Observation and Numerical Simulations with Radar and Surface Data Assimilation for Heavy Rainfall over Central Korea

This study investigated the impact of multiple-Doppler radar data and surface data assimilation on forecasts of heavy rainfall over the central Korean Peninsula;the Weather Research and Forecasting(WRF) model and its three-dimensional variational data assimilation system(3DVAR) were used for this purpose. During data assimilation,the WRF 3DVAR cycling mode with incremental analysis updates(IAU) was used. A maximum rainfall of 335.0 mm occurred during a 12-h period from 2100 UTC 11 July 2006 to 0900 UTC 12 July 2006.Doppler radar data showed that the heavy rainfall was due to the back-building formation of mesoscale convective systems(MCSs).New convective cells were continuously formed in the upstream region,which was characterized by a strong southwesterly low-level jet(LLJ).The LLJ also facilitated strong convergence due to horizontal wind shear,which resulted in maintenance of the storms.The assimilation of both multiple-Doppler radar and surface data improved the accuracy of precipitation forecasts and had a more positive impact on quantitative forecasting(QPF) than the assimilation of either radar data or surface data only.The back-building characteristic was successfully forecasted when the multiple-Doppler radar data and surface data were assimilated.In data assimilation experiments,the radar data helped forecast the development of convective storms responsible for heavy rainfall,and the surface data contributed to the occurrence of intensified low-level winds.The surface data played a significant role in enhancing the thermal gradient and modulating the planetary boundary layer of the model,which resulted in favorable conditions for convection.

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。

LAPS分析场在一次强对流天气过程尺度分析中的应用

利用LAPS(local analysis and prediction system)同化系统融合多种观测资料,对2010年8月25日发生在上海的一次强对流天气过程进行中尺度分析。结果表明,这次强对流天气主要是由中、低空中尺度辐合系统直接触发形成的。强对流形成阶段,地面有分散辐合形成并逐渐加强,成为触发中尺度垂直环流的主要机制,垂直结构上出现低层辐合高层辐散的有利配置,风暴中心附近出现明显的上升气流区,中高层相对湿度显著增加。成熟阶段,强对流云体中心附近的对流层底层开始出现下沉气流,上升气流在其拖曳作用下明显倾斜。衰减阶段,下沉气流加强使中尺度环流动力结构和水汽供应受到破坏,垂直结构上转为底层辐散高层辐合。因此,与天气尺度分析相比,基于LAPS的中尺度分析能更深刻地揭示中小尺度系统的三维结构和时空演变特征。

利用非常规观测资料对上海特大暴雨过程的模拟研究

20 0 1年 8月 5～ 6日 ,上海市区出现了建国以来破记录的一次特大暴雨。天气形势分析表明 ,停滞在上海的热带低压和主体位于海上的西太平洋副热带高压为此次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景 ,而低压内部特有的动力、热力结构及在其内发生发展的一系列中尺度对流云团与此次暴雨的发生有直接的关系。作者利用非静力中尺度数值模式MM5V3对此次暴雨过程进行了数值模拟研究 ,结果表明 :在非静力中尺度模式全物理过程的模拟中 ,采用牛顿张弛逼近法的四维资料同化方案来同化分析场和云顶亮温及上海地面气象自动站等非常规观测资料 ,模拟结果不仅基本上再现出大尺度及天气尺度系统的发展演变过程 ,而且还较好地模拟出了此次城市强暴雨过程的雨量空间分布及时序变化。因此 ,将较高时空密度的非常规观测资料用于高分辨率MM5中尺度数值模式 ,对于有效地预报城市灾害性暴雨是必要和有意义的。研究还揭示 :与热带低压相伴随的偏南暖湿气流不仅是此次暴雨过程的强水汽及热量输送带 ,而且也是热带低压和其内中尺度对流系统维持发展的必要条件 ;造成暴雨的中尺度对流系统垂直向上是一具有相对暖心、高湿且低空湿对流不稳定结构的气旋性涡旋 ,其内强上升运动与涡柱内低空辐合、高空强辐散密切联系。

同化常规资料对重庆地区一次大暴雨过程的数值模拟研究

利用常规观测资料以及小时观测降水量资料,对2014年8月31日—9月2日重庆地区一次大暴雨过程进行分析,在此基础上采用中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF 3D-Var将常规探空观测资料同化进NECP/NCAR再分析资料产生初始场,对比分析同化与未同化常规探空资料的模式模拟的降水量分布特征及同化探空观测资料对模式模拟的中尺度系统结构特征的影响。结果表明,此次暴雨的发生是在对流层高层200 hPa南亚高压与高空急流造成的高层辐散、500 hPa大槽靠近以及副热带高压西移这种有利的大尺度环流背景下,对流层低层的西南低涡、切变线、低空急流在重庆地区发生发展的结果。对比分析模式的模拟结果,两次模拟都较好地再现了此次暴雨过程的大尺度环流特征,同化探空观测资料后模拟的降水落区分布及量级得到改善,对暴雨以上量级的降水改进尤为明显。模式初始时刻分析场的增量表明,与此次暴雨过程的形成发展密切相关的大尺度系统(南亚高压、副热带高压)、中尺度系统(低涡、急流)以及水汽输送在初始场同化常规探空资料后均得到了增强,这为对流系统的发展维持提供了更加有利的条件。降水最强时刻强降水区域的垂直结构分析显示,在同化探空观测资料后,模式模拟的散度、涡度、垂直速度以及大气热力结构的强度和高度较未同化探空资料的结果都得到了不同程度的增强,这表明同化探空观测资料改进了模式初始场的分布特征,进而对模式模拟的中尺度对流系统的结构产生重要影响。

中小尺度对流系统的高分辨率数值模拟近况和未来挑战

随着高速、大容量、并行计算能力的迅速增长和中尺度数值模式的不断完善,近年来不断涌现使用1 km乃至次千米网格距开展中、小尺度对流系统的数值模拟研究。这些数值模拟工作展现出目前观测手段还无法得到的动力学一致的高分辨率气象信息,大大提高了对一些中、小尺度对流系统内部结构和演变的理解。但高分辨率数值模拟的未来发展也面临着不少问题和挑战。首先回顾提高模式分辨率至1 km乃至次千米模拟中、小尺度对流系统的进展,并综述目前在高分辨率数值模拟中的资料同化和物理过程处理方法,同时指出中尺度模式中处理积云对流、大气边界层和辐射过程时值得注意的分辨率“灰色区”,然后介绍使用1 km和次千米分辨率模拟中、小尺度对流系统的几篇有代表性的工作。最后讨论高分辨率数值模拟的未来发展和挑战。

Improving the Analyses and Forecasts of a Tropical Squall Line Using Upper Tropospheric Infrared Satellite Observations

The advent of modern geostationary satellite infrared radiance observations has noticeably improved numerical weather forecasts and analyses.However,compared to midlatitude weather systems and tropical cyclones,research into using infrared radiance observations for numerically predicting and analyzing tropical mesoscale convective systems remain mostly fallow.Since tropical mesoscale convective systems play a crucial role in regional and global weather,this deficit should be addressed.This study is the first of its kind to examine the potential impacts of assimilating all-sky upper tropospheric infrared radiance observations on the prediction of a tropical squall line.Even though these all-sky infrared radiance observations are not directly affected by lower-tropospheric winds,the high-frequency assimilation of these all-sky infrared radiance observations improved the analyses of the tropical squall line’s outflow position.Aside from that,the assimilation of all-sky infrared radiance observations improved the analyses and prediction of the squall line’s cloud field.Finally,reducing the frequency of assimilating these all-sky infrared radiance observations weakened these improvements to the analyzed outflow position,as well as the analyses and predictions of cloud fields.

阵风锋和中尺度气团边界相互作用的对流初生机制的一个案例研究（英文）

在研究阵风锋和中尺度气团边界相互作用触发对流初生的这篇文章中,研究了两种对流层边界一一阵风锋和中尺度气团边界共同对对流初生的影响。该对流初生现象首先由观测发现,雷达和自动站观测显示阵风锋前方有一个中尺度气团边界存在,在该边界上温湿变化较大,风场存在辐合。在阵风锋与该中尺度气团边界相互靠近的过程中,两者之间的辐合区域产生了新生对流。为了更清楚地研究该新生对流的初生机制,本研究采用高分辨率的雷达四维变分分析系统同化雷达和自动站资料,融合中尺度模式结果。同化结果分析表明,阵风锋和中尺度气团边界之间辐合抬升加强,被抬升的暖湿气团超过了自由对流高度,产生了新生对流。这对提高新生对流的临近预报和预警可能具有有益启示。

安徽省一次强对流降水过程闪电资料同化数值模拟试验

利用闪电定位资料、安徽电网地面微气象观测资料、探空资料和WRF中尺度数值模式及其3DVAR资料同化系统,对2020年6月15日安徽地区一次强对流降水过程进行同化模拟,分别设计了由闪电、地面和探空资料组成的同化对比试验,分析了闪电资料同化对模式初值及24 h累积降水预报的改进能力。结果表明:单独同化闪电资料对模式初始场的相对湿度及24 h降水模拟有一定程度的改进,但改进效果不如同化地面和探空资料的明显;在地面探空资料同化的基础上增加闪电资料同化,能进一步改善模式的初始场,使其更加接近再分析场,并在逐6 h积分过程中,能更好地模拟出对流降水有关的物理量变化及强降雨带的位置,提高了24 h累积降水的模拟能力,对中雨以上量级的降水模拟效果提升尤为明显。另外,增加闪电资料同化,能明显地减少降水模拟的均方根误差。