GRAPES-3Dvar雷达资料直接同化对江淮暴雨数值预报影响的分析研究

使用具备多普勒雷达资料直接同化功能的GRAPES-3Dvar同化系统,对2007年7月江淮流域连续性暴雨过程中4个个例进行了数值预报试验,结果表明多普勒径向速度以及基本反射率因子的直接同化可以有效改进中尺度降水数值预报的效果。对7月3日雷达资料联合同化以及单独同化对分析和预报影响的进一步分析显示,联合同化能够有效改善初始分析场中的风场和湿度信息,激发模式降水,减小SPIN-UP现象,中尺度系统降水的发生发展以及强度、走势和落区的预报得到较为准确的表征,显著改善了中尺度强降水数值预报效果。径向速度的直接同化主要贡献表现在风场上,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,改善三维风场分析。反射率直接同化的主要影响体现在湿度场上,改进了初始场中的湿度参数,对降水预报影响明显。

反演同化和直接同化多普勒雷达径向风的对比试验

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程，以NCEP／NCAR1°×1°再分析资料为背景场，采用WRF（weather research and forecasting）模式及其三维变分同化系统，对雷达径向风和E-VAP（extended velocity azimuth processing）反演的水平风场进行了直接同化和反演同化试验，结果表明：直接同化雷达径向风资料后，增加了初始风场的中小尺度信息，改善了垂直速度条件，且在风场作用下水汽分布得到改善；反演同化资料虽然能增加初始场的中小尺度信息，但效果不如直接同化明显；无论直接同化还是反演同化都能改善降水预报，但直接同化好于反演同化，且间隔5～6min比30min的直接同化模拟效果好。

多普勒雷达基本观测量直接同化对模式物理量场的影响

在GRAPES-3DVar雷达同化模块的基础上,建立了多普勒径向速度和基本反射率因子的直接同化观测算子,实现了雷达反射率因子和径向速度的直接同化,并对2007年7月3日的江淮梅雨进行了模拟试验。结果表明,多普勒径向速度的直接同化的主要影响表现在风场上,能够改善几乎整个三维风场分析,在雷达影响半径范围内,风场明显得到加强,影响当时天气的系统及其高低层配置被合理模拟,但对湿度场影响甚微。雨水混合比的直接同化的主要影响表现在湿度场上,改进了模式对湿度场的模拟,对降水的影响十分显著,有利于准确模拟降水的发展和维持,减小了Spin-up现象;其亦可使整个风场微弱增强,但影响甚微。

多普勒雷达资料的直接同化对降雨预报的影响

利用中尺度数值模式WRFV3.1及其三维变分同化系统WRFVAR3.1,对2008年8月10日奥运期间北京地区发生的一次强对流天气过程进行了多普勒雷达资料变分同化试验,并对同化结果和降水预报进行了对比分析。结果表明:(1)雷达资料的同化能有效改善初始场中风场、水汽、温度场的空间分布、量值大小,使其包含更多中尺度信息;(2)雷达反射率同化对大气的湿度场和温度场影响较大,而雷达径向速度同化则主要调整大气的风场;(3)对短时0～6h内的降水预报,反射率的同化对降水预报改善明显,径向速度的同化对降水预报影响相对较小,而两者的联合同化降水预报效果最好;(4)雷达资料的同化对较长时间6～12h的降水预报仍有较好效果。

直接同化卫星辐射率资料在暴雨预报中的应用研究

为了考察T213-SSI同化全球ATOVS卫星辐射率微波资料在极端暴雨事件预报中的应用效果和能力,评估和分析卫星资料的应用对极端暴雨事件预报效果的影响,利用T213-SSI准业务同化系统,对2007年7月16—19日的川渝地区暴雨过程进行了模拟分析。此次暴雨过程致灾严重,同时是一次预报难度很大的、西风带系统调整下的转折性天气过程,非常值得研究。共开展了3组模拟试验:第一组试验只同化常规资料;第二组试验连续同化10天常规资料和卫星微波资料,第三组试验只同化一个时次、分别使用常规资料和不同波段微波资料(AMSUA和AMSUB)。结果表明:(1)仅同化一次卫星资料的暴雨预报不及连续同化10天卫星资料的效果好,说明卫星资料的使用需要有较长时间的累积才能产生较好效果;(2)卫星资料的长期使用可以改进大尺度环境场,使得暴雨天气过程的直接影响系统更接近实际;(3)AMSUA资料对温度场的调整有较大贡献,AMSUB资料对湿度场也有较为明显的影响。

土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。

FY-3A微波资料偏差订正及台风路径预报应用

我国极轨气象卫星FY-3A大大增强了对地球系统的综合探测能力,而偏差订正对卫星资料的应用非常必要。试验中FY-3A卫星微波资料的偏差订正方案是在Harris等的TOVS辐射资料偏差订正经验方法的基础上结合WRF-3DVAR系统发展的,偏差订正后微波资料各通道拟合结果基本位于主对角线上,大多数卫星观测数据与观测算子利用背景场计算的亮温值分布趋于合理,偏差得到很大程度的降低。偏差订正后,利用数值模式直接同化FY-3A气象卫星微波资料,通过对2008年和2009年的4个台风进行预报评估表明:同化FY-3A气象卫星资料后路径预报能力提高明显,尤其是36 h后路径预报结果;同化FY-3A气象卫星微波资料后台风预报路径误差平均降低20%,而只同化常规资料路径误差仅仅降低了4%。

ATOVS微波观测对2008年台风预报影响的初步评估

为了评估同化ATOVS卫星微波资料在台风数值预报中的影响,利用中尺度模式WRF和三维变分同化系统WRFDA,采用国家卫星气象中心接收处理的卫星微波温度计AMSU-A辐射率L1c数据集,针对在2008年台风季中影响我国大陆的8个台风典型,开展批量卫星资料同化和数值预报试验。对同化效果的检验和对同化前、后西太平洋副热带高压的分析表明:AMSU-A资料对台风预报有改进作用,在44%的48 h预报样本中同化后路径有改善;同化微波资料后,副热带高压的改变直接影响台风路径。

FY-2F红外亮温资料模拟与偏差分析

为了实现西太平洋及东亚区域FY-2F可见红外自旋扫描辐射计(VISSR)资料的直接同化,本文利用飓风天气预报模式(WRF For Hurricane,HWRF)和快速辐射传输模式(Community Radiative Transfer Model,CRTM)对FY-2F的亮温资料进行了模拟。在有云情况下,中高纬度锋面云系模拟的相对较好,而低纬热带云团模拟偏差较大。对于晴空条件下模拟的红外1、2、4通道(IR1、2、4)亮温,受陆地下垫面发射率不均匀的影响模拟偏差较大,且辐射传输模式平均而言低估了地表发射率。海洋下垫面的资料模拟情况要明显好于陆地。IR4通道在白天受太阳短波影响观测亮温偏高。去除受云污染的资料仅保留晴空观测资料,通过格点统计插值(Community Gridpoint Statistical Interpolation,GSI)质量控制和偏差订正,IR2通道平均偏差减小约50%,IR3通道平均偏差从3.7 K减小到0.34 K。而IR1通道质量较好,偏差订正前后几乎没有变化。

利用微波探测仪(ATMS)对在轨微波辐射计观测精度的模拟分析

微波辐射计的观测精度及其对数值模式同化应用的影响评估是微波辐射计观测指标设计的重要参考。基于微波探测仪(ATMS)资料,利用三维变分同化系统模拟分析在轨微波辐射计的观测精度指标。针对ATMS观测误差特征,在其观测基础上增加均值为零、标准偏差分别为0.5,1.0,1.5,2.0K的正态随机扰动,进而获得不同精度的观测模拟值序列,然后利用Harris和Kelley的辐射资料偏差订正经验方法订正不同精度的观测资料。偏差订正后,利用三维变分同化模式(WRFDA)直接同化ATMS资料。通过2016年6月6h预报场的同化试验,评估了不同观测精度的模拟资料对数值模式的同化影响。