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闪电资料在中尺度数值模式中的同化应用研究

张荣  
【摘要】:大量的观测事实已表明闪电活动对深对流系统有很好的指示作用,因此,将闪电观测资料同化入数值模式初值,从而使数值模式初值中包含更多的中小尺度对流信息,以提高模式对强对流天气的模拟和预报能力,是闪电资料的一个重要应用。本文通过闪电资料对模式相对湿度进行调整,将调整后的相对湿度同模式背景温度和气压一起作为探空观测资料输出,并用WRFDA同化系统对其进行同化,为实现闪电资料在中尺度数值模式中的业务应用做了探索研究。基于三维变分(3DVAR)这一广泛应用于业务的同化方法,对闪电资料同化的适用性问题展开了试验研究,并对闪电资料同化的效果与雷达反射率因子同化进行了对比分析。针对历史最强登陆台风“海燕”,展开了闪电资料同化对于台风强度改进效果的探索研究,最后就能否用最新发展起来的集合-变分混合同化方法进一步改进闪电资料同化效果进行了尝试。论文主要研究内容和结果如下:(1)用3DVAR方法同化由闪电资料调整后的相对湿度能有效改进模式初始场和预报结果。闪电资料同化应以循环同化的方式进行,单次闪电资料同化不能使初始场取得明显改进。循环同化的时间间隔选择10 min比较合适,更短时间间隔的同化结果没有表现出进一步的改进效果,而同化间隔过长则使同化效果变差。同时,闪电循环同化时长选择60 min比较合适,更长时间的同化没有表现出进一步的改进,而更短时间的同化对初始场的改进效果不足。对于闪电资料同化后的分析场,使用双参数微物理方案的预报改进效果比单参数微物理方案更明显。闪电资料同化后降水和回波的预报改进时效约为3小时。(2)闪电资料与雷达反射率因子有一些共性特征,如二者都反映的是中小尺度对流信息,二者都不是模式常规观测量等。为了进一步检验闪电资料同化的效果,本文将雷达反射率因子同化结果与闪电资料同化结果进行了对比分析。结果表明,同化雷达反射率因子能在更短时间内使模式初始场取得改进,而同化闪电资料所需的时间稍长,但是同化闪电资料后的预报结果与实际观测更接近。说明闪电资料同化有代替雷达反射率因子同化的潜力。(3)对闪电资料同化能否用于改进台风强度预报的问题进行了探索研究。发现同化台风内核区(距台风中心0-100 km)的闪电对台风强度的预报有改进效果,而同化雨带闪电对模式预报没有改进作用甚至会起负作用。同时,闪电资料同化时刻的选取非常重要,在快速增强前同化闪电资料对模式预报的改进效果没有在快速增强阶段前期同化闪电资料明显,而在快速增强阶段后期同化闪电资料对预报几乎没有改进。同化闪电资料后对台风强度预报的改进时效可维持约60小时。(4)针对3DVAR方法中背景误差协方差固定、均一的固有缺陷,本文尝试使用集合-变分混合同化方法同化闪电资料。结果表明集合-变分混合同化方法能有效改进3DVAR方法中对降水中心预报出现较大偏差的问题。说明将集合同化方法应用于闪电这种能反映对流信息的高频资料同化中是可行的。


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