雷达资料循环同化在台风“莫兰蒂”短时预报中的应用研究

【摘要】：台风结构、强度、路径和降水的准确预报,是数值预报研究领域中的热点和难点问题。近年来,数值模式对台风路径预报准确率持续提高,而对台风强度和风雨预报则进展缓慢,其中一个重要原因是模式初始场不能准确反映台风内核区结构。众所周知,地基多普勒雷达是唯一能监测登陆台风风雨三维精细结构的工具,其获取的高时空分辨率资料有助于改善数值模式初始场精度。本文利用中尺度预报模式ARPS及其三维变分(3DVAR)/云分析系统,以2010年在福建登陆的近海增强台风“莫兰蒂”为例,研究云分辨率尺度下循环同化雷达资料对台风初始场和预报场的影响。 首先,研究雷达径向风和反射率因子资料同化对台风分析和预报的作用,其中雷达资料同化窗为6h,同化频率为1h。结果显示,无雷达资料同化,模式初始场和预报的台风强度弱、路径误差大。同化雷达径向速度资料后,初始场台风内核区环流显著增强,台风眼和眼墙位置、地面最大风速与观测接近。随着初始场改进,12h的台风结构、强度、路径和降水预报也显著提高。在此基础上,同化雷达反射率因子可进一步改进降水预报,并准确预报出台风登陆过程中台风内部及其与福建地形交互作用形成的3个强降水区。总体而言,同时同化径向风和反射率因子试验预报效果最好。径向风同化在改进台风强度、路径和结构预报中起主导作用,而反射率因子同化对降水预报起重要作用。这些结果与过去的研究雷达资料同化对强台风短时预报的作用相一致。 在雷达资料同化试验基础上,进一步分析循环同化过程中雷达资料的作用以及模式动力和热力响应。结果显示,随着雷达资料同化次数增加,模式的雷达径向速度和反射率因子误差逐渐降低。其中,前期同化使误差降低幅度最大,主要改善涡旋尺度环流结构,而后期同化则主要改善次涡旋尺度结构。径向风同化在台风环流结构分析中起主导作用。在同化窗内模式积分过程中,气压场和温度场逐渐调整,向同化改进的环流场适应。相应的,最低海平面气压(MSLP)误差逐渐降低,台风暖心结构逐渐增强,最终形成动力、热力平衡的台风结构,与观测台风强度一致。 最后,设计3组敏感性试验,研究同化配置对台风预报的影响。结果显示同化频率越高、次数越多,台风初始场结构分析和路径强度预报就越好。在雷达资料同化基础上,同化最佳路径集的MSLP资料,可显著改善初始场的强度分析,但这一改进在积分1h内就迅速消失,原因是ARPS的3DVAR是单变量分析,气压场调整时温度场不变,造成模式的温压场不平衡,因此调整的气压场无法维持。同化常规观测和雷达资料可进一步改进台风的环境场,但对台风的结构和强度影响不大。只同化一个能有效观测台风内核区的单雷达资料,也能获取与同化多个雷达接近的分析和预报效果,表明台风内核区结构的雷达观测信息对台风分析和预报起重要作用。增加云分析方案中的湿度场调整频率能提高台风强度预报,但会造成过度降水。