虚假的数据同化

更好地定义在飓风漩涡结构初始条件,一个虚假的数据同化(BDA) WRF-Var开发的方案。BDA算法包括:a)虚假的涡结构和错误规范,和b)与WRF-Var虚假数据的同化系统。在我们的研究(肖et al ., 2006;2009 b;Zhang et al ., 2007),虚假的旋涡构造根据上野的方法(1989;1995)。有两个组件(对称和非对称)的虚假的观察。不对称组件来自3 d-var背景(以前的预测)。

虚假的涡字段包括各级SLP和风概要文件。SLP在虚假的区域内的分布是由下列方程计算的基础上,藤田(1952)公式,

L (J_ (1 r 2 ^ 1 +) 2

在哪里

的方程(14)- (16),r是飓风中心的距离(公里),罗依的半径最大风能,PC是报道中央SLP, PB RB内平均得到。RB是一个预定义的虚假的区域的半径。

虚假的对称的风是基于梯度风的关系,f

经验,我们包括边界层附近的表面摩擦的影响通过指定较小的权重。有7个水平(海平面,1000,925,850,700,600,500 hPa)虚假的风速剖面。对称的风速为每一层的权重是0.7,0.8,0.9,1.0,1.0,1.0,1.0,分别。高空的散度是很难确定的。因此,伪对称风分配0上400 hPa以上水平。不对称组件从WRF-Var背景中提取字段。当背景字段来自WRF预测,飓风在后台字段的位置可以不同于观察。不对称的组件之间的区别是背景和背景台风对称的组件。这种不对称组件迁移到正确的位置和添加到对称的虚假的字段。

指定的虚假的观测误差是经验。我们假定错误是线性增加对台风中心的距离。经验,和风力的指定错误虚假的SLP配置文件指定如下:

ESLp (r) = 1 + RT-r (18)

电动汽车(r, z) = Ev0 (z) + - r (19)

rb r是飓风中心的距离,z是高度,rb是虚假的半径计算区域。虚假的错误得到的范围从1 hPa在中心4 hPa在最远的虚假边缘区域,而常数表面观测误差SYNOP (hPa)。Evo (z)代表错误虚假的风的中心。其值的范围从1 m / s海平面在250 hPa 3.3 m / s,一样的其他风错误(例如临时,SATOB,飞行员,等等)。海平面的指定错误虚假的风从1 m / s中心周围5米/秒的外部边缘虚假的区域。观测误差规范是至关重要的在定义如何使用观测数据同化系统(霍林& Lonnberg, 1986)。它决定导致了多少的观察分析。然而,真正的涡流伪观测值误差难以建立。飓风中心附近的小错误指定意味着更多的贡献从中心附近的虚假的数据分析。在虚假的外部边缘区域,虚假数据最小的贡献。 This also ensures a smooth transition of the analysis between the bogus area and the surrounding environment. In the BDA, the hurricane bogus fields are treated as supplemental observations and are assimilated during the WRF-Var analysis. The cost function in Eq. (1) includes the contributions of the bogus data in the observation term. The observational operators for the SLP and wind profiles in the WRF-Var system are just an interpolation scheme because SLP and winds are direct variable of the model.

BDA的验证功能,我们选择了21例7在2004年和2005年的飓风季节进行平行实验。伊万飓风查理,弗朗西斯,珍妮在2004年,2005年卡特里娜和丽塔,威尔玛。我们选择为每个飓风登陆前三种情况。这些病例是非常有名的由于其显著的影响到佛罗里达在2004年和2005年在墨西哥海湾的毁灭性的影响。两组平行实验。第一组实验(CT)所有病例使用GFS(全球预测系统)分析背景和吸收传统GTS。第二组实验(GB) CT是一样的但是包括汇业银行。WRF三d-var实验使用相同的背景误差协方差计算从一个月2004年9月统计使用NMC方法(教区&人,1992)。

图5显示了预测的平均绝对误差(位置、CSLP和垃圾)在24日对最好的跟踪观测48和72小时。BDA的错误实验(GB)小于,从控制实验(CT)的所有验证参数(位置、CSLP和垃圾)。虚假的数据能够解决数据稀疏问题,汇业银行提高飓风漩涡地区预测技巧。我们计算错误减少百分率汇业银行的统计数据在图5中。最大的减少CSLP预测的平均误差,减少BDA的平均误差为26.4%。飓风的改善垃圾也是显著的;平均误差降低了24.0%。轨道之间的最小但明显改善三个验证参数。

图5所示。在飓风路径的平均绝对误差(上),垃圾(中间)和CSLP(底部)从统计预测在2004年和2005年21例。

由于模型的向上的问题,两组实验(CT和GB)小CSLP和垃圾错误比24小时48和72小时。然而,向上的问题GB CT相比要少得多。汇业银行减轻向上问题,并产生更大的飓风强度的改善在24小时48和74小时。BDA的飓风强度的预测变得不那么随着预测时间的增加(图5),初始强度使用BDA GB实验更接近于比CT观察到。与模型运行时,强度之间的差异GB和CT降低,反映了模型预测较长时间是对初始条件敏感比在较短的时间。提高飓风CSLP和分选GB CT相比在24小时比这更惊人的48和72小时。然而在跟踪预测,实验GB最显著的改善在72小时实验CT。

据统计,使用BDA飓风强度的提高是更重要的比飓风追踪。进一步证实,大规模环境影响飓风追踪,但强度主要受飓风影响的内部,动力和thermo-dynamical涡结构。汇业银行技术,主要提高了飓风漩涡结构根据飓风的概念模型,导致飓风强度的显著改善预测。支持断言,我们将在0000年卡特里娜飓风UTC时间2005年8月26日为例,比较了涡结构在CT和GB(图6)。CSLP和垃圾错误都减少了卡特里娜BDA为初始化0000 UTC时间2005年8月26日。如图6所示,飓风的CT和GB都非常接近观察。然而,GB产生涡流比CT CSLP较低和更大的垃圾。汇业银行提高了气旋环流,使涡更加紧凑。圆形的面积等压线1010 hpa GB的价格相比降低CT。注意,GFS分析有其虚假/搬迁过程,但这显然是不够的,一个好的飓风强度预测在WRF ARW模型。我们验证初始化与汇业银行可以提高飓风强度的预测相比,从一个简单的GFS预报分析。

图6所示。卡特里娜飓风在0000 UTC时间2005年8月26日。实线是SLP间隔为2.5 hPa倒刺显示十米级风场(完整barb代表5 m / s)为(a) CT和(b) GB实验。

GFDL虚假计划(栗原市等!飓风,1993)已经应用于初始化了十多年。进一步评估的性能在WRF三d-var BDA方案,两个平行实验飓风温贝托1200 UTC 12 2007年9月进行了比较。第一个实验(CT)使用WRF预处理系统(WPS)插入GFDL分析初始条件;和第二个实验(GB)利用WRF三d-var程序初始化飓风漩涡。实验GB WRF 3中使用GFS分析作为第一个猜d-var并吸收其中的虚假的漩涡+常规数据。预测的实验(CT和GB) 3日执行域嵌套域移动2和3。三个领域的雪层下面一定是12日,4和1.333公里,分别。

噢90 w播种

图7所示。72 - h跟踪预测飓风温贝托从1200年开始UTC 12到1200 UTC 2007年9月15日。虚线与“o”是最好的跟踪;“*”的实线是预期从CT实验;和“A”的灰色线是GB的预测实验。日期/时间框所示。

图7显示了预测跟踪从实验中CT和GB 1200 UTC的最佳跟踪12 - 1200 UTC时间2007年9月15日。实验CT,涡在初始时间没有很好的组织,不能预测风暴的内陆运动。它徘徊在德克萨斯州和路易斯安那州沿海地区的两天,然后转回到墨西哥湾。相比之下,最好的跟踪观察,CT无法预测风暴的轨道。相反,实验GB成功预测风暴的登陆和内陆运动。其预测跟踪之前最好的跟踪观察。注意,在图7中最好的跟踪的国家飓风中心延伸到2100 UTC 9月14日,而预测延伸到1200 UTC 9月15日。

的强度预测,CT还无法预测风暴的强化在登陆之前。因为它不能预测风暴的强化在登陆之前,无法预测风暴的内陆运动,其整体强度预测是不成功的,因此省略了的比较。在图8中,我们因此只在GB风暴的强度分析和比较它与观察。CSLP的趋势(图8),垃圾(图8 b)从1200 UTC 12到1200 UTC时间9月15日显示良好的预测和观察之间的协议。GB成功预测温贝托的强化热带风暴(1200年9月12日UTC)一级飓风(0600 UTC 9月13日)前在德克萨斯州海岸登陆。观察表明温贝托的最大强度为0915 UTC 9月13日CSLP 986 hPa和垃圾85 kt (44 m / s)。GB预测的最大强度为0945 UTC 9月13日CSLP 989 hPa和垃圾82 kt (43 m / s)。然而,过度预测Humberto内陆的力量。在UTC时间0000年9月14日,例如,GB预测CSLP 997 hPa的垃圾37 kt(19米/秒),而观察是1006 hPa 25 kt(13米/秒)。

图8所示。72 - h强度预测飓风温贝托从1200年开始UTC 12到1200 UTC时间2007年9月15日:(a)中央海平面气压(CSLP),和(b)最大表面风(垃圾)。实线是GB的预测实验,虚线是最好的跟踪观察。

24 h 36 h 48

预计时间(小时)

图8所示。72 - h强度预测飓风温贝托从1200年开始UTC 12到1200 UTC时间2007年9月15日:(a)中央海平面气压(CSLP),和(b)最大表面风(垃圾)。实线是GB的预测实验,虚线是最好的跟踪观察。

5。摘要和结论

初始化使用飓风漩涡中的数据区域的强度预测是很重要的。多普勒雷达数据和合成虚假数据同化(BDA)已经实现在WRF变分资料同化(WRF-Var)系统,和积极的影响的分析和预测飓风结构和强度已经获得(肖et al ., 2009;b)。机载多普勒雷达的能力(ADR)数据同化改进飓风初始化检查使用WRF 3 d-var Jeanne飓风(2004),卡特里娜(2005),和丽塔(2005)。汇业银行技术测试使用21例7在2004年和2005年的飓风季节。我们还进行了一个案例研究飓风温贝托(2007),和比较结果与汇业银行GFDL WRF运行分析。以下是我们发现的实验:

•同化的多普勒径向风的数据明显改善表示飓风漩涡结构在初始时间和预计大约36 h。ADR风同化使重要贡献提高飓风强度和结构的预测。飓风追踪预测也得益于ADR风数据的同化。

•ADR在WRF三d-var反射率数据同化系统检索部分的三维雨水和云水在初始化字段飓风漩涡。其他变量的多元反应也合理。ADR的数据产生一个现实的眼墙和强烈的对流有关。雨乐队也有利重组而显得更为现实。

•WRF飓风预测使用汇业银行技术给出了一个改进预测能力飓风追踪和强度相对于初始化从GFS分析。利用WRF三d-var系统,虚假的二和风速剖面数据,可以有效地吸收恢复最初的飓风结构下3 d-var统计和身体平衡。飓风的预测跟踪和强度因此得到改善。

•飓风预测技能的增强使用BDA技术反映在所有预测时间。与汇业银行,最大的改进是在飓风中心的压力。飓风风最大表面的改善也具有统计学意义。轨道之间的最小的改进三个验证参数。

•BDA WRF 3 d-var表现良好的案例研究飓风温贝托(2007),而WRF GFDL的初始条件插值分析在飓风登陆失败。更多的情况下研究和实时预测是必要的进一步验证其性能。然而,BDA WRF 3 d-var飓风初始化有可能改善WRF飓风预测。

最挑战的飓风预报员和研究员是定义旋涡结构的不足在海洋观测。多普勒雷达数据(从沿海雷达或机载多普勒雷达)是飓风结构有价值的数据来源。当没有数据涡地区合成伪造的数据将有助于定义涡结构。汇业银行已承诺在WRF飓风预测。通常情况下,卫星数据不太有用的漩涡内由于云和降水污染,有限的空间分辨率,或时机不佳的观察(例如,从极地轨道平台)。吸收多普勒雷达数据有时合成假的涡流数据是可行的和应该考虑的预测飓风登陆我国,以减少生命和财产的损失在沿海地区。在WRF 3 d-var飓风漩涡初始化,也存在一定的局限性。首先,一个特定的背景误差协方差用于飓风的飓风应该开发和初始化。背景误差统计用于我们的研究从传统NMC方法(帕里什&人,1992)。它不是完全适合飓风漩涡中的相关性。 The correlation of wind and pressure only presents large-scale feature. Secondly, reflectivity assimilation in WRF 3D-Var uses warm-降雨过程与其他模型桥雨水变量的分析。高水平高于融化层,然而,液相水文气象导致反射率的测量。在这方面,一个复杂的微观物理学建立整个水文气象和其他动力之间的关系和thermo-dynamical变量应该在WRF开发3 d-var雷达反射率数据同化。最后,观测误差统计雷达观测和伪造的数据目前只能粗略的代表。此外,还应该指出的是,我们的大多数研究都是基于WRF三d-var没有考虑的时间差异,而是会数据在一个即时消化掉。4 d-var飓风漩涡初始化应该是一个未来的方向,以便更好地初始化所需的时间依赖性的漩涡准确捕捉快速强度发生变化。

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