进展:增量分析更新(IAU)对台风预报的影响
业务上通常用资料同化将一定时间内的观测与模式背景场结合产生分析场,再将分析场作为初始场进行预报。这种非连续的资料同化会导致分析场和模式积分之间的动力不协调,产生动力不平衡而影响预报精度。增量分析更新(IAU)通常使用的减小非连续同化造成的动力不平衡的方法,其将同化增量逐渐地加入模式积分,可看作为时间滤波。IAU已被应用于主流全球业务同化系统中(如ECMWF和NCEP),但其在区域模式中的却非常有限。该研究系统性地评估了分析增量不随时间演变的3DIAU,以及分析增量频率分别为3小时和1小时的4DIAU3H和4DIAU在区域模式WRF中的表现,特别是不同IAU设置对台风海贝思(2019)和玲玲(2019)的影响。
全场平均气压倾向可以用来衡量模式不平衡的程度,试验结果表明IAU系列试验可显著减小模式不平衡。基于常规观测资料和NCEP FNL分析场的对比,IAU系列试验具有比控制实验获得更小的温度、比湿和风速误差(图1)。总体来说,3DIAU比4DIAU3H和4DIAU的误差更小,因此滤波作用更强的3DIAU在区域模拟中的表现更好。与控制试验相比,IAU系列试验预报的6小时台风强度和丰满度的误差更小(图2),更接近真实的台风强度和结构。 此外,IAU对台风强度预报的改进可以持续到24小时预报时效。该改进来自于IAU对台风快速减弱的有效抑制,因为控制实验受不平衡分析增量影响,其预报的台风强度先快速减弱、再缓慢增强,而IAU可得到更加连续、真实的台风发展。由台风强度和风场随时间的演变可得,IAU有效减小了不平衡分析增量导致的台风快速调整,同时纠正了台风中心位置,更有效地吸收观测信息(图3)。
此外,3DIAU的同化增量在同化窗内保持不变,在台风移动过程中,同化增量的台风中心和实时模拟的台风中心产生了错位;而4DIAU3H和4DIAU考虑了同化增量在同化窗内的时间演变,其使用的同化增量随实时模拟的台风变化,可保留更多的小尺度信息。但由于模拟和观测的台风中心位置有一定偏差,同化增量不能直接与实时模拟的台风中心相对应,因此4DIAU的优势受到了限制。考虑到滤波效果和同化增量随时间演变的权衡,具有3小时增量的4DIAU3H对台风而言是更好的选择。
图1. 三组IAU实验和控制实验与常规观测进行验证的(a)温度,(b)风速和(c)比湿6小时先验误差廓线,并对"海贝思"和"玲玲"两个台风在区域和时间上进行了平均。圆点表示IAU实验在95%的置信度下与CTRL实验有显著差别,短线表示整层平均误差。
图2. 台风"海贝思"(2019)和台风"玲玲"(2019)6小时循环预报的最低海平面气压(hPa)和观测
图3. 以2019年10月7日1800 UTC为中心的6小时同化窗口内(a) 自由预报,(b) CTRL,(c) 3DIAU,(d) 4DIAU3H和(e) 4DIAU实验的模式底层风速(m/s;填色)和海平面气压(hPa;等值线)的逐小时演变。绿点代表由TCVital插值得到的每3小时台风中心位置。
上述工作以"The Impact of Incremental Analysis Update on Regional Simulations for Typhoons"为题发表在《Journal of Advances in Modeling Earth Systems》,研究工作受到国家重点研发计划2017YFC1501603、国家自然科学基金41922036和42192553、关键地球物质循环前沿科学中心基金JBGS2102和中央高校基本科研基金0209-14380097的资助。论文第一作者为南京大学大气科学学院博士生葛杨金晞,通讯作者为南京大学雷荔傈教授,合作作者包括NOAA/PSL Jeffrey S. Whitaker和南京大学谈哲敏院士。
【论文信息】
Ge, Y., L. Lei*, J. S. Whitaker, and Z.-M. Tan, 2022: The impact of incremental analysis update on regional simulations for typhoons. J. Adv. Model. Earth Syst., 14, e2022MS003084, doi: https://doi. org/10.1029/2022MS003084.