【摘要】：地面觀測資料的站點分布密集、觀測頻率高、資料實時性強,能很好的反映邊界層內(nèi)大氣的動力和熱力變化,在高分辨率模式中具有很高價值,但是目前模式對地面資料的同化利用率很低,沒能有效的進入數(shù)值模式去改善數(shù)值預報結果,造成資源浪費。有效的將地面觀測資料同化進中尺度三維變分同化系統(tǒng)中,要求地面觀測資料結合非均勻、各項異性的背景誤差協(xié)方差結構向垂直方向擴展,而三維變分分析假設背景誤差的垂直相關是一個固定值。為了克服三維變分方法同化地面觀測資料這一困難,本文借鑒由Benjamin提出的基于背景邊界層結構信息的同化技術,并試圖將該技術引入GRAPES_Meso三維變分同化系統(tǒng)中。然而,模式背景場與實際觀測的邊界層結構可能會出現(xiàn)不一致的情況。因此,我們利用高密度的秒級探空觀測資料和中尺度模式背景信息,分析模式背景場與實際觀測場在由日變化特征引起的穩(wěn)定邊界層與不穩(wěn)定邊界層下的分布情況。統(tǒng)計結果表明,探空觀測的地表位溫O-B(觀測場與背景場之差)的垂直自相關在很大程度上取決于穩(wěn)定與不穩(wěn)定條件下的背景與觀測的PBL結構。同一時刻,當模式背景場和實際觀測場都是穩(wěn)定邊界層或不穩(wěn)定邊界層時,O-B的垂直自相關性很好,最大相關高度可達到2000m;而當模式背景場和實際觀測場的邊界層結構不一致時,O-B的垂直自相關性很弱,最大相關高度僅約600m。這表明Benjamin提出的完全依賴于背景場結構來將地面觀測信息往垂直向擴散的同化技術不完全合理,需結合實際觀測和背景場的邊界層結構來調整同化方案。因此,對Benjamin提出的基于背景場結構的同化技術,本文根據(jù)統(tǒng)計結果進行調整,調整內(nèi)容主要包括三個方面:(1)更換溫度變量,調整擬合高度間隔;(2)垂直層觀測誤差的設置;(3)同化高度的設置。此外,為了驗證該方案對地面資料同化的有效性,選取廣州一次弱強迫背景下突發(fā)強降水過程作為個例進行分析。分析結果表明,與傳統(tǒng)的地面2m溫度分析,基于PBL深度的同化技術保留了PBL的結構,12小時降水預報的也得到不錯的改善。
【圖文】：

圖 1.1 我國國家級地面自動站分布圖測信息在垂直方向傳播的重要性界層（PBL）是地球表面最接近地面的一層，受地球表面影響的一個邊界，這個邊界上的輸送過程影響著 100m~1.5km的大，大氣邊界層過程可以描述近地面大氣狀況的分布和變化特征間和空間而變化，其變化幅度從幾百米到幾千米。地面溫度的鍵特征之一，大部分的太陽輻射都穿過邊界層被地面吸收，地冷變暖，依次迫使邊界層通過輸送過程而變化。邊界層中各種上受平均風支配，在垂直方向受湍流支配[21]。面觀測相對密集，但幾乎沒有高頻觀測到地表以上的垂直廓線差的垂直相關性一直是地面觀測資料的難題。在數(shù)值天氣預報

式中 d 為新息向量。采用增量法既可以減少計算量，還可避免使用全量分析對原有平衡的破壞。為進一步改善極小化問題，避免求解 B 矩陣的逆，為了變分預法。先后引入物理變換算子UP，水平變換算子Uh和垂直變換算子Uv，則目標泛函：J(w) =12wTw12(H∑ UPUhUvw d)TR1(H∑ UPUhUvw d) （2其中∑u是有格點上均方根所構成的對角矩陣，w 是目標函數(shù)極小化的控制變量度公式（2.2）變換為： J(w) = w UVTUhT∑uTUPTHTR1(H∑ UPUhUvw d) （2令 J(w) = 0，可求出分析場：xa= xbSUPUhUvw （2式中，S 是低分辨率轉換為高分辨率的插值算子。下面根據(jù)上述公式，，給出變分同化的基本流程圖（圖 2.1）。
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：P456.7

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本文編號：2643870