多普勒雷達(dá)資料在中尺度模式中的應(yīng)用

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1、ttp://www.paper.edu.cn1多普勒雷達(dá)資料在中尺度模式中的應(yīng)用1,212楊毅，邱崇，龔建東1蘭州大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，甘肅蘭州(730000)2國家氣象中心，北京（100081）E-mail：yangyi_80@163.com摘要：本文研究了一個在WRF-Var（1.3version，2003）框架中直接同化雷達(dá)徑向風(fēng)，同時利用雷達(dá)回波強(qiáng)度觀測調(diào)整各種云物理量、位溫和空氣濕度變量的技術(shù)方案。并針對2003年7月4日-5日的一次淮河暴雨過程進(jìn)行同化模擬試驗。試驗結(jié)果表明同化雷達(dá)資料后的風(fēng)場包含了更多的中尺度信息；用雷達(dá)回波調(diào)整后的物理量在空間上與數(shù)值

2、上和觀測的雷達(dá)回波在空間上與強(qiáng)度上有很好的對應(yīng)關(guān)系；從預(yù)報的回波來看，同化雷達(dá)資料后對降水預(yù)報有明顯的正作用，并且這種正作用能維持2小時左右。關(guān)鍵詞：多普勒雷達(dá)，同化，WRF3D-VAR，云微物理量1．引言由于多普勒雷達(dá)資料具有常規(guī)資料無可比擬的高時間、空間分辨率,多年來人們一直希望利用它來改善中尺度模式初始場,提高臨近預(yù)報和短期天氣預(yù)報的準(zhǔn)確率。近年來隨著模式分辨率的提高，資料同化技術(shù)的改進(jìn)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在中尺度模式中同化雷達(dá)資料的愿望更加迫切也有了實現(xiàn)的可能。然而目前為止，多普勒雷達(dá)資料并沒有在數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)中得到充分有效的應(yīng)用。多普勒雷達(dá)徑向風(fēng)最初

3、是通過VAD技術(shù)以風(fēng)廓線的形式被同化到模式中,Lindskog等[1]利用三維變分同化(3D-VAR)方法進(jìn)行了這方面的試驗,同時將一定體積范圍內(nèi)平均的徑向風(fēng)作為“超級觀測”進(jìn)行了同化試驗，結(jié)果表明同化雷達(dá)資料后能提高降水預(yù)報檢驗評[2][3]分。還有一類方法是同化由單多普勒雷達(dá)資料反演的風(fēng)場，Weygandt等針對一個超級單[4]體所進(jìn)行的試驗得到令人鼓舞的結(jié)果。邱崇踐等利用一種3.5維變分分析方法反演風(fēng)矢量場,[5]并利用Gal-Chen提出的熱力場反演技術(shù)得到的氣壓場，同化入ARPS模式，對移經(jīng)美國Oklahoma州的一個強(qiáng)雷暴系統(tǒng)作了數(shù)值預(yù)報試驗，結(jié)果表

4、明，初始場中利用了多普勒雷達(dá)[6]觀測資料后明顯地改進(jìn)了預(yù)報。馬清云等運用局部VAD法由多普勒雷達(dá)徑向風(fēng)資料反演水平風(fēng)場,并運用最優(yōu)插值法優(yōu)化中尺度數(shù)值預(yù)報模式的初始風(fēng)場,證實它有助于分析和預(yù)報時空尺度較小的中尺度系統(tǒng)。這些同化雷達(dá)徑向風(fēng)觀測的方法，大多數(shù)是在雷達(dá)資料進(jìn)入大氣模式前首先對它進(jìn)行某種“加工”，例如先反演出風(fēng)場和熱力場。在這個過程中不可避免地會產(chǎn)生誤差，將這些誤差帶入模式中必然影響同化效果。近年來，還有不少利用雷達(dá)回波強(qiáng)度資料調(diào)整初始場的工作，例如根據(jù)雷達(dá)回波強(qiáng)度和降水率的半經(jīng)驗關(guān)系調(diào)整垂直速度、水汽和云水含量，一些試驗顯示這樣做能有效減輕[7][8

5、][9]spin-up現(xiàn)象，改進(jìn)降水預(yù)報。Zhang等利用回波強(qiáng)度資料進(jìn)行云分析和非絕熱初始化，[10]試驗表明，濕度調(diào)整能明顯改進(jìn)降水預(yù)報。托亞等利用多普勒雷達(dá)資料反演的降水對模式進(jìn)行了動力和熱力非絕熱初始化調(diào)整，通過MM5模式試驗發(fā)現(xiàn)雷達(dá)資料能改進(jìn)降水落區(qū)[11]和強(qiáng)度預(yù)報。李永平等用回波資料調(diào)整大氣的云微物理量對一次降水過程所作的1小時臨近預(yù)報試驗也說明調(diào)整后能夠得到合理的中小尺度流場輻散輻合結(jié)構(gòu)。1本課題得到國家自然科學(xué)基金（40305779）和“十五”國家科技攻關(guān)計劃課題“奧運氣象保障技術(shù)研究”（2002BA904B05）的資助。-1-ttp://ww

6、w.paper.edu.cn基于上述這些研究成果,我們認(rèn)為如果能夠在直接同化雷達(dá)徑向風(fēng)觀測資料的同時利用回波強(qiáng)度觀測調(diào)整各種云物理量有可能得到更好的分析場,為此本文提出了一種在3D-VAR系統(tǒng)中綜合同化多普勒雷達(dá)徑向速度和回波資料的方法。在這一方法中,徑向風(fēng)被作為一種新的觀測類型而被直接同化，同時雷達(dá)回波資料被用來調(diào)整各種云物理量、位溫和空氣濕度變量。針對2003年7月4日-5日（北京時間，下同）發(fā)生在淮河流域的一次暴雨過程，檢驗這一方法對預(yù)報效果的改善情況。2．方法本方法采用WRF3D-VAR系統(tǒng)作為基本的同化平臺，首先直接同化雷達(dá)徑向風(fēng)觀測，然后再根據(jù)雷達(dá)回

7、波資料對云微物理量、位溫和濕度場進(jìn)行調(diào)整。2.1雷達(dá)徑向風(fēng)資料的直接同化本文使用的能夠直接同化雷達(dá)徑向風(fēng)的3D-VAR同化系統(tǒng)，是在2003年11月發(fā)布的WRF3D-VAR1.3版本基礎(chǔ)上修改的。[12]WRF3D-VAR系統(tǒng)采用增量公式將同化過程表述為極小化以下的目標(biāo)函數(shù)：1T1??1bbT1JH()δδδxx=+Bx(x+Hδx?+y)R(xHxHδ?y)(1)22b其中δxxx=?為分析增量，x為模式變量，xb為背景場，非線性觀測算子H和切線性觀測算子H分別將背景場變量和分析增量映射到觀測變量y。B、R分別為背景誤差協(xié)方差矩陣和觀測誤差協(xié)方差矩陣。目標(biāo)函數(shù)

8、的極小化是在經(jīng)過預(yù)處理的