变分多普勒雷达分析系统对北京一次强降水过程的短时预报能力初探

利用四维变分多普勒雷达资料分析系统对2008年7月30日北京一次强降水过程反演得到的风场和微物理场进行分析,针对本过程中东段回波减弱消散、强降水区的确定、降水回波的转向几个短时临近预报关键点进行讨论,得出如下初步结论:1)在东段降水回波减弱消散前的12～24min,其对应的4.7km高度扰动温度场正值区出现"U"形中空结构,甚至在中空结构中有负值区出现,同时1.7km高度垂直速度场有上升气流与下沉气流分离的现象;2)如果4.7km高度扰动温度场的相对大值区在某地区持续时间较长(2h左右)或者某区域扰动温度迅速增加且出现大值中心(大于2℃)并维持,那么该区域未来1～2h内出现较强降水的可能性较大;3)降水回波的转向是受到1.7km高度在密云、平谷境内出现的反气旋型环流西部气流的引导,而该环流的出现则是北京西部持续强降水区的辐合上升气流在中高层水平输送到北京东部的密云、平谷境内并在该处形成下沉辐散的反气旋型环流反作用于降水回波所致,环流的形成早于回波转向约1h。

利用雷达资料反演方法对北京地区一次强对流天气过程的分析

利用多普勒雷达变分分析系统(VDRAS),对2006年8月1日傍晚北京城区出现的一次强对流天气过程(伴有冰雹、大风及强降水)的三维风场、温度场进行了初步分析。结果表明:(1)初始对流生成于北京西北部山区的河北省境内,系统过山移进北京城区时,受局地的动力及热力条件作用,迅速组织并强烈发展,形成带状的MCS即飑线;(2)在飑线生成之前,北京城区及东南部边界层低层存在较强的东风气流,并迅速扩展向西北方向延伸,与过山的西北偏北气流形成强的边界层辐合线。该近地面辐合线是飑线生成的主要触发机制,而边界层低层东风的加强和减弱以及北进和南退对辐合线的维持、飑线的生成、发展和减弱都起着重要的作用;(3)在边界层辐合线的作用下,不断有新生对流系统发展;(4)对流系统在整个发展过程中呈明显的带状分布特征,是一次典型的飑线过程,并伴有明显的阵风锋。

雷达资料快速更新四维变分同化中增加地面资料同化对强对流临近数值预报的影响

基于雷达资料快速更新四维变分同化(RR4DVar)技术和三维数值云模式发展的快速更新雷达四维变分分析系统(VDRAS),通过在系统中加入地面自动气象站观测资料的同化方法,对发生在北京地区的10个强对流过程开展了地面资料同化的高分辨率模拟分析和检验评估,并与已经业务使用的地面资料融合方法进行对比。研究结果发现,地面观测资料同化使边界层1 km高度以下的分析场改善最为明显,风速和风向的均方根误差分别平均降低0.1 m/s和7.2°,温度的均方根误差降低0.2℃。模式最低层100 m高度的风速均方根误差降低0.5 m/s,风速的误差随高度上升逐渐增大。模式最低层风向的均方根误差降低15.5°,温度的均方根误差降低0.4℃,且1.5 km高度以下的温度偏差都减小。区域内地面10 m高风速的均方根误差平均降低0.2 m/s,风向的均方根误差降低10.8°,地面2 m气温的偏差也降低。随着预报时效的延长,地面温度和风场的误差不断增大,但地面资料同化方法在一定程度上可以提高1 h内地面气象要素的预报效果。对2019年5月17日北京地区局地强对流新生和增强过程的详细分析表明,地面自动气象站观测资料的同化方法相对于融合,可以通过更细致准确地分析低层大气的热动力特征,改善低层气象要素的预报效果。在此基础上,通过探究对流单体的局地触发机理发现,海风锋辐合线与城市的相互作用一定程度上影响了对流的局地新生和发展,该同化方法可以进一步提高北京地区局地突发强对流的临近数值预报能力。

雷达热动力反演资料的高分辨率同化模拟试验

目前,北京地区的天气预报系统对局地对流性定量降水预报能力较弱,远不能满足人们生产、生活和防灾、减灾工作的需要。针对北京地区对提高0—12 h短时临近天气,尤其是夏季局地对流性降水预报能力的需求,基于中国气象局北京城市气象研究所变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)的雷达热动力反演资料,建立了WRF模式初始化模块,采用四维资料同化(FDDA)方法,将VDRAS系统高时空分辨率三维热动力结构分析场资料同化到WRF模式中,实现了北京地区VDRAS分析场资料在WRF中尺度模式系统中的应用。通过降水个例的高分辨率同化模拟试验分析了雷达热动力反演资料同化对模式预报结果的影响。研究结果表明:雷达热动力反演资料的同化能够提高模式系统对近地面温、湿、风大气要素和降水过程的模拟能力,改善2 m比湿、降水落区、降水量级、降水时间的预报效果,减少降水漏报的现象。温度和比湿的同化比风的同化对模拟降水结果的改善更重要。虽然研究表明雷达热动力反演资料在WRF模式中的同化能够明显改善模式对选取降水个例的模拟效果,但其对模式尤其是数值业务模式系统预报效果的影响需要进一步更全面、更系统的检验,为业务化应用奠定更坚实的基础。

高时空分辨率三维风场在强对流天气临近预报中的融合应用研究

以业务应用为目标,开展高时、空分辨率三维风场在强对流天气临近预报中的融合应用研究。运用北京快速更新多尺度分析和预报系统集成子系统(RMAPS-IN,Rapid-refresh Multi-scale Analysis and Prediction System-Integration),对雷达四维变分分析系统(VDRAS)30 min临近预报的高时、空分辨率三维风场作为数据源与自动气象站风场观测进行快速融合处理。结果表明,以VDRAS临近预报风场取代数值模式预报场作为融合初猜场后形成的分析结果对于风场有明显的改善:(1)长时间序列客观检验结果表明,地面10 m高风场U/V分量绝对误差分别为0.05和0.06 m/s。实时融合对未来预报的影响随着预报时效的延长,U/V分量的绝对误差不断增大。(2)对于11个强对流个例,地面10 m高风场风速均方根误差降低0.3 m/s,风向均方根误差降低13°;边界层三维风场,风速均方根误差降低0.8 m/s,风向均方根误差降低10°。平原站点融合以后风速、风向预报效果有较大改善,山区站点融合以后改善相对较小。(3)通过对2017年7月20日暴雨和7月7日雷暴大风个例的详细分析,发现融合基于雷达资料四维变分同化获得的高分辨率临近预报风场对各对流系统中的中尺度结构特征给出了更加细致准确的描述。