朱金焕 陈静 《热带气象学报》 CSCD 北大核心 2014年第6期1188-1195,共8页
数值天气预报中混合资料同化是结合集合预报与变分同化方法各自优势研究发展的一种新型资料同化方案。它在变分资料同化框架的基础上,利用集合预报扰动场信息的优点,构造具有流依赖属性的背景误差协方差结构,克服变分同化中固定、均匀... 数值天气预报中混合资料同化是结合集合预报与变分同化方法各自优势研究发展的一种新型资料同化方案。它在变分资料同化框架的基础上,利用集合预报扰动场信息的优点,构造具有流依赖属性的背景误差协方差结构,克服变分同化中固定、均匀及各向同性的背景误差协方差的缺陷,改善对不同天气系统预报误差协方差的表达能力,从而改善分析和预报的质量。近年来,基于集合与变分方法的混合资料同化快速成为数值预报资料同化发展的新趋势,具有良好的业务应用潜力。对集合与变分混合资料同化的研究进展进行综述,在简要介绍数值天气预报中资料同化发展趋势的基础上,分析混合资料同化方案的理论框架和优势,总结混合资料同化的发展和研究成果,并讨论我国研究和发展混合资料同化的基础和前景及面临的问题,指出混合资料同化发展中亟需研究的关键科学问题。 展开更多
关键词 数值天气预报 变分资料同化 混合资料同化
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Development and Testing of the GRAPES Regional Ensemble-3DVAR Hybrid Data Assimilation System 被引量:10
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作者 陈良吕 陈静 +1 位作者 薛纪善 夏宇 《Journal of Meteorological Research》 SCIE CSCD 2015年第6期981-996,共16页
Based on the GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System) regional ensemble prediction system and 3DVAR(three-dimensional variational) data assimilation system,which are implemented operationally at ... Based on the GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System) regional ensemble prediction system and 3DVAR(three-dimensional variational) data assimilation system,which are implemented operationally at the Numerical Weather Prediction Center of the China Meteorological Administration,an ensemble-based 3DVAR(En-3DVAR) hybrid data assimilation system for GRAPES-Meso(the regional mesoscale numerical prediction system of GRAPES) was developed by using the extended control variable technique to implement a hybrid background error covariance that combines the climatological covariance and ensemble-estimated covariance.Considering the problems of the ensemble-based data assimilation part of the system,including the reduction in the degree of geostrophic balance between variables,and the non-smooth analysis increment and its obviously smaller size compared with the 3DVAR data assimilation,corresponding measures were taken to optimize and ameliorate the system.Accordingly,a single pressure observation ensemble-based data assimilation experiment was conducted to ensure that the ensemble-based data assimilation part of the system is correct and reasonable.A number of localization-scale sensitivity tests of the ensemble-based data assimilation were also conducted to determine the most appropriate localization scale.Then,a number of hybrid data assimilation experiments were carried out.The results showed that it was most appropriate to set the weight factor of the ensemble-estimated covariance in the experiments to be 0.8.Compared with the 3DVAR data assimilation,the geopotential height forecast of the hybrid data assimilation experiments improved very little,but the wind forecast improved slightly at each forecast time,especially over 300 hPa.Overall,the hybrid data assimilation demonstrates some advantages over the3 DVAR data assimilation. 展开更多
关键词 GRAPES GRAPES_MESO hybrid data assimilation regional ensemble prediction extended control variable
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台风预报误差的流依赖特征及混合资料同化中最优耦合系数 被引量:10
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作者 马旭林 李琳琳 +3 位作者 周勃旸 朱金焕 和杰 计燕霞 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2015年第6期766-775,共10页
基于集合卡尔曼变换与三维变分(ETKF-3DVAR)混合资料同化系统和欧洲中期天气预报中心(ECWMF)的全球集合预报,以"梅花"台风为例,分析了台风系统预报误差的流依赖特征,讨论了耦合系数在混合同化和预报中的敏感性及其对预报质量... 基于集合卡尔曼变换与三维变分(ETKF-3DVAR)混合资料同化系统和欧洲中期天气预报中心(ECWMF)的全球集合预报,以"梅花"台风为例,分析了台风系统预报误差的流依赖特征,讨论了耦合系数在混合同化和预报中的敏感性及其对预报质量的影响。结果显示,台风系统的预报误差协方差具有显著的中小尺度结构特征,集合估计的预报误差协方差结构能够再现其流依赖属性。相对于3DVAR方案,混合资料同化方案的最优耦合系数对台风系统的分析和预报质量具有更好的改善;但不同的耦合系数对台风路径预报有明显的影响,不合适的耦合系数甚至可能导致更坏的结果,只有耦合了相对合适的预报误差协方差的流依赖信息,混合资料同化方案才可能对分析和预报质量有正效果。这表明在混合资料同化系统中,构造一种具有自适应能力的耦合权重函数,实现相对最优权重的自动选择,对充分发挥混合资料同化方案的潜在优势具有重要意义。 展开更多
关键词 数值天气预报 资料同化 三维变分 混合资料同化 最优耦合系数
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GRAPES混合同化方法在青藏高原区域的初步试验 被引量:9
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作者 夏宇 陈静 +3 位作者 刘艳 朱克云 陈良吕 袁月 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2018年第2期239-247,共9页
针对青藏高原地区气象观测站点稀少和模式同化分析质量较低的问题,将GRAPES区域集合变分(En-3DVAR)混合同化系统应用于青藏高原地区,进行了单点理想试验和真实观测资料同化分析预报试验,分析评估青藏高原混合同化分析增量及预报误差的... 针对青藏高原地区气象观测站点稀少和模式同化分析质量较低的问题,将GRAPES区域集合变分(En-3DVAR)混合同化系统应用于青藏高原地区,进行了单点理想试验和真实观测资料同化分析预报试验,分析评估青藏高原混合同化分析增量及预报误差的水平垂直结构特征及其合理性,并与中国东部平原地区进行比对。单点理想试验表明,En-3DVAR混合同化系统中背景误差协方差具备流依赖属性。真实资料混合同化试验结果表明,基于集合预报估计的分析增量具有流依赖的特征,特别是在高原地区和槽脊系统附近;青藏高原地区分析场的绝对误差总体低于3DVAR系统,其平均绝对误差在中层和高层低于平原地区,说明在青藏高原地区的改进效果略优于平原地区。需要关注的是,青藏高原地区En-3DVAR混合同化分析增量总体大于3DVAR,特别是近地面层u风分量分析增量明显偏大,这可能与青藏高原复杂地形有关。 展开更多
关键词 GRAPES 青藏高原 混合同化方法 初步试验
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不同同化方案在一次梅雨锋暴雨预报中的应用研究 被引量:7
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作者 梅疏影 闵锦忠 《气象科学》 北大核心 2018年第4期432-441,共10页
基于ATOVS辐射率资料和GTS常规观测资料融合,通过不同化任何观测资料的控制试验、3DVAR同化试验和ETKF-3DVAR混合同化试验,对2013年7月4—5日一次梅雨锋暴雨天气过程进行模拟分析。结果表明:混合同化方案能够明显地提高暴雨预报准确率,... 基于ATOVS辐射率资料和GTS常规观测资料融合,通过不同化任何观测资料的控制试验、3DVAR同化试验和ETKF-3DVAR混合同化试验,对2013年7月4—5日一次梅雨锋暴雨天气过程进行模拟分析。结果表明:混合同化方案能够明显地提高暴雨预报准确率,且有效改善了风场、温度场和相对湿度场等各个气象要素的初始场结构,而这些气象要素对于暴雨的预报准确性具有重要作用。且混合同化方案对于中低层大气改进效果较为明显。在数值积分过程中,随着时间的推移,混合同化方案的优势逐渐减弱。 展开更多
关键词 变分同化 混合同化 卫星资料 梅雨锋暴雨
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采用不同样本集合同化地面观测对一次飑线过程的影响 被引量:7
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作者 李少英 张述文 +1 位作者 毛伏平 李彦霖 《大气科学》 CSCD 北大核心 2017年第2期236-250,共15页
针对夏季黄淮地区一次飑线过程,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其Hybrid ETKF-3DVAR同化系统,考察不同生成方案的样本对同化地面观测的影响。集合样本创建方式包括3类:扰动初始背景场的方案(RCV)、使用不同的物理参... 针对夏季黄淮地区一次飑线过程,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其Hybrid ETKF-3DVAR同化系统,考察不同生成方案的样本对同化地面观测的影响。集合样本创建方式包括3类:扰动初始背景场的方案(RCV)、使用不同的物理参数化方案(PPMP)以及前两者集成方案(BLE)。基于增量场分析,同化地面观测主要调整850 h Pa以下水平风和水汽混合比的空间结构,其中RCV方案侧重于改变水平风的空间分布,PPMP方案侧重于改变水汽混合比的空间结构,BLE方案兼具二者特征。同化地面观测可以间接改善6 h降水预报,其中PPMP试验的降水预报最好,尤其是对降水位置和强度的预报。对比雷达回波观测,RCV试验和BLE试验对弓状回波模拟得较好,BLE试验的模拟较多体现RCV特征。PPMP试验和RCV试验还可改变冷池的位置和强度,同时影响飑线出现和消亡时间,相对而言,PPMP试验影响更大。 展开更多
关键词 样本生成方案 地面观测 混合同化 中尺度模式WRF 飑线
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Analysis and numerical study of a hybrid BGM-3DVAR data assimilation scheme using satellite radiance data for heavy rain forecasts 被引量:2
7
作者 熊春晖 张立凤 +2 位作者 关吉平 彭军 张斌 《Journal of Hydrodynamics》 SCIE EI CSCD 2013年第3期430-439,共10页
A fine heavy rain forecast plays an important role in the accurate flood forecast, the urban rainstorm watedogging and the secondary hydrological disaster preventions. To improve the heavy rain forecast skills, a hybr... A fine heavy rain forecast plays an important role in the accurate flood forecast, the urban rainstorm watedogging and the secondary hydrological disaster preventions. To improve the heavy rain forecast skills, a hybrid Breeding Growing Mode (BGM)- three-dimensional variational (3DVAR) Data Assimilation (DA) scheme is designed on running the Advanced Research WRF (ARW WRF) model using the Advanced Microwave Sounder Unit A (AMSU-A) satellite radiance data. Results show that: the BGM ense- mble prediction method can provide an effective background field and a flow dependent background error covariance for the BGM- 3DVAR scheme. The BGM-3DVAR scheme adds some effective mesoscale information with similar scales as the heavy rain clu- sters to the initial field in the heavy rain area, which improves the heavy rain forecast significantly, while the 3DVAR scheme adds information with relatively larger scales than the heavy rain clusters to the initial field outside of the heavy rain area, which does not help the heavy rain forecast improvement. Sensitive experiments demonstrate that the flow dependent background error covariance and the ensemble mean background field are both the key factors for adding effective mesoscale information to the heavy rain area, and they are both essential for improving the heavy rain forecasts. 展开更多
关键词 heavy rain forecast hybrid data assimilation satellite radiance data ensemble prediction flood forecast
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基于粒子滤波和三维变分混合数据同化方法的构建与理想实验验证
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作者 姚长坤 魏琨 《热带海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2024年第1期56-63,共8页
本文基于粒子滤波和三维变分设计了一种新的混合数据同化方法。新方法通过粒子滤波的最优估计生成具有背景误差信息的集合扰动,从而为三维变分提供流依赖的背景误差协方差。粒子退化一直是粒子滤波应用于数据同化领域的主要阻碍。为了... 本文基于粒子滤波和三维变分设计了一种新的混合数据同化方法。新方法通过粒子滤波的最优估计生成具有背景误差信息的集合扰动,从而为三维变分提供流依赖的背景误差协方差。粒子退化一直是粒子滤波应用于数据同化领域的主要阻碍。为了让混合方法更好地发挥作用,针对粒子退化问题,本文提出了一种改进的残差重采样方法,通过在正态分布中采样粒子,解决了退化导致的粒子缺乏多样性。在理想lorenz-63模型上进行数据同化实验,结果表明,新方法在模型误差较大的情况下效果优于集合变换三维变分方法(ensemble transform Kalman filter-three-dimensional variational method,ETKF-3Dvar),并且随着模型误差不断增大,新方法也同样优于传统数据同化方法。改进的残差重采样在与分层重采样和一般残差重采样的对比实验中,在给定时间窗口内可以保证同化结果稳定,而其他两种方法的同化结果都出现了较大偏差。 展开更多
关键词 混合数据同化 粒子滤波 三维变分 残差重采样
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联合资料同化理论及其研究进展 被引量:4
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作者 李崇银 黄红艳 +1 位作者 陈超辉 桂发银 《测绘科学技术学报》 CSCD 北大核心 2013年第4期343-348,共6页
联合资料同化是在"集合预报与资料同化一体化"的思想框架下研究发展的一种数值预报新理论和新方法。它在变分同化系统框架的基础上,充分利用集合预报结果,构造"流依赖"的背景误差协方差,提高对不同尺度天气系统背... 联合资料同化是在"集合预报与资料同化一体化"的思想框架下研究发展的一种数值预报新理论和新方法。它在变分同化系统框架的基础上,充分利用集合预报结果,构造"流依赖"的背景误差协方差,提高对不同尺度天气系统背景误差协方差的刻画能力,进而改善分析和预报的质量。目前该方法已引起国际各主要气象业务中心广泛关注,极具业务应用潜力。本文以联合ETKF-3D-Var为例简要介绍了联合资料同化理论及其研究进展,也说明了联合资料同化的应用前景。 展开更多
关键词 联合资料同化 集合卡尔曼滤波变换 三维 四维变分同化 集合预报
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混合同化方法同化地面站和雷达观测对飑线影响的模拟观测试验 被引量:1
10
作者 李少英 张述文 周林帆 《兰州大学学报(自然科学版)》 CAS CSCD 北大核心 2020年第5期642-649,共8页
利用中尺度天气预报模式和混合同化方法ETKF-3DVAR进行模拟观测试验,对比同化地面站观测数据和雷达观测结果对改善中国东部一次飑线模拟的影响.结果表明,无论是采用混合同化方法还是3DVAR,同化地面站观测均能改善分析场和预报场;若再增... 利用中尺度天气预报模式和混合同化方法ETKF-3DVAR进行模拟观测试验,对比同化地面站观测数据和雷达观测结果对改善中国东部一次飑线模拟的影响.结果表明,无论是采用混合同化方法还是3DVAR,同化地面站观测均能改善分析场和预报场;若再增加同化雷达观测,结果还会进一步改善,其中混合方法对低层要素场和累计降水量的改进更大. 展开更多
关键词 混合同化 地面站观测 雷达观测 飑线
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集合滤波和三维变分混合数据同化方法研究 被引量:10
11
作者 吴新荣 韩桂军 +1 位作者 李冬 李威 《热带海洋学报》 CAS CSCD 北大核心 2011年第6期24-30,共7页
发展了一种新的混合数据同化方法——基于集合滤波和三维变分的混合数据同化方法。该方法将集合调整卡尔曼滤波(ensemble adjustment Kalman filter,EAKF)得到的集合样本扰动通过一个转换矩阵的形式直接作用到背景场上,利用顺序滤波的... 发展了一种新的混合数据同化方法——基于集合滤波和三维变分的混合数据同化方法。该方法将集合调整卡尔曼滤波(ensemble adjustment Kalman filter,EAKF)得到的集合样本扰动通过一个转换矩阵的形式直接作用到背景场上,利用顺序滤波的思想得到分析场的一个扰动;然后在三维变分(three dimensional variational analysis,3D-Var)的框架下与观测数据进行拟合,从而给出分析场的最优估计。文中以Lorenz63模型为例,开展了理想数据同化试验,结果表明,相比于集合调整卡尔曼滤波,这种新的混合同化方法可以给出更好的同化结果。 展开更多
关键词 混合数据同化方法 集合调整卡尔曼滤波 三维变分
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地形高度依赖水平局地化尺度方案在台风数值模拟中的应用试验 被引量:1
12
作者 夏宇 张涵斌 +2 位作者 陈静 陈良吕 刘昕 《大气科学学报》 CSCD 北大核心 2022年第2期257-267,共11页
为了探究GRAPES区域集合三维变分混合同化系统中“地形高度依赖水平局地化尺度方案”对台风预报性能的影响,以“苏迪罗”台风(2015)和“杜鹃”台风(2015)为例,开展了集合变分混合同化系统在台风中的应用试验,对比分析了“地形高度依赖... 为了探究GRAPES区域集合三维变分混合同化系统中“地形高度依赖水平局地化尺度方案”对台风预报性能的影响,以“苏迪罗”台风(2015)和“杜鹃”台风(2015)为例,开展了集合变分混合同化系统在台风中的应用试验,对比分析了“地形高度依赖水平局地化尺度方案”和非“地形高度依赖水平局地化尺度方案”集合变分混合同化后台风路径、强度以及台风所带来的降水的预报结果。试验结果表明,“地形高度依赖水平局地化尺度方案”下台风路径与实况更为接近,该方案可有效地减小台风的路径误差,但对台风强度改进效果不明显。“地形高度依赖水平局地化尺度”方案相较于非“地形高度依赖水平局地化尺度”方案,能一定程度减小台风降水预报的漏报现象,提高各降水量级的TS评分。总体来看,“地形高度依赖的水平局地化尺度”方案可提高台风的降水预报技巧,在一定程度上减小台风的路径误差。 展开更多
关键词 集合变分混合同化 局地化 台风 应用试验
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CMA-TYM混合En3DVar方案的设计和初步试验 被引量:1
13
作者 瞿安祥 麻素红 张进 《气象》 CSCD 北大核心 2022年第3期299-310,共12页
基于CMA-TYM的3DVar系统,发展了利用扩展控制变量引入流依赖背景误差协方差(集合扰动成员统计表达)的混合En3DVar同化方案。测试显示,单点台风中心气压数据同化会引起风场非对称增量形成,以及导致传统3DVar方案认为不相关的湿度增量出... 基于CMA-TYM的3DVar系统,发展了利用扩展控制变量引入流依赖背景误差协方差(集合扰动成员统计表达)的混合En3DVar同化方案。测试显示,单点台风中心气压数据同化会引起风场非对称增量形成,以及导致传统3DVar方案认为不相关的湿度增量出现。台风个例试验表明,混合En3DVar方案能提取台风内零散观测资料信息,并按实际台风动力特征和分布区域向四周传播,从而影响分析场中台风涡旋强度、结构。同时,与3DVar方案相比,混合En3DVar方案对提高台风路径、强度预报效果明显。 展开更多
关键词 CMA-TYM 区域台风模式 混合变分资料同化 En3DVar 流依赖背景误差协方差
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不同同化方案在台风“白鹿”强降水预报中的应用 被引量:1
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作者 梁钧怡 王东海 +1 位作者 张宇 姚乐宝 《中山大学学报(自然科学版)(中英文)》 CAS CSCD 北大核心 2022年第4期104-118,共15页
基于WRF模式和GSI同化系统,构建了一套同化预报系统,研究常见的两种同化方法3DVar(threedimensional variational)和3DEnVar(three-dimensional ensemble-variational)的应用,开展不同的嵌套区域采用不同的同化方法对模式预报效果的影... 基于WRF模式和GSI同化系统,构建了一套同化预报系统,研究常见的两种同化方法3DVar(threedimensional variational)和3DEnVar(three-dimensional ensemble-variational)的应用,开展不同的嵌套区域采用不同的同化方法对模式预报效果的影响研究。基于本系统,分别设计三组试验,评估不同的同化方案对2019年8月第11号台风“白鹿”在华南地区造成强降水的模式预报和分析同化效果。个例试验结果表明:在双层嵌套模式中,两层均采用3DVar同化方法的试验对“白鹿”登陆前后所带来的小雨、中雨量级降水落区的模拟存在优势;而两层均采用3DEnVar同化方法的试验则对强降水落区和强度预报把握度更好,特别是对暴雨、大暴雨等强降水事件中心位置的模拟与实况更接近,且降水评分最优。此外,3DEnVar同化方法所构建的背景误差协方差具有明显的流依赖特性,并且对形成强降水的相关气象要素场包括垂直风场、温度场和湿度场的预报中均有较好的表现。 展开更多
关键词 三维变分同化 三维集合变分混合同化 WRF-GSI预报系统 台风降水 台风“白鹿”
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基于混合集合—变分同化方案对台风“布拉万”模拟中协方差权重系数的选择 被引量:2
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作者 俞兆文 刘健文 黄江平 《气象与减灾研究》 2016年第2期98-106,共9页
利用WRF以及WRFDA3.6.1的ETKF-3DVAR混合集合—变分同化方案,对2012年第15号台风"布拉万"进行了模拟,并分析协方差权重系数对"流依赖"属性和台风强度、路径的模拟效果的影响。通过单点实验发现:随着集合协方差权重... 利用WRF以及WRFDA3.6.1的ETKF-3DVAR混合集合—变分同化方案,对2012年第15号台风"布拉万"进行了模拟,并分析协方差权重系数对"流依赖"属性和台风强度、路径的模拟效果的影响。通过单点实验发现:随着集合协方差权重系数增加,分析增量的"流依赖"属性就越发明显。当集合协方差权重系数大于0.5时,由于集合成员数量以及预报质量的限制,将会引入虚假的"流依赖"信息,使得分析增量的范围形状不再发生变化,强度有所减弱。在对台风"布拉万"路径和强度的模拟中发现:集合协方差权重系数取0.5以下的预报结果普遍好于系数大于0.5的预报结果,其中,当集合协方差权重系数取0.25时路径预报误差最小,当集合协方差权重系数取0.2时强度预报误差最小。 展开更多
关键词 台风 WRF模式 混合集合—变分同化 集合协方差权重系数
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