探空和飞机观测资料联合同化对台风“苏迪罗”（2015）数值模拟的影响研究

基于中尺度数值天气预报模式WRF和WRFDA三维变分同化系统,针对2015年台风“苏迪罗”二次登陆过程,利用NCEP ADP提供的无线电探空、飞机报观测资料,同时同化两种资料,并进行36 h模拟预报,从台风移动路径、强度、降水及模式初始场改进等方面分析了同化模拟效果。结果表明,同时同化两种资料能够有效改善台风移动路径、中心附近最低气压的模拟。对浙闽降水关键区24 h降水的TS评分结果表明,该同化方案对台风降水的预报评分有一定程度的改进,尤其是中雨和特大暴雨的改进最明显。对于模式初始场的温度、相对湿度、纬向风、经向风在各高度上的均方根误差,除湿度外均有不同程度的减小。并且同化对于台风结构的模拟也有所调整。      

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。     

GPS ZTD资料同化对台风“利奇马”模拟的影响研究

2019年超级台风“利奇马”对我国东部地区造成了巨大灾害,针对台风“利奇马”,研究GPS ZTD资料同化对于台风“利奇马”登陆后降水预报的影响。在进行GPS ZTD资料同化试验前,采取了稳定性检查、极值检查、双权重检查、偏差订正检查等质量控制方法以改善资料的同化应用水平。模拟试验结果表明在同化探空、风廓线等常规资料基础上,增加质控GPS ZTD有效改善了初始场的水汽条件,使得低层水汽辐合更强,从而改进了台风外围雨带的预报。并且通过循环同化能够改善初始环流场,进而改进了台风路径的预报使得台风主体降水的位置得到改善。     

不同卫星微波遥感资料同化对台风路径模拟的影响

本文以2015年13号超强台风“苏迪罗”为个例,利用WRF模式及其3DVar同化系统对NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A微波遥感资料分别同化及组合同化,探究同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟效果的影响。结果表明:同化不同卫星的同一种微波遥感资料对于台风路径模拟具有不同的调整,本文中NOAA15的同化效果最好,其次是NOAA18,最后是NOAA19;同时同化NOAA15、NOAA18和NOAA19的AMSU-A资料并没有取得最好的同化效果,而组合NOAA15和NOAA18则取得了最好的同化效果,即不是同化的卫星数量越多,同化效果越好;同化试验3个时刻的增量场表明同化不同卫星的同一种微波遥感资料对物理场具有不同的调整,这与其对台风模拟路径的调整有着较好的对应,相对于温度场、海平面气压场、位势高度场和风场的增量结构与模拟台风路径的调整更为密切。     

多普勒雷达资料循环同化在台风“鲇鱼”预报中的应用

高分辨率的中尺度预报模式ARPS及其3DVAR/云分析系统,针对2010年登陆福建的超强台风“鲇鱼”,研究对流可分辨尺度下,每1h循环同化沿海新一代多普勒雷达网资料分析、研究对台风初始场和预报场的改进作用.结果表明:单独同化雷达资料可显著改善初始场中的台风内核区动力和热力结构,以及台风强度和位置,进而提高18h台风强度、路径和降水预报,但预报路径和降水分布与实况仍存在差异.在雷达资料同化基础上加入常规观测资料,对初始场中台风内核区结构改进不大.但在显著调整大尺度背景场,从而进一步减少台风路径预报误差,能准确预报出福建沿海两个强降水区域的位置和强度.总体而言,雷达资料同化主要提高台风结构分析,而常规观测资料同化主要改善环境场分析,两者有效结合使得预报结果和实况最为接近.     

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。      

雷达资料同化对一次浙江初春罕见飑线过程数值模拟的影响分析

以2018年3月4日影响浙江的初春罕见飑线过程为例,利用WRF模式与GSI-3DVar同化系统开展了雷达资料同化对重大强对流天气的影响研究,分析了雷达资料同化对此次飑线过程的模拟改进作用和可能影响过程,对比了雷达反射率因子和雷达径向速度的同化效果,探讨了不同数量和位置的雷达资料同化对模拟效果的影响。结果表明:雷达资料(尤其是反射率因子)同化有效改善了飑线边界层特征的模拟,从而改进了模式对飑线过程中组合反射率因子、降水、大风等发展演变的模拟效果。雷达反射率因子同化通过直接调整水凝物质含量,修正风暴中降水模拟及由此引起的蒸发冷却,形成更接近实况的强冷池,进而产生了比雷达径向速度同化更大的正贡献。相对于同化非关键区域的雷达资料,同化飑线过程上游关键区域的雷达观测所包含的重要中小尺度信息,对飑线过程模拟效果提升更为重要。     

台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验

利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风"莫拉克"导致的台湾南部2009年8月8—9日特大暴雨过程进行数值预报。结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征。对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者。在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著。连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近。     

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。     

雷达径向风和反演风联合同化在台风灿都（2010）数值预报中的研究

基于WRF模式及其Hybrid集合-变分同化系统,比较研究了雷达径向速度(V_r)同化和T-TREC(Typhoon-Tracking radar echoes by correlation)反演风同化对台风灿都(2010)分析和预报的影响。为了探索最适合登陆台风预报的雷达资料同化策略,在研究V_r循环同化和T-TREC循环同化的基础上,考虑到两种雷达风场资料各自的优势,提出了合理利用两种雷达风场资料的联合同化策略,即在循环同化的首次分析中同化T-TREC风,而在之后的分析中同化V_r资料。研究三种不同的雷达资料同化策略发现,V_r直接同化虽能改善台风分析和预报,但其依赖于较多的同化次数,这会导致确定性预报的启动时间较晚,不利于台风业务预报。相比之下,由于T-TREC资料观测范围远、风场结构完整,T-TREC循环同化策略只经过较少次数的同化分析即能显著改善台风强度预报;然而受T-TREC资料自身反演误差的影响,增加同化次数反而不利于提高预报效果。当联合利用这两种雷达风场时,联合同化策略在不同同化时间窗下的预报表现均最优。     

雷达径向风资料的四维变分同化试验

在MM5四维变分同化系统(MM5 4D-Var)的基础上开发出雷达径向风资料的同化模块,利用改进后的同化系统对2002年7月22日湖北宜昌多普勒雷达的径向风观测资料进行四维变分同化试验,分析雷达径向风资料的同化对中尺度数值模式初始场的调整以及对中尺度强降水模拟的影响.研究结果表明,同化雷达径向风资料加强了中尺度对流系统低层100km左右范围内的风场辐合.调整后的风场具有更明显的β中尺度特征.利用14 min的雷达径向风资料可以改进3 h之内的强降水模拟,尤其是对雷达站东南侧强降水的模拟.     

反演同化和直接同化多普勒雷达径向风的对比试验

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程,以NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料为背景场,采用WRF(weather research and forecasting)模式及其三维变分同化系统,对雷达径向风和E-VAP(extended velocity azimuth processing)反演的水平风场进行了直接同化和反演同化试验,结果表明:直接同化雷达径向风资料后,增加了初始风场的中小尺度信息,改善了垂直速度条件,且在风场作用下水汽分布得到改善;反演同化资料虽然能增加初始场的中小尺度信息,但效果不如直接同化明显;无论直接同化还是反演同化都能改善降水预报,但直接同化好于反演同化,且间隔5～6 min比30 min的直接同化模拟效果好.     

Radar Data Assimilation for the Simulation of Mesoscale Convective Systems

A heavy rainfall case related to Mesoscale Convective Systems (MCSs) over the Korean Peninsula was selected to investigate the impact of radar data assimilation on a heavy rainfall forecast. The Weather Research and Forecasting (WRF) three-dimensional variational (3DVAR) data assimilation system with tuning of the length scale of the background error covariance and observation error parameters was used to assimilate radar radial velocity and reflectivity data. The radar data used in the assimilation experiments were preprocessed using quality-control procedures and interpolated/thinned into Cartesian coordinates by the SPRINT/CEDRIC packages. Sensitivity experiments were carried out in order to determine the optimal values of the assimilation window length and the update frequency used for the rapid update cycle and incremental analysis update experiments. The assimilation of radar data has a positive influence on the heavy rainfall forecast. Quantitative features of the heavy rainfall case, such as the maximum rainfall amount and Root Mean Squared Differences (RMSDs) of zonal/meridional wind components, were improved by tuning of the length scale and observation error parameters. Qualitative features of the case, such as the maximum rainfall position and time series of hourly rainfall, were enhanced by an incremental analysis update technique. The positive effects of the radar data assimilation and the tuning of the length scale and observation error parameters were clearly shown by the 3DVAR increment.     

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.     

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。     

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。     

暴雨模拟中多普勒雷达径向速度变分同化的应用

针对2008年6月广东地区的一次强降雨过程,利用WRF中尺度数值模式及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),进行了多普勒雷达径向速度变分同化对暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明:WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒雷达径向速度,同化后的主要影响在于改进了初始动力场,使得初始场包含有更详尽的中尺度特征信息,进而显著提高模式对广东局地暴雨过程的模拟效果。在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,是提高中尺度降雨预报的关键。     

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。     

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。