论文部分内容阅读
强对流天气预报一直是气象预报的一个难点和重点。多普勒天气雷达因能实现对强对流系统内部三维降水结构的高时、空分辨率观测,是中尺度研究中不可缺少的工具。如能充分利用其观测资料,改善数值模式预报的初始场,对于提高强对流天气预报有重要的价值。本论文主要围绕如何使用雷达资料(主要包括径向风和反射率两部分)提高模式对中尺度强对流天气系统短时预报展开研究。
最近NCEP中心准业务RapidRefresh(RR)和HighResolutionRapidRefresh(HRRR)的资料同化系统GridpointStatisticalInterpolation(GSI)中,已实现了对全美雷达网资料的实时同化。其中雷达径向风和雷达反射率因子分别采用三维变分和复合云分析(调整云水物质、温度和水汽)技术。然而,目前对于GSI雷达资料同化和预报结果的定量评估研究较少,评价标准(如评分使用的观测、区域等)也不尽相同。为了全面客观地评估GSI中雷达资料同化方案在实时业务系统中的作用,同时统一评估检验标准,本文引入了NCAR发展的ModelEvaluationTools(MET)评估系统,建立了一套集雷达资料同化、强对流天气预测以及模式评估于一体的同化-预报-评估(APE)系统。APE系统能满足业务系统批量自动化预报结果评估、同化方法对比、资料重要性检验等需求。基于该APE系统,利用2007年美国一次登陆热带风暴(Erin)和2008年美国中部一次中尺度对流系统个例,研究了GSI雷达资料同化参数配置(包括径向风同化水平影响尺度、反射率反演方案、三维云物质结构分析等)对预报结果的影响,揭示了这些参数在预报中的作用,并初步确定了业务预报中针对强对流天气系统预报的雷达资料同化方案的最优参数组合。同时,针对强对流天气系统研究中三维变分方法的不足,本文还研究了集合卡尔曼滤波同化方法,并比较了2010年一段时间内的实际观测资料的EnKF与GSI分析的预报。
在登陆热带风暴(Erin)的个例研究中(个例1),APE系统首先被用于检验GSI三维变分和云分析系统同化雷达资料的预报效果。实验对2007年8月19日登陆热带风暴Erin减弱后在Oklahoma境内再次加强的过程进行同化模拟效果的比较。模式的水平分辨率是3km,径向风资料来源于Oklahoma境内的4部多普勒雷达观测,反射率资料来源于NSSL的三维格点mosaic资料。实验采用间隙性数据同化的方法每10分钟同化一次雷达观测,同化时间窗为2小时。实验目的之一是获取雷达径向风同化参数水平尺度影响因子、反射率反演方案以及模式预报微物理方案等参数的最优配置。预报结果表明:雷达资料同化明显改进了模式对Erin的预报;采用3-4个网格距,模式预报微物理采用Thompson方案和计算回波公式也采用Thompson方案的实验能够比较准确的预测到Erin登陆后再次加强过程中出现的类似台风眼的结构,与观测最为接近。表明径向风水平影响尺度为3-4个网格距,模式预报微物理采用Thompson方案和计算回波公式也采用Thompson方案的参数组合是最优的。在此最优配置基础上,评价了雷达资料对降水预报的贡献,对比了neighborhood和obiect-based两种评分。观测选用NCEP4-km分辨率的StageⅣ格点降水。分析结果表明:object-based评分方法更适合于当预报降水存在较大结构和位置差异的对比分析;使用object-based评分客观地说明了同时同化雷达径向风和反射率实验与观测相似程度最高。
为了优化实时业务系统中GSI雷达资料同化参数配置以及检验全美雷达观测网资料对短时临近降水预报的影响,本论文还选取了发生于2009年6月15日～16日之间Kansas州的一次MCS过程(个例2)进行研究。在这部分工作中,我们将APE系统用于美国目前逐时分析并快速更新预报的准业务系统RR中。RR的水平分辨率约为13km,与之前同化.预报流程不同的是每次分析后都向前预报12小时,并在预报初始化过程中增加了针对雷达资料增强使用的RR-WRFDFI动力初始化的过程。在此次MCS过程的模拟研究中,每单个实验收集了RR的12次预报。实验可分为三组:一是雷达各部分资料对短时降水预报贡献的检验。降水评分表明雷达反射率资料在预报的降水评分中起主导作用,当评分区域只限制在MCS发生区域时,这种主导地位可达10小时,可较好地改进短时临近降水预报。二是基于ARPS对流云和RUC层云两种云分析方案的对比。降水预报表明,ARPS对流云方案预报的对流单体结构更细致,阈值为5mm/h的降水评分要明显高于RUC层云分析方案。三是RR-WRFDFI与标准WRFDFI的比较。降水评分表明RR对DFI动力初始化过程的改进明显提高了模式降水预报技能。
为了检验雷达资料对高分辨数值模式系统短时临近降水预报的贡献,同时进一步检验RRWRFDFI在HRRR下的表现,我们在NCEP准业务运行的高分辨HRRR框架下,重新模拟了此次MCS过程。HRRR的水平尺度约为3km,实验中HRRR区域覆盖了美国东部2/3的国土。降水评分进一步证明了雷达反射率资料在风暴尺度的降水预报中贡献最大。与直接WRF预报相比,虽然RRWRFDFI比较耗时,但提高了降水预报技能。
论文的最后一部分工作新建了快速更新的区域EnKF分析与预报系统。单个预报并不能表示大气的真实状态。为了解决这个问题,近年来,基于集合卡尔曼滤波(EnKF)的方法被提出,目的是解决模式大气可预报性等问题。为了能在将来的实时业务系统中,用EnKF分析同化雷达资料,研究选取了2010年5月8日～16日一周的时段进行EnKF与GSI分析预报对比。但出于检验系统正确性等目的,研究只针对实际的常规、卫星资料同化做了初步分析与比较。区域EnKF同化-预报系统含40个成员,覆盖整个北美洲。模式水平分辨率约为40km,每3小时分析同化一次实时业务系统的观测资料。00、12UTC的集合平均分析结果插值到13km并向前预报。区域EnKF系统充分利用了GSI的功能,即所有观测的预处理、质量控制以及观测增量的计算都在GSI里完成。在APE系统中,进行了一系列的参数配置实验,预报误差分析表明:～40km上,相对湿度变量,EnKF分析的预报误差要好于GSl分析的预报;其他变量则在低层和GSI相当,高层略差。～13km降水预报表明:EnKF预报的雨带落区,强度以及结构等特征上都要好于GSI;同时,GSS逐时降水评分也进一步说明了EnKF降水预报好于GSI。
本论文有如下创新点:
1)本文建立了可用于雷达资料研究和应用的同化-预报-评估(APE)系统。该系统可被用于雷达资料同化方法对比、参数组合以及资料对预报的贡献等研究。
2)首次将三维变分和云分析综合同化方法应用到GSI系统的雷达资料同化研究。APE系统下个例研究结果表明,采用3～4个格距水平影响半径,三维水物质场反演的回波计算公式为Thompson,模式预报微物理方案也为Thompson的参数化组合,预报效果最好。
3)研究了准业务系统RR/RRR框架下雷达资料同化参数优化问题。实验结果表明:ARPS对流云方案对强对流的预测好于RUC层云方案;RRWRFDFI雷达资料增强使用的方法提高了模式的降水预报技能;雷达反射率资料对短时临近降水预报的贡献最大。
4)本文新建了基于RR框架的快速更新分析与预报的区域EnKF系统,并与目前NCEP全球的EnKF分析融合,建立了全球与区域统一的EnKF分析系统。实验结果表明,40km上的EnKF预报的相对湿度变量要好于GSI。13km的降水预报,EnKF好于GSI。