TRMM降水率资料的三维变分同化及其对"杜鹃"(0313)台风预报的改进

在GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System, 全球/区域同化预报系统)三维变分同化系统的基础上, 用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子, 来同化TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission, 热带降水监测计划)卫星反演的降水率资料.单点试验表明该方案通过调整背景场的水汽辐合和辐散的垂直结构, 使得同化后观测算子计算的降水率更接近实况.对台风 "杜鹃" (0313)的同     

同化雷达估算降水率对暴雨预报的影响

选取2009年3月28日广东省广州市大暴雨过程,考察了变分校准前后Z-I关系估算雷达降水率的区别。变分校准后的降水率资料具有较高的单点精度与合理的梯度分布。降水率资料能够反映大气动力特征和水汽分布等重要信息,是模拟中小尺度系统的关键因子。基于GRAPES (Global/Regional Analysis and Prediction System) 区域三维变分系统,将FSU (Florida State University) 对流参数化方案作为观测算子的同化试验指出,同化降水率资料后同时增强了低层大气的辐合和高层大气的辐散,从而使整层气柱的不稳定能量增加。沙氏指数和K指数诊断分析也表明,同化降水率资料后有利于触发强对流天气。此外,低空辐合有利于水汽垂直输送,维持对流发展,改进降水模拟。逐小时数值模拟结果表明:同化校准后的雷达估算降水率不仅可以改进降水分布,而且使中尺度对流系统的发展和消亡清晰地表现出来。     

基于GSI的华南地区对流尺度快速循环同化预报试验

针对对流尺度快速循环同化系统多次循环同化带来的预报效果改进和资料应用问题,利用GSI同化技术和WRFARW区域模式,设计了华南地区对流尺度快速循环同化方案,对2016年4月17一18日华南地区的飑线天气强降水过程进行模拟试验,分析不同循环同化方案和雷达径向风资料同化对雷达回波、相对湿度、降水量级等的预报效果,以期提高华南地区飑线强降水过程预报技巧。检验结果表明:尽管只同化常规资料对预报效果的改进有局限性,但是多次循环同化对于模式预报的降水有一定改善作用;同时同化雷达径向风资料与常规资料对湿度和降水等模拟技巧均有所提高,大雨以上量级的ETS评分改进尤为明显;尽管模式模拟降水峰值小于真实观测值,但同化雷达径向风资料有效改善了飑线最强时段内的垂直上升速度,使得强降水发生时间和强度更接近真实观测。     

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。     

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅱ——对暴雨预报的影响

卫星资料提供了大量关于云和雨的观测信息,在暴雨预报中可发挥巨大的作用,然而在数值模式资料同化中的应用水平仍然不高,特别是红外辐射资料的应用。由于有云环境下辐射传输过程的模拟难度很大,因此通常只同化晴空环境下的红外辐射资料。基于GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统),根据RTTOV辐射传输模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的特点,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,在改进辐射传输模式对红外资料模拟的同时,利用红外资料调整初始云参数和大气参数。针对2007年5月26日南海季风爆发后广东地区的一次暴雨过程,选取MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,中分辨成像光谱仪)传感器水汽(第27)和云顶观测(第36)通道进行了同化试验,利用WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)进行了数值模拟,结果表明同化MODIS资料,可以改进初始场水汽和温度分布,间接调整高空风场,调整趋势符合卫星观测,对短时降水预报有正面影响。     

GRAPES地面风场同化方案研究

随着预报准确度要求以及同化分析循环周期的缩短,具有高时空分辨率的地面观测资料在同化系统中也越来越受到重视,而且一个好的资料同化系统应该能够给出模式近地面动力、热力和湿度状况的合理分析。利用GRAPES区域同化预报系统(GRAPES——Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System),在近地层Monin_Obukhov相似理论的基础上,考虑了边界层的动力和湿热力约束,建立新的地面风场观测算子。将此新方案与目前GRAPES系统使用的三次样条插值的地面同化方案进行高度场预报试验、统计试验以及降水预报的TS评分比较,结果表明,加入新方案地面风场资料同化后,预报效果和对降水的预报能力都比旧方案有所提高。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

有云条件下HIRS/3资料的同化及其对“珍珠”台风的影响

卫星红外辐射资料汽接同化容易受到云的影响,大量卫星资料在有云情况下无法直接同化,其原因之一就是初始云结构难以获取.而云结构是同化系统观测算子的重要输入参数,缺乏云的结构信息,观测算子尤法模拟有云环境下的亮温.热带地区以及台风、暴雨等极端天气系统与云密不可分,要改进卫星辐射资料特别是红外资料直接同化的效果,需要获得较高精度的云三维结构.在GRAPES-3DVAR(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统)基础上,结合WRF(Weather Research and Forecasting Model,天气研究和预报模式)对"珍珠"台风云结构的模拟,增加模拟的云参数作为GRAPES-3DVAR同化系统中RTTOV模式(fast radiative transfer model for TOVS,快速辐射传输模式)的输入参数,改进了有云环境下卫星资料直接同化的观测算子,研究了红外辐射资料直接同化的方法,并分析其对"珍珠"台风预报的影响.针对NOAAl6(National Oceanic and Atmospheric Administration,美国国家海洋和大气管理局)的HIRS/3(High Resolution Infrared Radiation Sounder,高分辨率红外辐射探测仪3型)第4-8、10、13 19通道辐射亮温的同化试验表明,结合初始云结构信息改进同化系统观测算子,可以将红外辎射资料的观测信息同化到模式之中,改进台风温度、湿度结构,对短时降水预报有正面影响.     

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。     

不同观测资料在西南地区数值预报中的应用

利用3.4版WRF同化与预报系统开展自动站、探空、GPS大气可降水量和云迹风资料的同化对比试验,了解现有业务中已同化观测资料在新版系统中的应用效果,确定资料同化优选方案,为西南区域中心数值预报业务改进提供参考。试验表明:(1)自动站资料测站多、分布不均,对初猜场低层要素调整作用大,会减小温度、相对湿度误差;探空资料站点少、垂直信息丰富,对初猜场各层误差减小均有贡献;云迹风资料垂直分布不均,集中在对流层中高层,因此对初猜场的最大调整集中在中高层,会减小位势高度误差;GPS测站少,被剔除的比例高,对初猜场调整作用很小;(2)单独同化试验发现探空、云迹风资料有助于该地区降水预报改进,而自动站和GPS资料对降水预报有负作用;(3)同时同化探空、云迹风资料有利于西南地区降水预报准确率提高,尤其对大降水中心预报。     

集合均方根滤波同化地面自动站资料的技术研究

模式地形与观测站地形高度差异一直是地面资料同化面临的棘手问题,合理的同化方案能够将地面自动站资料有效的同化到中尺度数值模式中。本文首先采用Guo et al.(2002)的方案实现了在WRF模式中应用集合Kalman滤波方法同化地面自动站资料;然后对方案进行调整,对10 m高度风场、2 m高度位温、2 m高度露点和地表气压进行同化。通过均方根误差分析,模拟结果和同化增量分析来确定集合平方根滤波(EnSRF)同化地面自动站资料的有效性,并进行敏感性试验分析检验模式对各要素物理量的响应状况。结果表明:在EnSRF同化系统中应用Guo et al.(2002)的方案将地面自动站资料进行同化到数值模式中,能够部分改善模拟结果;地面观测资料(温度、湿度、风场、地表气压)中各物理量分别同化到数值模式都能影响18小时降水预报,但各物理量所起作用大小不同,其中对结果影响最大的是露点;使用位温、露点分别代替温度、比湿进行同化模拟效果更好,对自动站资料的同化也更加有效。     

High-resolution summer rainfall prediction in the JHWC real-time WRF system

The WRF-based real-time forecast system (http://jhwc.snu.ac.kr/weather) of the Joint Center for High-impact Weather and Climate Research (JHWC) has been in operation since November 2006; this system has three nested model domains using GFS (Global Forecast System) data for its initial and boundary conditions. In this study, we evaluate the improvement in daily and hourly weather prediction, particularly the prediction of summer rainfall over the Korean Peninsula, in the JHWC WRF (Weather Research and Forecasting) model system by 3DVAR (three-Dimensional Variational) data assimilation using the data obtained from KEOP (Korea Enhanced Observation Program). KEOP was conducted during the period June 15 to July 15, 2007, and the data obtained included GTS (Global Telecommunication System) upper-air sounding, AWS (Automatic Weather System), wind profiler, and radar observation data. Rainfall prediction and its characteristics should be verified by using the precipitation observation and the difference field of each experiment. High-resolution (3 km in domain 3) summer rainfall prediction over the Korean peninsula is substantially influenced by improved synoptic-scale prediction in domains 1 (27 km) and 2 (9 km), in particular by data assimilation using the sounding and wind profiler data. The rainfall prediction in domain 3 was further improved by radar and AWS data assimilation in domain 3. The equitable threat score and bias score of the rainfall predicted in domain 3 indicated improvement for the threshold values of 0.1, 1, and 2.5 mm with data assimilation. For cases of occurrence of heavy rainfall (7 days), the equitable threat score and bias score improved considerably at all threshold values as compared to the entire period of KEOP. Radar and AWS data assimilation improved the temporal and spatial distributions of diurnal rainfall over southern Korea, and AWS data assimilation increased the predicted rainfall amount by approximately 0.3 mm 3hr^?1.     

基于NLS-4DVar方法的雷达资料同化及其在暴雨预报中的应用

在基于本征正交分解POD（Proper Orthogonal Decomposition）的集合四维变分同化方法（POD4DEnVar）建立的雷达资料同化系统（PRAS）的基础上,本文利用非线性最小二乘法的集合四维变分同化方法（NLS-4DVar）对PRAS进行改进,解决PRAS在高度非线性情况下的适应性问题,建立了新的雷达资料同化系统（NRAS）。通过观测系统模拟试验OSSEs（Observing System Simulation Experiments）和两次实际暴雨同化试验（2010年7月8日,中国中部地区;2014年3月30日,中国华南地区）对NRAS进行检验,并与PRAS的同化结果进行了对比。结果表明:无论是OSSEs还是实际雷达资料的同化,相对于PRAS,NRAS能够进一步提高同化效果。通过增加迭代的次数,NRAS能够有效地调整初始场的风场和水汽场,进一步提高了降水强度和位置的预报精度。但随着迭代次数的增加,对初始场的调整变小,进而对降水预报效果的改进也减小。试验结果表明NRAS能够有效解决PRAS在高度非线性情况下的应用问题,通过有限次数的迭代,即可得到近似收敛的结果。因而NRAS有望在数值预报中更有效地同化雷达资料,提高中小尺度天气的预报水平。     

BJ-RUC系统模式地面气象要素预报效果评估

利用自动气象站逐小时地面观测资料,采用客观检验方法对北京市气象局快速更新循环预报 (BJ-RUC) 系统在2008—2010年5—9月的预报结果进行检验,初步评估了BJ-RUC系统对地面气象要素的业务预报性能。结果表明:BJ-RUC系统对地面气象要素预报与实况的变化趋势有很好的一致性。其中,2 m温度预报整体偏高,误差范围为-1.5~1.5℃,早上和傍晚偏大,正午偏小;2 m相对湿度的预报整体偏低,误差为-25%~0,白天偏大,夜间偏小;10 m风速预报明显偏大,午后尤为显著,误差为0.6~1.2 m·s-1;6 h累积降水的晴雨预报效果较好,TS评分可达到0.4。系统在初始起报时次的稳定性较差,从第3个起报时次开始逐渐稳定,但预报误差随着预报时效的增长逐渐增大,12 h内的预报误差较小,预报结果较可靠,在短时临近预报中具有参考价值。     

DRP-4DVar方法同化AIRS反演资料在一次江淮流域暴雨中的应用

利用经济省时的降维投影四维变分同化方法(DRP-4DVar),在2009年7月22～23日江淮流域的一次大暴雨过程中同化晴空条件下高光谱大气红外探测仪(AIRS)反演温度、湿度廓线,改进此次强降水过程的模拟。试验结果分析显示,同化AIRS反演的温度及湿度场后,基于四维变分同化系统的模式约束,能够改进湿度场、高度场、高低层散度场。从累积降水量偏差图及同化试验增量图可以看到,正降水量偏差对应于正湿度增量、负位势高度增量及低层负散度高层正散度增量,负降水量偏差则与之相反。同化试验较参照试验可更好地模拟出暴雨的天气形势、对暴雨的落区及强度有更好的反映。此外,从单次同化与连续同化的试验对比结果看出,连续同化试验结果较单次同化结果有进一步的改进,说明不断加入新的观测资料可以更好地模拟强降水过程。     

基于中尺度数值模式快速循环系统的强对流天气分类概率预报试验

在利用实况探空资料、微波辐射计和风廓线构建的特种探空资料对北京地区强对流天气进行判别,以及快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC模式)探空资料可应用性分析的基础上,针对模式探空基本要素计算多种热力、动力、综合不稳定物理量,根据统计的强对流天气判别指标,计算模式格点上的强对流发生概率,并进一步针对冰雹(雷暴大风)和强对流短时暴雨天气下不同物理量的阈值范围,初步探索中尺度数值模式对强对流天气分类预报的可能性.通过不同组合的预报方案进行的对比分析表明,利用北京地区中尺度数值模式快速循环系统(BJ-RUC)的格点探空资料进行强对流天气概率的预报是可以实现的,强对流天气的分类概率预报也存在一定的成功率.     

探空观测资料在西南暴雨中的同化试验

利用探空观测资料、T213资料、NCEP再分析资料以及GRAPES三维变分同化系统,研究不同探空观测资料预处理过程对同化结果和西南暴雨预报的影响。得到以下主要结论:(1)资料接收方式和取资料的截断时间不同会影响可用探空观测资料的站点个数。不同探空观测资料预处理过程,使同化系统得到的可用资料数量不同。(2)同化系统同化的探空资料数量越多,对背景场调整幅度越大。(3)利用GRAPES 3D-VAR系统同化探空观测资料能够改善背景场质量,随着同化的资料条数增多,对背景场的改善作用越明显。(4)降水预报结果表明,同化系统使用的资料条数越多,降水中心强度越接近实况。(5)2005年7月降水预报在西南地区的TS评分结果表明,国家气象中心使用的探空观测资料预处理程序优于成都区域中心的预处理程序。      

实时天气背景依赖的反射率因子间接同化及多暴雨个例试验

为避免直接同化时反射率非线性观测算子线性化带来的线性近似误差问题,目前许多研究和业务中还常采用间接同化方式来同化雷达反射率因子,其通过背景场温度判定水凝物类型及比例。基于一种实时天气背景依赖的雷达反射率因子间接同化方案,进行了4次暴雨过程（2次强对流,2次锋面）的循环同化及预报试验。结果表明:对于强对流暴雨个例,相对于传统温度判定方案,天气背景依赖方案的温度预报误差更小、降水预报评分更高,而对于锋面过程区别不明显;进一步机理分析表明,对于强对流暴雨个例,由于背景依赖方案在同化反射率因子时引入了实时天气背景信息,使得分析场水凝物结构能够更好表征实际对流特征且与其它模式变量更为协调,进而改善了模式预报的热、动力及水汽条件,从而改善了降雨预报效果;而锋面暴雨由浅对流过程占主导,水凝物以低层的雨水为主导,冰相水凝物对于该过程的影响较小,由于两种方案反演的雨水结构和量级均相似,因此降雨预报差异较小。     

江西不同类型强对流天气的地闪统计特征及与雷达回波特征对比分析

选取2004—2014年江西省11个ADTD雷电探测定位组网系统所得云地闪探测数据、省内多普勒雷达、探空和自动站资料,并结合重要天气报,将此11年的强对流天气分成短时强降水、有短时强降水伴随的雷雹大风和冰雹(以下简称风雹)和无短时强降水伴随的风雹这三种主要类型,分析它们发生前后的地闪活动特征及其与雷达回波的关系,结果发现,(1)江西省短时强降水、雷暴大风和冰雹分别主要发生在5—8、7—8月和3月;仅发生短时强降水时的站次远多于发生风雹天气时;除早春和盛夏无短时强降水伴随的雷暴大风发生站次较多外,风雹天气常与短时强降水相伴发生。(2)仅有短时强降水天气发生时,其站点地理位置越偏北、小时雨量越大,对应的地闪活动就越剧烈。不同小时雨量对应的地闪数存在较明显的季节性差异,表现为3、4月地闪数以小时雨量为50~55mm时最多;5—7月地闪数随着小时雨量增大总体呈增多趋势,尤以小时雨量为55~60mm时最多;8—9月则以小时雨量为40~45mm时最多。(3)就无短时强降水伴随的风雹天气而言,在3—5月雷暴大风和冰雹发生前30min内的地闪数差异不大,但平均电流强度后者大于前者;在6—9月雷暴大风发生前30min内的地闪数则为冰雹发生前的2~4倍,平均电流强度前者大于后者;该类风雹发生前的地闪数多于仅有短时强降水发生前,正地闪的平均电流强度前者也略强。(4)有短时强降水伴随的风雹发生前的平均正地闪数以8月为最多,而负地闪数则在6月最多;冰雹发生前1h内的地闪数随季节变化不大,而雷暴大风发生前的地闪数存在季节差异,夏季多于春季;另外冰雹的地闪数与冰雹直径存在较好的正相关性。(5)3—8月,有短时强降水伴随的风雹地闪数远多于无短时强降水伴随时;其平均电流强度前者大于后者;该类风雹天气发生前,地闪平均电流强度随季节呈先增大后减小的趋势,而无短时强降水伴随的风雹天气则无此特点。(6)强对流天气发生前,较强回波出现前的负地闪活动远比正地闪活跃,但其电流强度弱于正地闪;45dBz以上回波伸展高度越高,伴随的地闪数也越多,但其平均电流强度变化不明显。