多源数据融合系统LAPS的研究进展及其在实况数据服务中的应用

随着我国气象观测网建设的稳步发展,观测数据的时空密度大大提高,但各数据源时空代表性差异大,将多源数据结合起来开展融合分析是国内外的研究热点之一。由美国NOAA开发的局地分析与预报系统(LAPS),可以参考每种资料来源的可信度,分析得到三维的、高分辨率格点数据。LAPS系统具有代码开源、分析算法完整、框架灵活等特点,能够较快地调整以适应国内的观测和业务环境,因而有较多的研究和业务应用。回顾了LAPS融合系统的研究进展,特别聚焦于其在实况数据服务中的应用。     

局地分析预报系统在GRAPES模式中的应用

在分析美国局地分析预报系统 (LAPS) 和GRAPES_Meso数值预报系统,实现GRAPES-LAPS接口的基础上,通过两种数据融合方案,即GRAPES/LAPS方案 (简称LAPS方案) 和GRAPES/3DVAR方案 (3DVAR方案),对2008—2010年华南地区的28个个例的地面、探空常规和加密资料,以及多部多普勒天气雷达数据等融合、同化,开展两种方案的对比模拟试验。结果表明:LAPS方案获得的初始场,水汽条件有所改善,其辐合辐散相耦合触发中小尺度系统发展加强的中尺度环境场,有助于提高模式对强对流天气的预报能力。两种方案的24 h要素场均方根误差检验结果和降水TS评分大体相当,但28个个例中,LAPS方案报出了10个暴雨,而3DVAR方案只报出了5个,LAPS方案的中雨、大雨和暴雨的24 h降水预报TS评分要略好于3DVAR方案相应预报的TS评分,表明LAPS方案对强降水的预报较3DVAR方案有一定改进。     

多源观测数据在LAPS三维云量场分析中的应用

该文将我国FY-2C气象卫星通道数据、地面观测数据、雷达数据融合进入LAPS (Local Analysis Prediction System) 三维数据分析系统中,获得了三维云量场分布,并采用北京地区2009年11月9日08:00(北京时,下同) 和华南地区2008年6月12日14:00个例,设计了5种试验对LAPS融合的云量场进行分析。结果表明:LAPS云分析中,地面观测对云底结构起主要订正作用,雷达观测对云中、低部信息起主要订正作用,而卫星云图数据对云顶分布订正效果显著,卫星资料是获得客观三维云量场不可或缺的数据。     

地闪资料在LAPS云分析中的应用研究

为进一步研究闪电活动特征,利用ADTD闪电定位资料、静止气象卫星葵花八号等气象资料,对2016年7月20日一次强对流天气过程中的闪电活动进行分析,探讨闪电活动与LAPS云分析场的关系,探索地闪资料在LAPS云分析中的应用。结果表明,地闪活动集中区域对应着强降水区,降水峰值与闪电活动峰值为重合的现象;大部分闪电发生处于对流云系影响范围之内且对应了中高层次的云顶性质;在LAPS云分析场中地闪活动频繁的区域,云柱更为厚实且出现了更为强烈的上升运动,水汽也更为充沛,闪电活动与积雨云的对应关系不仅可以反向验证卫星反演的云分类产品,也可以对LAPS三维云场进行订正和调整,并作为多源数据融合云分析的补充资料。     

LAPS资料在人工影响天气中的应用初探

通过对LAPS资料应用于人工影响天气的作业天气预测、作业条件判别、作业技术参数确定、效果评估以及云降水数值模拟研究的可行性分析,初步探讨了其应用方法;以个例分析了LAPS的温度场、高度场资料、水汽、云宏/微观产品以及衍生的对流有效位能、抬升指数、对流抑制能量等物理量资料对防雹作业天气过程的预测潜力及其在人工增雨作业服务中的应用效果。结果表明：LAPS资料提供的物理量产品可为人工影响天气作业指挥提供高时空分辨率的数据信息,在防雹作业天气预测上具有一定优势,并可方便准确地确定增雨作业区域、催化部位和催化剂量,从而增强作业方案设计的科学性和可操作性。     

LAPS在冰雹云模拟中的应用

LAPS是中国气象局武汉暴雨研究所引进的中尺度分析系统,能融合区域内多种非常规观测资料,提供高分辨率中尺度分析场。该文对探空资料和LAPS分析场两种初始场的大气层结和环境风场信息进行了比较,并应用探空资料和不同时次的降雹点的LAPS分析场作为三维对流云模式的初始场对2008年7月27日、28日湖北西部山区冰雹天气过程进行数值模拟,并将模拟结果与观测实况进行了对比分析,最后对27日降雹过程应用临近降雹时次的LAPS分析场作为云模式初始场模拟的回波、风场和垂直速度等特征进行了分析,以探讨LAPS用于云数值模式的适用性、优越性以及冰雹云发生发展特点。结果表明: LAPS输出场用于云模式初始场进行冰雹云数值模拟具有时空上的优势,能更好地模拟出午后局地降雹,可以弥补探空资料作为云模式初始场的不足,应用临近时次的LAPS分析场作为云模式初始场的数值模拟能体现出冰雹云发展过程中多次增强等细节,有利于人工防雹作业预警和催化方案的确定。     

LAPS同化GPS/PWV资料在暴雨预报中的应用研究

利用LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统同化GPS(Global Positioning System)/PWV(Precipitable Water Vapor)资料,分析GPS/PWV资料对LAPS输出场的影响,并结合WRF模式,将LAPS输出场作为其初始场进行降水预报,进一步考察GPS/PWV资料对降水预报的作用。选取2009年6月28日湖北地区的一次强降水过程,设计三种方案进行试验。结果表明:同化GPS/PWV资料后对LAPS湿度场有显著的改善,而对高度场及风场的作用则不明显;GPS/PWV资料对区域平均可降水量的影响比雷达资料大一个量级;与此同时,利用多种评分方法对6 h累计降水做了检验,分析结果表明同化GPS/PWV资料能够有效地改进WRF模式的初始场,增加丰富的中小尺度信息,并对随后的确定性预报产生正影响。     

LAPS云分析中卫星资料的应用及对GRAPES模式短时预报的影响

通过2013年5月16日广东暴雨个例,利用LAPS分析系统在GRAPES背景场的基础上融合了地面、探空、雷达和卫星资料,比较了LAPS分析系统是否融合卫星资料的云微物理变量(云水、雨水、云冰、云雪)差异;进一步对比讨论了模式提前6 h滚动预报与LAPS反演的云微物理变量的异同,在此基础上探讨了两者对模式降水预报的影响。结果发现,LAPS分析系统融合了卫星资料后,能较好地再现中尺度云团的形态和强度,且能减少一些云微物理变量(云水、云冰、云雪)的虚假中心,大值中心与强降水中心吻合较好;模式滚动预报与LAPS反演的云微物理变量水平和垂直分布差异较大,后者的分布形态基本与观测降水、雷达回波相似,大值中心与强降水中心吻合较好;从两者对模式降水预报的效果来看,LAPS分析的云微物理变量作为模式初始场中的云参数,能改善模式1 h的降水预报,而模式滚动预报的云微物理变量对模式降水预报基本没改善。      

LAPS雷达反射率拼图方法改进及静锥区填充方法研究

针对Local Analysis and Prediction System(LAPS)融合我国新一代多普勒雷达基数据时产生的资料空白问题,设计采用最大值和距离指数权重拼图方法来改进LAPS原有的最近邻居法,并且尝试通过最小二乘法来模拟静锥区的反射率值。试验结果表明,最大值法和距离指数权重法能够充分发挥多部雷达观测反射率的效能,有效地改善高仰角之间的资料空白现象,对静锥区也有一些的填补,特别是在对流层中层。最小二乘法拟合静锥区反射率试验取得了一定的效果,能够较好地拟合静锥区周围观测资料比较多的情况。该研究改善了LAPS同化国产多普勒雷达资料的能力,提高了多部雷达观测的利用效能,将会对LAPS分析产生积极的影响。     

利用LAPS系统同化地基GPS水汽资料的应用研究

介绍了武汉暴雨研究所引进的LAPS系统(Local Analysis and Prediction System)在水汽分析中应用GPS水汽资料的方法。设计三种试验方案与实况进行对比分析,并结合WRF模式模拟,研究GPS水汽资料在LAPS系统中的作用以及对预报的影响。结果表明,LAPS同化GPS水汽资料后,对湿度场产生较大调整;对比各方案LAPS输出的可降水量后发现,GPS水汽资料的作用比雷达资料大一个量级;从模式模拟试验结果比较看出,LAPS对GPS水汽的同化能改善GPS测站分布区域降水预报,并对下游暴雨的预报也有正效果,能提高暴雨量级的Ts降水评分。     

基于LAPS系统的内蒙古自治区多源气象资料融合实现

文章主要是从LAPS系统入手,实现LAPS系统在内蒙古自治区本地化运行。通过对气象部门观测的探空、地面自动站资料在系统前端的预处理,能够实现LAPS系统对上述数据资料进行接入及融合分析,生成1h的温度要素场数据产品。     

Application of a Three-dimensional Variational Method for Radar Reflectivity Data Correction in a Mudslide-inducing Rainstorm Simulation

Various types of radars with different horizontal and vertical detection ranges are deployed in China, particularly over complex terrain where radar blind zones are common. In this study, a new variational method is developed to correct threedimensional radar reflectivity data based on hourly ground precipitation observations. The aim of this method is to improve the quality of observations of various types of radar and effectively assimilate operational Doppler radar observations. A mudslide-inducing local rainstorm is simulated by the WRF model with assimilation of radar reflectivity and radial velocity data using LAPS(Local Analysis and Prediction System). Experiments with different radar data assimilated by LAPS are performed. It is found that when radar reflectivity data are corrected using this variational method and assimilated by LAPS,the atmospheric conditions and cloud physics processes are reasonably described. The temporal evolution of radar reflectivity corrected by the variational method corresponds well to observed rainfall. It can better describe the cloud water distribution over the rainfall area and improve the cloud water analysis results over the central rainfall region. The LAPS cloud analysis system can update cloud microphysical variables and represent the hydrometeors associated with strong convective activities over the rainfall area well. Model performance is improved and the simulation of the dynamical processes and moisture transport is more consistent with observation.     

中尺度分析系统LAPS应用雷达资料的个例研究

武汉暴雨所引进国际先进的中尺度分析系统LAPS, 经成功本地移植后, 该系统能融合华中区域多种非常规观测资料, 提供包含丰富中尺度信息的高分辨率中尺度分析场。针对一次梅雨期强降水过程, 利用LAPS系统进行中尺度分析, 通过对比该系统融合多普勒雷达资料前后各种物理量场的差异, 研究了多普勒雷达资料在该系统中的作用。结果表明, LAPS融合雷达径向风后, 对风场的改善比较明显, 能揭示流场的中尺度信息。融合多种资料后的LAPS中尺度分析场比NCEP再分析场更接近实况, 能清楚地反映中尺度特征, 可作为分析此次强降水过程发生\, 发展的工具。融合雷达资料反射率后, LAPS云分析能提供与实况接近的较细致的云信息, 有利于了解暴雨过程中云参数的演变, 同时也为数值模式热启动提供条件。     

LAPS上海本地化及其在局地对流天气中的应用研究

本文首先基于地面自动站、探空、雷达和卫星资料,开展局地分析预报系统(Local Analysis and Prediction System,LAPS)上海本地化研究,并结合2010—2014年夏季6个局地对流天气个例对其性能进行检验评估。结果表明:雷达径向风资料对LAPS风速分析影响较大,使分析场风速廓线与探空廓线的均方根误差缩小约7.66%;风云卫星资料能够改善LAPS温度和相对湿度,使分析场温度、相对湿度廓线与探空廓线的均方根误差分别缩小约9.09%和14.01%;探空气球飘移对本文LAPS分析场检验影响不明显。进一步将LAPS分析场用于2011年8月13日、2014年8月4日两次局地对流个例分析表明:LAPS高时空分辨率的分析场能够反映中小尺度天气系统的时空变化,在天气尺度背景并不十分有利于对流生成的情况下,热岛、海陆风环流的形成和持续对上海夏季局地对流天气的发生和发展起到关键作用。     

华中区域LAPS中尺度分析场的检验与评估

本文利用LAPS融合地面观测资料、探空资料、雷达资料形成中尺度分析场,将该分析场与实况降水、雷达同波、TBB图进行对比,发现LAPS分析场具有中尺度系统的描述能力.设计了融合不同观测资料的试验方案并计算了各种试验方案的均方根误差,定量对比分析了各种资料在LAPS系统中的作用,结果表明LAPS融合所有观测资料后得到的分析...     

华中区域LRUC系统的构建与试验

如何将区域观测资料在中尺度模式中快速有效同化是提高区域精细化数值预报准确率和时效性的关键所在。本文简单介绍了基于LAPS和WRF建立的快速循环同化预报系统LRUC,以一次影响长江中游的典型梅雨锋暴雨过程为例,设计几种试验方案,结合实况降水分布,对比分析华中区域多普勒雷达资料循环同化对改善暴雨预报的作用;根据个例试验结果,设计批量后报试验方案,对比分析雷达资料同化对华中区域2007年主汛期(6—8月)多个时效降水预报评分。暴雨个例试验结果表明,华中区域多普勒雷达资料在LAPS中的同化,能为WRF提供更优初值场;同化华中区域地面资料和雷达资料后,比仅同化地面资料更能改进模式初值,改善模式降水预报,且降雨量级越大,24 h降水预报TS评分越高。批量后报试验结果表明,建立的快速循环同化预报系统LRUC,能对区域多源观测资料进行多时次循环同化分析,为模式初值增加观测资料的时间演变信息,提高模式对暴雨量级降水的预报水平;系统具有稳定性和一定的评分水平。     

A new design of the LAPS land surface scheme for use over and through heterogeneous and non-heterogeneous surfaces: Numerical simulations and tests

Numerical simulations and tests with the recently redesigned land–air parameterization scheme (LAPS) are presented. In all experiments, supported either by one-point micrometeorological, 1D or 3D simulations, the attention has been directed to: (1) comparison of simulation outputs, expressing the energy transfer over and through heterogeneous and non-heterogeneous surfaces, versus observations and (2) analysis of uncertainties occurring in the solution of the energy balance equation at the land–air interface. To check the proposed method for aggregation of albedo, “propagating hole” sensitivity tests with LAPS over a sandstone rock grid cell have been performed with the forcing meteorological data for July 17, 1999 in Baxter site, Philadelphia (USA). Micrometeorological and biophysical measurements from the surface experiments conducted over crops and apple orchard in Serbia, Poland, Austria and France were used to test the operation of LAPS in calculating surface fluxes and canopy environment temperatures within and above plant covers of different densities. In addition, sensitivity tests with single canopy covers over the Central Europe region and comparison against the observations taken from SYNOP data using 3D simulations were made. Validation of LAPS performances over a solid surface has been done by comparison of 2 m air temperature observations against 5-day simulations over the Sahara Desert rocky ground using 3D model. To examine how realistically the LAPS simulates surface processes over a heterogeneous surface, we compared the air temperature measured at 2 m and that predicted by the 1D model with the LAPS as the surface scheme. Finally, the scheme behaviour over urban surface was tested by runs over different parts of a hypothetical urban area. The corresponding 1D simulations were carried out with an imposed meteorological dataset collected during HAPEX-MOBILHY experiment at Caumont (France). The quantities predicted by the LAPS compare well with the observations and the various subcomponents of the scheme appear to operate realistically.