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Doppler雷达资料同化技术研究

杨毅  
【摘要】: 为了探索解决多普勒雷达资料在数值模式中的应用,从实际业务应用的前景和价值出发,采用三维变分和集合卡曼滤波同化方法,初步建立多普勒雷达资料分析同化系统。该系统主要包括以下的四个子系统:(1)多普勒雷达资料的预处理系统;(2)多普勒雷达资料三维风场反演系统;(3)多普勒雷达资料三维变分同化系统;(4)多普勒雷达资料集合卡曼滤波同化系统。并利用中国暴雨试验与研究项目(CHeRES)2002—2003年外场试验的观测资料对各个子系统分别进行了测试。 在多普勒雷达资料的预处理系统中,首先对雷达资料进行常规的质量控制(例如去除孤立点、奇异点和谱宽检验等)基础上,再利用数值预报提供的背景场信息进行径向风退模糊和去除地物回波引起的异常传播(AP)及其它噪音,试验结果显示质量控制效果明显。另外利用高阶多项式拟合实际雷达速度观测的方法生成的模拟资料,据此比较了三种雷达资料格点化的插值方案,结果表明,3D-Barnes方案明显优于其它两种方案。 在多普勒雷达资料三维风场反演系统中,运用两步变分法进行多普勒雷达资料的三维风场反演,首先在低阶谱空间先反演出一个比较光滑的风场作为背景风场,然后再在网格点上反演它的详细结构。该方法被扩展到多雷达资料的反演,并用来对两次暴雨过程进行3维风场反演试验,结果表明背景风场在反演中起到重要的作用,此方法能较好地反演出降水系统的中尺度流场结构。 在多普勒雷达资料三维变分同化系统中,首先发展了在WRF-Var(version 1.3,2003)框架中直接同化雷达径向风,同时利用雷达回波强度观测调整各种云物理量、位温和空气湿度变量的技术方案。并针对2003年7月4日-5日的一次淮河暴雨过程进行同化模拟试验。试验结果表明同化雷达资料后的风场包含了更多的中尺度信息;用雷达回波调整后的物理量在空间上与数值上和观测的雷达回波有很好的对应关系;同化雷达资料后对降水预报有明显的正作用,并且这种正作用能维持2小时左右。然后,以WRF 3D-Var(Version 2.1)为平台,针对2003年7月4日-5日的一次暴雨过程进行了一组同化多普勒雷达径向风和回波资料的试验研究。其中同化径向风资料的方法是先用两步变分法反演出水平风,再同化反演风场;同化雷达回波强度资料的方法WRF 3D-Var自带的通过雷达回波强度与雨水混合比的经验关系以暖雨过程为约束的同化方法。同时也用WRF 3D-Var自带的直接同化径向风方法作了类似的试验,分析两种方法同化雷达风资料后对降水预报的影响。试验结果表明,同化雷达资料后对降水预报有显著的正作用:同化反演的水平风场对降水预报改进的效果略优于直接同化雷达径向风的效果;同时同化雷达风资料和回波强度对降水预报改进更加明显。最后,以WRF 3D-Var为平台,结合物理初始化方法(Physical Initialization,简称PI)来同化多普勒雷达径向风和回波强度的观测。其基本做法是首先用物理初始化方法由雷达回波观测估计出比湿、云水混合比和垂直速度,然后用估计的比湿和云水混合比对模式的相应变量进行调整,最后再将估计出的垂直速度作为一种新的观测类型添加到现有的WRF 3D-Var目标函数中,同时以WRF 3D-Var提供的方法直接同化径向风。针对2002年6月19日的一次强对流性降水过程和2003年7月5日的一次梅雨锋暴雨过程进行了一组试验。试验结果表明新的同化方案能有效地缩短模式的旋转时间(spin-up time),明显改进短时降水预报。 在多普勒雷达资料集合卡曼滤波同化系统中,采用集合卡曼滤波方法用模拟的雷达资料进行了同化多时刻雷达径向风资料和同化单时刻径向风的比较试验;同时也比较直接同化径向风和间接同化反演风的比较试验。试验结果表明同化多时次的资料比同化单时刻的资料能较好地改进初始场,特别是在最初几个同化时刻,但随着同化次数增加,就没必要同化多个时刻的观测;在反演精度较高的情况下,同化反演风的效果优于直接同化径向风的效果。


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