GPS水汽观测数据在高原周边地区的四维同化试验
青藏高原为全球最大与最高的高原大地形，其南侧有来自相邻的印度洋、南海等地区的异常显著的暖湿气流及水汽输送，并在高原南侧构成水汽异常辐合.研究表明1991年以及1998年长江流域异常洪涝大部分特大暴雨过程对流云系可追溯到青藏高原及其周边地区.因此高原是引起东亚中国乃至日本等国地区灾害气候异常的水汽输送关键区.但由于降水过程的复杂性以及高原及周边地区站点稀疏且观测时次少，对高原及周边地区的水汽分布及其变化了解仍不充分.随着GPS应用和测量精度的提高，且GPS可以高时间和空间分辨率遥感大气中水汽含量，近几年得到广泛应用的GPS资料为进一步了解高原及周边地区水汽分布提供了可能. 在将GPS产品应用到数值模式的研究工作中，许多工作是围绕PWV(可降水量)展开的，直接将TZD(天项延迟总量)资料同化到模式当中的工作相对较少.本研究围绕在高原东南地区云南获取的GPS站点资料，利用中尺度非静力模式MM5及其伴随系统，在将TZD资料直接同化到模式当中方面开展了数值试验. MM5的伴随系统包括了以伴随为基础的四维数据同化系统.在本试验中，目标函数定义为: J=∑ m=1，k Jm+JbJb=(X0-Xb)TB-1(X0-Xb)Jm=n∑t=0 ”H(Xt)-YGPSt”TR-1”H(Xt)-YGPSt”其中Jb是背景项，用来表示模式变量与背景场之间的”距离”.X0是初始时刻的模式变量，Xb是是背景场，上标T表示矩阵的转置，B是一个背景误差协方差矩阵.k为试验中同化GPS站点的总个数，Jm时第m个GPS变量对应的目标函数，Xt为t时刻模式格点值，H(Xt)表示t时刻模式计算出来的GPS格点值，YGPSt表示t时刻GPS观测值. 在本试验中，将高原东南地区云南3个GPS站点TZD资料(大理、昆明、景洪)直接同化到模式当中，对2005年5月24日06时-5月25日06时降水过程进行了数值模拟，模式中同化窗口为3小时. 如果只将3个站点GPS资料同化到模式当中，数值试验结果表明(图1b)与不同化GPS资料直接对初始场进行积分得到的数值模拟结果没有明显的变化(图略)，如果与实况降水分布(图1a)相比，从强度以及降水分布都不如实况降水.因此在本个例中可以初步认为，如果只是将有限的GPS站点资料同化到数值模式当中，可能对模式的数值模拟结果影响不大. 随着GPS站点的逐步增多，以后将有可能得到加密的GPS观测网.利用有限的GPS站点资料，本研究提出了”虚拟”GPS加密站点试验方案，即将有限的GPS站点资料，经过相关模型数学处理在其水汽输送关键区得到”加密”的GPS站点分布.实施将”加密”的GPS资料同化到模式的计算方案，则伴随系统目标函数改为如下形式: J=∑ m=1，k+l Jm+Jb其中，l为虚拟得到的”加密”GPS站点数. 数值试验结果表明:将”虚拟”的加密GPS站点资料同化到模式当中，降水分布与强度(图1c)与实况更为接近.因此在本个例中可以认为:将加密以后的GPS资料同化到模式当中，不但对模式的初始场有较大的影响，而且对数值模式结果也有较为明显的改善.
四维同化 数值模拟 水汽观测 水汽分布 全球定位系统
张胜军 徐祥德 邹晓蕾 彭世球
中国气象科学研究院,北京,100081 佛罗里达州立大学
国内会议
成都
中文
637-638
2006-10-01（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）