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。     

雷达资料同化对一次浙江初春罕见飑线过程数值模拟的影响分析

以2018年3月4日影响浙江的初春罕见飑线过程为例,利用WRF模式与GSI-3DVar同化系统开展了雷达资料同化对重大强对流天气的影响研究,分析了雷达资料同化对此次飑线过程的模拟改进作用和可能影响过程,对比了雷达反射率因子和雷达径向速度的同化效果,探讨了不同数量和位置的雷达资料同化对模拟效果的影响。结果表明:雷达资料(尤其是反射率因子)同化有效改善了飑线边界层特征的模拟,从而改进了模式对飑线过程中组合反射率因子、降水、大风等发展演变的模拟效果。雷达反射率因子同化通过直接调整水凝物质含量,修正风暴中降水模拟及由此引起的蒸发冷却,形成更接近实况的强冷池,进而产生了比雷达径向速度同化更大的正贡献。相对于同化非关键区域的雷达资料,同化飑线过程上游关键区域的雷达观测所包含的重要中小尺度信息,对飑线过程模拟效果提升更为重要。     

不同雷达观测资料同化对一次罕见飑线天气模拟的影响

选用WRF(weather research and forecasting)模式及其3D-Var(three-dimensional variation)同化系统,针对2018年3月4日发生在江西的一次罕见强飑线天气,探讨同化多普勒雷达不同观测资料对极端雷暴大风天气模拟预报的影响。结果表明:仅同化由雷达反射率反演的雨水、雪和霰粒子以及由其估算的水汽不能稳定改善模式对飑线雷达反射率的预报效果,尤其对地面大风和降水的预报起反效果;当联合同化雷达反射率与雷达径向风资料后,显著改进了模式对飑线发展演变过程中雷达反射率、地面降水和地面大风的预报效果,雷达反射率的同化呈现显著正效果。原因是仅同化雷达反射率对初始水成物及热力场影响较大,而对动力场调整微弱,随着积分时间增加,热力场对动力场的反馈作用不真实,高层出现虚假辐散风场,飑线前侧模拟出虚假层状云区,且未能改进飑线系统低层垂直风切变、冷池以及对流层中下层后侧入流的模拟,模拟的飑线移动和演变过程与实况有很大差距;当联合同化雷达反射率与雷达径向风资料后明显调整了初始动力、热力和水成物场,物理配置更符合实际,形成更有利于强飑线发生的垂直风切变和风场结构,产生与实况接近的强冷池,模拟结果与实况的吻合度明显高于仅同化雷达径向风资料的试验。     

基于GSI的华南地区对流尺度快速循环同化预报试验

针对对流尺度快速循环同化系统多次循环同化带来的预报效果改进和资料应用问题,利用GSI同化技术和WRFARW区域模式,设计了华南地区对流尺度快速循环同化方案,对2016年4月17一18日华南地区的飑线天气强降水过程进行模拟试验,分析不同循环同化方案和雷达径向风资料同化对雷达回波、相对湿度、降水量级等的预报效果,以期提高华南地区飑线强降水过程预报技巧。检验结果表明:尽管只同化常规资料对预报效果的改进有局限性,但是多次循环同化对于模式预报的降水有一定改善作用;同时同化雷达径向风资料与常规资料对湿度和降水等模拟技巧均有所提高,大雨以上量级的ETS评分改进尤为明显;尽管模式模拟降水峰值小于真实观测值,但同化雷达径向风资料有效改善了飑线最强时段内的垂直上升速度,使得强降水发生时间和强度更接近真实观测。     

华东地区一次飑线过程的数值模拟与诊断分析

本文利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)同化多部多普勒雷达观测资料和常规地面探空观测资料,对2009年8月17日发生在我国华东地区的一次飑线过程进行高分辨率数值模拟;利用模拟输出资料,分析该飑线过程的动力和热力特征和对流线单体后向新生的环境条件。研究结果表明:(1)在飑线系统初生阶段,从飑线后部(北方)的团状对流系统的低层MCV(mesoscale convective vortex)中南下的冷空气与西南暖湿气流相遇激发强对流,促进飑线发展;随着飑线系统的发展和南移,团状强对流系统的低层MCV的气旋性环流对飑线的影响逐渐减弱,而飑线本身产生的低层冷池向外辐散的冷空气与环境场西南暖湿气流辐合成为飑线持续发展的主要动力。(2)本次飑线系统属于典型的后向新生型飑线,由4条处于不同发展阶段的对流线合并而成,对流线上对流单体的后向新生是动力和热力过程共同作用的结果,既需要一定的对流抑制能量促进对流有效位能的累积,也需要一定的环境风场垂直切变、低层风场的辐合和水平涡管向垂直涡度的转化。     

雷达资料同化对一次飑线过程的模拟影响

雷达资料同化能够改善强对流天气的预报,但是不同的模式方案配置会得到不同的结果。本文针对中国南部2018年3月4日一次飑线过程,以全球预报模式GFS分析场和预报场为背景场,采用中尺度区域气象预报模式ARPS 3DVAR系统同化多普勒雷达径向速度,用云分析处理反射率数据,考虑同化间隔、频次、云分析中不同参数调整,采用1 h同化窗口,设计不同同化方案,最后用WRF模式进行预报,研究雷达资料同化对飑线系统触发及发展机制的影响。结果表明,同化间隔过短时,由于模式热动力变量没有平衡产生虚假回波,同化间隔过长时,系统触发和发展的特征普遍偏弱;采用12 min间隔同化得到了最好的初始场,并且同化频次越高得到的降水预报结果越好。此外,ARPS云分析能大大改善初始场,减少模式自调整时间,其中湿度调整、温度调整、雨水调整及水汽调整对系统动力过程和水凝物初始场分布都有较大的影响,而垂直速度相关参数调整影响较小。     

EnSRF雷达资料同化在一次飑线过程中的应用研究

本文利用包含复杂冰相微物理过程的WRF（Weather Research and Forecasting）模式,针对2007年4月23日发生在我国华南地区的一次典型飑线天气过程,分别进行了确定性预报和集合预报试验,发现确定性预报能大致捕捉到飑线系统的发生发展过程,但对飑线后部的层云区模拟效果较差。集合预报能够有效地减少模式的不确定性,大部分集合成员对飑线的模拟效果优于确定性预报。进一步将集合预报得到的40个成员作为背景场,采用EnSRF（Ensemble Square Root Filter）同化多普勒天气雷达资料,并将分析得到的集合作为初始场进行集合预报,通过与未同化雷达资料的集合对比,考察了EnSRF同化多部雷达资料对飑线系统的影响。结果表明:EnSRF雷达资料同化增加了模式初始场的中小尺度信息,大部分集合成员的分析场能够较准确地再现飑线的热力场、动力场和微物理场的细致特征,并且模拟出飑线后部的层云结构。通过对EnSRF分析的集合进行模拟发现,大部分集合成员较未同化雷达资料时模拟效果有明显改善。同化后的集合预报ETS（Equitable Threat Score）评分最高,其次是未同化的集合预报,确定性预报的最低。     

多普勒天气雷达反射率资料的三维变分同化试验

基于美国新一代数值预报模式WRF (The Weather Research and Forecasting)及其3DVAR (Three-Dimensional Variational)同化系统,采用3DVAR直接同化雷达反射率资料,对2010年10月8日发生在云南省的暴雨过程进行三维变分同化和数值模拟试验。考察了采用不同水平分辨率和垂直层次的雷达反射率进入同化系统对暴雨预报带来的影响。结果表明:同化雷达资料相对无同化任何资料,雨带位置南移,更接近实况降水。同化不同水平分辨率的雷达反射率资料,其中水平分辨率为0.1度的反射率资料同化后,模拟的降水相对其他方案更接近实况。垂直方向上选取3500m和6000m高度的资料,对整个降水带位置和降水强度影响较大。在此个例中选取垂直层次在1000m,2000m,3000m,3500m,4000m,5000m,7000m,8000m的雷达反射率资料,模式模拟的降水更接近实况。      

C波段雷达反射率资料的同化与数值模拟

利用ARPS模式(Advanced Regional Prediction System)的资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis Sys-tem),以NCEP GFS资料为背景场对我国西北地区CINRAD-CB\CC型雷达反射率资料进行同化试验研究,并借助于WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式,对发生在黄河河套及河北地区的一次天气过程进行个例模拟试验。不同模拟方案模拟结果的对比分析和短时预报检验表明:①C波段雷达反射率资料的引入与S波段雷达反射率资料在空间覆盖上构成互补,与卫星、地面等资料的云综合分析能够分析出与实况更为接近的降水场和垂直结构信息;②同化了C波段雷达反射率资料的试验方案在模拟回波系统演变上优于未同化的,但由于模拟低层暖湿条件不足,系统逐渐衰弱与实况不符;③对比实况降水发现,区域C波段雷达反射率资料的同化对短时降水预报效果有一定改善。     

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 Regional Prediction 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3h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。     

同化雷达反射率资料对一次飑线过程的模拟研究

在用集合卡曼滤波方法(EnKF)同化雷达径向风、雷达反演风和CGPS水汽资料的基础上,对2014年7月30日发生在安徽中东部的一次飑线过程采用雷达反射率资料对初始水汽场进行调整。该方法相对EnKF的模拟结果,在飑线强度、位置、持续时间、产生降水和地面风场方面均有改进。改进湿度场后飑线前部的地面辐合区模拟效果较好,这可能是飑线强度和位置模拟效果改进的原因之一。没有调整湿度场时飑线维持时间较短,且强度较弱,这是由于飑线后部的中层干冷空气夹卷较弱,且冷池很快远离飑线,不利飑线维持。调整湿度场后,飑线后部干冷空气夹卷较强,且在对流区下沉形成冷池,冷池位于飑线后部,有利飑线维持。夹卷加强的可能原因是:采用雷达反射率资料调整湿度场增加了中低层(600～900 hPa)湿度,大气不稳定性增加,对流发展造成低值系统增强,其南部的偏西风增强,导致飑线后部的干冷空气夹卷增强。该试验揭示了湿度调整、大气不稳定度改变造成的动力场调整对对流发展和组织的重要作用。     

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。     

多普勒雷达反射率与径向风资料在数值模式中的应用试验

利用CAPS (Center for Analysis and Prediction of Storm)研发的ARPS (The Advanced Regional Prediction System)模式及数据处理系统ADAS (ARRS Data Analysis System)和3DVar (3-D Variation)系统分别同化多普勒雷达反射率与径向风资料,分析二者在改进模式初始场和预报效果中的作用.通过模拟2003年7月安徽省一次强降水过程,得到如下结论:径向风资料调整初始风场,在积分进行后,对水汽场也有所调整;反射率资料调整初始水汽场,积分开始后,对风场也有调整,其中后者较显著.从预报的3小时降水来看,两个同化试验得到的落区位置与实况都有出入,反射率同化试验得到的预报面积比实况偏大,但二者都比非同化试验效果好.     

SVD-En3DVar同化方法在一次飑线过程中的应用

基于集合和奇异值分解的三维变分同化方法(SVD-En3DVar)对2009年6月14日江苏地区的一次飑线过程进行多普勒雷达资料同化预报数值试验,以检验该方法在这类尺度较小的强对流天气过程中的同化应用效果。同时,还讨论了SVD-En3DVar的分块局地化方案中水平半径对此次飑线过程同化效果的敏感性,并应用WRF 3DVar进行了平行对比试验。数值试验结果表明,应用SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达资料后能够有效调整风场、比湿和位温等状态变量,同化预报结果对分块局地化方案中水平半径参数较为敏感,水平分块半径为50 km时对组合反射率的预报效果最好。SVD-En3DVar和WRF 3DVar两种同化方法同化雷达资料后都能够提高雷达组合回波的预报水平,但SVD-En3DVar方法的效果明显优于WRF 3DVar同化系统,对回波带位置及其向东南方向发展趋势的预报和观测回波较为一致。     

SVD-En3DVar同化方法在一次飑线过程中的应用北大核心CSCD

基于集合和奇异值分解的三维变分同化方法(SVD-En3DVar)对2009年6月14日江苏地区的一次飑线过程进行多普勒雷达资料同化预报数值试验,以检验该方法在这类尺度较小的强对流天气过程中的同化应用效果。同时,还讨论了SVD-En3DVar的分块局地化方案中水平半径对此次飑线过程同化效果的敏感性,并应用WRF 3DVar进行了平行对比试验。数值试验结果表明,应用SVD-En3DVar方法同化多普勒雷达资料后能够有效调整风场、比湿和位温等状态变量,同化预报结果对分块局地化方案中水平半径参数较为敏感,水平分块半径为50 km时对组合反射率的预报效果最好。SVD-En3DVar和WRF 3DVar两种同化方法同化雷达资料后都能够提高雷达组合回波的预报水平,但SVD-En3DVar方法的效果明显优于WRF 3DVar同化系统,对回波带位置及其向东南方向发展趋势的预报和观测回波较为一致。     

循环同化雷达资料对一次飑线系统临近预报的改进作用

利用WRF（Weather Research Forecast）模式及其3D-Var（Three-Dimensional Variational assimilation）变分系统,针对2017年7月7日一次飑线进行了雷达资料的循环同化敏感性试验。结果表明：以循环同化雷达资料至飑线成熟期时刻的试验预报效果最好,主要原因在于预报的低层西北冷空气较强,从而导致较强的低层切变,再配合强的热力不稳定条件从而使飑线的发展得以维持。通过七组试验对比表明,对于单次雷达资料,同化的时机更为重要。同化飑线成熟阶段的雷达反射率,对低层热力层结有改善作用,为飑线发展提供了不稳定能量;对于循环同化,通过观测的影响和模式自身的热动力调整,对流场也有较好的修正作用,为对流系统的持续发展提供了充分的动力条件。     

一次飑线过程的三维模拟

用美国俄克拉荷马州大学“风暴分析预报中心”（CAPS）开发的ARPS非静力中尺度数值模式对发生在美国VORTEX－1995试验期间的一次飑线过程进行了三维模拟，ARPS模式成功地模拟了飑线中的β尺度结构特征，该模式对飑线强对流天气系统有较强的模拟能力。试验研究表明，地面中尺度汇合线或切换线是此次飑线过程主要的触发系统和重要的维持机制之一；对流凝结潜热释放在飑线的发生、发展中重要作用；高低空的急流合形势为飑线的发展和维持提供了有利的动力条件。     

物理初值化与短时强对流降水数值模拟研究

ADAS(ARPS Data Assim ilation System)云综合分析采用的是一种物理初值化技术。本文以ARPS(Advanced Regional Pred iction System)云综合分析为基础,设计了一组非常规资料的应用试验,应用ARPS模式对一次典型的短时强降水个例进行了数值模拟研究。结果表明:(1)在ADAS云分析中引入雷达及卫星资料可对湿度场的水平、垂直结构有一定的调整,改善了与对流降水有重要关系的高湿区的分析;(2)引入雷达和卫星资料的云综合分析,可以明显改善强降水发生时间相对迟缓以及模拟前期降水量偏少和降水覆盖面积偏小的现象,使模拟降水场与实际观测较为接近;(3)物理初值化能有效提取非常规资料中的云微物理信息,提高了模式初值质量,从而明显改善模式对强对流降水系统的短时模拟效果。     

不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响

为研究不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,对2009年6月5日发生在上海的一次飑线过程分别进行了3、1、0.5 km水平分辨率和一、二阶矩微物理方案的理想试验。结果表明,模式水平分辨率和微物理方案对模拟飑线阵风锋有明显的影响。随模式水平分辨率的提高,模式模拟的飑线弓状回波结构更精细。与3 km分辨率相比,1和0.5 km分辨率模式能很好模拟出飑线后部下沉气流和前部上升气流,模拟的冷池前沿最大风速相对更接近实况。二阶矩微物理方案更能模拟出飑线弓状回波前强后弱的结构特征和飑线过境地面降温幅度,模拟的飑线移动速度、冷池面积和强度、冷池前沿最大风速和雨水蒸发率等均小于一阶矩微物理方案的模拟值。采用1和0.5 km模式水平分辨率及二阶矩微物理方案模式模拟的飑线与WSR-88D多普勒天气雷达探测实况更接近。模式分辨率的提高有利于模拟飑线的维持。对业务数值预报模式模拟飑线阵风锋而言,在计算条件允许的情况下,模式水平分辨率达1 km并采用二阶矩微物理方案可能是需要的。结果还表明,冷池前沿最大风速、冷池强度、模式底层降温幅度、飑线移动速度与雨水蒸发率存在对应的变化趋势,飑线移动速度的变化对飑线阵风锋地面大风的预报有指示意义。改善数值模式对飑线阵风锋预报性能除需关注模式水平分辨率和微物理方案外,还需关注数值模式对雨水蒸发率的模拟能力。     

GRAPES-Meso云分析系统的设计与试验

研究应用LAPS(Local Analysis and Prediction System)云分析方案,基于美国"风暴分析预报中心"开发的中尺度模式ARPS(Advanced Regional Prediction System)的资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),开发了GRAPES-Meso(Mesoscale of the Global and Regional Assimilation and Prediction System)区域中尺度数值预报模式的云分析系统,首次实现了地面云观测资料、卫星云图、多普勒雷达反射率资料在GRAPRS模式中的综合同化应用。详尽分析了地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率多种观测资料对GRAPES模式初始三维云覆盖、多相混合比等云微物理因子以及初始场的调整。通过对2009年6月28日至7月4日湖南省一次强降水过程的模拟试验检验云分析系统的性能,对比分析表明:(1)云分析系统通过地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率的同化,能够反演出三维云覆盖状况;(2)在三维云覆盖的基础上结合云底云顶高度,能够反演出云水、雨水、云冰等微粒,并显著改善模式初始湿度场;(3)云分析系统能够显著缩短模式的热启动时间,明显增大了开始几小时的降水量预报,对24小时的降水预报效果也有显著改善。