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北京地区暴雨个例的观测敏感区研究

李玉焕  
【摘要】:适应性观测(目标观测)是提高高影响天气可预报性的有效方法,是国内外数值预报研究的热点问题之一,也是THORPEX国际科学计划的核心内容,成为未来十年国际大气研究的核心目标。而敏感区的确定是适应性观测研究中的关键,随着适应性观测得到越来越多的关注,确定敏感区的方法得到了较大的发展。目前确定敏感区的理论方法主要包括ETKF、CNOP和SV等方法;同时也可以通过分析集合预报的初始误差和预报变量误差的关系,研究检验区的预报变量对初始时刻基本要素的敏感性。本文首先选择2009年7月23日发生在北京及周边地区的暴雨过程进行分析和数值模拟,其次通过WRF三维变分方法形成30个集合初始样本,做了预报时效为12小时的集合预报。并利用基于集合预报的相关方法分析检验区(北京及周边地区)6小时累积降水(14-20LST)相对于初始时刻(08LST)各基本要素的敏感性,确定敏感性要素及其所对应的敏感区。进一步,通过观测系统模拟试验(OSSE)的资料同化验证所确定的敏感区。研究得到了以下主要结论: 1.本次暴雨为一次飑线过程所致,最大降水落区位于北京东南部及北京和天津接壤处,6小时最大累计降水为74mm,位于朝阳区。北京地区位于中低层冷涡中心的前部,伴有强的上升运动,水汽通道位于北京的西南侧,对流不稳定能量在14LST大量积累,地面冷锋抬升作用触发不稳定能量释放。 2.利用WRFV3.1模式,选择最佳物理参数化方案,较成功的模拟出此次降水过程的天气形势和雷达回波。但是模拟的雷达回波比实况要超前1小时左右,而且强度略强。为之后形成合理的集合预报系统打下基础。 3.通过WRF三维变分方法形成30个初始时间为7月23日08LST的初始场集合样本,并做预报时效为12小时的集合预报。利用基于集合预报的相关方法分析检验区(北京及周边地区)6小时累积降水相对于初始时刻(08LST)各基本要素的敏感性,确定水汽和温度为敏感性要素,对应的敏感区分别在北京的西南侧和东北侧,且物理意义明确。 4.本文还进一步通过观测系统模拟试验(OSSE)验证所确定的敏感区,结果表明在水汽对应的敏感区内同化水汽对降水的预报结果有明显的改进;在温度对应的敏感区内同化温度,降水的预报准确率有了明显的提高,说明了初步确定的敏感性要素和敏感区的正确性。在水汽对应的敏感区内同化水汽的同时在温度对应的敏感区内同化温度,使降水预报的技巧有大幅度的提高,说明了温度和水汽的共同作用对提高降水预报准确率贡献最大。 5.进一步的分析表明,通过同时改善温度对应的敏感区和水汽对应的敏感区内的初始场,可以改善初始条件中的温度场和水汽条件,并且随着模式的预报,对流不稳定能量在14LST得到非常大的改善,从而最终提高关心区域内的6小时累积降水的预报效果。


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