基于WRF-EnKF系统的雷达反射率直接同化对台风“天鸽”（1713）预报的影响

利用基于中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)的集合卡尔曼滤波(EnKF,Ensemble Kalman Filter)同化系统直接同化广东地区雷达反射率资料,对2017年台风“天鸽”(1713,Hato)近海发展以及降水预报效果进行数值模拟分析研究。结果显示,直接同化雷达反射率资料后,台风的回波强度和范围有了明显改善,可更好地调整水汽场、水凝物和温度场。当台风风场和水汽场调整后,进入台风主体部分的水汽量显著增加,使得台风强度增强,台风中心最低海平面气压降低,与实况更接近。同化雷达反射率资料后,6 h和24 h降水强度和落区预报效果有显著改善,尤其是能提高大暴雨和特大暴雨量级的TS评分,此外地面2 m温度和2 m相对湿度的预报效果也有改进。      

基于雷达资料同化的飑线过程数值模拟试验研究

利用中尺度WRF模式及其3DVAR 同化系统对2014年3 月30 日发生在我国华南地区的一次飑线过程展开多普勒天气雷达资料的同化效果试验研究.首先对雷达资料进行去地物杂波、退速度模糊等预处理,后设计了基于不同雷达观测量的同化试验及同化频次的敏感性试验.结果表明:直接循环同化雷达径向风资料和雷达反射率因子能够增加数值模...     

AMSU-A全空辐射率资料同化对台风“天鸽”的预报影响研究

利用美国NCEP(National Centers for Environmental Prediction)发展的GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系统和GSM(Global Spectral Model)全球频谱预报模式作为循环同化系统,选用2017年第13号台风为研究个例,采用全空和晴空两种同化方案对AMSU-A(The Advanced Microwave Sounding Unit-A)辐射率观测开展同化对比试验,并对台风"天鸽"个例进行5 d预报,研究AMSU-A全空辐射率同化对台风天鸽发展过程预报的影响。结果表明,全空同化方案相比晴空同化方案预报的台风路径、台风中心气压以及台风最大风速预报误差更小;全空同化方案对台风"天鸽"生命周期的模拟更加准确,更接近中国气象局发布的台风天鸽最佳路径的最低气压,而晴空同化方案预报的台风发展较弱,无法预报出成熟期的台风强度;全空同化方案能够增加低层通道海上厚云覆盖区域辐射率资料同化量,增幅占AMSUA同化观测总量10%,从而改进海洋区域天气系统的热力场结构。     

雷达资料同化频次对数值模拟效果影响的试验

采用中尺度数值天气预报模式WRF3.2, 研究了不同的同化时间间隔对2011年7月3~4日成都暴雨模拟的影响。结果表明, 同化了雷达资料后, 使初始场的水汽场、水平风场、垂直速度的分布更加接近实况;除温度场外, 同化频次越高对初始场的影响越大, 水平风场的增量值越大, 呈现的中小尺度信息越多, 更加接近“真实”大气;经过多次同化, 中低层风场的改变已经传递到高层, 引起了高层流场的调整;同化雷达反射率资料是有效的, 能够调整大气中的水汽分布。     

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。     

雷达资料同化对2015年台风彩虹数值模拟改进

基于WRF中尺度模式,采用集合卡尔曼滤波方法同化中国岸基多普勒天气雷达径向速度资料,对2015年登陆台风彩虹（1522）进行数值试验。从台风强度、路径、结构等方面验证了同化效果,并对不同区域雷达观测资料的同化敏感性进行讨论。试验结果表明:在同化窗内同化分析场台风位置误差相比未同化平均减小15 km,最多时刻减小38 km,同化资料时次越多,确定性预报路径误差越小。同化雷达资料后较好地反映出台风彩虹（1522）近海加强过程,台风中心最低气压同化分析和预报误差相比未同化最大减小超过25 hPa,台风眼的尺度、眼墙处对流非对称结构相比未同化与观测更加接近。试验还表明:台风内核100 km范围内的雷达观测对同化效果影响最大,仅同化这部分资料（约占总量的20%）各方面效果与同化全部资料相近,而仅同化100 km以外资料效果明显不及同化所有资料。仅同化台风内核雷达观测资料可以在不影响同化效果的前提下,使集合同化计算机时减小为原来的1/3,该策略可为台风实际业务预报提供一定参考。     

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。     

基于混合集合同化方案的台风“海鸥”的数值模拟研究

混合变分/集合同化是基于变分+集合思路新兴发展起来的一种资料同化方法。利用WRF和WRFDA最新版本3.5构建混合集合同化的流程,通过单点试验直观体现出混合集合同化方案“流依赖”背景误差协方差的影响。对台风“海鸥”路径和强度的模拟和分析表明,混合集合同化方案在台风路径和强度的预报上要强于三维变分同化方案。对比两种方案同化后的分析场表明,混合集合同化方案分析出的台风中心强度优于三维变分同化方案分析结果,其原因一方面是混合集合同化方案初始场是采用集合平均的结果,另一方面是混合集合同化方案采用“流依赖”背景误差协方差的影响,这两个因素对台风的预报准确性有一定作用。      

多普勒雷达资料同化对暴雨预报的影响

诊断分析了2007年8月8日陕西中南部一次突发性大暴雨过程,利用WRFV3.4数值预报模式及WRF-3DVAR变分同化系统,采用直接同化西安C波段多普勒雷达资料的方法,设计了4组试验方案。结果表明,多普勒雷达资料同化能有效改进WRF数值模式性能,不同的同化方案对模式初始场及预报场有不同的改进,同化反射率对初始水汽场的改变较为显著,而同化径向速度对初始风场的改变更为明显。在加入雷达资料同化后模式系统对中小尺度天气系统特征的模拟效果提高,风场的辐合特征更为明显,水汽也有显著增强,降水强度和中心跟实况更为接近。     

两种动力控制变量对比分析及其对台风同化和预报的影响

目前常用的流函数-势函数(ψ-χ)和水平风分量(U-V)两种动力控制变量方案分别被认为适用于大尺度同化和对流尺度同化,而两种方案在台风尺度同化中的具体特征及其对台风预报的影响尚未明确。基于WRF-3DVarDA系统,分析不同动力控制变量方案的背景场误差协方差的统计特征,并进行了单点观测同化理想试验和5场台风过程的20组连续循环同化和预报批量试验。两种动力控制变量方案的背景场误差协方差的统计特征分析表明,ψ-χ方案背景场误差更小、长度尺度更大,而U-V方案的局地性特征更明显,方差更大;单点观测试验证实了两种方案的统计特征,也表明ψ-χ作为控制变量会导致虚假负增量的出现;批量试验表明,U-V方案的台风路径、最大风速以及台风强度的整体优于ψ-χ方案;诊断分析表明,U-V方案得到的更合理的热动力结构特征是提高台风预报的主要原因。     

雷达资料在云南一次强降水过程中的三维变分同化试验

鉴于云南观测信息相对不足、局地强降水突出的现状,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其变分同化系统进行雷达反射率因子和反演风场的三维变分同化试验。通过对2012年9月12日00:00—13日00:00发生在云南的一次强降水过程进行数值模拟和对比分析,结果表明,同时同化雷达反演风场和基本反射率因子,对区域模式同化系统中风矢量、相对湿度、位势高度几个基本分析量都有明显影响。雷达资料的同化,有利于区域模式初始场中强降水区域的上游中低层空气湿度增加、水汽输送增强和强降水发生区域的风场辐合加强,从而改善区域模式对强降水落区、强度的预报质量。对于切变线等天气尺度系统影响下的强降水过程,雷达资料的同化持续时间选取3 h、同化间隔为1 h较适宜。另外,雷达反演风场和基本反射率因子的同化均对降水预报改善有明显贡献,且多种资料的同化效果好于单一资料同化。     

基于雷达资料同化的2003年7月一次暴雨过程的数值模拟及分析

利用我国CINRAD/SA多普勒雷达资料与中尺度模式ARPS的资料分析系统ADAS,对初始场进行调整,然后利用高分辨率的中尺度模式WRF对2003年7月4-5日的暴雨过程进行了数值模拟,在模拟结果可信的前提下,对暴雨过程中的中尺度对流系统(MCS)的结构及演变过程进行了分析.表明:多普勒雷达资料有助于提高暴雨模拟的精确度,利用其对中尺度系统进行高分辨率数值模拟,可以进一步认识中尺度系统的细致结构及演变情况;在中-β对流系统发展的过程中,大尺度环境场的有利条件可以对其发展起到促进作用,但具有中尺度特征的水汽条件、上升运动等因素也会起到关键的作用;中-β对流系统中可以同时有一支或多支的上升气流支出现,与降水有密切关系;2003年7月4-5日的两个中-β对流系统在发展过程中有从低空向高空移动的现象,即在发展初期,系统的中心位于低空,而在其旺盛时期则移至高空.     

雷达资料的3DVAR和EnSRF直接同化方法对一次暴雨预报的影响分析

利用合肥站雷达资料和NCEP再分析资料,采用WRF模式、WRF-3DVAR和WRF-En SRF同化系统设计了直接同化雷达径向风和反射率的试验,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟分析。结果表明:(1)同化雷达径向风资料可以增加暴雨区低层的扰动,增强对流运动,同时可以减少模拟的过量降水;(2)3DVAR同化方法对水平风场调整明显,同化反射率改进了模式中的微物理量和动力场,同时同化径向风和反射率可以更好地调整风场,改善模拟雷达回波带的强度和位置;(3)En SRF同化方法可以将更多小尺度的风场信息同化进入模式,单独同化反射率可以较准确预报出降水中心,同时同化径向风和反射率可以改进模拟雷达回波带的位置;(4)使用3DVAR和En SRF同化雷达径向风和反射率可以提高降水预报,改善雨带的范围,对降水中心位置和强度的预报也有改进。     

ANALYSIS OF THE EFFECT OF 3DVAR AND ENSRF DIRECT ASSIMILATION OF RADAR DATA ON THE FORECAST OF A HEAVY RAINFALL EVENT

The present study designs experiments on the direct assimilation of radial velocity and reflectivity data collected by an S-band Doppler weather radar (CINRAD WSR-98D) at the Hefei Station and the reanalysis data produced by the United States National Centers for Environmental Prediction using the Weather Research and Forecasting (WRF) model, the WRF model with a three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation system and the WRF model with an ensemble square root filter (EnSRF) data assimilation system. In addition, the present study analyzes a Meiyu front heavy rainfall process that occurred in the Yangtze -Huaihe River Basin from July 4 to July 5, 2003, through numerical simulation. The results show the following. (1) The assimilation of the radar radial velocity data can increase the perturbations in the low-altitude atmosphere over the heavy rainfall region, enhance the convective activities and reduce excessive simulated precipitation. (2) The 3DVAR assimilation method significantly adjusts the horizontal wind field. The assimilation of the reflectivity data improves the microphysical quantities and dynamic fields in the model. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can better adjust the wind fields and improve the intensity and location of the simulated radar echo bands. (3) The EnSRF assimilation method can assimilate more small-scale wind field information into the model. The assimilation of the reflectivity data alone can relatively accurately forecast the rainfall centers. In addition, the assimilation of the radial velocity and reflectivity data can improve the location of the simulated radar echo bands. (4) The use of the 3DVAR and EnSRF assimilation methods to assimilate the radar radial velocity and reflectivity data can improve the forecast of precipitation, rain-band areal coverage and the center location and intensity of precipitation.     

A STUDY ON SATELLITE DATA ASSIMILATION WITH DIFFERENT ATOVS IN TYPHOON NUMERICAL EXPERIMENTS

Based on the newly developed Weather Research and Forecasting model(WRF)and its three-dimensional variational data assimilation(3DVAR)system,this study constructed twelve experiments to explore the impact of direct assimilation of different ATOVS radiance on the intensity and track simulation of super-typhoon Fanapi(2010)using a data assimilation cycle method.The result indicates that the assimilation of ATOVS radiance could improve typhoon intensity effectively.The average bias of the central sea level pressure(CSLP)drops to 18 hPa,compared to 42 hPa in the experiment without data assimilation.However,the influence due to different radiance data is not significant,which is less than 6hPa on average,implying limited improvement from sole assimilation of ATOVS radiance.The track issue is studied in the following steps.First,the radiance from the same sensor of different satellites could produce different effect.For the AMSU-A,NOAA-15 and NOAA-18,they produce equivalent improvement,whereas NOAA-16 produces slightly poor effect.And for the AMSU-B,NOAA-15 and NOAA-16,they produce equivalent and more positive effect than that provided by the AMSU-A.Second,the assimilation radiance from different sensors of the identical satellites could also produce different effect.The assimilation of AMSU-B produces the largest improvement,while the ameliorating effect of HIRS/3assimilation is inferior to that of AMSU-B assimilation,while the AMSU-A assimilation exhibits the poorest improvement.Moreover,the simultaneous assimilation of different radiance could not produce further improvement.Finally,the experiments of simultaneous assimilation radiance from multiple satellites indicate that such assimilation may lead to negative effect due to accumulative bias when adding various radiance data into the data assimilation system.Thus the assimilation of ATOVS radiance from a single satellite may perform better than that from two or three satellites.     

ATOVS 不同卫星资料在台风模拟中的同化试验研究

利用美国国家大气研究中心(NCAR)开发的中尺度模式WRF(ARW)V3.2 及其三维变分同化系统WRF-3DVAR,以1011 号超强台风“ 凡亚比” 为个例,采用连续循环同化的方法对ATOVS 卫星资料进行同化试验,探讨了同化ATOVS 不同卫星资料对“ 凡亚比” 模拟的影响。结果表明,强度影响方面:同化ATOVS不同资料均可有效改善台风强度,台风中心海平面气压平均偏差从42 hPa 下降到18 hPa,但不同资料间的差异并不显著,平均在6 hPa 以内,这表明仅同化ATOVS 资料对台风强度的改善相对有限。路径影响方面:(1)不同卫星的同一种传感器资料效果略有不同,同化NOAA-18 和NOAA-15 的AMSU-A 资料效果较好,NOAA-16 的AMSU-A 效果较差;同化NOAA-15 和NOAA-16 的AMSU-B 资料效果相当,且均优于AMSU-A 资料。(2) 同一颗卫星不同传感器资料的差异较大,同化AMSU-B 资料的改善较为明显,HIRS-3 次之,AMSU-A较差,而同时同化不同资料并没有带来更为明显的改善。(3) 同时同化多颗卫星ATOVS 资料的试验表明,将多种资料引入到同化系统的同时,也带来相应的累积误差,因而仅同化一颗卫星可能比同时同化两颗或三颗卫星ATOVS 资料的效果要好。      

雷达资料对0414号台风“云娜”数值预报的改进

运用NCEP/NCAR再分析资料,研究了2004年12月初登陆我国台湾的冬季台风"南玛都"的性质结构特征,结果表明:冬季台风"南玛都"具有与夏季台风相同的暖湿中心和低层辐合、高层辐散的环流特征,不同的是低层辐合气流中西南气流不明显,台风涡旋气流对大气的扰动偏弱.台风过程海平面气压距平场的EOF分析表明,台风生命史中的扰动主要由EOF1和EOF2构成(占90%的方差),EOF1反映台风结构和强度变化,EOF2反映了台风移动过程中的环境状态变化.     

IMPROVEMENT OF NUMERICAL SIMULATION OF TYPHOON RANANIM (0414) BY USING DOPPLER RADAR DATA

Typhoon Rananim (0414) has been simulated by using the non-hydrostatic Advanced Regional Prediction System (ARPS) from Center of Analysis and Prediction of Storms (CAPS). The prediction of Rananim has generally been improved with ARPS using the new generation CINRAD Doppler radar data. Numerical experiments with or without using the radar data have shown that model initial fields with the assimilated radar radial velocity data in ARPS can change the wind field at the middle and high levels of the troposphere; fine characteristics of the tropical cyclone (TC) are introduced into the initial wind, the x component of wind speed south of the TC is increased and so is the y component west of it. They lead to improved forecasting of TC tracks for the time after landfall. The field of water vapor mixing ratio, temperature, cloud water mixing ratio and rainwater mixing ratio have also been improved by using radar reflectivity data. The model’s initial response to the introduction of hydrometeors has been increased. It is shown that horizontal model resolution has a significant impact on intensity forecasts, by greatly improving the forecasting of TC rainfall, and heavy rainstorm of the TC specially, as well as its distribution and variation with time.     

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。