基于赤道波动建立平衡的热带变分同化框架的初步研究

Direct wind observations are very sparse in tropics. However, the mainstream variational assimilation (VAR) systems are close to be univariate in this region as lack of suitable mass-wind balance constraints, which result in the abundant satellite mass observations cannot be used to reform wind field analysis. This project is committed to develop a balanced tropical VAR system based on tropical waves and weak constraint technology. Firstly, the temporal and spatial variation characteristics of different equatorial wave modes in short-range forecast errors will be studied using orthogonal decomposition method. Secondly, the characteristics of mass-wind coupling in tropics and the influence of different tropical wave modes to such coupling will be investigated employing ideal covariance model, and the high impact tropical wave modes will be selected as well. Lastly, global short-range forecast fields will be introduced into a tropical VAR system as a weak constraint, with the global forecast error covariance matrix being modeled by selected high impact tropical wave modes. The added weak constraint will restrict the mass-wind coupling, and help the new tropical VAR achieve balanced analysis. This project will further deepen the understanding of tropical mass-wind balance constraints and lay a scientific foundation to develop an operational balanced tropical VAR system.

热带地区风场直接观测十分稀缺，而国内外主要变分同化框架在该地区缺少合适的风压场平衡约束，风压场分析接近独立，无法利用丰富的卫星质量场观测资料改善风场分析，制约了数值天气预报水平的提高。本项目拟基于赤道波动理论，结合弱约束方法，探索在热带变分同化框架中引入有效的风压场平衡约束。采用正交分解方案诊断数值短期预报误差中不同赤道波动模态成分的时空变化规律；基于理想误差协相关模型研究热带地区风压场配置特征，探索不同赤道波动模态对风压场平衡约束的影响机制，并从中筛选高影响的波动模态；在热带区域变分同化框架中引入全球短期预报信息，采用高影响赤道波动模态构造对应的误差协方差矩阵，形成可以制约风压场协同变化的平衡弱约束，从而初步建立平衡的热带变分同化框架。通过研究，进一步深化对热带地区风压场平衡约束的科学认识，为业务变分同化框架在该地区实现平衡的风压场分析奠定科学基础。

本研究基于赤道波动理论，结合弱约束方法，探索在热带变分同化框架中引入有效的风压场平衡约束，改进数值预报系统在热带地区的同化预报能力。研究基于GRAPES模式短期预报误差样本，利用赤道波动正规模态研究了热带地区风压场平衡特征，结果表明：（1）在可解释的误差方差中，赤道罗斯贝波（ER）占比仅为30%~60%，其它赤道波动的作用不可忽视；（2）在ER模态基础上引入其它赤道波动会大幅削弱原有风压场平衡约束，热带地区风压场耦合显著小于中高纬地区；（3）赤道重力惯性波与Kelvin波对热带风压场配置影响十分显著，其中质量场和纬向风的平衡特征由Kelvin波主导。在此基础上，研究在热带区域变分同化框架中引入基于定常运动学方程的动力平衡弱约束和全球大尺度信息约束。理想试验结果表明，引入动力平衡弱约束的同化框架可以将质量场信息合理传递给风场分析，且整体结构与基于赤道波动的理论分析结果相一致。同化实际观测资料的批量试验结果表明，引入动力平衡弱约束可以改进风场分析，但由于热带地区风压场耦合本身较弱，改进幅度较为有限；而引入全球大尺度信息约束可以显著改进区域同化预报系统在热带地区的表现。项目完成了既定目标，初步建立了平衡的热带变分同化框架。在研究过程中，发表论文两篇，录用待刊一篇，参与获得计算机软著一项。