集合变分混合同化方法在FY-3A卫星微波资料同化中的应用
发布时间：2020-11-09 05:20
本文选择2012年7月21日发生在北京的强降水过程,基于WRF模式和欧洲中期天气预报中心发布的全球集合预报产品,利用集合变分混合(Hybrid)同化方法,实现了FY-3A卫星微波资料的同化;对比了Hybrid同化方法和三维变分(3DVar)同化方法对暴雨的模拟效果,分析了同化增量的分布;通过敏感性试验,研究了基于Hybrid同化方法同化不同微波资料时,资料的稀疏化尺度及混合系数对同化模拟效果的影响;对比了美国NOAA-16卫星和我国FY-3A卫星的微波资料在Hybrid同化方法中的应用效果。研究结果发现:利用Hybrid方法同化FY-3A微波资料后能有效提高暴雨的预报精度,相对于3DVar方法,Hybrid方法能有效减少虚假强降水模拟,模拟的强降水中心位置更接近实况。两种同化方法同化FY-3A微波资料均能改变初始场信息,但是增量的大小和分布却有明显差异。Hybrid方法的同化增量分布表现为非均匀性和各向异性,具有“流依赖”的特征。利用Hybrid方法,无论是单独同化FY-3A微波温度计、单独同化FY-3A微波湿度计还是同时同化这两种微波资料都能改善降水模拟效果,但是改进的程度不尽相同。同时同化两种微波资料时,对暴雨及特大暴雨的模拟效果较好。从同化增量来看,同化微波温度计资料主要影响同化增量的分布,同化微波湿度计资料主要影响同化增量的大小。针对本次暴雨过程及模式设计,Hybrid方法中的混合系数取0.5,资料稀疏化尺度取120km时,降水模拟效果最好。对比分析了利用Hybrid同化方法同化两颗不同卫星的微波资料结果显示,经过质量控制后,进入同化模式的NOAA卫星AMSU-A资料的通道数要多于FY-3A卫星微波温度计。AMSU-B资料的通道数和FY-3A卫星微波湿度计相同,但是有效资料要明显少于后者。通过偏差订正后,NOAA卫星微波资料和FY-3A微波资料进入同化模式中的系统误差均有效减少,且分布趋向合理,两种卫星资料的偏差订正效果相当。相对于同时同化NOAA卫星AMSU-A和AMSU-B资料,同时同化FY-3A卫星微波温度计和微波湿度计资料对暴雨和特大暴雨的模拟结果要更好。对于初始场的调整,都表现为微波温度计资料的作用更大,风场、温度场和相对湿度场同化增量分布与单独同化温度计资料的结果相似。
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P456.7;P412.27
【部分图文】：
图 2.2 2012 年 7 月 21 日 02 时 22 日 02 时 24 小时累积降水实况（单位：mm）2.5 检验方法2.5.1 单点观测试验单点同化试验是考察背景误差协方差特征的有效方法。在指定的观测单点附近的同化增量能够有效反映背景误差协方差的作用。当观测为单一变量oy 时，同化后得到最终的分析增量可以表达为[64]：1( ) ( )T Ta b o bx x BH HBH B y Hx (2.5)式中 ax为分析场， bx为背景场，其余符号定义同本章 2.2 节一致。由于 为单一观测量，则（2.5）式中1( ) ( )To bHBH B y Hx 部分为标量。2.5.2 SAL 评分SAL 评分是评估区域内的降水预报效果的一种方法，对降水预报的位置(L，
图 3.1 同化试验模拟区域3.1.2 试验方案设计为了比较 Hybrid 同化方法和三维变分方法同化 FY-3A 卫星微波资料的能力针对 北京 7.21 暴雨 设计了 3 组试验：控制试验（control），不同化任何资料以 ERA 的 0.75°×0.75°再分析资料作为初始和边界条件积分模式；三维变分同化验（3DVar-FY），用传统的三维变分同化方法同化 FY-3A 微波湿度计和温度计料，以控制试验的初始场作为同化试验的背景场，静态背景误差协方差使用 NM方法构造；Hybrid 同化试验（Hybrid-FY），利用 Hybrid 同化方法同化 FY-3A 波湿度计和温度计资料，以控制试验的初始场作为同化试验的背景场，集合样本由 TIGGE 提供的 50 个集合扰动场构成，背景误差协方差采用静态背景误差协差和集合协方差组成的混合协方差，混合系数取 0.5。考虑到 FY-3A 微波资料具不同时间段扫描区域不同的特点，将同化时刻选定为 7 月 21 日 02 时，同化时为三小时，此时段扫描区域能覆盖整个模拟区域（图 3.2）。各试验具体方案及
2 FY3A-MWHS(风云 3A 微波湿度计)2012 年 7 月 21 日 00：44 分到 02：30 扫描表 3.1 试验设计名称 试验方案 试验目试验trol模式从 7 月 20 日 20 时起报，初始场进行 6h 模式调整（spin-up）至 21 日 02h，以此为模式预报初始场，积分模式至 7 月 22 日 02 时，模式起报初值和边值均采用 ERA-interim 资料，预报时效为24h。检验模式的模拟效果分同试验r-FY采用三维变分同化方案，背景场采用 control 试验的初始场，背景误差协方差采用 NMC 方法构造，同化时间为 7 月 21 日 02 时，同化后积分模式至7 月 22 日 02 时，预报时效为 24h。检验传统同 化 方 案FY-3A 微对暴雨的果 同化验采用混合同化方案，同化资料、时间及背景场和积分时间同 3DVar-FY，集合样本由 TIGGE 提供的 50 个集合扰动构成，背景误差协方差采用静态检验混合同案同化 FY
【相似文献】
本文编号：2875950
【学位单位】：国防科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：P456.7;P412.27
【部分图文】：
图 2.2 2012 年 7 月 21 日 02 时 22 日 02 时 24 小时累积降水实况（单位：mm）2.5 检验方法2.5.1 单点观测试验单点同化试验是考察背景误差协方差特征的有效方法。在指定的观测单点附近的同化增量能够有效反映背景误差协方差的作用。当观测为单一变量oy 时，同化后得到最终的分析增量可以表达为[64]：1( ) ( )T Ta b o bx x BH HBH B y Hx (2.5)式中 ax为分析场， bx为背景场，其余符号定义同本章 2.2 节一致。由于 为单一观测量，则（2.5）式中1( ) ( )To bHBH B y Hx 部分为标量。2.5.2 SAL 评分SAL 评分是评估区域内的降水预报效果的一种方法，对降水预报的位置(L，
图 3.1 同化试验模拟区域3.1.2 试验方案设计为了比较 Hybrid 同化方法和三维变分方法同化 FY-3A 卫星微波资料的能力针对 北京 7.21 暴雨 设计了 3 组试验：控制试验（control），不同化任何资料以 ERA 的 0.75°×0.75°再分析资料作为初始和边界条件积分模式；三维变分同化验（3DVar-FY），用传统的三维变分同化方法同化 FY-3A 微波湿度计和温度计料，以控制试验的初始场作为同化试验的背景场，静态背景误差协方差使用 NM方法构造；Hybrid 同化试验（Hybrid-FY），利用 Hybrid 同化方法同化 FY-3A 波湿度计和温度计资料，以控制试验的初始场作为同化试验的背景场，集合样本由 TIGGE 提供的 50 个集合扰动场构成，背景误差协方差采用静态背景误差协差和集合协方差组成的混合协方差，混合系数取 0.5。考虑到 FY-3A 微波资料具不同时间段扫描区域不同的特点，将同化时刻选定为 7 月 21 日 02 时，同化时为三小时，此时段扫描区域能覆盖整个模拟区域（图 3.2）。各试验具体方案及
2 FY3A-MWHS(风云 3A 微波湿度计)2012 年 7 月 21 日 00：44 分到 02：30 扫描表 3.1 试验设计名称 试验方案 试验目试验trol模式从 7 月 20 日 20 时起报，初始场进行 6h 模式调整（spin-up）至 21 日 02h，以此为模式预报初始场，积分模式至 7 月 22 日 02 时，模式起报初值和边值均采用 ERA-interim 资料，预报时效为24h。检验模式的模拟效果分同试验r-FY采用三维变分同化方案，背景场采用 control 试验的初始场，背景误差协方差采用 NMC 方法构造，同化时间为 7 月 21 日 02 时，同化后积分模式至7 月 22 日 02 时，预报时效为 24h。检验传统同 化 方 案FY-3A 微对暴雨的果 同化验采用混合同化方案，同化资料、时间及背景场和积分时间同 3DVar-FY，集合样本由 TIGGE 提供的 50 个集合扰动构成，背景误差协方差采用静态检验混合同案同化 FY
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