多普勒天气雷达资料在数值模式ARPS中的试验

利用中尺度预报模式ARPS及其资料分析系统ADAS和三维变分同化系统ARPS3DVAR,直接加入多普勒天气雷达基数据反射率因子和径向速度资料进行数值预报试验。试验包括：控制试验、反射率因子同化试验、径向速度同化试验,两种资料同时同化,多时次连续同化等试验。通过模拟2009年7月7日发生在江苏省附近一次暴雨过程,分析了多普勒天气雷达反射率因子和径向速度资料不同组合的加入对改进模式初始湿度场、风场及预报结果的影响。结果表明：同化雷达反射率因子和径向速度资料,分别对湿度场和风场有显著调整;同时同化两种资料比单独同化在2 h内更显优势;多时次连续同时同化两种资料的试验比起其他试验预报的风速更接近探空风速,预报的降水位置与雷达3 h累积降水产品较为对应,但降水量的预报仍有偏差。     

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。     

雷达径向风观测在华北区域数值预报系统中的实时三维变分同化应用试验

以实现业务应用为目标开展了区域多部雷达径向风观测资料的三维变分直接同化应用研究。重点对背景场误差协方差的方差和尺度因子进行调整,形成能够与其他常规观测资料协同同化的雷达径向风同化方案,并建立了京津冀6部多普勒雷达观测资料的实时预处理系统。基于上述工作开展2011年汛期京津冀多普勒雷达径向风观测资料在华北区域快速更新循环同化和预报系统中的实时同化和对比试验,并对应用效果进行了初步评估。实时同化试验期间京津冀地区6部雷达经过质量控制后的径向风数据质量和同化情况的分析结果表明,同化系统有效地吸收了雷达径向风的观测信息并形成合理的分析增量,其中,S波段雷达观测的径向风数据数量、质量和稳定度均明显优于C波段雷达;整体来看,雷达径向风同化对地面和高空要素预报性能的影响基本为中性,且主要影响时段集中在最初的6 h。但降水预报评分结果表明,雷达径向风同化从降水强度、落区和范围等方面均明显提升了系统对对流尺度降水的短时预报性能。同时也应该看到,受制于目前3 h一次的同化更新频率,雷达资料同化的效果往往到对流临近时次才能体现。     

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。     

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.     

多普勒天气雷达资料在暴雨数值模拟中的同化应用

基于中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年6月广西地区的一次强降雨过程,进行了多普勒天气雷达的多普勒径向速度和反射率因子的三维变分同化对于暴雨过程模拟效果影响研究。结果表明：(1）同化柳州、桂林和永州多普勒天气雷达观测资料后,模式对广西东北部地区特大暴雨的模拟效果明显改进;(2）WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒天气雷达径向速度和雷达反射率因子,同化后使得模式初始场包含有更详尽的中尺度特征信息;(3）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,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,能较好的提高中尺度降雨预报。     

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。     

单部多普勒天气雷达风场反演及其在数值预报中的应用试验

针对1998年7月5日下午到夜间北京地区出现的一次强降雨过程, 采用“局部VAD法”, 对中国气象科学研究院多普勒雷达测得的1998年7月5日12:00UTC的径向风反演成水平风, 并将反演风应用到数值天气预报 (NWP) 同化系统中, 进行了同化预报试验。结果表明, 反演的雷达风基本符合事实, 将其应用到NWP中, 有助于分析和预报时空尺度较小的中尺度系统。     

径向风和反射率直接同化对一次梅雨锋暴雨模拟的影响

利用中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统,采用NCEP再分析资料和合肥新一代天气雷达资料,针对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程,分析了直接同化雷达径向风和反射率对降雨模拟的影响。结果表明：1）直接同化雷达径向风能够改进低层辐合带的位置、增加低层气旋性扰动,增强低空急流核;改进垂直速度有利于对...     

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.     

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。     

Microphysical Retrieval from Doppler Radar Reflectivity Using Variational Data Assimilation

One of the microphysical variables, the rainwater mixing ratio qr, is retrieved from the observed reflectivity of Doppler radar by a 3D variational data assimilation system. The qr as an analysis variable is obtained by minimizing a cost function defined as the difference between observed radar reflectivity and its retrieval from qr, plus the difference between qr and its background field from a mesoscale model's prediction. Covariance matrix of the background field's error is determined by the so-called NMC method. A method called the second-order auto-regression (SOAR) is used to calculate the coefficients of regressive filtering to fit in with small spatial scale such as cumulus in the process of spatial transformation. An ideal experiment demonstrates the correctness of this system and a sensitivity experiment proves that the random error of observed reflectivity has effect on the analyzed results. At last an experiment with observed data from the Doppler radar at Ma'anshan City in Anhui Province on 19 June 2002 was performed. The retrieved analysis variable qr in this test shows structures in detail, which coincide with the distribution of the echo picture observed by the radar.     

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。     

华北回流天气多普勒雷达径向速度分布特征

使用多普勒雷达资料对四次华北回流天气过程进行了分析,结果表明:(1)回波具有较大水平范围的、连绵成片的均匀幕状特征.回波顶较平整,回流降雨过程中还存在零度层亮带.属层状云降水回波.(2)速度图上,在零速度线两侧常分布范围较大数值不等的正负径向速度中心,低空零速度线呈"S"型,风随高度顺时针旋转,有暖平流存在.在强降水时段出现前常伴有区域性的冷平流层.(3)风廓线图上,从低层到高层由东北风转为西南风,风向发生了近180度的顺时针旋转,存在强垂直切变.降水开始与结束时分别表现为低层偏东风与中高层西南气流叠加、低层偏东风与中高层西南气流任何一者消失.边界层顶部出现浅薄的冷平流层是降水强度加强的信号.     

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。     

雷达径向速度资料同化中不同坐标转换方案的对比试验

利用江苏省气象局与美国强风暴实验室联合开发的高精度数值分析及预报系统(Precision Weather Analysis and Forecast System,PWAFS)对雷达资料同化中径向速度资料的两种坐标转换方案进行对比分析。Grid方案将雷达径向速度资料通过最小二乘法从极坐标映射到模式三维网格;Tilt方案将雷达径向速度资料通过双线性插值在水平方向插值至标量水平网格,但在垂直方向不进行插值,保留在雷达仰角对应的高度上。两种方案对反射率资料的处理均是插值到模式三维网格点。Grid方案在近雷达处进行平滑,在远雷达处进行插值,会导致低层数据平滑,Tilt方案减少了雷达径向风观测垂直插值引发的误差,更多的保留了雷达观测的特性。本研究分别通过龙卷、大风及梅雨锋暴雨个例对这两种方案的同化结果进行对比分析。龙卷个例中Grid方案得到了部分虚假的较大的同化风场,Tilt方案结果清楚展示了龙卷发生位置的回波及流场的精细结构。大风个例中两种方案得到的最大风速值差3 m·s^-1,Tilt方案的结果更接近观测最大风速值,且得到的大风速区分布更符合观测。梅雨锋暴雨个例中Grid方案对东北及西南两个区域的大风速区均未能很好的反映,Tilt方案得到的水平风速大值区范围明显优于Grid方案。在靠近雷达中心的低层,观测资料密集,Tilt方案能够更好的反应实际大气状态。但是因为缺乏其他观测资料进行验证,两种方案的效果还需要利用数值预报或其他方法进行对比。     

多普勒天气雷达径向速度图上的雹云特征

不同的强对流天气造成的灾害和社会影响差别很大。通过对北京地区2001年和2002年出现的32次降雹时伴随出现的天气现象分类和对雹云多普勒天气雷达径向速度场图像特征的分析统计, 得出“大风区”、“中气旋”是经常出现降雹的多普勒径向速度图像特征。“大风区”常伴随出现强风冰雹, 而“中气旋”则常伴随出现暴雨冰雹, 这对于判别冰雹云产生什么样的天气现象是有指示意义的。     

C波段雷达反射率资料的同化与数值模拟

利用ARPS模式(Advanced Regional Prediction System)的资料分析系统ADAS(ARPS Data Analysis Sys-tem),以NCEP GFS资料为背景场对我国西北地区CINRAD-CB\CC型雷达反射率资料进行同化试验研究,并借助于WRF(Weather Research and Forecasting Model)模式,对发生在黄河河套及河北地区的一次天气过程进行个例模拟试验。不同模拟方案模拟结果的对比分析和短时预报检验表明:①C波段雷达反射率资料的引入与S波段雷达反射率资料在空间覆盖上构成互补,与卫星、地面等资料的云综合分析能够分析出与实况更为接近的降水场和垂直结构信息;②同化了C波段雷达反射率资料的试验方案在模拟回波系统演变上优于未同化的,但由于模拟低层暖湿条件不足,系统逐渐衰弱与实况不符;③对比实况降水发现,区域C波段雷达反射率资料的同化对短时降水预报效果有一定改善。