不同资料同化对登陆台风菲特(2013)短时预报的影响研究

为定量评估地面、探空、飞机报、卫星辐射亮温、雷达反射率及径向风等不同观测资料同化对台风预报性能的影响,本文以2013年严重影响我国的登陆台风菲特为例,利用WRF模式与GSI-3DVAR同化系统开展观测系统试验(OSE)研究,探讨了不同类型资料同化对"菲特"(2013)路径、强度、形势场和降水短时预报的相对贡献及可能影响机理。结果表明:(1)不同类型资料同化对模拟结果贡献程度有明显差别,其中探空、雷达反射率和飞机报对模拟结果有较大影响,分别"拒绝"这三种资料后模式模拟的高空各要素均方根误差分别上升约54.8%~62.0%、9.2%~16.5%和6.1%~6.4%。(2)对于不同的台风预报效果评估参数,各类资料的贡献率大小排序不同。对高空场和台风路径模拟影响较大的是探空和飞机报,对台风强度模拟影响较大的依次是雷达径向风、反射率、探空和飞机报,而对降水模拟影响较大的依次是雷达反射率、探空和飞机报。(3)各类资料对降水模拟的贡献率随时间变化不同。雷达反射率资料对降水的贡献随着模式积分时间明显下降,而飞机报、探空资料等对降水的贡献在模式积分3 h之后开始出现。(4)资料同化对降水模拟的改进与其对台风路径、水物质及强度模拟改进有关,因此影响高空场、台风路径和强度较大的雷达反射率、探空和飞机报资料,也是对降水模拟贡献较大的资料。     

华南暖区降水数值预报的初值同化试验

为了了解初值场对华南短时临近降水预报的影响,文中利用GRAPES区域中尺度模式,针对华南一次暖区暴雨过程分别进行控制试验、同化地面探空资料、nudging雨水资料和同化雷达径向风等四个模拟试验。分析结果表明：(1) 同化地面探空资料有助于改善24小时的降水落区及其量级;(2) nudging雨水资料对临近降水预报有积极影响;(3) 同化雷达径向风能使24小时的降水落区、量级得到明显的提升。这些结论为下一步的华南地区短时临近降水预报研究提供了重要的技术参考。     

雷达反射率资料的三维变分同化研究

应用天气研究和预报模式(WRF)三维变分系统中一种新的雷达反射率资料间接同化方法来进行反射率资料的三维变分同化研究,评估雷达反射率资料对夏季短时定量降水预报的作用.该方法不直接同化雷达反射率资料,而是同化由反射率资料反演出的雨水和估计的水汽.以2009年夏季北京地区发生的4次强降水过程为例,考察了北京市气象局业务运行的快速更新循环同化预报系统对京津冀地区雷达网的雷达反射率资料的同化性能以及雷达反射率资料和径向风资料同时同化的效果.数值试验结果表明:(1)同化反演雨水或水汽都能改善降水预报,但同化反演水汽对降水预报效果的改善起了更重要的作用;(2)同化反射率资料能极大地提高短时降水预报的效果,其稳定的正面效果可以延伸到6h的预报时效,而同化径向风资料不能得到稳定的正效果;(3)同化雷达资料时,应用快速更新循环同化预报系统是提高短时定量降水预报的一个有效途径.     

珠江流域4～9月降水空间分布特征和类型

利用美国CAPS的非静力高分辨率区域预报模式ARPS(先进区域预报系统)对0414号台风"云娜"进行数值模拟,模拟结果表明ARPS较好地模拟台风"云娜"的移动路径及台风大暴雨.并着重讨论新一代天气雷达资料对台风"云娜"数值模拟的影响,通过对雷达资料同化进模式与没有雷达资料同化进模式对比模拟的试验结果分析表明:雷达资料进模式,对中高层的风场调整,改进对台风细微结构特征描述,加大近台风中心南侧的西风分量和近台风中心西侧的北风分量,从而改进云娜台风登陆后西行移动路径预报;对扰动温度、雨水混合率、云水混合率及水汽混合率场等调整,改善模式初始场台风中高层成雨条件,对台风降水预报,尤其暴雨的落区、降水分布及其随时间变化的预报有较大改进.     

雷达反演水汽在华南前汛期短时临近降水预报应用试验

为了改善数值预报模式短时临近降水预报能力,采用雷达水汽反演同化方案来提高模式初始水汽场质量。以华南精细预报模式对2013年5月进行了冷启动、热启动和热启动加雷达水汽同化等3个对比试验,并进一步详细分析2013年5月8—9日广东西南部到珠三角地区强降雨过程,探讨雷达反演水汽对短时临近降水预报的影响作用。分析结果显示3个试验结果反映精细模式冷启动不利于1~6 h的降水预报,模式热启动能较好预报前6 h的降水,但对随后预报效果不佳。在热启动的基础上,考虑同化雷达反演的水汽后,不仅较好模拟前6 h的降水,也可以预报出6~12 h的降雨带变化趋势。     

GPS ZTD资料同化对台风“利奇马”模拟的影响研究

2019年超级台风“利奇马”对我国东部地区造成了巨大灾害,针对台风“利奇马”,研究GPS ZTD资料同化对于台风“利奇马”登陆后降水预报的影响。在进行GPS ZTD资料同化试验前,采取了稳定性检查、极值检查、双权重检查、偏差订正检查等质量控制方法以改善资料的同化应用水平。模拟试验结果表明在同化探空、风廓线等常规资料基础上,增加质控GPS ZTD有效改善了初始场的水汽条件,使得低层水汽辐合更强,从而改进了台风外围雨带的预报。并且通过循环同化能够改善初始环流场,进而改进了台风路径的预报使得台风主体降水的位置得到改善。     

同化GPS可降水量资料在安徽地区暴雨预报中的应用

利用2014年5月10日08时和5月24日08时的中国GPS(Global Positioning System)可降水量资料、地面气象观测资料及探空资料,基于WRF(Weather Research Forecast)模式及其三维变分同化系统对安徽地区2014年5月10日区域性暴雨过程和5月24日局地性暴雨过程进行了同化研究。结果表明:同化GPS水汽资料能较好地改善WRF模式的湿度场,对风场的调整较小;同化探空资料和地面常规气象观测资料可以同时调整湿度场与风场,但对湿度场的改善效果明显不如同化GPS水汽资料。仅同化GPS可降水资料,可以改进暴雨落区和强度的WRF模式模拟预报效果;而同化探空资料和地面常规气象观测资料对暴雨落区与强度预报的改进效果低于仅同化GPS水汽资料;同时同化地面常规气象观测资料、探空资料和GPS可降水资料对暴雨强度与落区的预报效果改进明显,与实况更接近,暴雨预报的TS评分更高,空报率更低。     

基于WRF-EnKF系统的雷达反射率直接同化对台风“天鸽”（1713）预报的影响

利用基于中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)的集合卡尔曼滤波(EnKF,Ensemble Kalman Filter)同化系统直接同化广东地区雷达反射率资料,对2017年台风“天鸽”(1713,Hato)近海发展以及降水预报效果进行数值模拟分析研究。结果显示,直接同化雷达反射率资料后,台风的回波强度和范围有了明显改善,可更好地调整水汽场、水凝物和温度场。当台风风场和水汽场调整后,进入台风主体部分的水汽量显著增加,使得台风强度增强,台风中心最低海平面气压降低,与实况更接近。同化雷达反射率资料后,6 h和24 h降水强度和落区预报效果有显著改善,尤其是能提高大暴雨和特大暴雨量级的TS评分,此外地面2 m温度和2 m相对湿度的预报效果也有改进。      

雷达资料对0414号台风“云娜”数值预报的改进

利用美国CAPS的非静力高分辨率区域预报模式ARPS（先进区域预报系统）对0414号台风“云娜”进行数值模拟,模拟结果表明ARPS较好地模拟台风“云娜”的移动路径及台风大暴雨。并着重讨论新—代天气雷达资料对台风“云娜”数值模拟的影响,通过对雷达资料同化进模式与没有雷达资料同化进模式对比模拟的试验结果分析表明：雷达资料进模式,对中高层的风场调整,改进对台风细微结构特征描述,加大近台风中心南侧的西风分量和近台风中心西侧的北风分量,从而改进云娜台风登陆后西行移动路径预报;对扰动温度、雨水混合率、云水混合率及水汽混合率场等调整,改善模式初始场台风中高层成雨条件,对台风降水预报,尤其暴雨的落区、降水分布及其随时间变化的预报有较大改进。     

多源资料循环同化在台风“潭美”预报中的应用

为了检验不同观测资料在台风预报中的作用,以美国NCEP (National Centers for Environmental prediction)业务同化系统GSI (Grid Statistical Interpolation)为平台,选取2013年路径较复杂且登陆后降水持续较强的“潭美”台风过程为例,分别加入常规地面和高空观测资料、极轨卫星NOAA18、NOAA19、METOP-A和METOP-B资料,以及多普勒雷达基数据资料,探讨不同观测资料同化对台风的预报效果。同时,对台风采用Bogus初始化方案以及循环资料同化对台风路径和强度预报效果进行了对比分析。结果表明:常规观测资料对台风路径预报改善效果最明显,卫星资料的融入对海上台风路径的修正较好,而雷达资料则对台风登陆后的路径预报有改善;并且多源资料的融入效果最好。同时,采用Bogus方案可有效调整初始台风的位置和强度,从而对后期台风路径和强度预报有正效应。采用间隔6 h资料循环同化方法,可有效利用各时段资料,对台风路径和强度预报有较好的改善。      

APPLICATION EXPERIMENT OF ASSIMILATING RADAR-RETRIEVED WATER VAPOR IN SHORT-RANGE FORECAST OF RAINFALL IN THE ANNUALLY FIRST RAINY SEASON OVER SOUTH CHINA

A scheme of assimilating radar-retrieved water vapor is adopted to improve the quality of NWP initial field for improvement of the accuracy of short-range precipitation prediction. To reveal the impact of the assimilation of radar-retrieved water vapor on short-term precipitation forecast, three parallel experiments, cold start, hot start and hot start plus the assimilation of radar-retrieved water vapor, are designed to simulate the 31 days of May, 2013 with a fine numerical model for South China. Furthermore, a case of heavy rain that occurred from 8—9 May 2013 over the region from the southwest of Guangdong province to Pearl River Delta is analyzed in detail. Results show that the cold start experiment is not conducive to precipitation 12 hours ahead; the hot start experiment is able to reproduce well the first 6 hours of precipitation, but badly for subsequent prediction; the experiment of assimilating radar-retrieved water vapor is not only able to simulate well the precipitation 6 hours ahead, but also able to correctly predict the evolution of rain bands from 6 to 12 hours in advance.     

FY-3A微波资料在“莫拉克”台风预报中的同化试验

我国新一代极轨气象卫星FY-3A于2008年5月26日发射成功,携带的微波垂直探测仪与NOAA系列卫星的ATOVS性能相似。为研究微波垂直探测仪资料在台风数值预报中的作用,实现我国FY-3A卫星的微波探测资料的直接同化,达到改进台风预报的目的,利用FY-3A微波探测资料,以WRF-3DVar系统为基础,针对2009年第8号台风"莫拉克"路径和强度预报,开展数值预报直接同化技术研究。试验结果表明,直接同化FY-3A微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料,对缺乏观测资料的海洋上改进尤为明显,模式初始场更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,海上台风的模式初始位置也得到了校正;经过FY-3A微波资料三维变分直接同化后,区域中尺度模式对台风路径预报效果具有积极的改善作用。     

EXPERIMENTS ON ASSIMILATION OF INITIAL VALUES IN NUMERICAL PREDICTION OF A WARM-SECTOR PRECIPITATION IN SOUTH CHINA

In order to understand the impact of initial conditions upon prediction accuracy of short-term forecast and nowcast of precipitation in South China, four experiments i.e. a control, an assimilation of conventional sounding and surface data, testing with nudging rainwater data and the assimilation of radar-derived radial wind, are respectively conducted to simulate a case of warm-sector heavy rainfall that occurred over South China, by using the GRAPES_MESO model. The results show that (1) assimilating conventional surface and sounding observations helps improve the 24-h rainfall forecast in both the area and order of magnitude; (2) nudging rainwater contributes to a significant improvement of nowcast, and (3) the assimilation of radar-derived radial winds distinctly improves the 24-h rainfall forecast in both the area and order of magnitude. These results serve as significant technical reference for the study on short-term forecast and nowcast of precipitation over South China in the future.     

FY-3A SATELLITE MICROWAVE DATA ASSIMILATION EXPERIMENTS IN TROPICAL CYCLONE FORECAST

China’s new generation of polar-orbiting meteorological satellite FY-3A was successfully launched on May 26,2008,carrying microwave sounding devices which had similar performance to ATOVS of NOAA series.In order to study the application of microwave sounding data in numerical prediction of typhoons and to improve typhoon forecasting,we assimilated data directly for numerical forecasting of the track and intensity of the 2009 typhoon Morakot(0908)based on the WRF-3DVar system.Results showed that the initial fields of the numerical model due to direct assimilation of FY-3A microwave sounding data was improved much more than that due to assimilation of conventional observations alone,and the improvement was especially significant over the ocean,which is always without conventional observations.The model initial fields were more reasonable in reflecting the initial situation of typhoon circulation as well as temperature and humidity conditions,and typhoon central position at sea was also adjusted.Through direct 3DVar assimilation of FY-3A microwave data,the regional mesoscale model improves the forecasting of typhoon track.Therefore,the FY-3A microwave data could efficiently improve the numerical prediction of typhoons.     

风廓线雷达资料在GRAPES-Meso模式中的同化应用研究

以未来业务化应用为目标,本文进行了业务数值预报模式GRAPES_Meso（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中的风廓线雷达资料同化应用研究。基于2015年7月的全国风廓线雷达观测数据,首先建立了面向同化应用的风廓线雷达资料两步质量控制方案。通过对比分析质量控制前后风廓线雷达观测资料集与欧洲中心再分析资料ERA-Interim的差值场特征,论证了质量控制方案的合理性,两步质控后风场误差显著减小,同时观测背景差更接近高斯分布,符合数值同化应用假设。将质量控制后的风廓线雷达资料应用于GRAPES-3DVAR系统,开展有、无风廓线雷达资料同化的对比试验,通过批量试验和台风“莲花”个例分析来探讨风廓线雷达资料同化对数值预报的影响。研究表明:在循环同化过程中加入风廓线雷达资料对数值模式初始场有一定改善,风场、温度场、湿度场的分析误差均有减小,从而使短期降水（0～12 h）的预报技巧得以提高。针对台风暴雨个例分析结果表明,风廓线雷达资料同化能有效地调整台风降水区的动力结构和水汽分布,在模式中形成更有利于对流发展的环境条件,从而更好地预报降水的位置与强度。     

Assimilation of GPM Microwave Imager Radiance for Track Prediction of Typhoon Cases with the WRF Hybrid En3DVAR System

The impact of assimilating radiance data from the advanced satellite sensor GMI(GPM microwave imager) for typhoon analyses and forecasts was investigated using both a three-dimensional variational(3DVAR) and a hybrid ensemble-3DVAR method. The interface of assimilating the radiance for the sensor GMI was established in the Weather Research and Forecasting(WRF) model. The GMI radiance data are assimilated for Typhoon Matmo(2014), Typhoon Chan-hom(2015), Typhoon Meranti(2016), and Typhoon Mangkhut(2018) in the Pacific before their landing. The results show that after assimilating the GMI radiance data under clear sky condition with the 3DVAR method, the wind,temperature, and humidity fields are effectively adjusted, leading to improved forecast skills of the typhoon track with GMI radiance assimilation. The hybrid DA method is able to further adjust the location of the typhoon systematically. The improvement of the track forecast is even more obvious for later forecast periods. In addition, water vapor and hydrometeors are enhanced to some extent, especially with the hybrid method.     

卫星资料循环同化应用对区域数值预报效果影响分析

为提高卫星资料在同化系统中的利用率及验证卫星微波资料对区域数值预报效果的影响,本文以2008年8月1-31日为研究时段,利用WRF模式及其WRF-3DVAR同化模块,设计并构建了卫星微波资料的快速循环同化方案,分析循环同化方案对数值预报的改进效果.结果表明,相比于单时次同化,循环同化方案使各预报要素的相关系数在一定程度上得到改善,均方差也呈现减小的趋势.此外,对研究时段内暴雨和台风个例的具体分析显示,循环同化方案能够有效改善降水和台风路径的预报.