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雷达资料三维变分同化研究

刘红亚  
【摘要】: 本文设计了一个雷达资料三维变分同化方案并采用梅雨和台风天气的实际雷达观测资料进行了同化和预报试验。文献中广泛应用的雷达径向风和反射率因子的观测算子被用来建立观测资料和模式变量之间的物理联系。较强的垂直运动是中尺度天气系统的典型特征之一,本文采用了两种技术来处理垂直速度。其一是采用Richardson方程通过水平风场、温度和气压来对垂直速度进行诊断,其二是利用统计方法由观测的反射率因子反演出垂直速度后,再采用Richardson方程作为观测算子对反演的垂直速度进行同化。研究发现,前一种方法得到的垂直速度偏小,分析出的中尺度对流系统不明显,后一种技术可以得到比较明显的三维中尺度环流结构。同时还发现下边界地形和Richardson方程中的加热项对垂直速度的同化有重要影响。水汽和云水采用一定的诊断方法得到,以构造动力、热力和水成物相互协调的三维对流结构。梅雨和台风暴雨个例试验结果表明,本文同化技术在缓解spinup现象、提高中尺度数值预报水平方面均显示出明显的正效果。 论文的创新之处和主要结论有如下几个方面:(1)本文建立的雷达资料三维变分中尺度同化系统是基本合理和有效的,单点检验证明同化系统中各观测算子和约束关系是合理的,天气个例试验显示同化雷达资料后预报结果均得到较大改善。(2)以Richardson方程作为观测算子同化垂直速度可以改善初始场中中尺度系统的三维动力和热力结构,方程中的非绝热项对同化结果有重要影响。(3)淮河暴雨试验结果表明同化雷达资料可以改善梅雨锋(切变线)上的中-β尺度对流系统的预报,缓解Spinup现象,并实现数值模式的热启动。(4)登陆台风试验结果表明同化雷达资料可以提高台风降水、强度和移动路径的预报水平,并改善初始场中台风螺旋雨带上的中-β尺度对流系统的结构。 鉴于中尺度和天气尺度天气系统之间的巨大差别,在中尺度资料三维变分同化时,背景误差相关模型的设置、观测误差结构和观测资料的代表性等方面还需要进行更加深入的研究。


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