雷达径向风观测在华北区域数值预报系统中的实时三维变分同化应用试验

以实现业务应用为目标开展了区域多部雷达径向风观测资料的三维变分直接同化应用研究。重点对背景场误差协方差的方差和尺度因子进行调整,形成能够与其他常规观测资料协同同化的雷达径向风同化方案,并建立了京津冀6部多普勒雷达观测资料的实时预处理系统。基于上述工作开展2011年汛期京津冀多普勒雷达径向风观测资料在华北区域快速更新循环同化和预报系统中的实时同化和对比试验,并对应用效果进行了初步评估。实时同化试验期间京津冀地区6部雷达经过质量控制后的径向风数据质量和同化情况的分析结果表明,同化系统有效地吸收了雷达径向风的观测信息并形成合理的分析增量,其中,S波段雷达观测的径向风数据数量、质量和稳定度均明显优于C波段雷达;整体来看,雷达径向风同化对地面和高空要素预报性能的影响基本为中性,且主要影响时段集中在最初的6 h。但降水预报评分结果表明,雷达径向风同化从降水强度、落区和范围等方面均明显提升了系统对对流尺度降水的短时预报性能。同时也应该看到,受制于目前3 h一次的同化更新频率,雷达资料同化的效果往往到对流临近时次才能体现。     

基于雷达资料同化的飑线过程数值模拟试验研究

利用中尺度WRF模式及其3DVAR同化系统对2014年3月30日发生在我国华南地区的一次飑线过程展开多普勒天气雷达资料的同化效果试验研究。首先对雷达资料进行去地物杂波、退速度模糊等预处理,后设计了基于不同雷达观测量的同化试验及同化频次的敏感性试验。结果表明:直接循环同化雷达径向风资料和雷达反射率因子能够增加数值模式中的中小尺度信息,提供可靠的水汽分布;不同的同化频次对同化结果影响显著,每12 min同化间隔的结果略优于30 min、60 min同化间隔;同化雷达反射率因子和径向风资料分别对模式的总水场和风场有显著调整,联合同化雷达反射率因子和径向风资料比单独同化反射率因子或径向风更能改善飑线垂直结构配置,促使地面冷池和雷暴高压配合,进一步改善模式对大雨和暴雨量级降水预报效果。     

雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值模式预报系统中的同化应用研究

以业务应用为目标,开展雷达反射率三维拼图观测资料在北方区域数值预报系统中的同化应用研究。采用雷达反射率间接同化方法同化北方雷达反射率拼图观测资料,重点关注其对降水、湿度、温度及风的预报能力影响。首先,基于2017年8月雷达拼图观测资料批量同化和对比试验,对雷达拼图资料同化应用效果进行定量评估,结果表明雷达拼图资料同化虽然加大了地面风场预报误差,但在降水预报和湿度、温度预报等方面有明显的改善作用。其次,选择在业务中预报难度较大的强降水个例开展分析研究,分析表明:（1）同化雷达拼图观测资料有效提高了模式降水预报性能,临近降水发生的循环起报时次预报效果更好;（2）对于短时间多次强降水过程发生的预报,循环同化雷达拼图资料可及时弥补模式中由于前次降水导致的水汽、能量等消耗及热/动力条件削弱,持续支持降水系统发展。最后,通过考察雷达反射率的不同同化方案,发现同化反演水凝物或者估计水汽均能改善模式降水预报性能,但是同化估计水汽对降水预报性能的改善更为明显,联合使用两方案能同时对水凝物分布、热力场等进行调整,可提高模式降水预报性能。      

多部多普勒天气雷达资料同化对暴雨个例模拟的影响分析

利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)及其资料同化系统3DVAR,将国内多普勒天气雷达(CINRAD)反射率因子及径向风资料直接用于中尺度数值模拟;对安徽梅雨期一次暴雨过程进行模拟试验,经过质量控制后,分析同时同化安徽省内六部多普勒天气雷达观测资料对模拟结果的影响。结果表明:(1)经过质量控制后,同化雷达径向风和反射率因子对初始场的风场和湿度场均有较为明显的改善,说明用该雷达资料质量控制方案同化雷达资料是可行的;(2)同化多部雷达径向速度资料能使风场气旋性增强,同化反射率资料能调整初始水汽场,使对流层中下层水汽含量增加;(3)同化多部雷达径向风和反射率因子资料,能提前模拟出强降水回波结构,且其中尺度特征更清晰,降水落区和强度预报更接近实况,同化雷达资料对降水预报能持续影响到12 h,并提高了12 h降水预报准确率。     

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。     

多普勒天气雷达资料在数值模式ARPS中的试验

利用中尺度预报模式ARPS及其资料分析系统ADAS和三维变分同化系统ARPS3DVAR,直接加入多普勒天气雷达基数据反射率因子和径向速度资料进行数值预报试验。试验包括：控制试验、反射率因子同化试验、径向速度同化试验,两种资料同时同化,多时次连续同化等试验。通过模拟2009年7月7日发生在江苏省附近一次暴雨过程,分析了多普勒天气雷达反射率因子和径向速度资料不同组合的加入对改进模式初始湿度场、风场及预报结果的影响。结果表明：同化雷达反射率因子和径向速度资料,分别对湿度场和风场有显著调整;同时同化两种资料比单独同化在2 h内更显优势;多时次连续同时同化两种资料的试验比起其他试验预报的风速更接近探空风速,预报的降水位置与雷达3 h累积降水产品较为对应,但降水量的预报仍有偏差。     

CMA-MESO关键技术集成及应用

基于GRAPES-MESO 10 km系统,提高模式动力框架计算精度和稳定性,选择调试适合高分辨率模式的物理过程参数化方案组合,建立面向数值天气预报的全国雷达质量控制拼图系统,通过云分析系统融合全国三维组网反射率因子拼图,建立面向中小尺度系统的对流可分辨同化系统和陆面资料同化系统,实现雷达径向风、风廓线雷达、FY-4A成像仪辐射率、卫星云导风、卫星GNSSRO、地面降水观测以及近地面资料等非常规局地稠密资料的同化应用,发展快速循环技术,建立全国3 km间隔3 h的快速循环同化预报系统——CMA-MESO（GRAPES-MESO 3 km）并实现业务化运行。2020年6—9月汛期业务检验结果表明:CMA-MESO预报的近地面要素（降水、2 m温度、10 m风场）检验评分全面超越GRAPES-MESO 10 km结果;CMA-MESO的24 h累积降水TS评分略低于欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的结果,但逐3 h累积降水预报TS评分尤其是对于较大降水阈值评分明显优于ECMWF结果;同时,对于能够表征模式对降水时空精细化特征预报能力的降水频次和降水强度等检验,CMA-MESO对我国汛期的预报准确率超过了ECMWF细网格模式结果。     

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.     

雷达资料的3DVAR和EnSRF直接同化方法对一次暴雨预报的影响分析

利用合肥站雷达资料和NCEP再分析资料,采用WRF模式、WRF-3DVAR和WRF-En SRF同化系统设计了直接同化雷达径向风和反射率的试验,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟分析。结果表明:(1)同化雷达径向风资料可以增加暴雨区低层的扰动,增强对流运动,同时可以减少模拟的过量降水;(2)3DVAR同化方法对水平风场调整明显,同化反射率改进了模式中的微物理量和动力场,同时同化径向风和反射率可以更好地调整风场,改善模拟雷达回波带的强度和位置;(3)En SRF同化方法可以将更多小尺度的风场信息同化进入模式,单独同化反射率可以较准确预报出降水中心,同时同化径向风和反射率可以改进模拟雷达回波带的位置;(4)使用3DVAR和En SRF同化雷达径向风和反射率可以提高降水预报,改善雨带的范围,对降水中心位置和强度的预报也有改进。     

闪电资料同化对河南郑州“7.20”特大暴雨预报的影响

研究了闪电资料同化对2021年7月20日河南郑州特大暴雨短临预报的影响。利用天气研究与预报（WRF）模式的三维变分（3DVAR）数据同化系统（WRFDA）,开展了两组循环同化试验：（1）同化地面和探空常规观测资料（包括风速、风向、温度和气压）的试验（CONV）;（2）同化常规观测资料和由闪电资料反演的伪相对湿度的试验（LGDA）,并与无资料同化的试验（NoDA）进行对比。结果表明,CONV的分析场和NoDA都未能模拟出强对流系统的回波结构,但由于LGDA增加了对整层大气的湿度场的调整,其分析场在闪电发生位置处的水凝物增量较大,相对湿度和反射率的分布情况与中国全球大气再分析资料（CRA）及雷达反射率观测值最接近。降水预报方面,LGDA显著提高了大暴雨雨带（6 h累积降水量≥50 mm）和强降水中心（6 h累积降水量≥200 mm）位置和强度的预报效果,对本次强降水过程的预报起到了积极作用,尤其是对前3 h的降水预报。     

雷达资料同化在局地强对流预报中的应用

采用ARPS模式的资料分析系统ADAS同化多普勒雷达径向速度和反射率因子资料,分析两者对初始场的改进作用,并应用于WRF中尺度模式中对2012年8月21日江西省一次局地强对流过程进行了模拟试验。分析结果表明:（1）ADAS同化系统能够利用雷达径向速度和反射率因子资料有效增加初始场中的中小尺度风场信息和云、水物质含量,并通过湿绝热或非绝热初始化对温度场、湿度场和风场进行调整,使初始场在动力和热力上达到平衡。（2）同化径向速度后对改善模式初始场的动力场有重要贡献,而对大气水凝物和降水的预报影响较小;同化反射率因子的主要作用是调整初始场中的水凝物场和热力场,有效缩短了模式的“ spin-up”时间,明显改进了定量降水预报;同时同化雷达径向速度和反射率因子后,初始场中快速调整出了中小尺度风场水平辐合、垂直运动以及合理的温、湿分布,对3小时内雨带形状、降水落区及定量降水的预报与实况更接近。（3）模拟试验表明,同时同化径向速度和反射率因子能成功模拟出本次对流单体风暴的中β尺度三维空间分布结构及其演变过程,中低层切变线的辐合抬升强迫作用是对流单体风暴组织、发展和维持的主要动力机制之一,对流凝结潜热加热在对流单体风暴的发生发展中发挥了重要作用。因此,雷达资料同化对提高临近数值天气预报的准确率以及对强对流天气系统的模拟能力具有重要意义。     

ANALYSIS OF THE EFFECT OF 3DVAR AND ENSRF DIRECT ASSIMILATION OF RADAR DATA ON THE FORECAST OF A HEAVY RAINFALL EVENT

The present study designs experiments on the direct assimilation of radial velocity and reflectivity data collected by an S-band Doppler weather radar (CINRAD WSR-98D) at the Hefei Station and the reanalysis data produced by the United States National Centers for Environmental Prediction using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the WRF model with a three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation system and the WRF model with an ensemble square root filter (EnSRF) data assimilation system. In addition, the present study analyzes a Meiyu front heavy rainfall process that occurred in the Yangtze -Huaihe River Basin from July 4 to July 5, 2003, through numerical simulation. The results show the following. (1) The assimilation of the radar radial velocity data can increase the perturbations in the low-altitude atmosphere over the heavy rainfall region, enhance the convective activities and reduce excessive simulated precipitation. (2) The 3DVAR assimilation method significantly adjusts the horizontal wind field. The assimilation of the reflectivity data improves the microphysical quantities and dynamic fields in the model. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can better adjust the wind fields and improve the intensity and location of the simulated radar echo bands. (3) The EnSRF assimilation method can assimilate more small-scale wind field information into the model. The assimilation of the reflectivity data alone can relatively accurately forecast the rainfall centers. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can improve the location of the simulated radar echo bands. (4) The use of the 3DVAR and EnSRF assimilation methods to assimilate the radar radial velocity and reflectivity data can improve the forecast of precipitation, rain-band areal coverage and the center location and intensity of precipitation.     

多普勒天气雷达资料对中尺度模式短时预报的影响

利用中尺度模式ARPS(The Advanced Regional Prediction System)及其资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis System),将国内新一代多普勒雷达(CINRAD)反射率及径向风资料直接用于中尺度数值模拟,通过一次华北地区暴雨过程的模拟对比试验,分析了雷达资料对初始场的改进效果及其对模拟结果的影响,结果表明:(1)利用雷达径向风资料对初始风场进行调整后,自近地面到对流层顶的u,v,w都发生了变化,调整后的初始风场在对流层中层变化最大.(2)利用雷达反射率进行微物理调整和云分析能调整初始场中的云水信息,使得雷达回波附近3 km以下的水汽混合比(qv)增加,4 km以下的雨水混合比(qr)增加,对流层(约10 km以下)的云水混合比(qc)增加,4～9 km的对流层上部云冰混合比(qi)和雪混合比(qs)增加.ADAS通过非绝热初始化调整温度场,从而得到了一个动力和热力上平衡的初始场.(3)模拟的1 h雨量与实况的对比表明,同时利用雷达反射率和径向风改进过的初始场能明显增强3 h内的降水强度和落区预报,改善中尺度数值模式短时定量降水预报.模拟的1 h流场对比分析表明,经雷达径向风调整后,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,明显减少模式的spin-up时间.(4)通过对雷达径向风和反射率对模式初始场和模拟结果影响的对比分析发现,雷达径向风主要是改进初始风场,而雷达反射率主要是改进初始场中的湿度参数,增加初始场中云水等的含量,调整温度场.通过模拟的6 h降水对比发现,利用雷达径向风调整初始场后,对降水模拟有一定的改进,但效果不甚明显,而雷达反射率资料对定量降水预报改进效果明显,同时使用雷达径向风和反射率资料改进初始场后对降水的模拟效果最明显.     

多普勒雷达资料同化在“7.21”北京特大暴雨个例中的应用

基于WRF(Weather Research Forecast)模式和GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统,研究了同化4部多普勒雷达探测资料对"7.21"北京特大暴雨过程中降水预报的改善作用。GSI系统直接同化径向风,而采用云分析的方式间接同化反射率。2012年7月20日21时—21日00时(世界时)雷达探测资料同化试验采用30 min循环同化径向风和反射率资料。结果表明,循环同化雷达探测资料改善了短时(0—6 h)和短期(0—24 h)降水预报,ETS评分提高了约0.2。同化反射率资料增加了初始场的水凝物,改善了温度场分布,直接影响了降水的形成,同时还使650—250 hPa位势高度的均方根误差平均降低了8 gpm。直接同化径向风资料对中尺度风场产生了一定影响。ETS评分结果表明:同化反射率资料的效果要优于同化径向风。     

EnSRF雷达资料同化对一次强对流天气模拟的影响研究

利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)模式和具有流依赖背景误差协方差的集合均方根滤波(Ensemble Square Root Filter,简称En SRF)方法,通过同化多部多普勒雷达资料,对2013年6月23日的强对流天气过程进行了研究。首先对比同化试验和观测的组合反射率因子,检验了同化效果。通过计算均方根误差和离散度,进一步定量评估了同化结果。再对比模式变量,综合分析了En SRF雷达资料同化对模式热力、动力、湿度和微物理量等变量的影响。最后对集合平均场进行1 km的高分辨率数值模拟。结果表明:En SRF能够同化出与观测类似的对流系统,且减弱了南北部的虚假回波。径向风和反射率因子的均方根误差明显减少。En SRF雷达同化能够明显优化模式的初始场,同化试验的回波在垂直方向上范围增加,强度偏弱。在强对流区域,低层的冷池温度最多降低6 K,相对湿度最多增加30%。对流区域的雨水、冰晶和雪的混合比均有明显增加。模拟发现同化试验能够较好地模拟出对流系统的结构和位置。     

雷达资料同化对2016年6月23日阜宁龙卷模拟的改进

基于GSI（Community Gridpoint Statistical Interpolation）同化系统和WRF（Weather Research and Forecasting）模式,探讨了多部多普勒雷达的反射率因子和径向速度资料同化对2016年6月23日江苏阜宁龙卷模拟的改进效果和影响过程。结果表明:（1）仅同化雷达反射率因子和仅同化径向速度均能在一定程度上改进模式对阜宁龙卷及其环境场的模拟,且雷达径向速度同化的改进作用更大;同时同化两种资料改进效果最佳。（2）雷达反射率因子同化是利用复杂云分析技术,直接修正了水凝物含量,增加了潜热释放,对低层大气热力场进行了正温度扰动调整,从而主要改进了初始场的水汽条件和热力条件;而雷达径向速度同化通过三维变分技术直接修正了风场,进而引起水汽输送变化影响水凝物的调整和大气热力场的变化,对初始场的动力条件和热力条件修正较大;同时同化两种资料修正了初始场的动力和热力结构,保证了两者物理上的协调,综合了两者的改进作用,从而取得最佳模拟效果。（3）同时同化雷达反射率因子和径向速度后,模式在阜宁附近模拟出了明显的涡旋结构,尽管涡旋强度和龙卷结构与实况仍有一定差距,但涡旋发生发展过程、路径、地面小时极大风和降水等模拟与实况吻合度均明显高于对照试验。      

新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究

地物回波直接影响雷达定量探测降水物质以及雷达资料同化的应用，基于回波纹理变化以及径向速度参数开展新疆C波段多普勒雷达地物回波识别方法应用研究。通过雷达探测范围内第一层至第三层仰角地形遮挡与FY-2H总云量信息，对不同天气条件下新疆伊宁、喀什两部雷达低层仰角的地物回波识别方法效果进行定性分析，结果表明：晴空天气条件下，该方法不仅能够有效识别雷达站附近的地物回波，同时对因地形遮挡引起的地物回波也能进行有效识别；在降水天气条件下，能够有效识别地物回波且未对降水回波造成误判；高分辨率的地形数据以及卫星产品对雷达地物回波的识别有一定指导意义，可作为判定因子进一步改进雷达质控方法。