面向数值预报的地面资料质量控制与同化技术研究

In this project, bi-weight mean and progressive EOF methods and variational quality control are proposed to address the quality control of surface observation data. The bi-weight mean method is less sensitive to outliers, while the progressive EOF method can not only systematically remove erroneous data and retain good quality data, but also verify if the Gaussian error assumption is approximately satisfied for both the data that passes QC and the background field that is used for assimilation. The assimilation scheme of surface observation data will be devised in this project based on the similarity theory and the statistic analysis results of observation data. The bi-weight mean method and terrain error of representativeness are used to solving the negative influence caused by the different elevation between observation sites and numerical model surface. The bi-weight mean method is also used to correct the different diurnal cycle between surface observation data and the background field. As the information of surface observation data used in assimilation is difficult to be absorbed by numerical model, different measures with different meteorologic element are used to strengthen the information from boundary layer to free atmosphere. The aim of this project is that the surface observation data all over the country can be reasonably used in numerical model, so that better analysis and short term forecasts of GRAPES_RAFS (Rapid Analysis and Forecast System) can be obtained when surface observation data are used.

本项目拟通过双权重、递进式EOF方法及变分质量控制方法分析和建立面向数值同化的地面观测资料质量控制技术，确保参与同化的地面资料的质量满足同化要求，从而提高地面资料同化分析质量和效果；采用边界层相似理论及观测资料统计分析相结合的方式建立地面资料同化算子，利用双权重偏差订正及地形代表误差方法解决地面资料同化中由于地面资料的日变化特征、模式地形与观测站地形高度差异引起的负面影响；结合地面资料同化的要点，通过加强地面资料在边界层内的信息往自由大气的传递解决地面资料同化信息易频散的问题。本项目主要目的是实现我国所有（国家级和省级）地面观测资料在我国短临预报系统GRAPES_RAFS（Rapid Analysis and Forecast System）系统中的合理有效应用，对GRAPES_RAFS系统的分析和短时临近预报有明显正贡献，提高我国地面资料在中尺度数值预报中的使用能力。

随着数值模式分辨率的提高，地面观测资料在数值模式中发挥着越来越重要的作用。本项目围绕提高GRAPES_RAFS系统地面资料的同化应用效果，针对地面资料的质量控制和同化技术开展了多项探索性研究工作，取得了一定的成效。（1）在海平面气压质量控制技术和探空温度资料质量控制技术研究工作基础上，通过波谱分析法对地面温度和气压资料进行了细致特征分析，在此基础上针对性的建立了地面温度和气压观测站地形与模式地形高度差异订正方案，有效解决了模式地形与观测站地形高度差异和日变化负面影响。然后，基于双权重和递进式EOF方法建立了面向数值同化的地面温度和气压观测资料质量控制技术，确保参与同化的地面资料的质量满足同化要求，提高了地面资料同化分析质量和效果；提出了计算简单的递进式OMB质量控制方法，该方法明显优于OMB方法，能更好的识别离群资料。对地面湿度与稳定度之间的关系进行了统计分析，建立了边界层内稳定度和湿度的关系。（2）通过理论推导、理想试验及3个月实际观测资料应用研究分析地面气压插值方案，结果表明在复杂地形区域两种插值方案（先垂直订正后水平插值方案和先水平插值后垂直订正方案）的气压差值相对较大，先垂直订正后水平插值方案计算得到的地面气压值更接近真实值。（3）开展多尺度同化技术研究，结果显示多尺度同化技术能增强模式对中小尺度特征捕捉，形势场和降水预报更加接近实况。（4）开展了地面高山站资料同化及地面观测站布局OSE和OSSE试验研究，结果表明地面风场资料同化有明显正贡献，高密度的地面站资料同化能提高短时强降水预报评分。（5）为了提供好的系统平台，建立了一体化的GRAPES_RAFS系统，并将多种技术成果（包括变分质量控制）集成，连续试验结果表明系统升级后降水和T2m预报效果改进明显。优化完善的GRAPES_RAFS系统实现了业务运行。（6）培养了硕士研究生6名，已毕业4名，已发表论文5篇，投稿2篇在审，3篇已成文拟投稿（两篇拟投SCI期刊）。