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攻渭韶
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1 第 25 卷第 5 期热带气象学报 Vol.25, No 年 10 月 JOURNAL OF TROPICAL METEOROLOGY Oct., 2009 文章编号 : (2009) COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统的初步研究唐细坝, 薛纪善 ( 中国气象科学研究院, 北京 ) 摘要 : 利用 COSMIC 获得的 GPS 无线电掩星数据所反演得到的大气温湿度廓线资料, 在 GRAPES 全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验, 研究了加入 COSMIC 资料后得到的 GRAPES 分析场及其 5 天中期预报是否有所改善研究结果表明 : 通过加入 COSMIC 资料连续循环同化得到的分析场, 相对原来没有加 COSMIC 资料连续同化出来的 GRAPES 分析场有明显改善, 由此 GRAPES 全球模式全球 5 天中期预报水平有明显提高, 其中加入没有稀疏化后 COSMIC 资料对南半球 GRAPES 分析场的改善以及 GRAPES 全球模式 5 天中期预报水平的提高都比较显著 ; 加入稀疏化后的 COSMIC 资料对北半球 GRAPES 分析场的改善以及 GRAPES 全球模式 5 天中期预报水平的提高都有比较显著的效果关键词 : 数值预报 ;COSMIC 资料同化 ;GPS 无线电掩星 ;GRAPES 全球三位变分同化系统中图分类号 :P435 文献标识码 :A Doi: /j.issn 引言 GPS 全球定位系统是美国在 1970 年代开始开发的卫星定位系统, 其主要目的是为飞机船舶定位或导航 GPS 的定位精度受到大气层, 包括电离层和对流层大气的影响, 对大气影响的订正成为控制 GPS 测量精度的关键, 尤其是大气中的水汽对测量误差的影响最难处理但这也提供了一种全新的探测大气的方法 [1] 在此基础上发展起了地基 GPS 和空基 GPS 的气象观测 [2] : 地基 GPS 的气象观测就是指利用地基 GPS 接收机测量大气的水汽含量及分布 ; 空基 GPS 的气象观测就是指利用低轨卫星上的 GPS 接收机探测大气折射率廓线, 并进一步计算温度或湿度的垂直分布与红外遥感和微波辐射来获得的资料气象卫星不同,GPS 无线电掩星的观测方法采用的是临边观测, 它的无线电信号能够穿过浓云和降水区, 观测的资料受云和降水的影响较小, 天气情况将不会影响 GPS 无线电掩星观测, 且有高数据精度高垂直分辨率等优点, 可弥补现有卫星资料的一些不足无线电掩星技术最初是用来探测行星大气的, 1965 年 7 月美国斯坦福大学 (Stanford University) 与国家航空和航天局 (NASA) 第一次将无线电掩星技术用来探测行星大气,1967 年无线电掩星技术第一次用来探测火星, 接下来无线电掩星技术就被频繁地用来研究其它的行星大气到 1990 年代, 无线电掩星技术开始用来探测地球大气, 美国于 1995 年 4 月发射 Micro Lab 1 号小卫星, 开始了第一次地球大气掩星观测 (GPS/MET 计划 );2001 年德国的 CHAMP 投入使用, 其特点是改进了 GPS 接收机的天线, 使接收机的信噪比得到提高,2006 年美国大学大气科学联盟 (UCAR) 和台湾空间计划局 (NSPO) 等机构联合研制出了气象电离层及气候星座探测系统 [3] COSMIC(Constellation Observing System for Meteorology Ionosphere and Climate) COSMIC 是利用现代遥感通信和计算技术解决当今地球科学卫星探测的系统 UCAR 和 NSPO 于 2006 年 4 月成功发射 6 颗低轨卫星,6 颗卫星计划每天收稿日期 : ; 修订日期 : 基金项目 : 国家重点基础发展计划项目 (2004CB418306) 资助通讯作者 : 唐细坝, 男, 江西省人, 硕士, 主要从事数值预报资料同化研究 tangxb_6@163.com

度廓线资料, 在 GRAPES 全球三维变分同化系统中做连续循环同化试验, 研究了加入 COSMIC 资料后得到的 GRAPES 分析场及其 5 天中期预报是否有所改善研究结果表明 : 通过加入 COSMIC 资料连续循环同化得到的分析场, 相对原来没

2 522 热带气象学报 25 卷可以进行次观测, 它具有很多其它探空资料所不具备的优点, 其主要目标是为了改善数值天气模型的性能在 GPS/MET 试验中, 只观测了下降的掩星事件, 其中只有 10% 左右的掩星事件中 GPS 信号可以穿透到地球表面附近的大气 ; 而 COSMIC 计划采用 ~10 db 高增益的天线以及开环跟踪方式进行观测, 以确保能够跟踪 90% 的上升和下降的掩星事件区别于 GPS/MET 试验数据的特点, COSMIC 数据的一个最大的特点是 : 良好的无线电掩星的几何构型, 因为它是由多颗卫星构成的星座 ; 这扩充了地面仪器和空间天底观测仪器所能够涉及的观测区域基于这些覆盖全球的观测数据, COSMIC 数据的科学应用广泛 : 用于开展全球范围的水汽分布规律的研究, 从而促进天气和气候预报工作 [4] ; 为预测龙卷风等灾害性气象活动提供可靠的观测数据 [5-6] ; 提供精确的引力势高度, 监测上对流层至平流层的重力波, 从而改进我们对自对流层顶至平流层区域之间的大气交换过程的认识 [7] ; 弥补其他大气观测系统的观测盲区, 如海洋和极区等, 从而改善全球天气分析效果 ; 将 COSMIC 数据同化于气象数值模型可以改进全球气象参数的精度 [8-9], 目前, 国外科学家对 COSMIC 数据主要采用直接同化的方法 (Y.-R.Guo,2005;Sokolovskiy,2005); 还可为研究 El Niño 事件提供辅数据, 并且对局部地区的火山爆发森林火灾等对全球大气的影响给出估计此外, 可促进电离层的研究工作 [10-14], 以及完善现有的重力场模型我国一直非常关注无线电掩星技术的发展, 主要涉及对地基 GPS 气象观测数据的同化和应用, 但对空基 GPS 气象观测数据, 限于资料获取困难, 研究工作主要限于算法的讨论 [1-2], 还缺乏实际资料同化的试验研究本文利用由 COSMIC 资料所获得的数据反演的大气温湿度廓线资料, 研究它对全球数值预报的作用, 预报所用全球同化系统与模式为我国自主发展的全球 - 区域同化预报系统 (GRAPES) 本文专门挑选了一个仅利用常规资料通过 GRAPES 全球同化系统连续循环同化得到 GRAPES 分析场比较差的个例, 观察在常规资料基础上加入 COSMIC 资料后用 GRAPES 全球同化预报的结果是否有所改善? 由于美国国家环境预报中心 (NCEP) 在其资料同化过程中, 已经使用了大量的遥感资料, 特别是各种卫星资料, 其同化的结果在国际上被认为是接近大气真实状况的分析场之一, 因此本文用 GRAPES 分析场及其预报场与 NCEP 分析场距平相关系数来检验 GRAPES 分析场和预报场的质量本文首先简单介绍新一代数值预报系统 (GRAPES) 的全球模式以及本文采用的 COSMIC 资料使用说明其次针对 2006 年 8 月日, GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关系数比较异常的情况, 通过利用 GRAPES 全球同化系统对 2006 年 8 月 17 日 12 时 24 日 12 时做连续循环同化试验, 在试验时加入 COSMIC 资料, 得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关系数, 并对所用 COSMIC 资料层次进行稀疏化, 用稀疏化的 COSMIC 资料在 GRAPES 全球同化系统做同样连续循环同化试验, 得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数, 最后利用 2006 年 8 月 21 日 12 时的 GRAPES 分析场通过 GRAPES 全球模式做 5 天中期预报 ( 本文所涉及到的时间都为世界时 ) 本文的新意在于首次将 COSMIC 获得的 GPS 无线电掩星数据反演所得到的大气温湿廓线资料应用到 GRAPES 全球三位变分同化循环系统中, 意义在于评价其在数值预报中的使用价值, 为 COSMIC 在 GRAPES 业务全球预报中打下基础 2 模式简介及资料说明本文所用到的模式是中国气象科学研究院数值预报中心自主开发的 GRAPES 全球预报模式 [15-22] GRAPES 全球模式采用统一软件编程的多尺度统一动力框架, 包含不同物理过程方案 ( 适合中期天气预报的物理过程方案和气候预测的物理化学方案等 ) 的模块化可插拨软件包 GRAPES 全球模式采用全可压原始静力平衡与非静力平衡可选方案, 半隐式半拉格朗日动力框架 [23], 水平方向采用类 Arakawa -C 跳点网格设计 [24], 垂直方向采用 Charney-Philips 跳层设计的地形高度追随坐标 [25], 它由三部分组成 : 全球三维变分同化系统 [26-27] 全球半隐式半拉格朗日格点模式 GRAPES 全球模式输出和检验, 全球同化系统是一个完全的循环同化系统, 每个同化时间窗的背景场完全有 GRAPES 全球模式的 6 小时预报提供本文 GRAPES 全球模式水平分辨率 1 1, 水平格点数为垂直方向为基于高度的地形追随坐标, 取不等距 31 层由于目前掩星提供的资料不能直接反演出水汽, 故在利用掩星观测资料同时反演温度和水汽时存在一个模糊度问题合理地考虑背景场和观测量

星的几何构型, 因为它是由多颗卫星构成的星座 ; 这扩充了地面仪器和空间天底观测仪器所能够涉及的观测区域基于这些覆盖全球的观测数据, COSMIC 数据的科学应用广泛 : 用于开展全球范围的水汽分布规律的研究, 从而促进天气

3 5 期唐细坝等 :COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统的初步研究 523 的误差特性, 需要利用一维变分同化计算当然也可以引入附加信息直接从弯曲度或折射率得到大气层的压强温度以及水汽剖面相比之下变化同化后的反演结果与原反演算法结果比较, 可能更加合理 [28] 本文采用的资料是从 COSMIC 官方网站下载的大气廓线资料中的温湿度廓线资料 (Wetprf), 该大气廓线资料是根据一维变分分析并利用欧洲中期天气预报中心 (ECMWF) 的低分辨率资料反演得到的, 其中包含气压温度位势高度水汽压等气象要素, 在本文中出现的 COSMIC 资料都是指该类资料通过数据处理, 将 COSMIC 资料数据为常规探空观测资料格式一致的数据, 使其符合 GRAPES 全球同化系统可以直接同化的要求 2.1 COSMIC 资料可靠性的初步检验为了直观了解 COSMIC 资料的可靠性, 本文给出三幅 COSMIC 与探空 (TEMP) 相邻近的温度 - 气压廓线图 ( 图 1) 图 1a 中,COSMIC 资料的观测位置为 N,49.19 E, 观测时间为 2006 年 8 月 17 日 23 时 44 分 ; 探空资料 (TEMP) 的观测位置为 N,48.63 E, 观测时间为 2006 年 8 月 18 日 00 时 00 分图 1b 中,COSMIC 资料的观测位置为 N,34.46 E, 观测时间为 2006 年 8 月 18 日 11 时 54 分 ;TEMP 资料的观测位置为 57.9 N,34.05 E, 观测时间为 2006 年 8 月 18 日 12 时 00 分图 1c 中, COSMIC 资料的观测位置为 N, E, 观测时间为 2006 年 8 月 18 日 10 时 57 分 ;TEMP 资料的观测位置为 N, E, 观测时间为 2006 年 8 月 18 日 12 时 00 分由图 1a 和 1b 及 1c 可知 : 两条廓线分布比较一致为了更直观检验 COSMIC 资料的可靠性, 本文计算了 COSMIC 的观测要素中温度和高度场的均方根误差的垂直廓线本章从 2006 年 8 月日的 COSMIC 资料和 TEMP 资料选取了 30 个相邻近的 COSMIC 资料和 TEMP 资料图 1 温度气压廓线图 a. COSMIC(58.43 N,49.19 E), TEMP(58.60 N,48.63 E);b. COSMIC(58.25 N,34.46 E), TEMP(57.9 N,34.05 E);c. COSMIC(57.83 N, E), TEMP(58.10 N, E) 图 2 为 COSMIC 资料的均方根误差, 其中图 2a 为温度均方根误差, 图 2b 为高度场均方根误差在图 2 中, 其中垂直层次上有 11 层, 分别为 ( hpa) 从图 2 中可以看出,COSMIC 的温度均方根误差控图 2 均方根误差 a. COSMIC 温度均方根误差 ; b. COSMIC 高度场均方根误差

料反演得到的, 其中包含气压温度位势高度水汽压等气象要素, 在本文中出现的 COSMIC 资料都是指该类资料通过数据处理, 将 COSMIC 资料数据为常规探空观测资料格式一致的数据, 使其符合 GRAPES 全球同化系统可以直接同化的要

4 524 热带气象学报 25 卷制在 0.9~1.5 K 之间,COSMIC 高度场均方根误差控制在 25~50 m 之间由此可以得知,COSMIC 资料质量是可靠的, 可用于 GRAPES 同化系统中做同化试验 2.2 天气形势分析预报的检验分为二个区域进行, 即北半球 20~90 N,0~360 ; 南半球 20~90 S,0~360 图 3a 为利用常规观测资料同化得到的 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场 8 月份距平相关系数图, 由图 3 可见,8 月日的北半球 850 hpa 的距平相关系数跟其它天数的相关系数相比呈凹槽形, 表明在这几天里,GRAPES 分析场跟 NCEP 分析场相关比较差, 从 NCEP 分析场北半球 850 hpa 上的高度场的天气形势图得知 ( 图略 ),8 月日之间, 太平洋上有几个气旋的生成和消亡, 而从 GRAPES 分析场的 850 hpa 上的高度场的天气形势图却体现不了这些特征例如图 3b 和图 3c, 图 3b 为 2006 年 8 月 21 日 12 时 GRAPES 分析场的 850 hpa 高度场的天气形势, 图 3c 为当时 NCEP 分析场的 850 hpa 高度场的天气形势, 从图 3b 和图 3c 可知, 在陆地上 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场大致相当, 只是在太平洋上差别比较大, 主要由于两个气旋所造成的, 图 3c 中,NCEP 分析场一个低压中心的位置在 40 N,180 左右, 另一个低压中心位置在 31 N,153 E 左右, 而图 3b 上,GRAPES 分析场有几个低压, 但强度都很小, 强度稍大的一个低压中心位置在 30 N,175 W 左右 ( 明显与 NCEP 分析场得到的结果差异比较大 ) 鉴于以上所得结果, 本文尝试在用 GRAPES 全球三维变分同化系统做连续同化循环试验时加入 COSMIC 资料, 看看加入新的资料后, 得到的 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场相比较的效果会不会变好一些? 图 3 a. 8 月份 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数 ; b 年 8 月 21 日 12 时 GRAPES 分析场上 850 hpa 的高度场天气形势 ; c 年 8 月 21 日 12 时 NCEP 分析场上 850 hpa 的高度场天气形势

hpa 的距平相关系数跟其它天数的相关系数相比呈凹槽形, 表明在这几天里,GRAPES 分析场跟 NCEP 分析场相关比较差, 从 NCEP 分析场北半球 850 hpa 上的高度场的天气形势图得知 ( 图略 ),8 月 18 23 日之间, 太平洋上有几个气旋的

5 5 期唐细坝等 :COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统的初步研究试验设计和试验结果 3.1 资料的选取及其分布本文每一次同化所采用的 COSMIC 资料, 其同化时间窗为 6 小时, 即所用到某时次 COSMIC 资料是由该时次前后三小时的资料组成, 例如 12 时资料就是由时资料所组成图 4 为 2006 年 8 月 19 日 12 时 20 日 12 时 COSMIC 资料和探空资料 (TEMP) 分布, 由图 4 可知, 在探空资料比较稀少的地区, 如海洋南半球等,COSMIC 资料差不多都有分布图年 8 月 19 日 12 时 20 日 12 时 COSMIC 资料和 TEMP 资料分布

小时的资料组成, 例如 12 时资料就是由 09 15 时资料所组成图 4 为 2006 年 8 月 19 日 12 时 20 日 12 时 COSMIC 资料和探空资料

6 526 热带气象学报 25 卷 3.2 COSMIC 资料应用试验本文最初设计了三种方案 : 第一种方案, 只同化常规观测资料 ( 船舶报探空报飞机报地面报 ), 2006 年 8 月 17 日 12 时 24 日 12 时, 每隔 12 小时循环同化一次, 将所得分析场在 GRAPES 全球模式作 12 小时预报, 预报所得背景场作为下一时次循环同化所需的背景场 ; 第二种方案, 同化常规观测资料及 COSMIC 资料, 与第一种方案同样起始和结束时段, 每隔 12 小时循环同化一次, 将所得分析场在 GRAPES 全球模式作 12 小时预报, 预报所得背景场作为下一时次循环同化所需的背景场 ; 第三种方案, 同化常规观测资料及 COSMIC 资料与第一种方案同样起始和结束时段, 每隔 6 小时循环同化一次, 将所得分析场在 GRAPES 全球模式作 6 小时预报, 预报所得背景场作为下一时次循环同化所需的背景场图 5 为 2006 年 8 月 21 日 12 时四种分析场的 850 hpa 高度场天气形势图 5a 为 NCEP 分析场的 850 hpa 高度场天气形势 ; 图 5b 为 GRAPES 分析场的 850 hpa 高度场天气形势 ; 图 5c 为 COSMIC 资料及常规观测资料 12 小时循环同化一次得到的 GRAPES 分析场的 850 hpa 的高度场天气形势 ; 图 5d 为 COSMIC 资料及常规观测资料 6 小时循环同化一次得到的 GRAPES 分析场的 850 hpa 的高度场天气形势在前面章节对天气形势的分析可以得知, 2006 年 8 月 21 日 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场在太平洋上的差别比较大, 主要是由两个气旋所造成的由图 5c 和 5d 可见, 在常规观测资料的基础上加入 COSMIC 资料以后,37 N,180 E 左右有一明显的低压中心, 其位置与 NCEP 分析场中 40 N,180 E 左右的低压中心的位置比较接近, 特别是在经度方向上, 几乎完全一致, 比图 5b 原先没有加入 COSMIC 资料得到的分析场的低压中心位置改善很多不过加入 COSMIC 资料后 GRAPES 分析场图年 8 月 21 日 12 时四种分析场的 850 hpa 的高度场天气形势 a. NCEP; b. GRAPES; c. COSMIC+12 h; d. COSMIC+6 h 的低压中心强度还是比 NCEP 分析场的低压中心强度弱很多, 且 NCEP 分析场中的另一个低压中心 (31 N,153 E) 也没有分析出来总的来说,COSMIC 资料经过连续循环同化后, 对 GRAPES 分析场有所改善图 6 为 COSMIC 资料应用试验得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数, 其中, 线表示第一种方案得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示第二种方案得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示第三种方案得到的 12 时分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数由图 6 可以看出, 在 GRAPES 全球同化系统中加入 COSMIC

报, 预报所得背景场作为下一时次循环同化所需的背景场 ; 第二种方案, 同化常规观测资料及 COSMIC 资料, 与第一种方案同样起始和结束时段, 每隔 12 小时循环同化一次, 将所得分析场在 GRAPES 全球模式作 12 小时预报, 预报所得背

7 5 期唐细坝等 :COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统的初步研究 527 资料, 经过连续同化循环所得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关系数 : 在北半球 850 hpa( 图 6a), 反而有所下降了, 这并不表示 COSMIC 资料不适合应用到 GRAPES 全球同化系统中, 而是由于欧亚大陆资料分布比较密集, 且很多地方都是山脉 ( 最高气压还达不到 850 hpa); 在南半球 850 hpa( 图 6b), 有明显的提高, 且随着 COSMIC 资料陆续运用到同化系统中, 其提高的幅度也越来越大, 最大的时候就出现在 24 日 12 时, 差不多达到了 0.36; 在北半球 500 hpa( 图 6c), 稍微有点提高, 这是因为原来没有加 COSMIC 资料的时候, 其 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关已经很好了, 加入 COSMIC 资料, 使得其距平相关系数更高了 ; 在南半球 500 hpa( 图 6d), 跟南半球 850 hpa 类似, 有明显的提高, 且也是随着 COSMIC 资料陆续运用到同化系统中, 其提高的幅度也越来越大, 最大的时候就出现在 24 日 12 时, 差不多达到了 0.45; 在北半球 100 hpa( 图 6e), 有明显提高 ; 在南半球 100 hpa( 图 6f), 同样跟南半球 850 hpa 类似, 有明显提高, 也是随着 COSMIC 资料陆续运用到同化系统中, 其提高的幅度也越来越大, 最大的时候就出现在 24 日 12 时, 差不多达到了 0.34 总的来说, 加入 COSMIC 资料的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关, 相比原来 GRAPES 用常规资料得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关效果要好 ; 加入 COSMIC 资料后, 每隔 6 小时循环同化一次比每隔 12 小时循环同化一次得出的分析场效果要好图 6 COSMIC 资料应用试验得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数 a. 北半球 850 hpa; b. 南半球 850 hpa; c. 北半球 500 hpa; d. 南半球 500 hpa; e. 北半球 100 hpa; f. 南半球 100 hpa 3.3 COSMIC 资料稀疏化及对分析的影响按标准层次稀疏化 COSMIC 资料层次试验垂直分辨率高是 COSMIC 资料的一个特点, 但是在观测资料比较密集的地方, 如果不对其稀疏化, 则有可能降低质量较好的观测资料的使用价值, 从而降低了客观分析的质量所以在有些地方需要对过密的 COSMIC 资料进行稀化按标准层次稀疏方案 : 将 COSMIC 资料进入

8 528 热带气象学报 25 卷 GRAPES 三维全球同化系统之前, 依据模式标准等压面 17 层 ( hpa) 处理 COSMIC 资料时选取与之相近的 17 层资料, 当然有时 COSMIC 资料中没有与各层相近的气压值, 遇到这种情况, 就当缺测图 7 为 COSMIC 资料按标准稀疏化后的得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数图, 其中, 线表示 COSMIC 资料应用试验的第一种方案得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示 COSMIC 资料应用试验的第三种方案得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示按标准稀疏化方案得到的 12 时分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数由图 7 可以看出, 在 GRAPES 全球同化系统加入经过第一种稀疏方案所得 COSMIC 资料, 经过连续循环同化时得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关系数, 在北半球 850 hpa( 图 7a) 500 hpa( 图 7c) 上有所提高, 其中 8 月 22 日 12 时提高的程度最大, 在南半球 850 hpa( 图 7b) 500 hpa( 图 7d) 100 hpa( 图 7f) 上得出来效果较没有图 7 COSMIC 资料按标准层次稀疏化试验得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数说明同图 6 稀疏化之前有所下降, 但总体来说还是比没有加 COSMIC 资料时的效果好有选择性的选取 COSMIC 资料的层次试验有选择性的稀疏方案 : 在第一层资料的基础上进行优化, 低层和中高层 (1 000~300 hpa) 还是按第一种方案选取 COSMIC 资料层次, 高层 300 hpa 后每隔 5 个层次资料选取一层资料图 8 为有选择性的选取 COSMIC 资料的层次试验得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数图, 其中, 线表示 COSMIC 资料应用试验的第一种方案得到的距平相关系数 ; 线表示 COSMIC 资料应用试验的第三种方案得到的距平相关系数 ; 线表示按标准层次稀疏化方案得到的距平相关系数 ; 线表示有选择性的稀疏方案得到的 12 时分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数图 8 表明, 北半球 850 hpa( 图 8a) 和 500 hpa( 图 8c), 通过加入第二种稀疏化方案的

场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示 COSMIC 资料应用试验的第三种方案得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示按标准稀疏化方案得到的 12 时分析场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数

9 5 期唐细坝等 :COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统的初步研究 529 COSMIC 资料所得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关效果最好, 也最稳定在图 8e( 北半球 100 hpa) 上, 得到的结果也比第一种稀疏化方案得到的结果要好, 只是还比直接加入 COSMIC 资料所得的结果要差些在图 8b 8d 8f 上, 也就是整个南半球, 图 8 有选择性的选取 COSMIC 资料的层次试验得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数说明同图 6 加入没有稀疏化的 COSMIC 资料所得的结果最好, 第二种稀疏化方案得到的结果次之, 原因还有待分析 3.4 对预报的影响在 GRAPES 全球三维变分同化系统中, 加入 COSMIC 资料进行连续循环同化得到分析场, 利用分析场在 GRAPES 全球模式做 5 天中期预报图 9 为连续循环同化得到的 2006 年 8 月 21 日 12 时分析场采用 GRAPES 全球模式做的 5 天中期预报所得预报场与 NCEP 分析场的距平相关系数, 其中, 线表示原先没有加入 COSMIC 资料时 12 时 GRAPES 预报场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示加入 COSMIC 资料, 隔 6 小时循环同化一次, 得出来的 GRAPES 分析场作 5 天中期预报所得预报场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数 ; 线表示加入第一种稀疏方案稀疏化后的 COSMIC 资料, 隔 6 小时循环同化一次, 得出来的 GRAPES 分析场作 5 天中期预报所得预报场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数, 线表示加入第二种稀疏方案稀疏化后的 COSMIC 资料, 隔 6 小时循环同化一次, 得出来的 GRAPES 分析场作 5 天中期预报所得预报场与 NCEP 分析场比较的距平相关系数由图 9 可见, 用改善后 GRAPES 分析场在 GRAPES 全球模式做预报, 预报结果有所提高, 即加入 COSMIC 资料后对 GRAPES 全球模式预报的能力有所提高图 9a( 北半球 500 hpa), 从预报效果来看, 加入稀疏化 COSMIC 资料的效果比较好, 其中第二种稀疏化方案得到的效果最好, 也最稳定, 如果以距平相关系数达到 0.6 及其以上为可信预报, 则加入 COSMIC 资料后所得预报实效比原先没加 COSMIC 资料时所得到的预报实效多 12 小时左右, 图 9b( 南半球 500 hpa), 由于南半球本来探空资料就比较稀少, 因此加入不稀疏化的 COSMIC 资料得到

疏化的 COSMIC 资料所得的结果最好, 第二种稀疏化方案得到的结果次之, 原因还有待分析 3.

10 530 热带气象学报 25 卷效果最好, 其预报实效从原来几乎没有到了有 4 天的预报实效图 9 连续循环同化得到的 2006 年 8 月 21 日 12 时分析场通过 GRAPES 全球模式做的 5 d 预报所得的预报场与 NCEP 分析场的距平相关系数 a. 北半球 500 hpa; b. 南半球 500 hpa 4 小结与讨论针对 2006 年 8 月日 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关出现低谷的问题, 本文利用 COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统中做连续循环 7 天同化试验, 并将所得的分析场采用 GRAPES 全球模式进行 5 d 预报 (1) 利用 GRAPES 全球同化系统对 2006 年 8 月 17 日 12 时 24 日 12 时做连续循环同化试验, 在试验时加入 COSMIC 资料, 得到的 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关系数, 最后利用 2006 年 8 月 21 日 12 时的 GRAPES 分析场通过 GRAPES 全球模式做 5 天中期预报通过加入 COSMIC 资料连续循环同化得到的分析场, 相对原来没有加 COSMIC 资料连续同化出来的 GRAPES 分析场有明显改善, 由此 GRAPES 模式全球 5 天中期预报水平有明显提高 (2) 将 COSMIC 资料稀疏化, 用了两种稀疏化方法 : 一种为标准层次稀疏化, 另一种为有选择层次的稀疏化用稀疏化的 COSMIC 资料在 GRAPES 全球同化系统做同样连续循环同化试验, 得到 12 时 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场的距平相关系数, 最后利用稀疏化后的 2006 年 8 月 21 日 12 时的 GRAPES 分析场通过 GRAPES 全球模式做 5 天中期预报通过加入稀疏化 COSMIC 资料连续循环同化得到的分析场比没有稀疏化的 COSMIC 资料得到的分析场进行比较, 得到其中加入没有稀疏化后 COSMIC 资料对南半球 GRAPES 分析场的改善以及 GRAPES 全球模式 5 天中期预报水平的提高有显著效果 ; 加入稀疏化后的 COSMIC 资料对北半球 GRAPES 分析场的改善以及 GRAPES 全球模式 5 天中期预报水平的提高都有比较显著的效果需要指出的是, 本文仅是用 COSMIC 资料在 GRPAES 全球三维变分同化系统中做连续循环 7 天同化试验, 文中结论尚待更多个例的检验稀疏化方案有待完善, 怎样稀疏 COSMIC 资料里的层次有待进一步的研究

南半球 500 hpa 4 小结与讨论针对 2006 年 8 月 17 24 日 GRAPES 分析场与 NCEP 分析场距平相关出现低谷的问题, 本文利用 COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统中做连续循环 7 天同化试验, 并将所得的分析场采用 GRAPES 全

11 5 期唐细坝等 :COSMIC 资料在 GRAPES 全球三维变分同化系统的初步研究 531 参考文献 : [1] 胡雄, 曾帧, 熊建刚, 等. 无线电掩星技术及其应用 [J]. 电波科学学报,2002, 5(17): [2] 盛裴轩, 毛节泰, 李建国, 等. 大气物理学 [M]. 北京 : 北京大学出版社,2003: [3] ROCKEN Christian, KUO Ying-Hwa, SCHREINER William S. COSMIC system description[j]. TAO, 2000, 11(1): [4] WU C C, KUO H C, HSU H H, et al. Weather and climate research in Taiwan: Potential application of GPS/MET data, Special issue of Terrestrial [J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000, 11(1): [5] CHAO J K, LEE L C. The causes and effects of adverse space weather,special issue of TerreStrial[J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000, 11(1): [6] KUO Y H, ZOU X, HUANG W. The impact of GPS data on the prediction of an extratropical cyclone: An observing system simulation experiment [J]. J Dyn Atmos Ocean, 1997, 27: [7] LEROY S. The measurement of geopotential heights by GPS radio occultation[j]. J Geophys Res, 1997, 102: [8] LEROY S, NORTH G R. The application of COSMIC data to global changeresearch, Special issue of Terrestrial[J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000, 11(1): [9] TSAI W H, HUANG L F, CHEN M F, et al. A tomographic study ofseasonal variations of the equatorial anomaly in the Asian sector, Special issue of Terrestrial[J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000, 11(1): [10] HWANG C. Gravity recovery using COSMIC GPS data: application of orbital perturbation theory[j]. Journal of Geodesy, 2001(75): [11] HAJJ G A, LEE L C, PI X, et al. COSMIC GPS ionospheric sensing and space weather, Special issue of Terrestrial[J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000, 11(1): [12] DYMOND K F, NEE J B, THOMAS R J. The tiny ionospheric photometer:an instrument for measuring ionospheric gradients for the COSMIC constellation, Special issue of Terrestrial[J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000,11(1): [13] LIU J Y, CHU Y H, CHEN M Q, et al. Modeling and ground observations of the ionosphere related to the COSMIC project, Special issue of Terrestrial[J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000, 11(1): [14] LEITINGER R, KIRCHENGAST G. Inversion of the plasma signal in GNSS Occultations-simulation studies and sample results[j]. Acta Geod Geophy Hung, 1997, 32: [15] 胡江林, 沈学顺, 张红亮, 等. GRAPES 模式动力框架的长期积分特征 [J]. 应用气象学报. 2007,18(3): [16] 陈德辉, 杨学胜, 胡江林, 等. 多尺度通用动力模式框架的设计策略 [J]. 应用气象学报, 2003,14(4): [17] 伍湘君, 金之雁, 陈德辉, 等. 新一代数值预报模式 GRAPES 的并行计算方案设计与实现 [J]. 计算机研究与发展, 2007,44(3): [18] 伍湘君, 金之雁, 黄丽萍, 等. GRAPES 模式软件框架与实现 [J]. 应用气象学报, 2005,16(4): [19] 黄丽萍, 伍湘君, 金之雁. GRAPES 模式标准初始化方案设计与实现 [J]. 应用气象学报, 2005,16(3): [20] 万齐林, 薛纪善. 曲率修正线性平衡方程及其在变分同化风压约束中的应用 [J]. 热带气象学报, 2007,23(5): [21] 万齐林, 薛纪善, 陈子通, 等. 雷达 TREC 风的三维变分同化应用与试验 [J]. 热带气象学报, 2005,21(5): [22] 庄照荣, 薛纪善. 云迹风资料的三维变分同化及对台风预报的影响试验 [J]. 热带气象报, 2004,20(3): [23] QIAN Jianhua,SEMAZZI f H M, SCRAGGS J S. A global nonhydrostatic semi-lagrangian atmospheric model with orography[j]. Mon Wea Rev, 1998, 126: [24] ARAKAWA A, LAMB V R. Computational design of the basic dynamical process of the UCLA general circulation model[j]. Methods in Comp Phys, 1977, 17: [25] CHARNEY J G, PHILLIPS N A. Numerical integration of quasi-geostrophic equations for barotroppic and simple baroclinic flows[j]. J Meteor, 1953, 10(1): [26] 庄世宇, 薛纪善, 朱国富, 等. GRAPES 全球三维变分同化系统 - 基本设计方案与理想试验 [J]. 大气科学, 2005, 29(6): [27] 张华, 薛纪善, 庄世宇, 等. GRAPES 三维变分同化系统的理想试验 [J]. 气象学报, 2004,62(1): [28] 盛峥, 方涵先, 刘磊, 等. GPS 掩星折射率的一维变分同化 [J]. 解放军理工大学学报, 2006,7(1): PRELIMINARY STUDY OF THE USE OF COSMIC DATA IN THE GLOBAL 3-DIMENSIONAL VARIANCE ASSIMILATION SYSTEM OF GRAPES TANG Xi-ba, XUE Ji-shan (Chinese Academy of Meteorological Sciences, Beijing , China) Abstract: The profiles of atmospheric temperature and humidity as retrieved from GPS radio occultation data which are obtained with COSMIC are used to perform continuous and cyclic assimilation experiments in the global three-dimensional variance system of the GRAPES. By incorporating the COSMIC data, the aim of the study is to see whether the analysis field of GRAPES and its five-day medium-term forecast can be improved. As shown in the study, the analysis field determined with the addition of continuous and cyclic assimilations has improved much over the one without, thus increasing the skill of 5-day medium-term forecast with the GRAPES global model. Specifically, with the inclusion of COSMIC data that has not been set apart in spacing, both the austral analysis field and the 5-day medium-term forecast, working with the GRAPES, have been much improved. Similarly, the inclusion has also improved the analysis and forecast for the boreal counterpart. Key words: numerical weather forecast; data assimilation; COSMIC data; GPS radio occultation; global 3-dimensional variance assimilation system of GRAPES

Weather and climate research in Taiwan: Potential application of GPS/MET data, Special issue of Terrestrial [J]. Atmospheric and Oceanic Science, 2000, 11(1): 211-234. [5] CHAO J K, LEE L C.

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和

龚亚夫在重新思考基础教育英语教学的理念一文中援引的观点认为当跳出本族语主义的思维定式后需要重新思考许多相连带的问题比如许多发音的细微区别并不影响理解和语音语篇语感语域林大津毛浩然改革开放以来的英语热引发了大中小学英语教育整体规划问题在充分考虑地区学校和个体差异以及各家观点的基础上遵循实事求是逐级定位逐层分流因材施教的原则本研究所倡导的语音语篇语感语域