降雨区域资料同化中背景场误差协方差变量平衡约束研究

A reasonable estimate of the Background Error(BE) covariance is the key to effective data assimilation (DA). Representing the BE covariance at different scales,especially at mesoscale scale,is a prime subject in data assimilation community. Considering the important role of the variables balance constraints in the formulation of BE covariance,this project will carry out the construction and diagnosis researches of the variables balance constraints in BE covariance over the middle-lower reaches of Yangtze River precipitation area:study different effects between rotary wind and divergent wind in the balance constraint of wind fields and mass fields; analyze the influence of the balance constraint between humidity and other variables in the DA system;and study the relationship between the structure of BE covariance and the dynamic characteristics of rainfall weather systems and the corresponding physical mechanism.The response of DA system to various balance constraints and the impact of balance constraints on DA in precipitation regions will be studied by conducting single observation tests,real observation variational and Hybrid DA experiments.The research aims at constructing more reasonable variables balance constraints for BE covariance over precipitation area, improving the performance of DA system，increasing forecast skill of numerical quantitative precipitation,and providing a more reasonable analysis dataset for mechanism study of precipitation over the midle-lower reaches of Yangtze River.

合理估计背景场误差协方差是做好资料同化的关键，对不同尺度尤其是中尺度天气的背景场误差协方差进行描述是同化研究的一项重要研究课题。本项目针对变量平衡约束在背景场误差协方差估计中的重要作用，拟开展长江中下游降雨区域背景场误差协方差变量平衡约束特征及其与降雨天气系统之间关系的研究：探讨散度风、旋转风在风场与质量场的平衡约束中的不同作用；分析湿度与其它控制变量的平衡约束对同化系统的影响；研究背景误差协方差结构及变量平衡约束与降雨天气系统动力特征之间的关系，以及可能存在的物理机理。将进行各变量单点观测理想试验、实际观测资料的变分同化试验及混合同化试验，分析同化系统对不同平衡约束的响应及各平衡约束对降雨区域同化效果的影响。旨在通过此研究，改进同化系统在长江中下游流域降雨地区的性能，提高该区域定量降水数值预报水平，为相关降水系统的相关机理研究提供具有更合理动力平衡约束的分析资料。

构建合理的背景场误差协方差是做好资料同化的关键，而动力过程是多尺度的，背景场误差协方差是与尺度相关的，对不同尺度尤其中小尺度天气过程的背景场误差协方差进行描述，是同化领域研究的重要课题。本项目从体现同化系统动力学特征的背景场误差协方差中的变量平衡约束出发，深入开展了同化系统中背景场误差协方差的构建和相关特征研究，尤其是降雨区域背景场误差协方差变量平衡约束特征及其与降雨天气系统之间关系的研究。. 项目研究中，通过加入温度与非平衡速度势的相关、地面气压跟非平衡速度势的相关，重新定义了温度、表面气压控制变量，通过加入相对湿度与其他四个分析控制变量的相关，重新定义了系统的水汽控制变量，从而构建了多元变量相关的背景场误差协方差模型。在新计算模型中，加入温度与非平衡速度势、地面气压跟非平衡速度势的相关后，温度场和地面气压场的观测资料将对风场的辐合辐散有贡献；同时，加入相对湿度与其他四个分析控制变量的相关后，也使相对湿度与其他四个分析控制变量相互影响。. 基于新构建的多元变量相关的背景场误差协方差，项目重点对降雨区域多元变量相关的背景场误差协方差特征及其对同化效果的影响进行了较为系统和详细的讨论：探讨了散度风、旋转风在风场与质量场的平衡约束中的不同作用，分析了湿度与其它控制变量的平衡约束对降雨区域同化的影响。研究发现，对于降雨区域在背景场误差协方差中建立非平衡速度势与温度场的相关，建立其他变量与水汽场的相关均是十分必要的；在各个变量中温度场对水汽场的贡献占据了主导作用；建立了平衡速度势与温度场的相关后，改善了风场和温度场的同化和预报效果，对水汽场效果不明显；加入湿度与其他所有控制变量相关后，由于使得其他变量观测可以影响到水汽场，从而使得水汽场的分析效果更为合理，进而改进了降雨预报效果。新计算模型明显改进了低纬热带区域和降雨分析场的动力特征和同化预报效果；利用该多元变量背景场误差协方差模型，还研究了纬度依赖的背景场误差协方差计算方案及其对台风的同化和预报的影响，对比分析了高原区域背景场误差协方差特征与华东区域的区别。. 本项目通过一系列针对背景场误差协方差的研究，尤其是降雨背景场误差协方差中变量平衡约束特征的研究，加深了对同化系统中背景场误差协方差的理解，为降雨区域构建了更为合理的背景场误差协方差计算模型，提高了同化系统的性能。