【摘要】：地面氣象觀測資料是獲取描述中小尺度、短時對流天氣過程的重要觀測資料源之一,其質(zhì)量優(yōu)劣直接影響著數(shù)值模式的同化結(jié)果,因此提高地面觀測資料在數(shù)值模式中的質(zhì)量就顯得尤為重要。本文以基于經(jīng)驗正交分解的EOF (Empirical Orthogonal Function)質(zhì)量控制(quality control, QC)方法為基礎(chǔ),首先與基于快速傅里葉變換的質(zhì)量控制方法(Fast Fourier Transform, FFT QC)進行對比。隨后本文對EOF QC方法進行了改進,發(fā)展了遞歸EOF質(zhì)量控制(Rec-EOF QC)方案。為了解EOF QC在數(shù)值模式中的應用效果,本文將該方法應用于兩個業(yè)務中常用的數(shù)值模式,利用三維變分同化系統(tǒng)進行數(shù)值模式試驗,展示其應用潛力。最后為了降低觀測代表性誤差的空間相關(guān)性,本文還提出了一種資料稀疏化方案。本文的主要結(jié)論如下：(1)常規(guī)質(zhì)量控制方案識別出氣壓、溫度和濕度資料中的存在粗大誤差的觀測。EOF可以提取資料的時空變化特征,FFT可以提取資料的典型周期特性,將這兩種方法同時應用于地面比濕資料,發(fā)現(xiàn)比濕的觀測和背景場之間存在著較大的位相差和振幅差,這些差別是造成觀測誤差非高斯分布的主要原因；EOF QC的效果要略好于FFT QC,這是因為FFT只是依次對每個站點進行頻譜分解,而EOF從時空場對資料進行分解,能盡可能地保留原始場的大尺度波動信息。EOF QC在比濕、溫度和氣壓應用結(jié)果顯示,QC后誤差大的觀測被有效剔除,觀測誤差更接近于高斯分布,符合變分同化中對誤差的假設。(2) Z-score臨界值的確定EOF QC中的關(guān)鍵因素,一般該臨界值是根據(jù)背景場與觀測場的資料特征人為經(jīng)驗確定,這會影響該方法的業(yè)務化應用。為了能夠根據(jù)資料本身客觀地確定質(zhì)量控制中的臨界值,本文提出了遞歸EOF質(zhì)量控制方案(Rec-EOFQC)。研究發(fā)現(xiàn),遞歸4次之后,資料剔除率、O-B(觀測減背景場)的標準偏差、偏態(tài)以及峰度都達到一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。將該方法應用于不同時次、不同種類的背景場資料中可以發(fā)現(xiàn)該方法能有效提高O-B在0附近出現(xiàn)的概率,使得資料分布更加對稱,觀測誤差的概率密度分布更接近于高斯分布。(3)為檢驗EOF QC方案在數(shù)值模式中的應用效果,將EOF QC集成到WRF模式及其三維變分(3DVAR)同化系統(tǒng)中。選取2008年1月和7月兩個強降水個例,并對2008年7月進行了一個月的連續(xù)同化試驗。結(jié)果表明：相比模式自帶的OMB QC, EOFQC能更好地保留觀測中對天氣發(fā)生發(fā)展至關(guān)重要的天氣波動信息,可以更客觀地反映大氣的真實狀態(tài)；并且同化經(jīng)EOF QC后的資料,地面溫度場的質(zhì)量得到了明顯提高,預報誤差最小。EOF QC對降水量級有了明顯的改進,降水形勢更接近于實況。WRF對2008年7月的連續(xù)試驗也證明EOF-QC對降水具有較好的預報能力。(4)為了推動我國地面數(shù)值模式的發(fā)展,提高我國地面觀測資料的同化技術(shù),本文還將EOF QC植入到我國獨立自主開發(fā)研究的GRAPES模式及其三維變分同化系統(tǒng)中,并選取2008年1月個例進行數(shù)值模擬試驗。結(jié)果表明在GRAPES模式中,EOF-QC后,地面氣壓場和溫度場的質(zhì)量有了較為顯著的改進,且對降水落區(qū)的預報更加準確。(5)為降低觀測代表性誤差的空間相關(guān)性,本文提出了一種稀疏化方案,該方案可以提取一定范圍內(nèi)的典型觀測。將該方案應用于GRAPES-3DVAR中,研究不同的資料稀疏化半徑對同化的影響。結(jié)果表明：在本個例中,當稀疏化半徑取90km時,模式對降水的模擬效果較好,ETS評分較高,溫度和氣壓的分析誤差最小,目標函數(shù)的梯度隨迭代次數(shù)變化平緩,且最接近于0,模式分辨率與資料的匹配達到最優(yōu)。
【學位授予單位】：南京信息工程大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：P412.1;P456.7
【圖文】：

圖７；邋ＧＲＡＰＥＳ＿Ｍｅｓｏ系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖逡逑２．５邋ＧＲＡＰＥＳ－３ＤＶＡＲ邋介紹逡逑

調(diào)世界時ＵＴＣ，下同）的作為研究對象，觀測數(shù)據(jù)來自于ＳＹＮＯＰ邋（ｓｕｒｆａｃｅ邋ｓｙｎｏｐｔｉｃ逡逑ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎｓ），該資料時間分辨率為３小時（００時，０３時，０６時，０９時，１２時，１５時，逡逑１８時，２１時），研究區(qū)域為５５化－１４５巧，０－７０＾和。圖１為２００８年］月的地面觀測站空逡逑間分布，可看出觀測站在中國的東部地區(qū)分布密集，水平分辨率約為２０－３０ｋｍ，７月逡逑份的觀測站空間分布與１月類似。１月份觀測區(qū)域有３５８６站，７月份的觀測區(qū)域內(nèi)有３５５５逡逑站。逡逑３２逡逑

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 谷湘潛,谷美繁;大型數(shù)值模式的移植與計算結(jié)果[J];氣象科技;1999年04期

2 曹鴻興,封國林;數(shù)值模式中的回溯時間積分格式[J];應用氣象學報;2000年02期

3 喬方利;浪-潮-流耦合數(shù)值模式突破上層海洋數(shù)值模擬與實測不符難題[J];中國基礎(chǔ)科學;2004年06期

4 辜旭贊;張兵;;初論雙三次數(shù)值模式[J];氣象科技;2006年04期

5 辜旭贊;張兵;;全球(Z)雙三次數(shù)值模式的設計與個例模擬(Ⅱ):個例模擬結(jié)果分析[J];高原氣象;2008年03期

6 ;“烏魯木齊區(qū)域中心數(shù)值模式檢驗系統(tǒng)集成應用”項目[J];沙漠與綠洲氣象;2013年04期

7 牟惟豐;;數(shù)值模式分辨率影響預報質(zhì)量的一些實例[J];氣象科技;1987年01期

8 周穎,曹文俊,劉思湄;環(huán)境湍流作用下的煙云抬升數(shù)值模式[J];南京氣象學院學報;1992年01期

9 徐幼平，夏大慶，錢越英;載水數(shù)值模式的實時預報試驗[J];應用氣象學報;1996年03期

10 曹鴻興;自憶數(shù)值模式及其應用[J];氣象科技;1997年01期

相關(guān)會議論文 前10條

1 喬方利;夏長水;宋振亞;袁業(yè)立;;海洋動力系統(tǒng)數(shù)值模式體系的發(fā)展與應用[A];第五屆全國青年計算物理學術(shù)交流會論文摘要[C];2008年

2 葉金桃;辜旭贊;;數(shù)值模式大氣科學可視化分析預報系統(tǒng)及其應用[A];全國中尺度氣象學術(shù)研討會摘要文集[C];2008年

3 孫長;李嘉鵬;周寧芳;;不同數(shù)值模式2012/13年冬季2m溫度預報性能檢驗對比分析[A];創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展 提高氣象災害防御能力——S1第五屆氣象綜合探測技術(shù)研討會[C];2013年

4 吳德榮;;系集預報研究近況臺風定量降雨數(shù)值模式系集預報實驗[A];2011年海峽兩岸氣象科學技術(shù)研討會論文集[C];2011年

5 閆敬華;;廣州高分辨數(shù)值模式的“三定”要素預報及其性能[A];城市氣象服務科學討論會學術(shù)論文集[C];2001年

6 葉金桃;;數(shù)值模式大氣科學可視化分析預報系統(tǒng)設計實現(xiàn)方法[A];第三屆湖北省科技論壇氣象分論壇暨2005年湖北省氣象學會學術(shù)年會學術(shù)論文詳細文摘匯集[C];2005年

7 龔偉偉;師春香;張濤;姜立鵬;莊媛;;多種數(shù)值模式資料的地面溫度和相對濕度初步比較與分析[A];創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展 提高氣象災害防御能力——S2災害天氣監(jiān)測、分析與預報[C];2013年

8 孟英杰;吳洪寶;王麗;張萍萍;;2007年主汛期武漢區(qū)域數(shù)值模式降水預報評估[A];中國氣象學會2008年年會天氣預報準確率與公共氣象服務分會場論文集[C];2008年

9 鐘中;;數(shù)值模式中有效空氣動力學參數(shù)計算和特征分析[A];新世紀氣象科技創(chuàng)新與大氣科學發(fā)展——中國氣象學會2003年年會“氣候系統(tǒng)與氣候變化”分會論文集[C];2003年

10 徐集云;顧駿強;陳燕;吳澗;;區(qū)域邊界層數(shù)值模式在杭州市化工園區(qū)選址中的應用研究[A];首屆長三角氣象科技論壇論文集[C];2004年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 林琳;大力推進數(shù)值模式的科學發(fā)展[N];中國氣象報;2006年

2 王金星;專家檢查評估數(shù)值模式創(chuàng)新基地科研業(yè)務課題執(zhí)行情況[N];中國氣象報;2007年

3 記者 王德民 林琳;數(shù)值模式發(fā)展座談會在京舉行[N];中國氣象報;2006年

4 林建;如何發(fā)揮數(shù)值模式的增值作用[N];中國氣象報;2007年

5 本報記者 徐文彬　李競;積跬步以致千里[N];中國氣象報;2013年

6 通訊員 喻彥　蘇曉力;云南增雨數(shù)值模式抗旱效益顯著[N];中國氣象報;2010年

7 王曉云;對加強小尺度數(shù)值模擬系統(tǒng)研發(fā)與應用的思考[N];中國氣象報;2007年

8 本報記者 王晨　李曄;亞運氣象保障：穿越時空 跨越世紀[N];中國氣象報;2010年

9 本報記者 吳洪;暴雨來襲，城市能否應戰(zhàn)？[N];福建日報;2014年

10 記者 鄭菲 通訊員 王德英;國家九七三項目“我國南方暴雨研究”取得階段性進展[N];中國氣象報;2008年

相關(guān)博士學位論文 前6條

1 趙虹;地面觀測資料的質(zhì)量控制方法研究及其在數(shù)值模式中的應用[D];南京信息工程大學;2015年

2 王啟光;數(shù)值模式延伸期可預報分量提取及預報技術(shù)研究[D];蘭州大學;2012年

3 陳f睿;無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格二維河口海洋數(shù)值模式的研制[D];華東師范大學;2011年

4 薛海樂;使用過去資料改進GRAPES全球預報的理論和方法研究[D];蘭州大學;2013年

5 達朝究;一個可能提高GRAPES模式業(yè)務預報能力的方案[D];蘭州大學;2011年

6 文元橋;協(xié)同地球科學計算環(huán)境的協(xié)同與共享研究[D];華中科技大學;2006年

相關(guān)碩士學位論文 前9條

1 王鵬飛;氣候數(shù)值模式的并行計算與非線性動力系統(tǒng)的多精度計算[D];中國科學院研究生院（大氣物理研究所）;2006年

2 徐輝;非線性優(yōu)化方法在數(shù)值模式敏感性分析中的應用[D];中國海洋大學;2003年

3 王丹;雷達外推預報與暴雨數(shù)值模式融合預報降水方法研究[D];中國氣象科學研究院;2013年

4 慕秀香;高分辨率數(shù)值模式在吉林省短期業(yè)務預報中的效果檢驗[D];蘭州大學;2014年

5 孫海燕;強對流云數(shù)值模式系統(tǒng)開發(fā)與應用[D];南京氣象學院;2004年

6 祁旭;“凡亞比”臺風暴雨的數(shù)值模擬及分析檢驗[D];南京信息工程大學;2013年

7 崔雅琴;三維對流云數(shù)值模式的改進與應用[D];南京信息工程大學;2006年

8 鄔昀;基于數(shù)值模式產(chǎn)品的三峽庫區(qū)水量預報初步研究[D];南京信息工程大學;2011年

9 陳筆澄;城市街區(qū)尺度數(shù)值模式的建立、驗證與應用[D];北京大學;2014年

本文編號：2723250