GRAPES短临预报的云初始场形成与雷达VAD质控的关键技术研究

【摘要】：“Spin-up”问题目前是限制短时临近降水预报水平的重要问题。初始云场缺失是导致该问题的重要原因之一。本文围绕我国中尺度GRAPES中尺度模式的云初始场形成和VAD资料同化应用展开研究，为提高我国中尺度业务短时临近数值预报对云和降水预报的准确率提供科学参考，从而提高暴雨，飑线等强对流的灾害性天气的防灾减灾能力。 首先分析了我国目前业务中尺度数值预报系统中使用的GRAPES模式在短时预报中云和降水的发生和演变特征。研究结果表明：（1）因为初始云场信息缺失，对于实际观测到的云雨区范围内，模式预报要到10-15min才有云水生成，30-40min才有雨水产生，而雨水降落到地面则要滞后50-70min，而云水和雨水达到协调的准平衡演变状态要到1-1.5h以后。这是很难满足临近预报快速响应降水的需求。（2）与观测相比，模式模拟中规模产生云水和雨水后，降水的组织性较弱，与观测存在较大差异，这对于短时临近预报中要求在正确位置上产生降水的需求也存在较大差距。 接下来较为详细地介绍了云场形成方案，文中简称为云分析方案。具体包括应用雷达拼图资料、静止卫星资料、地面观测的格点云量形成方案，云内云滴粒子（云水、雨水）的定量化分析，云内降水类型的区分和降水粒子（雨水、雪和雹）的定量化分析方案等。并通过暴雨济南“718”个例对该方案的适用性和可行性进行分析，结果显示以前一时刻预报的云信息作为下一时刻模式起报的初始云信息，与初始云场从零“冷启”的试验相类似，同样存在短时临近降水空报的现象。完整云分析方案初始云内信息的应用，对雨区的位置和降水强度的逐时演变都有所改善。说明该方案作为我国GRAPES模式中云初始场的基础方案是可行的。 针对GRAPES中尺度模式引入该云分析方案，从宏观云到微观云的合理性进行了诊断。宏观云诊断包括利用分钟级探空资料对云底进行诊断，利用MODIS卫星云顶气压产品对云顶高度进行对比，利用风云二号静止卫星云产品对云总量进行分析，利用MODIS卫星资料进行云水路径诊断。微观云的分析包括应用TRMM资料、CLOUDSAT资料、多普勒雷达资料对云内水成物水平和垂直的定量化分布进行分析。宏观诊断结果显示：云分析结果中总云量、云顶气压、云内水成物的分布范围等宏观特征较为合理。存在的问题是背景云量过大，云底的分析准确程度需要提高。微观诊断结果显示：上升运动不强烈的云中（比如层云）中，会出现云滴粒子分析量级过大的问题。而旺盛发展的对流云则不会出现这种问题。 依据诊断结果，对云分析方案进行了优化改进：（1）在云分析方案中应用了一类新的观测资料，分钟级探空资料协同地面观测分析云底；（2）优化了地面观测的应用方式和地面信息在云分析中的插值方案；（3）优化了背景场相对湿度云量方案，选择了与目前模式分辨率更为匹配的相对湿度阈值；（4）引入了一种更适宜层云降水的云滴粒子定量化分析方案。 在优化后的云分析方案的基础上，进行GRAPES中尺度模式短时预报的云初始场敏感性个例研究。分别进行了有无云信息的敏感性试验，云分析方案中的不同观测资料对降水影响的敏感性分析、有无同化循环的影响等。通过这一系列试验的分析表明，云初始场信息的应用，在1h的时间尺度上，即可响应出与实况更为接近的降水。 在0－6h时间范围内，云初始场对降水的预报均有正效果，在一定程度上，可以满足短时临近预报的需求。尤其是经过同化循环的云信息应用，对降水的逐时演变预报更为准确。而在云分析中，雷达资料对其影响范围内的降水有积极作用，地面的人工观测和分钟级探空资料起到了明显的作用，此类资料缺失会引起预报偏弱，卫星资料仍然影响不够显著。云分析后的短时降水预报对背景场（经过同化的分析场）的质量仍有很大的依赖性，如因背景场原因引起的虚假降水，云分析后对这部分降水很难剔除。 同时本文针对短时临近预报需求，开展了有利于改善云雨内风场信息的雷达VAD资料的业务同化应用研究。因为新一代天气雷达VAD风作为多层次水平风矢量的垂直廓线，具有时间频次高，易与业务数值预报模式分辨率相匹配，影响质量因素复杂等特点。在数值预报中有效同化该资料，将改善对流层风场资料不足等状况。然而同化中能否用好VAD资料的关键是该资料的质量。因此根据VAD资料不同误差来源，首先综合集成了现有的VAD质量控制方案，形成逐级综合质量控制方案。通过分析逐级质量控制方案得到的VAD资料在同化中的适应性，发现资料相对背景场存在偏差问题。然后分析了出现这种问题的原因在于选择的用以反演VAD的径向原始数据中存在大量不符合VAD理论的资料，据此设计了逐步迭代拟合质量控制方案。结果显示，该方法可逐步筛选出用以反演VAD的径向速度数据，提取出简谐波特征。将通过最终形成的质量控制方案获取的VAD资料与分钟级探空实测资料对比，显示获取的风速比质量控制前获取的风速更为准确。通过与数值模式背景偏差分析，也显示了相对背景场的偏差得到有效修正。 同时，为满足同化中资料筛选对气压的需求。研究了VAD资料气压高度标定方案。提出了以雷达站所在地的地面气象观测要素作为参考的气压标定方法。具体为在压高公式中引入多元大气温度递减方案，地面基础要素由雷达站配备的地面自动气象观测站提供。针对该方案敏感的温度垂直递减率进行了多组试验，结果表明随时间和高度更新的温度递减律方案标定误差相对最小。最后对该方案的空间适应性进行了验证。 在针对短时临近预报的快速更新同化循环预报系统中，采用经过质量控制的VAD资料进行同化，对河南飑线过程进行个例试验。研究结果表明丰富风场信息，对此次飚线过程预报有明显改善。