GPS可降水量资料应用于四维伴随同化试验

论文摘要

提高数值预报模式的天气预报能力的主要方法之一是修正模式中资料误差，常规站点分布稀疏，观测时次有限，难以反映大气水汽的时空变化，因此，雷达、卫星等非常规资料作为常规资料的补充应用到数值预报模式中。全球定位系统(GPS)能够对大气水汽进行连续的、全天候的水汽测量，其精度与常规探空降水资料相当。GPS可降水量资料已经作为一种有效的降水资料被前人用于数值模式中，目前，GPS可降水量资料的变分同化技术已经成为GPS观测资料应用于数值预报模式的主要途径和趋势。本文选取了2005年7月23—24日北京、天津、河北地区的一次强降水过程对它用MM5模式进行了数值模拟试验并进行了GPS可降水量资料的伴随同化试验。其中，在GPS可降水量资料模拟和同化的方案中，Cressman半径分别选取15km、30km、45km进行敏感性试验和分析。采用三种方法检验GPS可降水量资料对模式湿度场的改善程度和伴随同化效果，分别是24小时降水TS评分、模拟湿度场与真实场的均方差和实况降水图。MM5模拟试验中加入GPS可降水量资料不仅能提高降水预报的精度，经过伴随同化后，对温度、高度、风等模式变量有一定的修正，通过进行温度场、高度场和风场的均方差试验，结果证明：加入GPS可降水量资料在改善初始湿度场的同时对初始温度场、高度场和风场有不同程度的改善。而且，Cressman半径选取适当才能体现GPS可降水量资料包含的降水信息。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 资料同化发展简史
• 1.3 国内外资料同化的研究进展
• 1.4 GPS可降水量资料应用于数值模拟和资料同化中的科研进展
• 1.5 本文研究的目的和内容
• 第二章 GPS可降水量资料在数值天气预报中的应用
• 2.1 GPS可降水量资料的定义及应用于气象学的可行性
• 2.2 GPS可降水量资料应用于气象学的历史
• 2.2.1 GPS气象学简介
• 2.2.2 GPS气象学的应用
• 2.3 GPS可降水量资料应用于模式中的方法
• 第三章 MM5及其伴随模式的理论和方法
• 3.1 中尺度数值模式MM5简介
• 3.2 MM5模式的系统结构
• 3.3 四维伴随变分同化方法的基本原理
• 3.3.1 目标函数的选取
• 3.3.2 目标泛函梯度的求解
• 3.3.3 实现目标函数下降的优化算法
• 3.3.4 权重系数和尺度化过程
• 3.4 MM5模式的四维变分伴随同化系统
• 3.4.1 MM5模式的四维变分伴随模式同化系统简介
• 3.4.2 四维变分伴随同化系统的算法流程图
• 3.4.3 MM5伴随同化系统流程
• 3.4.4 目标函数的构造
• 3.4.5 函数极小化算法L-BFGS拟牛顿算法
• 3.4.6 权重系数的选择
• 3.4.7 尺度因子
• 3.4.8 边界处理
• 第四章 GPS可降水量资料应用与四维伴随同化的数值试验
• 4.1 资料、区域和个例选取
• 4.2 GPS可降水量资料对湿度场的调整
• 4.2.1 GPS可降水量资料调整湿度场的方法
• 4.2.2 湿度调整前后的均方差
• 4.3 2005年7月23-24日京、津、冀地区暴雨过程
• 4.3.1 暴雨过程
• 4.3.2 试验的方案设计
• 4.4 数值敏感性试验及分析
• 4.4.1 风场结构的比较和分析
• 4.4.2 水汽条件的比较和分析
• 4.4.3 24小时累积降水检验
• 4.5 RMS和TS评分检验结果
• 4.5.1 TS评分检验
• 4.5.2 均方差检验
• 4.6 本章小结
• 第五章 GPS可降水量资料对风场、温度场和高度场的影响
• 5.1 温度场、高度场和风场的均方差试验
• 5.2 不同时次的均方差动态变化
• 第六章 结论和讨论
• 参考文献
• 致谢