2种多普勒雷达风资料同化效果的比较

基于Grapes模式及其三维变分同化系统(Grapes-3DVar),采用同化背景切向风联合雷达径向风和“视风速”联合雷达径向风的2种不同方法,对2006年登陆台风“碧利斯”进行数值试验,研究同化效果的差异。结果表明:2种同化方法都能改善模式初始场,使模式模拟的24 h降水更合理。“视风速”联合雷达径向风同化比背景切向风联合雷达径向风同化所获得的同化风场风速增量更大,而且“视风速”联合雷达径向风同化所获得的降水强度也更大。

雷达资料同化对一次EF3级龙卷数值模拟的影响

该文选取2021年5月14日苏州市一次EF3级龙卷过程,利用ARPS模式设计敏感性试验,检验了雷达资料同化和循环同化对龙卷风暴预报效果的影响,得出以下3个结论:1)同化雷达反射率或径向速度均对龙卷风暴的模拟有积极作用,且同时同化雷达反射率和径向速度效果最好。2)随着雷达同化次数增加,雷达同化对模拟的效果会趋于上限;同化时间间隔过短也会导致模式热动力场在积分前期不平衡,对模拟起副作用。3)循环同化次数应控制在2~3次,同化间隔在20min左右较为合适。

不同控制变量方案对广州暴雨过程雷达资料同化和预报的影响

为了探讨WRFDA同化系统中不同控制变量方案(CV5,CV6和CV7)所构建的背景误差协方差对雷达资料同化的影响,本文以2017年5月7日发生在广州的一次暖区暴雨为研究个例,开展了不同控制变量方案的单点观测同化试验和雷达同化试验(Exp-CV5,Exp-CV6和Exp-CV7),并对同化试验结果进行诊断分析。单点试验和单次雷达资料同化试验的分析结果表明,Exp-CV6对湿度场的影响最大且在大气中层的比湿均方根误差最小,而Exp-CV7分析增量的影响更集中且梯度更大,更有利于保留中小尺度信息,对风场的模拟效果最好。经过3 h雷达资料循环同化后,Exp-CV7可以更准确地模拟出对流系统的结构,并对本次暖区暴雨雨带与强降水中心位置的预报效果最佳,其次是Exp-CV6。这主要是因为CV7方案对动力场的调整更有利于局地对流的发展,而CV6方案对湿度场的调整较CV5方案更有优势。

CINRAD/CD雷达反射率因子同化对中尺度数值模式云微物理量场调整的分析

以ARPS模式及其资料三维同化系统ARPS3DVAR和复杂云分析模块为研究平台，使用贵阳多普勒雷达的体扫观测资料，分析了雷达反射率因子资料对云微物理量场的同化问题及雷达资料质量控制对同化的影响。结果表明，数值试验中两个不同的云分析方案都能同化出合理的云水场和水凝物场，同时因为水凝物场的调整，位温场和垂直速度场也得到了很好的响应；与没有使用云分析方案的试验比较，使用了云分析方案同化雷达资料的试验，在初始时刻能够调整出一个合理的云微物理量场，减少模式的热启动时间;而没有使用云分析方案的试验在2-3h后才能调整出一个位置有较大偏差的水凝物场，雷达反射率资料的同化在强对流风暴的模拟中起到了一个非常关键的作用。

雷达资料同化对一次飑线过程的次公里尺度数值模拟影响研究

针对2019年6月5日重庆地区发生的一次飑线天气过程,利用中尺度WRF(Weather Research and Forecasting)模式和ARPS(The Advanced Regional Prediction System)的3DVAR三维变分同化系统及其ADAS(ARPS Data Assimilation System)云分析系统,探究了不同模式水平分辨率下雷达资料同化对该飑线系统的模拟改进效果。结果表明:(1)未同化雷达资料时,模式水平分辨率从900 m提高到300 m,模式模拟结果无明显改进。(2)不同模式水平分辨率下,同化试验的模拟效果相比同化前,对于雷达回波的形状、强度和落区都有一定改善。(3)使用雷达资料同化的情况下,同时提高模式水平分辨率,能进一步优化调整模式的动力、热力及水汽条件,使得对本次飑线系统的发生发展和组织结构特征的模拟与实况更接近。

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。

雷达资料同化在甘肃局地暴雨天气个例中的应用

诊断分析了2006年7月27日发生在甘肃省的一次强对流局地暴雨天气个例,并利用Grapes模式及其变分同化系统,采用直接同化多普勒雷达风资料的方法,对该天气个例进行了有、无雷达资料同化的对比试验。结果表明,多普勒雷达资料在数值模式中的同化应用能明显提高模式系统对中小尺度天气系统的模拟效果,使细微的中小尺度系统特征表现的更为突出、合理;在加入雷达风资料同化后,降水区的风场辐合特征更为明显,风速也有一定增强,降水强度和中心更接近实际值。

利用多普勒天气雷达资料对一次暴雨过程的同化模拟

以CAPS(Center for Analysis and Prediction of Storm)研发的ARPS模式(The Advanced RegionalPrediction System V5.2.4)为基础,结合我国多普勒雷达资料,模拟2001年7月13日安徽省的一次暴雨过程,采用3DVAR(3-dimensional variational data assimilation)同化方法,做多时次同化雷达资料试验,前一时次模拟的结果作为下一时次的初始场,不断调整。结果表明,加入雷达资料后的风场、湿度场等都有明显调整,可以明显提高3 h降水模拟效果;同化的雷达时次越多,对上述各要素场和降水的模拟与实际观测的对应效果越好。

多普勒雷达资料同化对江苏一次飑线过程的数值模拟

应用新一代中尺度预报模式WRF模式及其3DVar同化系统,针对江苏地区2009年6月14日飑线过程进行了多普勒雷达资料的同化试验研究,在对雷达资料进行严格质量控制的基础上,设计一系列尺度化因子优化调整及同化频率的敏感性试验。试验结果表明:同化后初始场得到不同程度改善,适当的尺度化因子设定,能够有效改进对模式初始场中700 h Pa风场和850 h Pa温度场以及组合反射率因子等要素的分析,进而改善短时降水预报和风暴的垂直结构配置;并且同化频率越高,对初始场的组合反射率因子分布与观测更为接近,短时降水预报越准确。

多普勒雷达资料同化对山东“4·28”飑线过程的数值模拟

利用美国俄克拉何马大学风暴分析和预测中心开发的中尺度ARPS模式及其资料分析和同化系统ADAS，将山东省济南齐河、临沂和连云港3部多普勒雷达基数据资料同化进ARPS模式中，对山东“4·28”飑线过程进行了数值对比试验。结果发现，模式采用热启动的方式可以模拟出此次飑线过程，对飑线造成的降水的强度和落区预报也较好。雷达资料同化对飑线地面中尺度系统的模拟有明显的改进作用，尤其是在前2～3h效果非常明显，使模拟的地面雷暴高压和风场更接近实况。使用雷达资料进行同化循环，连续地将多部多普勒雷达资料同化到数值模式中，可以明显改进对飑线系统结构的模拟，较初始时刻同化雷达资料对飑线的模拟效果更好。因此，使用雷达资料进行快速分析和同化进行强对流天气预报是可行的，但模拟的降水偏强，这与雷达资料同化对于大范围暴雨预报的改进作用是不同的。

三维变分同化雷达视风速的改进方案及其数值试验

用雨滴末速度改进了万齐林等2005年提出的一种直接同化多普勒雷达径向风和回波强度时空变化所包含的风场信息——视风速的变分同化方法。通过理论推导和尺度分析发现,中尺度系统中雨滴末速度具有较大的量级,故该项在雷达回波守恒方程中起着重要作用。在原方案的基础上考虑雨滴末速度的影响,可以避免云团的局地增长作用对视风速的干扰,视风速能更准确地表示雷达回波的平流信息。台风"风神"的雷达观测资料分析表明,改进方案计算的视风速分布紧密、有规则,能较好地表现台风云系内的中尺度辐合辐散结构。运用中国气象科学研究院研发的三维变分同化系统(GRAPES-3D-Var)进行了一组模拟观测试验表明,改进方案的水平风场增量和位势高度增量都与模拟观测减自由积分的差值场相似,呈偶极型环流,径向风的垂直变化也得到明显改进。改进的视风速与径向风共同反演出的大气水平风场更准确。原方案的模拟观测试验则不能表现出以上特征。使用改进方案同化广州雷达观测资料后,敏感性试验的初始场中台风的中心位置与实况观测更接近,初始风场的气旋性环流更明显。敏感性试验模拟的6h降水分布与实况观测更相似,降水中心强度较小,但优于控制试验。

基于雷达资料同化的2003年7月一次暴雨过程的数值模拟及分析

利用我国CINRAD/SA多普勒雷达资料与中尺度模式ARPS的资料分析系统ADAS,对初始场进行调整,然后利用高分辨率的中尺度模式WRF对2003年7月4—5日的暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果可信的前提下,对暴雨过程中的中尺度对流系统(MCS)的结构及演变过程进行了分析。表明:多普勒雷达资料有助于提高暴雨模拟的精确度,利用其对中尺度系统进行高分辨率数值模拟,可以进一步认识中尺度系统的细致结构及演变情况;在中-β对流系统发展的过程中,大尺度环境场的有利条件可以对其发展起到促进作用,但具有中尺度特征的水汽条件、上升运动等因素也会起到关键的作用;中-β对流系统中可以同时有一支或多支的上升气流支出现,与降水有密切关系;2003年7月4—5日的两个中-β对流系统在发展过程中有从低空向高空移动的现象,即在发展初期,系统的中心位于低空,而在其旺盛时期则移至高空。

集合方根滤波同化多普勒雷达资料在一次飑线过程中的应用研究

针对2005年7月12日发生在山东省中西部地区的一次飑线天气过程,采用集合方根滤波方法开展基于WRF模式的多普勒雷达资料的同化应用试验,考察了此同化系统对实际雷达资料的同化效果。主要结论如下:(1)集合方根滤波同化系统能有效同化实际雷达资料,雷达资料的加入增加了模式的中小尺度信息,使分析场得到了显著改善,有效缩短了模式起转时间,改进了对地面降水的预报。(2)利用三次同化分析后的集合平均分析场进行的确定性预报表明,与控制试验相比,同化后分析场能更准确地预报飑线系统的微物理量场,预报的流场结构符合风暴的动力特征,动力场和热力场的分布与配置也基本合理。(3)集合平均分析场对飑线系统传播方向的预报与实况一致,但预报的系统传播速度较实况快,由于对流系统的非线性发展迅速,对系统的预报时效为5—6 h。

两种背景场同化雷达资料对辽宁省一次暴雨预报的影响

针对2013年8月15—16日先后在辽宁省锦州和抚顺地区发生的特大暴雨,分别以T639和NCEP预报场作为背景场,利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)和ADAS(ARPS Data Analysis System)同化系统进行了同化多普勒雷达观测资料的试验,检验同化雷达资料和采用不同背景场对暴雨预报的影响。结果表明:(1)同化雷达资料前,使用两种背景场的预报结果对锦州的强降水均出现漏报,同化雷达资料后,均预报出了锦州黑山一带的强降水,而12~24 h预报结果中对位于抚顺地区强降水预报的改善不大,采用T639较NCEP预报作为背景场对抚顺地区强降水的预报更好;(2)ADAS同化雷达资料后对模式初始湿度场的改善较大,700 h Pa和850 h Pa比湿有明显的增量。同时,同化雷达资料后更新了模式初始场中的水物质,水物质增量位置和强降水发生位置有较好的对应关系;(3)通过分析模式预报的风场,回波和水汽通量散度发现,同化试验预报初期在锦州和阜新一带预报出了强度较强且深厚的水汽场,低层西南暖湿气流和高层西北干冷气流的配置在锦州地区水汽区域的左侧激发了强烈的上升辐合运动,而其右侧伴有强烈的辐散是导致锦州黑山强降水爆发的主要原因。

多普勒雷达资料同化对北京“7·21”大暴雨过程模拟的影响

利用新一代中尺度预报模式WRFV3.6及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对2012年7月21日北京地区的一次暴雨过程进行多普勒天气雷达径向风和反射率的同化试验研究,检验和探讨高时空分辨率多普勒天气雷达资料在改进模式初始场及提高对暴雨过程预报的准确率等方面的应用效果及意义。结果发现雷达资料同化能在初始场中加入反映产生降水的低层风场辐合的动力和锋前暖区充足的水汽条件的物理信息,可以在模式积分开始后改善初始场中水汽和风的分布,较快地模拟出局地对流系统的发生、发展,改善由于中尺度观测资料不足而造成的模式初始场里中尺度信息缺乏的问题。径向速度的同化增加了中尺度信息,对初始流场的调整较为显著,侧重于改进风场。而雷达反射率资料的同化对初始温、湿度场和强回波位置的调整更明显,侧重于改进湿度场。累计降水的预报结果显示,同化径向风资料对雨带的位置、范围有较好的改进,同化雷达反射率资料对暴雨强度的预报有明显的改善。通过降水ETS评分发现,同化常规观测试验相对于控制实验,对于5、15 mm和25 mm降水评分能增加0.1左右,径向风同化试验能增加0.2左右,反射率同化试验能增加0.3左右,而径向风加反射率试验增加的评分介于0.2~0.3。雷达资料对于提高定量降水预报的精确度有着重要作用。

改进的雷达资料同化方案在梅雨期暴雨预报中的应用

雷达资料同化对提高数值天气预报准确率具有重要意义。针对2016年7月5-6日武汉一次梅雨期暴雨过程,采用改进的雷达资料同化方案STMAS(Space and Time Multiscale Analysis System)同化雷达径向速度和反射率因子。通过与LAPS(Local Analysis and Prediction System)方案的结果对比初始动力场、水汽条件、热力场、预报天气形势、降水和雷达回波等的差异,并着重分析了STMAS方案对初始场及降水预报的改进及其原因。结果表明:(1)同化雷达径向速度时,STMAS方案在三维变分基础上引入连续方程做强约束条件,对初始场中动力场改善效果较为明显。(2)同化雷达反射率因子时,STMAS方案增加利用雷达回波直接调整湿度步骤,强迫雷达回波高于阈值区域饱和,使得初始场的水汽条件更加充沛,对流不稳定能量更大。(3)由于STMAS方案初始场的改善,使得预报场中高低空天气系统配置较好,最终使得预报的雨带和强降水落区在位置和强度上更接近实况,其中100 mm以上强降水预报能力尤为突出。

雷达径向风和反演风联合同化在台风灿都(2010)数值预报中的研究

基于WRF模式及其Hybrid集合-变分同化系统,比较研究了雷达径向速度(V_r)同化和T-TREC(Typhoon-Tracking radar echoes by correlation)反演风同化对台风灿都(2010)分析和预报的影响。为了探索最适合登陆台风预报的雷达资料同化策略,在研究V_r循环同化和T-TREC循环同化的基础上,考虑到两种雷达风场资料各自的优势,提出了合理利用两种雷达风场资料的联合同化策略,即在循环同化的首次分析中同化T-TREC风,而在之后的分析中同化V_r资料。研究三种不同的雷达资料同化策略发现,V_r直接同化虽能改善台风分析和预报,但其依赖于较多的同化次数,这会导致确定性预报的启动时间较晚,不利于台风业务预报。相比之下,由于T-TREC资料观测范围远、风场结构完整,T-TREC循环同化策略只经过较少次数的同化分析即能显著改善台风强度预报;然而受T-TREC资料自身反演误差的影响,增加同化次数反而不利于提高预报效果。当联合利用这两种雷达风场时,联合同化策略在不同同化时间窗下的预报表现均最优。

基于NLS-4DVar方法的雷达资料同化及其在暴雨预报中的应用

在基于本征正交分解POD(Proper Orthogonal Decomposition)的集合四维变分同化方法(POD4DEn Var)建立的雷达资料同化系统(PRAS)的基础上,本文利用非线性最小二乘法的集合四维变分同化方法(NLS-4DVar)对PRAS进行改进,解决PRAS在高度非线性情况下的适应性问题,建立了新的雷达资料同化系统(NRAS)。通过观测系统模拟试验OSSEs(Observing System Simulation Experiments)和两次实际暴雨同化试验(2010年7月8日,中国中部地区;2014年3月30日,中国华南地区)对NRAS进行检验,并与PRAS的同化结果进行了对比。结果表明:无论是OSSEs还是实际雷达资料的同化,相对于PRAS,NRAS能够进一步提高同化效果。通过增加迭代的次数,NRAS能够有效地调整初始场的风场和水汽场,进一步提高了降水强度和位置的预报精度。但随着迭代次数的增加,对初始场的调整变小,进而对降水预报效果的改进也减小。试验结果表明NRAS能够有效解决PRAS在高度非线性情况下的应用问题,通过有限次数的迭代,即可得到近似收敛的结果。因而NRAS有望在数值预报中更有效地同化雷达资料,提高中小尺度天气的预报水平。

雷达资料同化模式对降雨-径流预报的影响

雷达资料同化是提高局地数值降雨预报精度的重要手段。以2014年6月17日和2016年7月9日福建梅溪流域发生的2场典型降雨洪水事件为例,设计9种不同的雷达资料同化模式,并引入到以WRF模式和基于CNFF-HM的分布式水文模型为主体构建的陆气耦合模型中,开展降雨-径流预报试验;探究中小流域尺度合理的雷达资料同化模式;分析雷达资料同化对降雨-径流预报结果的影响。结果表明,雷达资料同化能够提高中小流域陆气耦合降雨-径流预报精度;当同化时间间隔为6 h时,同化雷达反射率的降雨预报效果最好,但随着同化时间间隔缩短,雷达径向风的同化效果得到明显改善;逐小时同化雷达径向风支持下的陆气耦合模型,其降雨-径流预报结果最佳,2场降雨的累积雨量误差分别仅为7.55%和5.80%,相应洪水的洪峰流量误差为-12.65%和-18.26%,峰现时间均提前1h,NSE为0.866和0.927,在中小流域暴雨洪水预报中有一定的应用前景。

集合卡尔曼滤波同化多普勒雷达资料的观测系统模拟试验

本文将集合卡尔曼滤波同化技术应用到对流尺度系统中,实施了基于WRF模式的同化单部多普勒雷达径向风和反射率因子的观测系统模拟试验,验证了其在对流尺度中应用的可行性和有效性,并对同化系统的特性进行了探讨。试验表明:WRF-EnKF雷达资料同化系统能较准确分析模式风暴的流场、热力场、微物理量场的细致特征;几乎所有变量的预报和分析误差经过同化循环后都能显著下降,同化分析基本上能使预报场在各层上都有所改进,对预报场误差较大层次的更正更为显著;约8个同化循环后,EnKF能在雷达反射率、径向风观测与背景场间建立较可靠的相关关系,使模式各变量场能被准确分析更新,背景场误差协方差在水平方向和垂直方向都有着复杂的结构,是高度非均匀、各项异性和流依赖的;集合平均分析场做的确定性预报在短时间内能较好保持真值场风暴的细节结构,但预报误差增长较快。