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。     

同化多普勒雷达风资料的两种方法比较

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的三维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,比较了两种不同的同化多普勒雷达径向风资料的方法。一种是WRF 3D-Var系统现有的径向风资料直接同化方法;另一种是首先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场。针对2003年7月4~5日的一次淮河暴雨过程进行的同化试验结果表明,同化了雷达风资料后得到的水平风场包含了更多的中尺度特征;从降水预报评分和预报的雷达回波来看,两种方法都能够明显改进降水预报,这种正作用能维持6 h左右;相对而言,同化反演的水平风场的效果略优于直接同化雷达径向风的效果。     

三维变分方法反演风场的效果检验

为研究三维变分方法反演风场的能力、在不同天气系统中的适用性以及在实际业务工作中的应用潜力,利用广州、深圳、海口、湛江、龙岩和厦门六部多普勒天气雷达构成三个双多普勒雷达系统,选取热带风暴、飑线和层状云降水三种不同类型的天气过程。以双多普勒雷达反演的风场为"真值",对风场三维结构进行了对比分析,并根据绝对误差、均方根误差和相关系数进行了定量的效果检验。结果表明,使用双雷达资料进行三维变分方法反演获得的风场结构与各类型天气的基本特征一致,能够较好地反演出飑线系统低层强对流区前缘阵风锋处的风场辐合以及热带风暴的气旋式环流。基于单部雷达资料和双雷达资料得到三维变分风场对比表明,使用单部雷达资料不能很好地表现强天气过程中的风场结构,对热带风暴的涡旋结构和飑线系统内部的辐合线结构的反演效果都较差,只有在风向沿雷达径向时才能得到较准确的风场结构;同时使用两部雷达资料进行风场反演,不仅降低了水平风向的反演误差,而且解决了单雷达反演风场时,雷达径向风分量反演结果较好、切向风分量反演结果较差的问题。误差分析结果表明水平风速和水平风向的反演结果都比较可靠,层状云降水的风场反演效果优于热带风暴和飑线系统的风场反演效果。     

利用3维变分方法同化多普勒天气雷达资料的试验研究

以美国新近研发的天气研究预报模式(WRF)配置的3维变分同化系统WRF 3D-Var为平台,针对2003年7月4-5日的一次暴雨过程进行了一组同化多普勒天气雷达径向风和回波强度资料的试验研究.其中同化径向风资料的方法是先用两步变分法由多普勒资料反演出水平风,再同化反演风场;同化雷达回波强度资料的方法是通过雷达回波强度与雨水混合比的经验关系以暖雨过程为约束的同化方法.试验结果表明同化雷达资料后对降水预报有显著的正作用.其中单独同化雷达回波强度资料的正作用在前3～6 h效果非常显著;单独同化反演的水平风场对降水预报的正作用能持续12 h;二者同时同化对提前9 h的降水预报改进更加明显.     

应用雷达回波强度资料反演大气云微物理量

文中利用三维变分原理 ,由多普勒天气雷达回波强度反演模式大气的雨水混合比 qr,分析变量 qr 的确定取决于对目标函数的极小化计算 ,目标函数由分析变量 qr 与 qr 的背景场之差 ,以及由分析变量演算的大气回波强度与雷达观测的回波强度之差构成。采用所谓的NMC方法求取模式变量的背景场误差协方差矩阵 ,采用二阶自回归型相关函数确定空间水平变换中的递归滤波系数以适用于反映积云结构的小尺度空间。通过理想数值试验 ,验证了变分同化系统和结果的合理性 ,由敏感性试验说明了雷达观测的回波强度随机误差对于反演的qr 值有一定的影响。对 2 0 0 2年 6月 19日安徽省马鞍山市一次多普勒雷达实际观测数据的个例试验表明 ,经过变分同化反演后的积云尺度模式大气的 qr 场与观测的雷达回波图像的细节相吻合。     

多普勒雷达资料4DVAR同化反演的模拟研究

利用Sun等建立的同化模式和四维变分同化方法对多普勒雷达资料反演大气风场、热力场和微物理场进行了模拟试验研究.反演的基本思路是将4DVAR同化方法应用到三维云模式,定义价值函数表征雷达资料与模式预报结果之间的差别,通过极小化价值函数得到反演场,价值函数相对模式控制变量的梯度由伴随模式求取.试验结果表明,4DVAR同化技术能够从单(双)多普勒雷达资料反演大气三维风场、热力场和微物理场.各个变量反演精度高低与同化过程中变量受约束的大小程度呈正相关.速度场和雨水场反演精度较高,温度场、云水和水汽的反演精度次之,温度场的准确反演需要较长的同化时间.价值函数中加入背景场,哪怕是单点探空给出的平均场信息也有利于提高反演精度.在采用单部多普勒雷达资料进行反演时,速度场的反演误差较大.反演区相对雷达站的位置变化对速度场反演结果有一定的影响,而对其他变量的反演影响很小.两个时次的雷达观测资料基本足够提供反演所需的时间演变信息,同化更多时次的雷达资料,反演效果改进很小.雷达观测资料的缺值会显著降低同化效果,甚至可能导致同化失败,引入背景场可以改善这一状况.4DVAR同化技术对于雷达观测资料误差不太敏感.利用双多普勒雷达合成风场提供水平风场边界条件是比较准确可靠的.在反演主体离边界较远时,VAD风场也基本可用作水平风场边界条件.微物理场的反演对模式中的微物理参数化方案较敏感.     

多普勒雷达资料在冷涡强对流天气中的同化应用试验

应用WRF模式的三维变分同化系统(WRF-3DVAR),对沈阳多普勒天气雷达资料在东北冷涡暴雨个例中的同化应用进行了试验.研制了多普勒雷达资料质量控制系统,实现了对径向风和反射率因子的直接同化,不但可以反演中尺度三维气象要素场,而且可以为模式提供初始场.以天气尺度资料为背景场同化多普勒雷达资料,WRF-3DVAR可以较好地反演冷涡中尺度对流系统的三维结构,反演的地面强对流辐散气流及在对流层中层涡旋都符合中尺度系统概念模型,通过与实际地面探测资料进行了对比,风场环流基本接近,同化了雷达资料的气象要素场可为预报业务提供较好的包含中小尺度系统的实时三维分析场.通过冷涡个例同化试验,应用WRF-3DVAR同化雷达资料后,中尺度模式对对流降水的预报总体有正的影响,对强对流中的一些中小尺度雨团的预报也略有改善.     

反演同化和直接同化多普勒雷达径向风的对比试验

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程,以NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用WRF(weather research and forecasting)模式及其三维变分同化系统,对雷达径向风和E-VAP(extended velocity azimuth processing)反演的水平风场进行了直接同化和反演同化试验,结果表明:直接同化雷达径向风资料后,增加了初始风场的中小尺度信息,改善了垂直速度条件,且在风场作用下水汽分布得到改善;反演同化资料虽然能增加初始场的中小尺度信息,但效果不如直接同化明显;无论直接同化还是反演同化都能改善降水预报,但直接同化好于反演同化,且间隔5～6 min比30 min的直接同化模拟效果好.     

"7·8"特大暴雨过程雷达风场资料的三维变分同化研究

基于中尺度暴雨预报模式AREM和三维变分同化系统GRAPeS-3dvar对2003年7月8日发生在长江中游的一场特大暴雨过程,进行了武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化研究,结果表明:(1)增加了武汉、宜昌多普勒雷达反演风场资料后,模式对湘-鄂交界处特大暴雨区的模拟效果改善非常显著.(2)分别单独增加武汉、宜昌多普勒雷达风场资料的三维变分同化后,降水模拟都有明显改进,但要差于对两部雷达风场资料同时进行变分同化的结果,表明同化的中尺度初始风场信息越多,初始场的质量越高,降水模拟效果越好.(3)雷达风场资料的三维变分同化,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,使得模式在积分初期就能模拟出与实况相近的强降水.     

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。     

亚洲夏季风各子系统主要变率相互关系初析

使用NCEP/NCAR再分析资料和CMAP月平均降水资料分析了亚洲夏季风各个子系统的相互关系。结果表明亚洲夏季风子系统之间存在显著相关。从同期强度变化可知,当东亚季风偏强时,大尺度亚洲季风、东南亚季风、南亚季风均偏弱,相关区域降水偏少;而同时大尺度亚洲季风偏强时,东南亚和南亚季风偏强,相关区域降水偏多;东南亚季风偏强时,南亚季风偏弱,南亚地区降水偏少;反之亦然。从不同周期强度变化可知各个子系统相关仍然显著。      

THE ANALYSIS OF THE RELATIONSHIP BETWEEN THE SUBSYSTEMS OF THE ASIAN SUMMER MONSOON

In this study, the relationship between the subsystems of Asian summer monsoon is analyzed using U.S. National Centers for Environmental Protection/National Center for Atmospheric Research reanalysis and Climate Prediction Center Merged Analysis of Precipitation monthly mean precipitation data. The results showed that there is significant correlation between the subsystems of Asian summer monsoon. The changes of intensity over the same period show that weak large-scale Asian monsoon, Southeast Asia monsoon and South Asian monsoon are associated with strong East Asian monsoon and decreasing rainfall in related areas. And when the large-scale Asian monsoon is strong, Southeast Asia and South Asia monsoons will be strong and precipitation will increase. While the Southeast Asia monsoon is strong, the South Asia monsoon is weak and the rainfall of South Asia is decreasing, and vice versa. The various subsystems are significantly correlated for all periods of intensity changes.     

北半球大气臭氧和气温的关系

本文根据北半球21个臭氧站1979年7月1—31日逐日日平均臭氧总量与日平均10—200hPa气温资料,分析了逐日臭氧变化与气温变化的相互联系和影响。结果发现,臭氧总量变化落后于50—200hPa层气温变化,超前于5—50hPa层气温变化。     

热带东、西风界面附近的扰动流场

在正压无辐散的条件下,讨论了东、西风不连续面上的正压不稳定性,得出:在这种情形下,东、西风界面上的扰动总是不稳定的。文中用小参数的方法,对界面附近扰动发展的非线性问题进行了计算,算到二级近似。结果表明,非线性过程引进短波长的谐波。界面的变形和扰动随时间增长较快,经过0.5天,界面有很小的变形,附近只有很弱的闭合环流;到1.5天,界面变形显著,环流范围增长达300公里,而且短波占主要部分,界面北侧东风气流中的气旋式环流进一步发展,风速也显著增强。     

中国西部干旱地区太阳直接辐射通量密度与大气质量的关系

本文根据中国西部干旱地区大气物理状态(大气可降水量和大气浑浊度)的变化范围,利用太阳直接辐射通量密度的理论计算公式,计算了各种大气透明系数状况下的太阳直接辐射通量密度。计算结果表明,大气质量m=2时的透明系数P_2和m相同时,由于水汽和气溶胶的含量配置不同而引起太阳直接辐射通量密度的差异,在辐射日变程的主要时段(m=1-3)内并不大。于是得到各种透明系数P_2状况下太阳直接辐射通量密度随大气质量变化的平均关系。不同海拔高度比较,当透明系数P_2相同时,各自的大气物理状态虽然不同,但m相同时的太阳直接辐射通量密度基本相同。现有的表征太阳直接辐射通量密度值和大气质量联系的关系式都不能很好地描述计算结果。根据太阳直接辐射通量密度随大气质量变化的特性,我们提出了新的关系式。最后,整理了不同拔海高度和不同地理景观的四个日射站(西藏那曲、青海格尔木、甘肃敦煌和民勤)的多年观测资料。经验计算结果与观测值比较,一致性良好。     

从大氣環流變化論東亞过渡季節的來臨

自然季節的劃分無論是在氣候学工作上和天氣預告,特别是中、長期預告工作上都是一個很重要的問題。 我國勞動人民从很古的時候就把天文現象和产業生产的实踐結合起來劃分季節。近代从氣象观測的科学工作建立以後,人們更科学地依據大量的氣候資料按照     

1986年夏季西藏东部近地层湍流输送特征的分析

本文以1986年夏季西藏高原气象实验(TIPMEX-86)期间获得的资料为基础,运用廓线方法,计算了实验期间感热、潜热和动量湍流通量并分析了与通量输送有关因子的变化。分析结果表明,各种湍流通量都有明显的日变化、日际变化和旬变化。7月份感热通量比6月份大约减少了2/3以上。计算得出那曲6月13—28日拖曳系联C_d的平均值为0.0052,同期感热通量的整体输送系数C_h为0.0075;而拉萨6月11日—7月20日C_d的平均值为0.0056,同期C_h的平均值为0.0085。根据整体输送系数和各种有关因子的关系分析表明,C_d,C_h不可能用一个常数代表,它们不仅仅是风速的函数,而且其变化还包含了稳定度、风速梯度、温度梯度的综合效应。     

夏季西太平洋副热带高压的振荡

本文用1965年,1976—1985年夏季(6—8月)500hPa逐日西太平洋副热带高压脊线位置的复经验正交函数(CEOF)展开讨论了夏季西太平洋副热带高压的振荡特征。发现西太平洋副热带高压主要存在15—20d以及10d左右的振荡周期,它们一般都是从西太平洋的东部(180°E)向西部(110°E)传播的,其速度为5—7long./d。西太平洋副热带高压10d以下的短周期振荡一般自西(110°E)向东(180°E)传播。其东西部的振荡呈反位相。15—20d周期的振荡能量主要集中在西太平洋东、中部(150—170°E),而10d左右周期的振荡能量主要集中在西太平洋的西部(120一140°E)。一般6月下旬至7月中旬是西太平洋副热带高压的低振荡能量期,而7月中旬以后有一段高振荡能量期。