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青藏高原高分辨区域再分析同化方案及其资料集研发的新进展
作者:和杰               发布时间:2021/04/19 16:06:34              浏览量:

青藏高原区域常规观测稀疏,下垫面复杂,卫星观测不确定性较大,现有全球再分析资料分辨率偏低,且高原区域质量偏低,致使高原区域的高质量再分析资料缺乏,严重制约了高原区域的天气、气候变化的系统性研究和业务应用。因此,研究和发展适合我国高原区域再分析的资料同化系统和高原区域的高分辨率再分析资料,对系统研究高原区域天气、气候和环境变化至关重要。

我院马旭林教授及其博士生和杰与美国宾西法尼亚州立大学张福青教授课题组等团队合作,研究发展了基于三维变分同化系统的Huber变分质量控制方案和适用于构建高原再分析资料的集合卡尔曼滤波(EnKF)同化系统。Huber变分质量控制方案有效提高了高原区域稀少观测的有效同化利用率,获得了更高质量的温湿度场,改善了降水预报偏强问题(图1)。EnKF资料同化系统将现有标准GTS常规观测循环同化,可获取高原区域30 km及10 km分辨率的高质量区域再分析资料。基于2015年夏季高原试验(TIPEX-III)独立探空观测和卫星降水观测的评估显示,高分辨高原区域再分析资料相对ERA-Interim和ERA5再分析具有更高质量的三维湿度分析场,并可进一步提高高原区域降水强度、落区和日循环特征的预报质量(图2)。

初步完成的12年(2007-2018)夏季高原区域高分辨率再分析资料集,已应用于中国科学院A类战略性先导科技专项“泛第三极环境变化与绿色丝绸之路建设(XDA20060401)”项目研究。计划在不久的将来,继续完善区域再分析同化预报系统,提高分辨率,以实现长时间序列的高分辨高原区域再分析资料集的研制,为高原区域天气和气候研究提供更有力的数据支撑。

图1. Flat-VarQC (a) 和 Huber-VarQC(b)两种变分质量控制方案同化试验的飞机报温度统计。直方图对应纵坐标左轴,表示标准化的新息向量分布,分别被高斯分布(红线)、“高斯分布+均匀分布”(蓝线)和Huber分布(黑线)拟合。彩色散点对应纵坐标右轴,表示变分质量控制的温度观测权重量级。两种变分质量控制的理论权重曲线分别显示在(a)和(b)的右下方。理论权重曲线和权重散点具有共同的色标(底部)。变分质量控制可根据观测好坏赋予其不同权重以改善分析场质量

图2. ERA-Interim(绿线)、ERA5(蓝线)和EnKF(红线)再分析降尺度预报降水的RMSE随时间的演变。统计资料为2015年夏季覆盖高原区域的10 km(实线)和30 km(带圈虚线)分辨率的6 h(a)和12 h(b)降水预报

论文及参考信息:

Jie He, Fuqing Zhang, Xingchao Chen, Xinghua Bao, Deliang Chen, Hyun Mee Kim, Hui-Wen Lai, L. Ruby Leung, Xulin Ma, Zhiyong Meng, Tinghai Ou, Ziniu Xiao, Eun-Gyeong Yang, Kun Yang. 2019: Development and Evaluation of an Ensemble-based Data Assimilation System for Regional Reanalysis over the Tibetan Plateau and Surrounding Regions. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 11, 2503-2522. https://doi.org/10.1029/2019MS001665

Jie He, Xulin Ma, Xuyang Ge, Juanjuan Liu, Wei Cheng, Man-Yau CHAN, Ziniu Xiao. 2021: Variational Quality Control of Non-Gaussian Innovations in the GRAPES m3DVAR System: Mass Field Evaluation of Assimilation Experiments. Advances in Atmospheric Sciences. (Online) http://www.iapjournals.ac.cn/aas/en/article/doi/10.1007/s00376-021-0336-3

http://lancang-mekong.net/ResearchDetails.aspx?aid=542