中国气象学会主办。
文章信息
- 赵虹, 秦正坤, 王金成, 刘寅. 2015.
- ZHAO Hong, QIN Zhengkun, WANG Jincheng, LIU Yin. 2015.
- 经验正交函数分解质量控制法在地面观测资料变分同化中的个例研究与应用
- Case studies and applications of the Empirical Orthogonal Function quality control in variational data assimilation systems for surface observation data
- 气象学报,73(4): 749-765
- Acta Meteorologica Sinica,73(4): 749-765.
- http://dx.doi.org/10.11676/qxxb2015.053
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文章历史
- 收稿日期:2015-01-27
- 改回日期:2015-04-08
2. 江苏省南京市六合区气象局, 南京, 211500;
3. 中国气象局数值预报中心, 北京, 100081;
4. 江苏省气象探测中心, 南京, 210009
2. Luhe Meteorological Bureau, Nanjing, Jiangsu Province 211500, China;
3. Numerical Weather Prediction Center of CMA, Beijing 100081, China;
4. Jiangsu Meteorological Observation Centre, Nanjing 210009, China
大气边界层决定着大气与下垫面的热量、动量和物质(水汽、沙尘和污染物等)的通量交换,对天气系统的演变有重要影响。模式初始条件在大气边界层的准确度对于天气预报,尤其是短时天气预报是十分重要的。由于地面观测资料能够较为准确地提供大气近地面的动力、热力状况和湿度分布等大气特征,因此,地面资料同化技术的发展是提高数值天气预报水平的重要方法之一。早在20世纪80年代,国际上就已经开始注重地面资料同化研究(Hessler,1984; Seaman et al,1985)。在中国,地面观测网的建设也受到了高度重视,至2006年初,中国已有5000多个地面自动气象站,一些地区地面站的间距已小于10 km。中国地面资料分布密度大,空间覆盖率远大于探空,但地面资料同化技术的发展却远落后于探空资料同化(张昕等,2002;程小平等,2006;丁扬,2007;王叶红等,2013),其主要原因是地面观测资料容易受到观测仪器、观测技术、测站位置、观测时间、观测方法等多种因素的影响,使资料质量大打折扣(李庆祥等,2003)。同化系统对资料中的错误和离群资料非常敏感,这些错误资料的同化会影响初始条件的准确性,进而导致模式积分过程中产生不合理的现象,由此导致预报失败。因此,在进行资料同化之前,必须对观测数据进行质量控制。只有确保地面观测资料的准确性和合理性,才能有效地提高数值预报效果(程磊等,2011;Lopez,2013)。因此,地面资料同化技术发展的首要任务是如何利用质量控制方法选取高质量的观测资料进行同化。
中外专家学者在这方面已进行了一定的研究,提出了一些通用的资料质量控制方法,比如业务中的常见质量控制方法包括极值检查法、时间一致性检查法(Shafer et al,2000)、内部一致性检查法(Reek et al,1992)、空间一致性检查法(Eischeid et al,1995)、背景场一致性检查法(Dee et al,2001),以及一些综合性质量控制法(方炳兴,1994;熊安元,2003; Feng et al,2004;任芝花等,2005,2006;徐枝芳,2013)等,此外,还有更为复杂的变分质量控制法(Ingleby et al,1993;Anderson et al,1999)。也有一些科学家针对地面观测资料的特点提出了专用的方法,比如Ruggiero等(1996)发现了测站地形高度与模式地形高度之间存在的显著差异问题,并尝试利用近地层相似理论对资料分情况进行处理,这种处理方法虽不需观测算子和相应的切线性和伴随程序,但会剔除很多资料,导致资料不能得到充分的利用。Lazarus等(2002)利用ADAS系统(Advance Regional Prediction System Data Analysis System)客观地分析了复杂地形下地面观测和探空观测资料,考虑到模式地形与实际地形存在的高度差异,因此,在进行客观分析时,所取的客观分析权重系数中不仅包含了原有的水平距离权重系数,还增加了模式分析层高度与观测站地形高度距离权重系数,该方法有效地解决了模式与观测站地形高度差异在资料客观分析过程中可能带来的负面效果。Guo等(2002)未考虑测站高度与模式地形高度的差异,假定所有测站的资料(不包括地面气压)都是位于模式面,然后利用相似理论建立10 m风场、2 m气温和湿度的观测算子及相应的切线性和伴随模式,同时在进行极小化运算前将地面气压折算到模式最低层,该方案能充分利用观测资料,实际应用中也取得了较好的效果(张利红等,2011)。Benjamin等(2004)在NECP的RUC系统中通过采用局地递减率将地面观测气压、温度和湿度由观测站地形订正到模式地形高度的方法,解决地面观测资料同化中模式地形和观测站地形高度差异问题。但引进地面观测资料同化后,改进效果不是很明显。徐枝芳等(2006)通过对比分析当前两种地面观测资料同化方案(Ruggiero方案和郭永润方案),对其优缺点进行了细致分析研究。并在此基础上探讨了考虑模式与实际观测站地形高度差异的必要性,指出由于中国地形复杂,在地面资料同化中考虑高度差异是必要的,而且,通过改进温度订正方案和加入地形代表性误差,进一步改进了地面资料同化效果(徐枝芳等,2007a,2007b,2009)。
模式地形与观测地形高度差异不是影响地面资料质量控制的唯一因素,Zou等(2010)通过对比地面与再分析资料,发现地面温度的日变化也是影响地面资料质量控制的重要因子。由于背景场对温度日变化波动的模拟不准确,观测和背景场的日变化会存在明显的相位差,这种差异会导致正确的观测资料与背景场出现大的偏差,进而观测资料会被错误剔除。此外,由于地面天气系统变化较大,模式对重要天气系统模拟的强度和位置的不准确也会导致质量控制出现类似的错误剔除现象,所以,要想合理地进行地面资料质量控制,首先必须从观测资料中提取出地面温度的日变化和天气系统异常导致的温度变化。经验正交函数分解(EOF)方法是提取资料主要变化的有效方法,该方法也在很多研究中用于观测资料噪音滤除的研究。Antonelli等(2004)利用经验正交函数分解构造了一个滤波器,删除高阶主成分量,减少了高光谱红外观测和模拟中的随机噪音;Tobin等(2007,2009)利用经验正交函数分解有效诊断、滤除了大气红外探测仪(AIRS)及其他高光谱数据中的误差,并使用经验正交函数分解消除了AIRS观测资料中存在的线性小幅度扭曲。Zou等(2012)利用经验正交函数分解方法提取并滤除了FY-3卫星微波湿度计(MWHS)数据中的扫描角噪音。为了消除地面观测资料中背景场对实际近地面大气日变化波动和主要天气系统再现能力的影响,Qin等(2010)发展了经验正交函数分解质量控制方法(EOF-QC),通过经验正交函数分解方法将背景场容易出现误差的日变化波动和主要天气系统提取出来,然后针对剩余部分再进行常规的质量控制,从而很好地消除了天气系统和日变化对质量控制的影响。Xu等(2013)通过引入再分析资料的逐步回填使得经验正交函数分解法更为稳定。王轶等(2013)进行了准业务化质量控制试验,取得了较好的效果。
虽然前人利用经验正交函数质量控制法进行了长时间的质量控制试验,但是此方法对地面资料同化影响的研究尚未展开。本研究主要注重经验正交函数质量控制法对地面资料同化的影响,基于WRF模式及其三维变分资料同化系统,将经验正交函数质量控制法集成于WRF三维变分资料同化系统中,选取一些强降水个例进行同化试验,通过实际同化试验结果的对比,分析经验正交函数质量控制法和系统原有的常规观测与模拟偏差质量控制方法(Observation Minus Background quality control,OMB-QC)的同化结果差异,从而研究经验正交函数质量控制法的优缺点,为经验正交函数质量控制法的改进和地面资料同化技术的发展提供借鉴。2 天气过程介绍及同化试验设计 2.1 天气过程介绍
2008年1月28—29日华南地区出现一次明显的降水过程,该时段降水主要是由于强盛的阻塞高压稳定维持于西西伯利亚一带,干冷气流与南支槽和副热带高压带来的暖湿气流交汇于长江中下游与华南地区,由此造成大范围的雨雪冰冻天气。2008年7月14—15日中国华北地区也有一次强降水过程,河套地区为一南一北2支低压槽,低压槽后有来自新疆东部的冷空气南下补充,低压槽前河套东至华北地区为西南气流。与此同时,沿副热带高压外围自江淮至山东半岛的西南气流显著加强,将来自东南沿海及孟加拉湾的暖湿水汽带到华北地区。2.2 同化试验设计
选用WRF3.5版本,模式模拟采用两重双向嵌套。其中,试验1的d01和d02区域的格点数分别为200×160和253×247,格距分别为30和10 km,d02区域中心坐标为(29°N,111°E),位于中国湖南省常德市附近。试验2的d01和d02区域的格点数分别为140×120和193×197,格距分别为30和10 km,d02区域中心坐标为(38.5°N,116.8°E),位于中国河北省沧州市附近。两组试验模式垂直层数为35层,顶层气压设为50 hPa,皆采用WDM-6微物理方案、Grell-3积云参数化方案、MYJ边界层方案、Dudhia短波辐射方案、RRTM长波辐射方案和Noah陆面过程方案。
WRF中的三维变分同化系统(WRF-3DVAR)(Barker et al,2004)是在MM5-3DVAR系统的基础上发展起来的,该系统的主要特点是:目标函数采用增量形式,分析增量采用不交错的A网格,多种背景场误差和控制变量供选择以及区域的水平背景场误差协方差由递归滤波表示,背景误差水平相关和垂直相关不分离。文中同化试验的观测算子采用了Guo等(2002)设计的方案。
针对两次降水过程分别设计了4组试验:
(1)控制试验(CTRL):不同化任何资料,以FNL资料作为初始场和边界条件,个例1利用WRF模式从1月26日18时积分至29日00时(世界时,下同),共积分54 h,个例2则利用WRF模式从7月12日18时积分至15日00时,也积分54 h,两个个例的前6 h为模式起转时间。
(2)质量控制前的三维变分同化试验(No-QC):以WRF预报场作为背景场,逐6 h同化未经任何质量控制的地面2 m气温资料,其中,背景误差协方差B用美国气象中心(NMC)(Parrish et al,1992)方法统计得到,试验1流程如图 1所示。
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