包含开关变量的MM5四维变分资料同化系统-气象科学.PDFVIP

维普资讯 第 23卷 第 4期 气 象 科 学 Vo1．23．NO．4 2003年 12月 SCIENTIA METEOROLOGICA SINICA Dec．，2003 包含 “开关’’变量的 MM5四维变分 资料 同化系统 王栋梁 沈桐立 (南京气象学 院大气科学系 ，南京 210044) 摘 要 数值模式 中的湿物理过程对于模拟各种尺度 的天气现象非常重要 ， 但它会使得模式方程 的状态变量不连续 ，这种不连续在模式程序 中表现 为 “开关 ” 变量 。本文对包括 Kuo降水参数化方案 的非静力 中尺度数值模式 MM5的四维变 分资料同化系统进行研究 ，利用对实际降水 的模拟 ，比较详细地讨论 了有关 的 “开 关 ”变量 以及切向线性化和伴随问题 。结果表 明 ：对于一个 离散 的数值模式 ，保持 “开关 ”变量与基态一致 ，用伴随码方法构造 的伴随模式计算 的梯度值能够为最小 化过程提供较好 的下降方 向；Kuo方案 中对流每隔一个积分步 的交替发生并不影 响 目标函数最小化 的收敛速度 ；“开关 ”变量 的存在也不影响将 风、温度 、气压和 比 湿结合起来 同化对 MM5降水预报准确性 的提高 。 关键词 非静力 中尺度数值模式 MM5 四维变分资料 同化系统 “开关 ”变量 分类号 P435 文献标识码 A 引 言 四维变分资料 同化技术与数值天气预报 中的其它同化方案相 比，如多项式最优插值法 、张 弛逼近法和三维变分资料 同化方法 ，它能够使预报模式 的解与一系列分布于时 问和空间间隔 上的各类观测场形成更好 的协调性 。 自从 l992年 NMC__1]、ECMWFl2就开始对 四维变分资 料 同化系统进行试验 以运用到实际业务 中，目前 ECMWF已经将 四维 同化业务化 ，这对其预 报水平居于世界领先地位起 了举足轻重 的作用 。而我 国在这方面 的研 究还远远不及世 界水 平 。 伴随方法是 目前用于建立 四维变分资料 同化系统 的主要方法 ，最初是从可微 的方程组推 导 出来 的L3]，已成功地应用于各种数值模式 ，但直到 l993年 ，湿物理过程才被加到原始方程模 式 的四维变分资料同化系统 中，进行初步的资料 同化试验 5【。 湿物理过程在模拟各种大尺度和 中尺度现象时起着非常重要 的作用 。如果用一个绝热的 或简化物理过程的数值模式来做实际资料 的同化 ，由于预报模式本身的缺 陷会使得模式解与 收稿 日期 ：2002—01-20；修改稿 日期 ：2002—12—23 基金项 目：本文得到国家 自然科学基金项 国家重点基础研究项 目G1998040910资助 第一作者简介 ：王栋梁 (1977一)，女(汉)，安徽合肥 ，助研 ，硕士 ，现在上海 台风研 究所工作 ，主要研 究数值天气预报 维普资讯 4期 王栋梁等 ：包含 “开关 ”变量 的MM5四维变分资料 同化系统 427 实际观测的差距很大，同时许多非常规资料都不能直接 同化到模式中。因此发展和试验包括 各种物理参数化方案 的四维变分 资料 同化系统成为当前一个重要课题 。 关于切 向线性模式和伴随模式 中的 “开关 ”问题 ，近几年来一些学者作 了研究 。Vukicevic ErricoE用积分非线性模式得到 的所谓 “真实”扰动解 ，对它 的切 向线性模式进 行研 究 ，认为在 非绝热过程对初始条件 的扰动相对重要 的区域 ，可 能存在较大误差 。Zoueta1．[4-、Zupans— kiE 、Verlinde和 CottonE 以及 Bao[用不 同的数值模式 (从简单 的一维积