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.     

四维集合变分同化方法在华南冬季暴雨模拟中的应用

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式和基于本征正交分解的四维集合变分同化方法（POD-4DEnVar）,对2015年12月9日一次华南暴雨过程进行多普勒雷达资料同化试验,并与三维变分同化试验（WRF-3DVar）进行对比,讨论了POD-4DEnVar方法中局地化半径对模拟效果的敏感性。结果表明,比较不同化雷达资料的控制试验,WRF-3DVar和WRF-POD-4DEnVar试验的降水模拟结果得到明显改善,且WRF-POD-4DEnVar的降水强度更接近实况。两种同化方法通过改变不同的初始要素达到改进降水模拟效果的目的,3DVar方法通过调整初始风场,间接减弱暴雨发生的水汽条件,POD-4DEnVar方法则直接调整湿度场。在降水过程中,同化试验改变了冷空气活动和水汽通量辐合的模拟结果,从而改善降水的模拟效果。POD-4DEnVar方法对局地化半径比较敏感,随局地化半径增大,同化对风场和湿度场的影响范围扩大,当局地化半径取为200 km时,降水模拟的效果最好。      

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。      

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。     

多普勒雷达估算降水和反演风在不同初值方案下对降水预报影响的数值研究

基于有限区域中尺度暴雨预报模式AREM,利用常德、荆州、宜昌3部多普勒雷达及武汉数字化天气雷达联合反演的1h降水量资料和宜昌、荆州多普勒雷达反演的水平风场资料,采用3种不同的初值方案:Grapes-3DVAR同化方案、Barnes客观分析法及Barnes-3DVAR同化方案,对2002年7月22日20:00—23日20:00发生在长江流域的一次大暴雨过程进行了多普勒雷达估算降水和反演风场在不同初值方案下对降水预报影响的数值试验,结果表明:(1)采用相同资料源(探空 T213L31分析场),3种初值方案降水模拟效果差别显著。整体而言,融合了Barnes和3DVAR两种方案的Barnes-3DVAR初值方案降水模拟效果最好:雨带模拟完整,位置与实况完全一致;降水中心中尺度结构清晰,位置、强度与实况接近。(2)Barnes-3DVAR同化方案与Grapes-3DVAR同化方案都能同化雷达降水和风场资料,但两者降水预报结果相差很大。Barnes-3DVAR方案下的降水模拟结果明显好于Grapes-3DVAR同化方案。(3)Grapes-3DVAR同化方案下,在控制试验的基础上增加雷达降水资料的同化,24h降水模拟效果有所改善;增加雷达风场资料的同化,仅部分改善模拟效果,某些地方效果反而变差;同时增加雷达降水和风场资料的同化,降水模拟效果反而明显变差。Barnes-3DVAR同化方案则不然,无论雷达降水资料和风场资料单独同化还是两种资料同时同化,降水模拟效果都有不同程度的改进,特别是对雷达降水和风场资料同时同化的模拟结果是各种试验中效果最好的。(4)融合Barnes客观分析方法和Grapes-3DVAR同化方案的Barnes-3DVAR同化方案,是同化雷达降水和风场资料的一种新的、有效的初值方案。     

雷达资料同化对江西东北部一次弓形回波过程模拟的影响

利用雷达观测资料和FNL1°×1°再分析资料,采用中尺度WRF模式及其3DVar同化系统,探讨了同化多普勒雷达径向速度和反射率因子对2016年4月3日出现在江西景德镇的一次弓形回波过程模拟的改进效果及其影响途径。结果表明:1)只同化雷达径向速度或反射率因子均能改进模式对弓形回波的模拟效果,但同化雷达径向速度改进效果更好;同时同化两种资料改进效果最佳。2)雷达径向速度同化通过直接调整风场,进而引起水汽输送和水凝物凝结、凝华等微物理过程变化,对动力场和热力场都有一定调整;雷达反射率同化是首先将雷达反射率因子反演成雨水、雪和霰粒子混合比,能够调整水凝物场,但是当没有协调动力条件配合时,模式将不吸收这部分资料,对水汽场和动力场都没有明显改善;同时同化两种资料,能够综合调整动力场、热力场和水汽场,得到动力、热力和水汽协调的最优初始场。3)同化反射率资料只在积分初期模拟效果好,随着积分时间延长,ETS评分迅速降低;同化径向速度资料,积分初期效果不如同化反射率资料,但预报效果稳定;同时同化雷达反射率和径向速度模拟结果最好,在整个积分阶段ETS评分均为最高。     

雷达径向风速同化对台风麦莎模拟的影响

本文应用WRF-3DVAR系统同化多普勒雷达径向风速资料,并利用WRF模式对台风麦莎（2005年8月6日00时至7日00时）进行数值模拟,以此检验多普勒雷达径向风速资料在改进模式初始场及提高台风路径和降水预报准确度等方面的应用效果及意义,探讨不同同化时间间隔对同化效果的影响。通过对比同化试验和控制试验发现：雷达径向风速资料能通过调整初始风场结构,改进对台风结构的模拟,从而提高模式对台风麦莎的路径、强度和降水的模拟能力;雷达资料信号在进入模式后有一定的时效性,在一定程度上缩小同化时间间隔有助于提高同化效果。     

基于雷达资料同化的江西一次暴雨过程的数值模拟试验

采用WRF中尺度模式及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,对2014年5月24—25日发生在萍乡、宜春地区一次大暴雨天气过程进行了雷达资料直接同化敏感性试验,并对同化结果和模式降水预报进行了对比分析。结果表明:1)雷达资料的同化能有效改善初始场中风场、湿度场和热力场的量值大小及空间分布,使其包含更多的中尺度系统信息。其中,雷达反射率因子的同化对大气湿度场和温度场的影响较大,而雷达径向速度的同化作用主要是调整大气风场。2)短时降水预报方面,雷达反射率因子的同化对0—12 h短时降水预报的量值影响较大,而径向速度的同化对降水预报的落区影响较大,两者同时的同化对降水预报效果较好。3)雷达资料的同化对较长时间(6—12 h)的降水预报仍有较好效果。     

多普勒雷达资料的直接同化对降雨预报的影响

利用中尺度数值模式WRFV3.1及其三维变分同化系统WRFVAR3.1,对2008年8月10日奥运期间北京地区发生的一次强对流天气过程进行了多普勒雷达资料变分同化试验,并对同化结果和降水预报进行了对比分析。结果表明:(1)雷达资料的同化能有效改善初始场中风场、水汽、温度场的空间分布、量值大小,使其包含更多中尺度信息;(2)雷达反射率同化对大气的湿度场和温度场影响较大,而雷达径向速度同化则主要调整大气的风场;(3)对短时0～6h内的降水预报,反射率的同化对降水预报改善明显,径向速度的同化对降水预报影响相对较小,而两者的联合同化降水预报效果最好;(4)雷达资料的同化对较长时间6～12h的降水预报仍有较好效果。     

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。     

多普勒雷达资料同化的稀疏化方式对暴雨过程的影响研究

利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化系统,对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程进行多普勒雷达径向速度资料的三维变分同化试验,重点考察雷达资料的不同稀疏化方式对同化结果以及对暴雨数值模拟的影响。结果表明:同化多普勒雷达径向速度资料使得模式初始风场包含了更丰富的中尺度特征信息,有效调整了初始场的环流结构,能够改善模式对暴雨过程的模拟效果;以不同的稀疏化处理方式同化多普勒雷达径向速度资料对分析场会产生不同的影响,进而影响模式的降水预报效果,本次试验中当极坐标网格径向分辨率取10 km的时候降水过程的预报效果最好。     

Assimilation of Doppler Radar Observations with an Ensemble Square Root Filter：A Squall Line Case Study

The effectiveness of using an Ensemble Square Root Filter（EnSRF） to assimilate real Doppler radar observations on convective scale is investigated by applying the technique to a case of squall line on 12July 2005 in midwest Shandong Province using the Weather Research and Forecasting（WRF） model.The experimental results show that：（1） The EnSRF system has the potential to initiate a squall line accurately by assimilation of real Doppler radar data.The convective-scale information has been added into the WRF model through radar data assimilation and thus the analyzed fields are improved noticeably.The model spin-up time has been shortened,and the precipitation forecast is improved accordingly.（2） Compared with the control run,the deterministic forecast initiated with the ensemble mean analysis of EnSRF produces more accurate prediction of microphysical fields.The predicted wind and thermal fields are reasonable and in accordance with the characteristics of convective storms.（3） The propagation direction of the squall line from the ensemble mean analysis is consistent with that of the observation,but the propagation speed is larger than the observed.The effective forecast period for this squall line is about 5-6 h,probably because of the nonlinear development of the convective storm.     

多普勒雷达风廓线的反演及变分同化试验

为了将雷达风场资料更好地应用到数值预报模式中, 使用VAD方法反演多普勒雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行变分同化试验。结果表明: VAD方法反演的风廓线与探空实况对应较好, 验证了用VAD技术反演风廓线的可行性。用GRAPES-Meso模式的三维变分同化系统对雷达风廓线资料进行同化后, 风场的初始场明显改善, 降水强度和落区预报也有不同程度的改善。其中, 对6 h降水预报的改善明显优于对24 h的预报改善。另外, 在短时强降水预报中, 雷达风场资料的同化频率和同化窗口的不同, 对降水预报的改善情况也有所差异。在个例研究中, 同化间隔为1 h的方案6 h降水预报要优于同化间隔为3 h和6 h的方案, 同化窗口为3 h的试验方案6 h降水预报要好于同化窗口为6 h的试验方案。     

GRAPES_3Dvar中雷达径向风同化改进观测算子的应用

在GRAPES_3Dvar系统中添加雷达径向风预处理模块以及雷达径向风同化模块(包含传统观测算子与改进算子)。对GRAPES_3Dvar系统中雷达同化算子进行正确性检验后,利用该系统对2014年6月6日03时(UTC)北京南郊多普勒雷达径向风资料进行同化试验,分析不同观测算子对于初始场以及降水模拟的影响。研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了对流系统低层中小尺度辐合辐散信息,同时综合分析风场的径向分量与切向分量,改进算子对于初始场的调整效果优于传统观测算子。对比分析累计降水模拟,采用改进算子的结果在能够准确模拟出降水雨带的位置和量级的同时极大程度地抑制了虚假降水的范围,降水评分也较好地验证了改进观测算子的优越性。     

基于VDRAS的快速更新雷达四维变分分析系统

基于雷达资料快速更新四维变分同化 (RR4DVar) 技术和三维数值云模式,初步研发了一个针对对流尺度数值模拟的快速更新雷达四维变分分析系统。系统通过对京津冀6部多普勒天气雷达资料进行RR4DVar同化,并融合5 min自动气象站观测和中尺度数值模式结果,可快速分析得到12~18 min更新的低层大气三维动力、热力场的对流尺度结构特征。针对2009年7月22日发生在京津冀的一次强风暴个例,通过一系列敏感性试验,并利用局地加密资料进行检验对比,表明有效的雷达资料RR4DVar同化及自动气象站和中尺度模式资料融合方案、恰当的中尺度背景场设置和动力约束方法是获得合理结果的关键。研究也表明:恰当的系统配置能够模拟出与对流生消发展密切相关的近风暴环境特征,包括低层入流、垂直风切变、低层辐合上升和暖舌等,以及风暴自身形成的冷池、出流等与风暴演变密切相关的对流尺度结构。     

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.     

沈阳一次局地大暴雨过程中逆风区的回波演变

利用沈阳CINRAD/SA多普勒天气雷达观测资料及加密自动站资料等,对2009年7月11日发生在沈阳西部的中尺度大暴雨天气过程进行分析。结果表明：雷达1.5°仰角PPI图上有逆风区存在,逆风区出现的时间要比强降水出现的时间早10 min以上,强降水区与逆风区、强回波区、VIL值的大值区有较好的对应关系,逆风区的出现对强对流天气的预报预警有指示作用。     

新一代天气雷达故障处理和故障标准化平台的研发与应用

新一代天气雷达是一个组成结构复杂的探测平台,各个组合之间比较分散。由于机械运转的持续性,且对运行环境要求严格,所以雷达系统易发故障。对不同类型的雷达故障进行归纳和简析,并进行归类,按照雷达故障产生的原因分类为:雷达部件故障、软件故障、灾害引起的雷达故障、虚假报警、雷达产品图像错误。天气雷达故障处理和故障标准化平台的开发将相应的成果应用于日常的气象探测设备的监控业务中,并集成到综合气象观测系统运行监控平台,以实现天气雷达故障的快速响应和维修。对2007年6月至2010年5月新一代天气雷达的运行能力进行了计算,并抽样其中2种型号的天气雷达,对故障案例进行分析研究,给出了故障的分系统分布情况。     

Study on the Variational Assimilation Technique for the Retrieval of Wind Fields from Doppler Radar Data

This paper introduces a variational assimilation technique for the retrieval of wind fields from Doppler radar data. The assimilated information included both the radial velocity (RV) and the movement of radar echo. In this assimilation technique, the key is transforming the movement of radar echo to a new radar measuring variable- "apparent velocity" (AV). Thus, the information of wind is added, and the indeterminacy of recovering two-dimensional wind only by AV was overcome effectively by combining RV with AV. By means of CMA GRAPES-3Dvar and CINRAD data, some experiments were performed. The results show that the method of retrieval of wind fields is useful in obtaining the construction of the weather system.