云导风资料同化在伴随模式同化系统中的应用

以一次发生在长江流域的暴雨过程为例,设计了几种数值试验方案,并进行模拟。结果表明,MM5伴随模式同化系统能有效改善初始场与模式的协调能力,提高模式对于降水场和其它要素场的预报;使用云导风资料修正初始场后直接模拟的效果比未使用时直接模拟的效果要好,对部分区域的强降水预报精度有一定程度的改善;使用伴随模式同化系统后,加入云导风资料的同化试验对其它要素的改善与直接同化常规资料的效果相比,改善优势不明显,但从各要素的误差来看,对于风场的改善最好。     

多普勒雷达资料在数值模式中的应用

对如何把多普勒雷达资料应用到数值模式的技术问题进行了综合分析,为进一步拓展多普勒雷达资料应用的领域提供了一些思路。     

多普勒雷达反演技术及雷达资料在数值模式中的应用

近几十年,多普勒雷达资料,在强对流天气一监测及预报中广泛应用。随着我国新一代天气雷达网的建成,如何充分利用其探测资料,成为气象工作者关注的问题。该文分析和总结了国内外多普琳雷达反演技术研究和雷达资料在数值模式中的应用和同化研究现状,并作了一些讨论。     

多普勒雷达资料在MM5模式中的应用

将多普勒天气雷达探测到的降水粒子的回波强度数据转化为相对湿度值,对同一时刻MM5模式初始场中的相对湿度值进行订正.多次模拟试验结果表明:通过修正模式初始场在雷达回波区域的水汽条件,使该区域初始场底层能量升高、对流不稳定性加强.从而对回波下游区域降水中心位置和降水量级的预报有所改进.本文以山东临沂2004年7月16日暴雨过程和2005年6月14日冰雹过程为例,阐述试验过程及试验结果.     

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。     

伴随模式同化系统在修正模式地形中的应用

任何模式都只是实际大气的一种近似模拟，存在误差。鉴于传统的四维资料伴随模式同化系统都是假设模式完全正确仅对初始场进行修正。将伴随模式同化系统应用于修正模式地形误差，通过对不同初始地形的修正试验表明，MM5伴随模式同化系统能很好地对地形误差进行修正，能够反演出与初始气象要素场分辨率相匹配、与模式更协调的地形场，为伴随模式同化系统的广泛应用提供了一种新的思路。     

卫星云导风资料应用于伴随同化系统的数值试验研究

以2002年6月14日00时至15日00时发生在江南、华南一带的暴雨过程为例,利用MM5伴随模式同化系统,同化常规观测资料以及卫星云导风资料,研究MM5伴随模式对降水预报的改善以及云导风资料对于提高暴雨预报的作用。设计了4种数值试验方案,试验结果表明：MM5伴随同化系统对降水预报有较好的改善作用;GMS-5卫星云导风资料的加入增加了高空风场资料,将其同化到伴随同化系统中能有效改善模式初始场,提高了降水预报质量,特别对暴雨强降水的预报起到了较好的改善作用。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（二）伴随模式系统的检验？…

在《中尺度数值模式的资料同化系统－－－（一）伴随模式的设计》一文的基础上,进一步对伴随模式码地检验问题做了讨论。表明采用共轭码方法是可行的。其的伴随模式与理论推导的共轭方程是相容的。试验发现该同化系统有消除随机干扰的能力,同化效果好。在同化过程中,系统是先同化大尺度信息,然后逐渐同化中小尺度信息。     

中尺度模式的四维伴随同化系统及其同化试验

以中尺度模式MM4为基础，利用伴随码技术改进、完善了MM4伴随模式同化系统，并利用该系统进行了常规资料和非常规资料的伴随模式同化试验，例如加入了可降水量资料等。试验表明：在伴随模式同化系统中加入常规和非常规资料，可以改进初始场，从而改善预报场。     

多种单多普勒雷达风场反演方法对比试验

采用典型风场资料对 4种单多普勒天气雷达风场反演方法进行了对比试验 ,这4种方法是 VAP方法 ,涡度 -散度法 ,简单伴随函数方法 ,动力方程组求解方法。试验结果表明 ,不同风场应采用不同反演方法。     

一种新的单部多普勒雷达反演技术

基于一些发展较强的中小尺度天气系统往往与风场的旋转或辐合、辐散有关的事实,文章提出了一种单部多普勒天气雷达径向风场反演二维水平风场的新方法,即涡度-散度方法。文中对1994年7月12日的个例进行了反演处理,处理结果与天气实况进行了对比分析,认为该方法不失为一种具有实用价值的单部多普勒雷达反演水平二维风场的方法。     

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.     

The WRF 3DVar System Combined with Physical Initialization for Assimilation of Doppler Radar Data

The three-dimensional variational data assimilation (3DVar) system of the Weather Research and Forecasting (WRF) model (WRF-Var) is further developed with a physical initialization (PI) procedure to assimilate Doppler radar radial velocity and reflectivity observations. In this updated 3DVar system, specific humidity, cloud water content, and vertical velocity are first derived from reflectivity with PI, then the model fields of specific humidity and cloud water content are replaced with the modified ones, and finally, the estimated vertical velocity is added to the cost-function of the existing WRF-Var (version 2.0) as a new observation type, and radial velocity observations are assimilated directly by the method afforded by WRF-Var. The new assimilation scheme is tested with a heavy convective precipitation event in the middle reaches of Yangtze River on 19 June 2002 and a Meiyu front torrential rain event in the Huaihe River Basin on 5 July 2003. Assimilation results show that the increments of analyzed variables correspond well with the horizontal distribution of the observed reflectivity. There are positive increments of cloud water content, specific humidity, and vertical velocity in echo region and negative increments of vertical velocity in echo-free region where the increments of horizontal winds present a clockwise transition. Results of forecast experiments show that the effects of adjusting cloud water content or vertical velocity directly with PI on forecast are not obvious. Adjusting specific humidity shows better performance in forecasting the precipitation than directly adjusting cloud water content or vertical velocity. Significant improvement in predicting precipitation as well as in reducing the model's spin-up time are achieved when radial velocity and reflectivity observations are assimilated with the new scheme.     

利用单多普勒雷达资料做冷流暴雪的中尺度分析

基于单多普勒天气雷达资料采用EVAP方法反演风场, 并结合径向速度、 反射率因子、 自动气象站和探空风场等观测资料, 对2005年12月6～7日山东半岛一次冷流暴雪过程的中尺度特征进行了深入分析, 结果表明： (1)雷达回波呈狭窄带状, 移动缓慢近乎停滞, 径向速度上存在风向切变线, 烟台和威海的暴雪不同步是冷流暴雪的典型特征; (2)首次通过雷达反演证实了逆风区实际就是风场切变在径向速度图上的反映, 垂直各层水平风场存在中尺度切变线, 且与强回波带相对应, 切变线的位置决定暴雪的落区; (3)通过雷达反演风场和风廓线共同揭示出强降雪产生时对流层中层有西北风、 西南风和东北风三股气流, 明显的西南气流位于850～700 hPa, 表明冷流降雪过程并非传统认为的仅有西北冷平流, 而是不同气流辐合的结果; (4)对流层中层的西南暖平流为云的播种和反馈机制提供了有利的天气背景条件, 使得冷流降雪增强, 这在常规观测资料中无法看到。     

Improvement of the Integrating Velocity-Azimuth Process Single-Doppler Radar Wind-Retrieval Method

Among the single-Doppler radar wind analysis methods,the velocity-azimuth display(VAD),velocityazimuth process(VAP),and uniform wind(UW) methods are widely used because of their simplicity.A general form of the VAD,VAP,and UW methods is the integrating VAP(IVAP) method,which is based on the azimuth uniform-wind assumption.In this study,the IVAP method is improved by applying the method along natural coordinates. The natural coordinates can be chosen to ensure that the tangential and radial winds are unif...     

GRAPES-3Dvar雷达资料直接同化对江淮暴雨数值预报影响的分析研究

使用具备多普勒霄达资料直接同化功能的GRAPES-3Dvar同化系统,对2007年7月江淮流域连续性暴雨过程中4个个例进行了数值预报试验,结果表明多普勒径向速度以及基本反射率因子的直接同化可以有效改进中尺度降水数值预报的效果.对7月3 日雷达资料联合同化以及单独同化对分析和预报影响的进一步分析显示,联合同化能够有效改善初始分析场中的风场和湿度信息,激发模式降水,减小SPIN-UP现象,中尺度系统降水的发生发展以及强度、走势和落区的预报得到较为准确的表征,显著改善了中尺度强降水数值预报效果.径向速度的直接同化主要贡献表现在风场上,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,改善三维风场分析.反射率直接同化的主要影响体现在湿度场上,改进了初始场中的湿度参数,对降水预报影响明显.