【摘 要】
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基于对流尺度（1-3 km）快速更新循环同化预报技术是解决强对流天气（如短时暴雨、龙卷等）临近预报的重要手段,也是当前研究的难点和热点。雷达观测是能够为风暴尺度天气系统初始化提供高时空分辨率的观测手段之一。因此,开展对流尺度雷达资料同化方法研究,提高数值模式对强对流天气的预报能力,对减少人民生命和财产损失具有重要的意义。本文利用三维变分（3DVAR）方法开展研究,其相对于更先进的四维变分（4DVA
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基于对流尺度（1-3 km）快速更新循环同化预报技术是解决强对流天气（如短时暴雨、龙卷等）临近预报的重要手段,也是当前研究的难点和热点。雷达观测是能够为风暴尺度天气系统初始化提供高时空分辨率的观测手段之一。因此,开展对流尺度雷达资料同化方法研究,提高数值模式对强对流天气的预报能力,对减少人民生命和财产损失具有重要的意义。本文利用三维变分（3DVAR）方法开展研究,其相对于更先进的四维变分（4DVAR）、集合卡尔曼滤波（En KF）和混合同化方法计算资源需求更少,简单易行,能获得高效率、快速的分析结果,对强对流的预报具有优势。在对流尺度天气系统中,水汽和温度条件对对流的发展与维持起到至关重要的作用,而高时空分辨率的水汽和温度的观测信息却十分的匮乏。基于3DVAR同化雷达资料时,存在无法改善水汽和热力条件的问题。针对该问题,本文（ⅰ）首先提出了一种新的基于雷达反射率的“伪水汽”观测方法,其利用垂直积分液态水含量（VIL）识别湿深对流区域,假设深对流区内水汽饱和,同时利用晴空回波降低虚假对流中相对湿度,根据背景场的温度和气压,计算反演水汽并作为伪观测。（ⅱ）其次,将ARPS云分析方法中湿绝热初始化方案产生的云内温度,作为“伪云内温度”观测。（ⅲ）最后,考虑潜热加热廓线在层状降水、深对流降水和浅对流区的差异化特点,利用基于VIL的对流降水与层状降水分离算法,设计了融合凝结潜热与湿绝热方案的新的云内温度调整方案,构造出“伪云内温度”观测。针对3个龙卷强对流个例和2个梅雨锋暴雨天气个例,在3DVAR框架下开展了雷达径向风、雷达反射率、伪水汽和伪云内温度的逐15分钟循环同化和短临预报研究。主要结论如下:（1）同化伪水汽后,在观测强回波区域内,有正的水汽增量,背景场虚假对流区域,有负的水汽增量。随着循环同化的次数增多,正的水汽增量主要出现在新生成的强雷达回波区或因模式背景与观测有位移偏差的区域,负的水汽增量主要出现虚假对流区域。（2）同化伪温度后,正的位温增量加热模式大气,抵消与引入水凝物和蒸发冷却相关的负浮力,有利于对流的发展与维持。随着循环次数的增加,湿绝热初始化方案的位温增量明显减小,凝结潜热方案的位温增量较大,更有利于弱降水回波或新生对流在模式积分中的维持和发展。（3）相对于只同化雷达径向风和反射率,同化伪水汽或伪云内温度后,3个龙卷强对流天气的分析场和预报场在定性与定量方面都得到了改进,主要体现为:获得更好雷达回波分析场;分析场中最大垂直速度落区与龙卷、冰雹等灾害报告相一致;减少（减弱）虚假的对流风暴;提高雷达反射率的ETS评分,改善雷达反射率和降水的预报;预报的强回波路径和2-5 km上升螺旋度（UH）移动轨迹与龙卷、冰雹等灾害报告位置更为一致。（4）针对2018年2个梅雨锋暴雨强降水个例,开展了雷达资料、伪水汽和伪温度对比同化试验。结果表明,同化伪观测资料可以提高梅雨锋中对流系统的组合反射率和降水的预报。仅同化伪水汽,能改进1-2h的降水和回波预报;同时同化伪水汽和温度,对降水预报改进明显,预报时效延长;新的温度调整方案预报效果最优,得到了更准确的反射率分析结果和更真实的定量降水预报。（5）利用1.5km的模式水平分辨率设置,基于3DVAR同化系统,逐15分钟循环同化雷达资料、伪水汽和云内温度,获得的分析场能够对盐城阜宁龙卷超级单体的主要特征较为准确分析。龙卷超级单体风暴三维结构特征为:该龙卷超级单体发展旺盛,45d BZ伸展到17 km高度,强回波柱内正涡度柱深厚,钩状回波结构明显,涡旋偶等中气旋结构特征明显;龙卷接地前,强反射率质心快速下降,涡旋偶中心降到500m高度,涡度柱水平尺度变大,旋转增强,而且高层存在明显的重力波向下风方向传播。利用WRF模式模拟的0-1h风场和雷达回波,虽然不能获得精细龙卷结构,但模拟的超级单体空间形态和强度、风场和涡度等要素仍可为强对流预报提供参考。
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