多普勒雷达四维变分分析系统概述

《热带气象学报》是中国气象局广州热带海洋气象研究所主办的学术期刊,由气象出版社出版;其前身是《热带气象》,创刊于1984年,已经连续出版20年了。《热带气象学报》主要刊登热带大气科学的基础理论研究及应用研究方面的论文、热带地区天气预报的先进方法和成功的经验、推动学科发展的综合评述和学术动态。当前一段时间的刊登重点是:海气相互作用,中低纬大气环流相互作用,低频振荡及遥相关,低纬大气环流异常及其机制,热带大气环流异常对全球天气、气候的影响以及季风动力学、热带气旋动力学与运动学等的学术成果。由于国家重视气象科学研究,…     

台风数值模拟中bogus涡旋四维变分同化的研究

研究用MM5四维变分同化系统同化bogus涡旋变量对台风数值模拟的影响,对2002年13号台风Phanfone进行48h预报,结果表明：用四维变分方法同化bogus涡旋变量效果优于在背景场中直接植入模型涡旋的传统bogus技术。同时同化bogus涡旋的风、气压、温度和比湿效果不如只同化气压和其中任一变量。同化bogus涡旋的气压和比湿,能够调整模式初始场的其他变量,得到结构更清晰、与环境场更协调的初始涡旋,从而在一定程度上提高了台风Phanfone路径和强度预报的准确性。     

多普勒雷达资料四维变分同化

文章从理论上分析了多普勒雷达资料的四维同化。阐述多普勒雷达资料四维同化的主要过程及其基本思路。着重论述多普勒雷达资料四维变分分析系统(4D-VDRAS)的原理和方法,以及价值函数,共轭方程、伴随方程和多普勒雷达数据处理、Barnes插值技术和4D-VDRAS的应用。     

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。     

雷达资料快速更新四维变分同化中增加地面资料同化对强对流临近数值预报的影响

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发展的快速更新雷达四维变分分析系统（VDRAS）,通过在系统中加入地面自动气象站观测资料的同化方法,对发生在北京地区的10个强对流过程开展了地面资料同化的高分辨率模拟分析和检验评估,并与已经业务使用的地面资料融合方法进行对比。研究结果发现,地面观测资料同化使边界层1 km高度以下的分析场改善最为明显,风速和风向的均方根误差分别平均降低0.1 m/s和7.2°,温度的均方根误差降低0.2℃。模式最低层100 m高度的风速均方根误差降低0.5 m/s,风速的误差随高度上升逐渐增大。模式最低层风向的均方根误差降低15.5°,温度的均方根误差降低0.4℃,且1.5 km高度以下的温度偏差都减小。区域内地面10 m高风速的均方根误差平均降低0.2 m/s,风向的均方根误差降低10.8°,地面2 m气温的偏差也降低。随着预报时效的延长,地面温度和风场的误差不断增大,但地面资料同化方法在一定程度上可以提高1 h内地面气象要素的预报效果。对2019年5月17日北京地区局地强对流新生和增强过程的详细分析表明,地面自动气象站观测资料的同化方法相对于融合,可以通过更细致准确地分析低层大气的热动力特征,改善低层气象要素的预报效果。在此基础上,通过探究对流单体的局地触发机理发现,海风锋辐合线与城市的相互作用一定程度上影响了对流的局地新生和发展,该同化方法可以进一步提高北京地区局地突发强对流的临近数值预报能力。      

有限区域变分四维同化系统的设计和试验

使用共轭码技术，构造了中尺度模式的伴随模式，研究了模式侧边界条件。基于伴随模式技术的原理，设计了伴随同化和Derber同化方法两套方案；下降算法采用共轭梯度法，使用准真实资料，进行子同化数值试验和预报试验。结果表明，两套同化方案都取得了一定的同化效果，Derber同化方法比伴随同化更令人满意。证明了变分同化是提高预报准确率的一种非常有效的手段。     

改进的台风初值化方案及四维变分同化的个例试验

由于洋面上常规观测资料严重不足,使得客观分析的结果难以准确地描写初始台风的热力结构和环流特征,这是造成台风数值预报误差较大的重要原因.传统的Bogus方案虽然对台风预报有很大改进,但是仍有许多不足.文中在前人研究工作的基础上,对Bogus方案进行了改进,提高了对台风强度的描述能力,并结合四维变分资料同化的方法,利用模式动力学约束,自动生成具有非对称环流结构的台风初值,最后进行了四维变分同化试验和数值模拟试验.数值结果表明:这种结合Bogus方法和四维变分同化方法的台风初值化方案对于台风的路径模拟和强度模拟均有较好的改进.     

基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验

基于雷达资料快速刷新四维变分同化(RR4DVar)初始化的三维数值云模式,利用京津冀6部新一代多普勒天气雷达和区域自动气象站观测资料,针对2013年7月4日出现在京津冀平原地区的中尺度对流系统(MCS),开展了数值临近预报试验。研究结果表明,充分考虑雷达观测信息的对流尺度数值临近预报具有很大的优势,但也存在不足:(1)模式能够较好地把握中尺度对流系统的组织发展和移动演变特征,对风暴回波带的走向和尺度特征有较好的预报,但对强回波的强度和位置预报存在一定偏差;(2)模式预报可以反映风暴系统的中小尺度扰动特征,对风暴冷池和出流边界(阵风锋)的发展变化均有较为合理的预报;(3)模式对强降水中心和雨带位置的预报有很大优势,能较好地预报弱降水雨带的分布形势和雨量,但对强降水落区的预报偏大;(4)模式对风暴造成的对流性强降水的预报准确率较高,对0.5—10 mm阈值的降水范围预报偏差比较合理,对10 mm以上降水范围的预报偏大,但是对弱降水风暴的弱回波较强回波的预报性能要好;(5)由于三维数值云模式对京津冀复杂地形的处理不够完善,对山前风场预报偏差较大,造成对山前风暴的发展演变和山前降水的预报偏差较大。     

对降水资料的四维变分同化

用常规资料（Ｔ、ｐ、ｕ、ｖ、ｑ的分析值）和降水资料（２４ｈ降水量的分析值）进行四维变分（４ＤＶＡＲ）资料同化试验。试验中用了全物理过程的ＮＭＣη模式和带有充过程的伴模式。４ＤＶＡＲ试验的结果 资料同化期间和同化以后，用了积云对流修改方案和降水资料后，最小化过程迭代十次便收敛，降水预报了，特别是４ＤＶＡＲ方法比最优内插方法在改善降水预报方面更优越。     

基于雷达资料4DVar的低层热动力反演系统及其在北京奥运期间的初步应用分析

在变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)中,通过对雷达资料的质量控制和预处理、云尺度模式的暖雨参数化方案、中尺度初猜场的插值分析方法、循环同化的冷启动和热启动中尺度背景场的计算方案等进行改进,实现了VDRAS对低层动力和热力场的分析反演及其在北京奥运期间的实时应用.改进后的VDRAS利用四维变分(4DVar)同化技术和一...     

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。      

基于扰动模式的四维变分资料同化系统框架的设计完善和数值试验

为了建立一个应用于区域数值预报的四维变分资料同化（4DVar）系统,在近期开发的扰动预报模式GRAPES_PF基础上,开发完善增量四维变分同化系统框架。该框架中暂不包含物理过程（长短波辐射、边界层过程、对流参数化和云微物理等）。对比业务使用的GRAPES 3DVar系统,增加了温度控制变量。将无量纲Exner气压与流函数的线性风压平衡方程直接在地形追随垂直坐标面上求解,且通过广义共轭余差法（GCR）求解扰动亥姆霍兹（Helmholtz）伴随方程。利用人造“探空”资料对2015年10月台风“彩虹”进行了理想数值试验。试验结果表明,所开发的扰动四维变分同化框架得到了预期的结果,即同化更多资料并反复受到模式约束的四维变分同化系统能有效改善初值质量,进而改善区域数值预报。建立的区域四维变分同化框架合理可行,为进一步发展包含完整物理过程的区域四维变分同化系统奠定了研究基础。      

Assimilating surface observations in a four-dimensional variational Doppler radar data assimilation system to improve the analysis and forecast of a squall line case

This paper examines how assimilating surface observations can improve the analysis and forecast ability of a fourdimensional Variational Doppler Radar Analysis System(VDRAS).Observed surface temperature and winds are assimilated together with radar radial velocity and reflectivity into a convection-permitting model using the VDRAS four-dimensional variational(4DVAR) data assimilation system.A squall-line case observed during a field campaign is selected to investigate the performance of the technique.A single observation experiment shows that assimilating surface observations can influence the analyzed fields in both the horizontal and vertical directions.The surface-based cold pool,divergence and gust front of the squall line are all strengthened through the assimilation of the single surface observation.Three experiments—assimilating radar data only,assimilating radar data with surface data blended in a mesoscale background,and assimilating both radar and surface observations with a 4DVAR cost function—are conducted to examine the impact of the surface data assimilation.Independent surface and wind profiler observations are used for verification.The result shows that the analysis and forecast are improved when surface observations are assimilated in addition to radar observations.It is also shown that the additional surface data can help improve the analysis and forecast at low levels.Surface and low-level features of the squall line—including the surface warm inflow,cold pool,gust front,and low-level wind—are much closer to the observations after assimilating the surface data in VDRAS.     

青藏高原上中尺度对流系统(MCS)的数值模拟

A mesoscale convective system (MCS) developing over the Qinghai-Xizang Plateau on 26 July 1995 issimulated using the fifth version of the Penn State-NCAR nonhydrostatic mesoscale model (MM5). Theresults obtained are inspiring and are as follows. (1) The model simulates well the largescale conditionsin which the MCS concerned is embedded, which are the well-known anticyclonic Qinghai-Xizang PlateauHigh in the upper layers and the strong thermal forcing in the lower layers. In particular, the modelcaptures the meso-α scale cyclonic vortex associated with the MCS, which can be analyzed in the 500 hPaobservational winds; and to some degree, the model reproduces even its meso-β scale substructure similarto satellite images, reflected in the model-simulated 400 hPa rainwater. On the other hand, there aresome distinct deficiencies in the simulation; for example, the simulated MCS occurs with a lag of 3 hoursand a westward deviation of 3-5° longitude. (2) The structure and evolution of the meso-α scale vortexassociated with the MCS are undescribable for upper-air sounding data. The vortex is confined to thelower troposphere under 450 hPa over the plateau and shrinks its extent with height, with a diameter of4° longitude at 500 hPa. It is within the updraft area, but with an upper-level anticyclone and downdraftover it. The vortex originates over the plateau, and does not form until the mature stage of the MCS. Itlasts for 3-6 hours. In its processes of both formation and decay, the change in geopotential height fieldis prior to that in the wind field. It follows that the vortex is closely associated with the thermal effectsover the plateau. (3) A series of sensitivity experiments are conducted to investigate the impact of varioussurface thermal forcings and other physical processes on the MCS over the plateau. The results indicatethat under the background conditions of the upper-level Qinghai-Xizang High, the MCS involved is mainlydominated by the low-level thermal forcing. The simulation described here is a good indication that itmay be possible to reproduce the MCS over the plateau under certain large-scale conditions and with theincorporation of proper thermal physics in the lower layers.     

基于卫星亮温资料同化对2009年热带风暴“浪卡”的数值研究

本文利用三维变分同化系统（WRFDA）,设计了4个同化试验方案,将ATOVS卫星亮温资料直接同化到中尺度数值模式（WRF）中,研究同化ATOVS不同卫星亮温资料对2009年04号热带风暴“浪卡”数值模拟的影响。结果表明,直接同化卫星亮温资料能够改善初始场结构（大气流场、温度场）,尤其是对西太平洋反气旋系统,进而提高对热带气旋路径的模拟精度。同化不同类型的ATOVS卫星亮温资料对于热带气旋的移动路径有着不同程度的改善,其中以HIRS3和HIRS4资料同化对热带气旋移动路径改善效果最好。     

基于FY-4A卫星数据的强对流云团识别与监测

为解决强对流监测问题,克服地区亮温特征对卫星监测的影响,利用FY 4A卫星L1数据,结合滑动窗口方法和多通道动态阈值自动识别法,对典型强对流云团进行识别与监测。结果表明：1）多通道动态阈值自动识别方法结合滑动窗口方法,可避免人为设置阈值的主观性,整合强对流的区域识别结果,实现全国强对流云团监测。2）此方法具有良好的强对流云团识别效果,识别正确率达到89%;3）FY 4A卫星识别结果与雷达反射率高值区基本一致,能够准确监测强对流云团发生发展和移动的过程,具有较高的识别精度。     

强对流天气雷达回波与闪电特征的个例分析

利用闪电定位资料和多普勒天气雷达强度产品,分析了2006年6月22日发生在南京西南140km处的一次强对流天气过程中闪电的演变特征及其与回波强度的关系。结果表明,地闪多发生于雷暴云中回波强度大于40dBz且回波强度梯度较大的区域;正、负地闪频次在强对流系统发展的不同阶段呈现出不同的特点,负地闪占总闪数的90％以上,正地闪出现在系统进入成熟阶段之后,且占总闪的比例在系统消散阶段明显增大;地闪强度越大,相应的地闪频次越小,除少数弱闪（1/1〈10kA）外,二者基本上呈反相位关系。     

基于地面资料集合均方根滤波同化方案的京津冀暴雨模拟研究

为了更加有效地同化地面自动气象站观测资料,针对模式地形与观测站地形存在的高度差异对同化效果的影响,提出了相应的解决方案。在同化系统的位温和露点观测误差中分别引入位温和露点地形代表性误差,在WRF模式中应用集合均方根滤波方法（EnSRF）同化地面自动气象站观测资料,并对2016年一次京津冀暴雨个例进行数值试验。研究结果表明,同化地面资料后,同化阶段的均方根误差、预报阶段的降水TS评分和前13个时次各要素预报均有整体改进。在观测误差中引入地形代表性误差与引入前相比,风场均方根误差得到整体改进;位温和露点的均方根误差在前期表现并不稳定,在后期有所改进;预报阶段前24 h累计降水与后24 h累计降水TS评分在整体上均有所提高。新方案能够减少高度差异对同化效果的影响。