雷达资料同化在强对流天气预报中的应用研究

发布时间：2020-05-03 13:31

【摘要】：本文利用三维变分(3DVar),集合卡尔曼滤波(EnKF)来同化雷达资料,考察了各自在强对流系统中的应用效果,并通过多种方法对其同化和预报效果进行改善。在此基础上,进一步结合以上改进后的3DVar和EnKF方法,发展了 hybrid EnKF-En3DVar同化系统,使用两步法同化常规和雷达资料。主要研究内容和成果如下:(1)首先基于WRFDA 3DVar雷达资料间接同化系统,采用邻域方法发展了一种非降水回波同化方案,检验其在强对流天气过程中的预报效果。并探讨了该方案对不同邻域半径和比例阀值(非降水回波在邻域中的比例)的敏感性及其改善模式预报水平的原因。结果表明:相比未同化非降水回波的试验,非降水回波同化试验能够有效减少降水预报中的BIAS和FAR。尽管所有的非降水回波同化试验均能减少降水偏差,邻域半径较大,比例阀值适中时,预报效果最佳。这是因为非降水回波的同化可以使得模式大气中总水量大致守衡,与未同化非降水回波的试验相比更加合理。(2)为了克服3DVar同化上背景误差协方差静态的缺点,采用更高级的EnKF方法同化雷达资料,针对发生我国华南地区的一次典型飑线过程,检验了在中国区域的应用效果。进一步引入具有时空自适应理论优势的贝叶斯膨胀算法来减小EnKF的采样误差,首先应用到一次超级单体理想个例,通过与常数膨胀算法对比,从理论上证明了贝叶斯膨胀算法在EnKF同化雷达资料上的优势。然后同化多部多普勒天气雷达资料,将贝叶斯膨胀算法应用到一次实际强对流过程。结果表明,EnKF方法同化雷达资料后,集合成员较未同化雷达资料的模拟效果更好,其ETS评分最高。对于理想试验,贝叶斯膨胀算法的分析变量更接近真实场,集合离散度相比常数膨胀算法增大,均方根误差明显减小。对于实际个例试验,贝叶斯膨胀算法同化和模拟的MCS结构更接近观测,风场和冷池结构更合理。对于不同组合反射率因子的阀值,其ETS评分均高于常数膨胀算法。这是因为贝叶斯膨胀算法可以在背景场均方根误差较大时,给出较大的膨胀参数,使得观测权重增大,从而给出了较大的分析增量。(3)进一步系统地对比了以上改进后的3DVar和EnKF同化方法对强对流天气同化和预报效果的影响。结果发现:同化雷达资料明显地改善了背景场,且EnKF分析的对流结构更接近观测。EnKF提高了雷达反射率因子和降水预报水平,包括FSS,ETS,BIAS和FAR。反射率因子的预报概率显示,EnKF对不同反射率因子阀值的概率预报水平,均高于3DVar方法。另外,与3DVar相比,EnKF减少了高空和地面的风,温度和水汽混合比等变量的均方根误差。(4)根据以上工作,构建了 hybrid EnKF-En3DVar雷达资料同化系统,采用两步法同化常规和雷达资料,详细分析了该系统相比于3DVar系统的改善效果及其原因。结果表明:无论3DVar或者hybrid方法,雷达资料同化试验均能够将定量降水预报的时长提高至7 h。相比于3DVar,hybrid试验能更准确地模拟出与观测相接近的降水量,特别是对于强降水中心强度和形状的模拟更为明显。同化雷达资料后,预报效果明显高于未同化雷达资料的试验。降水和反射率因子预报效果的提高与背景场的温度、风和水汽混合比等变量的改善紧密相关。同化雷达资料的hybrid试验在对流区域能够增强低层降水蒸发冷却过程及中层的潜热释放增温过程。
【图文】：

反射率因子,区域雷达,观测组,非降水回波

２．２．２非降水回波定义及同化方案逡逑Ｋｎｉｇｈｔ和Ｍｉｌｌｅｒ［６６＾义小于１０邋ｄＢＺ的雷达回波为非降水回波，本章定义更保守的逡逑值即反射率因子小于５邋ｄＢＺ的雷达回波为非降水回波。图２．１为模式内层区域观测到的逡逑雷达回波分布。图中蓝绿色为非降水回波，即在对流区域（反射率因子较高的区域）占逡逑了大部分面积。一般在雷达观测资料质量控制处理中反射率因子较低和质量较差的雷达逡逑回波会被当作缺测而去除。对于前者，当反射率因子低于－１５邋ｄＢＺ时，则认为是非常弱逡逑的回波。然而，质量控制去除的回波并不能当做非降水回波，必须仍然当作缺测处理。逡逑雷达质量控制程序使用的是ＶＤＲＡＳ系统Ｐ５：！内的雷达资料质量控制模块。非降水回波包逡逑括反射率因子低于５邋ｄＢＺ且非质量控制去除的缺测资料。同化以上反射率因子较低的非逡逑降水回波，对抑制模式背景场中虚假的对流有一定作用。但是，如果不对风暴内部的湿逡逑度进行调整，即使这些虚假对流在分析场中被移除，在预报中会很快地重新产生，因此逡逑对湿度的调整非常必要。逦＇＇逡逑如何有效地同化非降水回波的关键在于合理地估计代价函数中根据反射率因子观逡逑测反演的相对湿度观测这里认为在非降水回波处，每个格点观测到的＜必须满足逡逑以下三个条件：（１）预报背景场中的格点必须有降水，即通过三维双线性插值方法将背逡逑景场中的水凝物含量插值到非降水回波位置后

雷达观测,模拟区域,矩形框,雷达

南京信息工程大学博士学位论文逡逑测资料。图２．２为模式的模拟Ｋ域和雷达位置。降水观测资料来自美国国家强风暴实验逡逑室邋ＮＳＳＬ邋（Ｎａｔｉｏｎａｌ邋Ｓｅｖｅｒｅ邋Ｓｔｏｒｍｓ邋Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ）提供的邋ＭＲＭＳ邋（Ｍｕｌｔｉ－Ｒａｄａｒ／Ｍｕｌｔｉ－Ｓｅｎｓｏｒ逡逑Ｓｙｓｔｅｍ—雷达定量降水估计产品。首先利用ＶＤＲＡＳｔ２５闸化系统的质量控制模块对雷达逡逑资料进行质量控制和预处理。逡逑４５ｎ７ｌ＾Ａ邋＿邋—４邋ｉｍ逡逑３５Ｎ邋＼：逦—夺匕一一－，／邋，逡逑、＼邋｝逦ｋ一１逡逑３０Ｎ邋卜逦￣Ｕ￣￣＾＇逦Ｉ邋＾逡逑＿ｊ逦｜逦｜逦ｉ邋ｒ￣ｖ邋ｉ逦Ｚ＿ｉ逦逦逡逑１２０Ｗ逦１１５Ｗ逦１１０Ｗ逦１０５Ｗ逦１００Ｗ逦９５Ｗ逦９０Ｗ逡逑图２．２模拟区域及９部雷达的位置，其中黑色矩形框代表模拟范围、倒三角代表雷达位置，大圆圈代逡逑表半径为雷达观测的范围逡逑采用ＷＲＦ预报模式，具体的模式的配置和参数化方案如下：利用两层双向嵌套，逡逑第一层区域水平格距为１５邋ｋｍ，第二层区域水平格距为３邋ｋｍ。垂直层数为５１层，模式逡逑顶层气压为５０ｈＰａ。第一层区域使用ＫＦ邋（Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ）积云对流参数化方案＿，第二逡逑层区域不使用任何积云对流参数化方案。其它方案主要包括，ＭＹＪ逡逑ＣＭｅｌｌｏｒ－Ｙａｍａｄａ－Ｊａｎｊｉｄ）边界层方案’，，Ｔｈｏｍｐｓｏｎ微物理方案【７０】，Ｎｏａｈ陆面模式［７１】，逡逑ＲＲＴＭＧ邋（Ｒａｐｉｄ邋Ｒａｄｉａｔｉｖｅ邋Ｔｒａｎｓｆｅｒ邋Ｍｏｄｅｌ邋ｆｏｒ邋ＧＣＭｓ）长波福射方案和短波福射方案［７２］。逡逑雷达资料同化采用Ｔｏｎｇ等１６５］提出的两步法
【学位授予单位】：南京信息工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P456

【相似文献】