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GRAPES变分同化系统中动力平衡约束的统计求解

王瑞春 龚建东 张林

王瑞春, 龚建东, 张林. GRAPES变分同化系统中动力平衡约束的统计求解. 应用气象学报, 2012, 23(2): 129-138..
引用本文: 王瑞春, 龚建东, 张林. GRAPES变分同化系统中动力平衡约束的统计求解. 应用气象学报, 2012, 23(2): 129-138.
Wang Ruichun, Gong Jiandong, Zhang Lin. Statistical estimation of dynamic balance constraints in GRAPES variational data assimilation system. J Appl Meteor Sci, 2012, 23(2): 129-138.
Citation: Wang Ruichun, Gong Jiandong, Zhang Lin. Statistical estimation of dynamic balance constraints in GRAPES variational data assimilation system. J Appl Meteor Sci, 2012, 23(2): 129-138.

GRAPES变分同化系统中动力平衡约束的统计求解

资助项目: 

公益性行业 (气象) 科研专项 GYHY201106008

详细信息
    通信作者:

    王瑞春, E-mail: wrcnuist@126.com

Statistical Estimation of Dynamic Balance Constraints in GRAPES Variational Data Assimilation System

  • 摘要: 该文在GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 模式面三维变分 (3D_Var) 框架中引入了一种描述不同控制变量之间动力平衡约束的新方案。新方案采用统计得到的流函数和模式气压变量 ( π ) 之间的回归系数代替原方案中的线性平衡方程,来表达旋转风和质量场之间的平衡关系;采用流函数和势函数之间的回归系数,补充表达了原方案中所没有的旋转风和散度风之间的平衡关系。与原方案相比,新方案算法简单,避免了垂直方向的反复插值,减少了插值误差的引入。通过随机扰动试验和单点试验可以发现,在地转关系成立较好的区域,新方案中旋转风和质量场的耦合程度与原方案接近一致;而在地转关系不适用区域,新方案可以有效减小两者的耦合程度。此外,由于新方案中添加了旋转风和散度风之间的动力平衡约束,边界层的风场分析也更加接近大气真实状况。
  • 图  1  变量平衡部分对总体方差解释率的纬向平均分布(a) 势函数,(b) 无量纲气压

    Fig. 1  Zonal average of the explained variance ratios of velocity potential (a) and dimensionless pressure (b)

    图  2  随机扰动方法模拟的无量纲气压的背景误差均方差的纬向平均分布 (单位:10-4)

    (a) 原方案,(b) 新方案

    Fig. 2  Zonal average of simulated background error standard deviations of dimensionless pressure in the original scheme (a) and the new scheme (b)(unit: 10-4)

    图  3  随机扰动方法模拟的新方案中势函数背景误差均方差的纬向平均分布 (单位:106m2·s-1)

    (a) 势函数全量,(b) 势函数的平衡部分

    Fig. 3  Zonal average of simulated background error standard deviations of velocity potential (a) and its balance part (b) in the new scheme (unit: 106m2·s-1)

    图  4  理想u观测 (高出背景场5 m·s-1) 位于模式面第12层45.5°N, 125.5°E时强迫出的无量纲气压分析增量 (单位:10-5)

    (a) 原方案水平分布,(b) 新方案水平分布,(c) 原方案经向垂直分布,(d) 新方案经向垂直分布

    Fig. 4  Dimensionless pressure increments generated by a simulated u component wind observation on the 12th model level at 45.5°N, 125.5°E which is 5 m·s-1stronger than background wind (unit: 10-5)

    (a) horizontal distribution of the original scheme, (b) horizontal distribution of the new scheme, (c) meridional section of the original scheme, (d) meridional section of the new scheme

    图  5  理想u观测 (高出背景场5 m·s-1) 位于模式面第24层的45.5°N,125.5°E时强迫出的无量纲气象分析增量水平分布 (单位:10-5)(a) 原方案,(b) 新方案

    Fig. 5  Dimensionless pressure increments generated by a simulated u component wind observation on the 24th model level at 45.5°N, 125.5°E which is 5 m·s-1stronger than background wind (unit: 10-5)

    (a) horizontal distribution of the original scheme, (b) horizontal distribution of the new scheme

    图  6  理想u观测 (高出背景场5 m·s-1) 位于模式面第12层的5.5°N,125.5°E时强迫出的无量纲气压分析增量的水平分布 (单位:10-6)(a) 原方案,(b) 新方案

    Fig. 6  Dimensionless pressure increments generated by a simulated u component wind observation on the 12th model level at 5.5°N, 125.5°E which is 5 m·s-1stronger than background wind (unit:10-6)

    (a) horizontal distribution of the original scheme, (b) horizonal distribution of the new scheme

    图  7  理想气压观测 (高出背景场1 hPa) 位于模式面第1层45.5°N,125.0°E时强迫出的水平风场u, v的分析增量水平分布 (单位:m·s-1)

    (a)原方案u增量,(b) 新方案u增量,(c) 原方案v增量,(d) 新方案v增量

    Fig. 7  Wind increments generated by a simulated pressure observation on the first model level at 45.5°N, 125.0°E which is 1 hPa higher than the background (unit:m·s-1)

    (a)u increment of the original scheme, (b)u increment of the new scheme, (c)v increment of the original scheme, (d)v increment of the new scheme

    表  1  12月、1月和2月GRAPES模式面对应气压

    Table  1  Roughly corresponding pressure values of GRAPES model levels in Dec, Jan and Feb

    模式面 全球平均气压/hPa
    第4层 900
    第8层 740
    第12层 566
    第16层 403
    第20层 262
    第24层 153
    第28层 69
    第32层 26
    第36层 8.8
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-07-20
  • 修回日期:  2012-01-09
  • 刊出日期:  2012-04-30

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