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土壤湿度对卫星辐射率资料直接同化的影响

大气科学 2015年第1期39卷 37-46页

作者：杨袁慧师春香北京市门头沟区气象局北京102300 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 国家气象信息中心北京100081

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilat... 详细信息

本研究利用WRF模式及其三维变分同化系统实现了对NOAA-16 AMSU-A微波资料的直接同化,针对2010年6月19日江西地区的一次强降水过程开展模拟与同化试验,并利用中国区域土壤湿度同化系统(CLSMDAS—China Land Soil Moisture Data Assimilation System)输出的土壤湿度值替换NCEP(National Centers for Environmental Prediction)资料中的土壤湿度,研究土壤湿度初值对辐射率资料直接同化中观测场与背景场偏差调整的影响。结果表明:采用CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下模拟的亮温值与实际观测值更为接近,经过质量控制和偏差订正后更多的观测资料能够进入到同化系统中,说明改进的土壤湿度初值条件下观测算子的计算值得到正的调整,对低层地表通道的改进效果明显,尤其以50.3 GHz的窗区通道3的结果最为理想;针对此次强降水过程中24 h累积降水分布的模拟结果,CLSMDAS输出土壤湿度初值条件下同化AMSU-A资料,能够较为准确的把握整个雨带的走向、大雨以上级别降水的落区范围、降水中心落区及强度等。说明准确的土壤湿度初值能够改进卫星辐射率资料的同化结果,进而提高数值模式的模拟预报能力。

关键词： AMSU-A资料直接同化土壤湿度初值 OMB(观测场与背景场的偏差)

反演同化和直接同化多普勒雷达径向风的对比试验

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南京气象学院学报 2007年第6期30卷 745-754页

作者：闵锦忠彭霞云赖安伟杜宁珠南京信息工程大学江苏省气象灾害重点实验室江苏南京210044 浙江省气象台浙江杭州310002

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程，以NCEP／NCAR1°×1°再分析资料为背景场，采用WRF（weather research and forecasting）模式及其三维变分同化系统，对雷达径向风和E-VAP（extended velocity azimuth processing）反演的水平... 详细信息

针对2003年7月5日江淮流域一次暴雨过程，以NCEP／NCAR1°×1°再分析资料为背景场，采用WRF（weather research and forecasting）模式及其三维变分同化系统，对雷达径向风和E-VAP（extended velocity azimuth processing）反演的水平风场进行了直接同化和反演同化试验，结果表明：直接同化雷达径向风资料后，增加了初始风场的中小尺度信息，改善了垂直速度条件，且在风场作用下水汽分布得到改善；反演同化资料虽然能增加初始场的中小尺度信息，但效果不如直接同化明显；无论直接同化还是反演同化都能改善降水预报，但直接同化好于反演同化，且间隔5～6min比30min的直接同化模拟效果好。

关键词：雷达径向风三维变分直接同化反演同化

GRAPES-3Dvar雷达资料直接同化对江淮暴雨数值预报影响的分析研究

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气象 2011年第4期37卷 403-411页

作者：李媛刘健文董佩明刘红亚西安通信学院西安710106 北京航空气象研究所北京100085 中国气象科学研究院北京100081

使用具备多普勒雷达资料直接同化功能的GRAPES-3Dvar同化系统,对2007年7月江淮流域连续性暴雨过程中4个个例进行了数值预报试验,结果表明多普勒径向速度以及基本反射率因子的直接同化可以有效改进中尺度降水数值预报的效果。对7月3日雷... 详细信息

使用具备多普勒雷达资料直接同化功能的GRAPES-3Dvar同化系统,对2007年7月江淮流域连续性暴雨过程中4个个例进行了数值预报试验,结果表明多普勒径向速度以及基本反射率因子的直接同化可以有效改进中尺度降水数值预报的效果。对7月3日雷达资料联合同化以及单独同化对分析和预报影响的进一步分析显示,联合同化能够有效改善初始分析场中的风场和湿度信息,激发模式降水,减小SPIN-UP现象,中尺度系统降水的发生发展以及强度、走势和落区的预报得到较为准确的表征,显著改善了中尺度强降水数值预报效果。径向速度的直接同化主要贡献表现在风场上,能够在初始场中增加气旋性涡旋等中小尺度风信息,改善三维风场分析。反射率直接同化的主要影响体现在湿度场上,改进了初始场中的湿度参数,对降水预报影响明显。

关键词：多普勒雷达直接同化 GRAPES-3Dvar 数值预报江淮暴雨

多普勒雷达径向风反演同化和直接同化试验研究

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多普勒雷达径向风反演同化和直接同化试验研究

作者：彭霞云南京信息工程大学

学位级别：硕士

多普勒雷达资料具有很高的时空分辨率,可以解决目前中小尺度数值预报中资料分辨率不足的问题,因而近年来雷达资料在数值预报中的应用成为研究的热点。随着我国雷达网的建成,如何有效地将雷达资料应用到精细数值预报中,改善初始场,并提... 详细信息

多普勒雷达资料具有很高的时空分辨率,可以解决目前中小尺度数值预报中资料分辨率不足的问题,因而近年来雷达资料在数值预报中的应用成为研究的热点。随着我国雷达网的建成,如何有效地将雷达资料应用到精细数值预报中,改善初始场,并提高我国中尺度暴雨预报的水平是一个值得深入研究的问题。本文首先介绍了单多普勒雷达风场反演的扩展VAP方法,分析了反演风场的误差,设计了几种简单的质量控制方案,来提高反演风场的可靠性,利用雷达资料本身时间空间连续性进行的订正,可以较好地改善反演风场的质量。然后,利用WRF三维变分系统进行了单点同化试验,初步检验了三维变分系统的可靠性和有效性以及背景场误差的特点,并对一个理想风暴个例进行了理想径向风资料直接同化试验。结果表明,WRF三维变分系统可以较好地从径向风资料中提取风场信息,但是较难恢复质量场信息。如果加入足够多次的径向风资料则可以很好地再现风暴的发展、分裂。同时发现根据理查逊方程得到的垂直速度增量对于雷达径向风同化有重要的作用,能够促进对流的发生。最后,通过2003年7月一次江淮暴雨过程,讨论了雷达资料直接同化的预处理和观测误差的估计问题,进行了不同同化窗的直接同化和扩展VAP反演资料同化试验。初始增量场分析表明直接加入雷达径向风资料后,增加了初始风场的中小尺度信息,改善了垂直速度条件,并且在风场作用下水汽分布也得到改善,加入反演资料也能增加初始场的中小尺度信息,但是效果不如直接同化明显。降水量场分析显示无论直接同化还是反演同化都能改善降水的预报,但是直接同化好于反演同化,并且同化窗为5-6分钟的模拟效果好于同化窗为30分钟的。通过本文的研究,验证了WRY三维变分系统的正确性及对雷达风场资料的同化能力,同时发现WRF 3DVAR系统计算成本小,易于实现,是一种适合业务和研究的方法。当然仍有如下问题值得改进和研究:背景场误差协方差应与模式、区域和分辨率协调一致;雷达资料的观测误差应进一步调整:三维变分的平衡方程不能满足风暴尺度的特点等。

关键词：雷达径向风扩展VAP反演三维变分直接同化反演同化

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多普勒雷达资料直接同化试验研究

多普勒雷达资料直接同化试验研究

作者：刘寅南京信息工程大学

学位级别：硕士

多普勒雷达资料具有很高的时空分辨率,可以解决目前中小尺度数值预报中资料分辨率不足的问题,因而近年来雷达资料在数值预报中的应用成为研究的热点。随着我国雷达网的建成,如何有效地将雷达资料应用到精细数值预报中,改善初始场,并提高我国中尺度暴雨预报水平是一个值得深入研究的问题。本文利用中尺度数值模式WRF V3.2、WRF-3DVAR V3.2同化系统和自主构建的WRF-EnSRF同化系统,针对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程,采用NCEP再分析资料和合肥新一代天气雷达资料,进行了直接同化雷达径向风和反射率的试验。结论如下：(1)雷达资料的质量控制(包括去除地物杂波和孤立点、数据填补、平滑处理、调整仰角、数据粗化)可以去除噪声和减少资料间的相关性,有利于同化的实施。(2)使用3DVAR和EnSRF直接同化雷达资料时,同化径向风改善风场信息,对雷达的强回波带的位置有改进,同化反射率改进模式中的微物理量和动力场,有利于增加雷达回波面积,同时同化径向风和反射率可以结合两者的优点,使风场和雷达回波更加接近于实况。不同的同化间隔对同化结果都有正的效应,缩短同化间隔有利于同化结果的改进,但是优势并不明显。(3)使用EnSRF同化反射率时,可以较准确的预报出降水中心,效果要优于使用3DVAR同化反射率,但是两者的降水中心的范围和降水量都偏大。同化径向风都可以对过量降水有明显的抑制作用,同时同化径向风和反射率的效果都要更好一些。(4) 3DVAR和EnSRF的各组直接同化试验都能提高降水预报,但是3DVAR同化试验的TS评分要更高,改进更大。(5)对于3DVAR来说,不同的背景误差协方差对于三维风场的影响主要表现在对水平风场的影响。循环同化对于垂直速度增量的改进不大,对水平风场改进较大,形成的辐合线较好地对应了暴雨雨带,更有利于降水的产生。对径向风的循环同化可以使雷达的回波带的位置与观测基本吻合,滤除一些孤立的较强的对流单体,可以准确的预报出暴雨的降水中心,对雨带范围改进很大。(6)对于EnSRF来说,局部扰动的总体同化效果不如全场扰动的总体同化效果。使用局部扰动方案时,对扰动范围内的降水中心影响明显,对扰动范围外的降水中心影响较小。

关键词：雷达径向风雷达反射率 3DVAR EnSRF 直接同化

雷达反射率因子直接同化对一次登陆台风数值模拟的影响研究

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雷达反射率因子直接同化对一次登陆台风数值模拟的影响研究

作者：王子玥中国气象科学研究院

学位级别：硕士

目前针对我国登陆台风开展的雷达反射率因子直接同化的研究还很少,业务上多采用半经验的复杂云分析间接同化方式。如何利用先进的资料同化方法对高分辨率雷达反射率因子进行直接同化,获得高精度的模式初始场以提高登陆台风的强度、结构... 详细信息

目前针对我国登陆台风开展的雷达反射率因子直接同化的研究还很少,业务上多采用半经验的复杂云分析间接同化方式。如何利用先进的资料同化方法对高分辨率雷达反射率因子进行直接同化,获得高精度的模式初始场以提高登陆台风的强度、结构和降水预报,是一项前沿课题。本研究利用WRF-GSI同化预报系统(水平分辨率3公里),基于双参(Thompson)微物理参数化方案的雷达反射率观测算子,构建雷达反射率因子模拟观测,以2106号“烟花”台风为例开展EnKF雷达反射率因子直接同化的观测系统模拟试验(OSSEs),每12分钟同化一次,同化一小时后作确定性预报。与不同化的控制试验作对比,发现:直接同化雷达反射率因子对台风路径预报略有改善,对台风强度和降水预报能力有明显的提升作用,影响时效可达10-15小时。经过数次循环同化反射率资料,能为数值预报提供一个温度场、垂直风场和水凝物分布更接近真实大气的高精度初始场,进而提升模式对台风的预报能力。通过对循环同化周期内各状态变量的背景场和分析场误差变化以及反射率与各变量之间的相关性分析,表明雷达反射率因子与观测算子直接相关的变量(雨水、雪、霰粒子混合比及雨水数浓度)相关性最大,同化对这些变量的调整也最优、最明显;而在与观测算子非直接相关的变量中,反射率与温度场、垂直速度也有明显的相关性,因此能通过EnKF可靠的背景误差协方差矩阵对这些大尺度变量进行有效且合理的更新。此外,开展了针对EnKF同化参数的敏感性试验,评估了不同模式状态变量更新方案和不同局地化半径方案对同化结果的影响。结果表明,仅更新与反射率观测算子直接相关的变量,能很好地修正水凝物的分布,但无法在同化阶段更新大尺度变量,使得反射率资料同化的正贡献在预报阶段迅速消失,全变量更新的同化方案以及合理的局地化半径选取有助于更好地提升对登陆台风的预报能力。

关键词：雷达反射率因子 EnKF 直接同化登陆台风

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FY-2F亮温资料直接同化技术与初步应用

FY-2F亮温资料直接同化技术与初步应用

作者：张兴海中国气象科学研究院

学位级别：硕士

卫星辐射资料直接同化技术是目前资料同化领域研究的热点之一。本文旨在利用美国飓风模式The Hurricane Weather Research and Forecasting (HWRF) model研究FY-2F成像仪红外通道亮温资料直接同化技术以提高模式对西北太平洋地区热带气... 详细信息

卫星辐射资料直接同化技术是目前资料同化领域研究的热点之一。本文旨在利用美国飓风模式The Hurricane Weather Research and Forecasting (HWRF) model研究FY-2F成像仪红外通道亮温资料直接同化技术以提高模式对西北太平洋地区热带气旋的预报能力。由于之前的研究中很少涉及静止卫星资料同化特别是FY-2F成像仪亮温资料的同化,因此本文着重分析了FY-2F各红外通道的特点及其资料特性。通过权重函数分析,确定了FY-2F红外通道3(IR3)为中高层通道,而其余三个通道(IR1、2、4)为近地层通道。利用Community radiative transfer model (CRTM)快速辐射传输模式结合HWRF模式提供的大气背景场模拟了FY-2F亮温,并与真实观测进行了对比。研究发现,考虑有云情况下CRTM模式模拟的亮温在云区与观测值有较大偏差。特别是在中低纬度,模拟的季风对流云团和热带气旋云系在空间分布和亮温值上与真实观测相差较大。在晴空条件下,近地层通道受下垫面影响较大,由于陆地地表发射率具有很大的不确定性,海洋下垫面模拟偏差明显小于陆地。同时,发现无论夜晚还是白昼IR4通道观测与模拟偏差较大。在资料分析的基础上,利用一个简单的综合云检测方案,将原始的观测资料中受云污染的资料点去除,同时去掉近地层通道陆地下垫面的资料和IR4通道所有资料,并进行格式转换等预处理。在Community Gridpoint Statistical Interpolation (GSI)中增加FY-2F卫星资料接口,对FY-2F资料进行直接同化试验。对比分析了GSI系统对亮温资料进行偏差订正前后观测值和背景值的偏差(0-B),以及同化前后观测值和分析值之间的偏差(0-A)。研究表明GSI偏差订正前后,平均0-B均为正值,订正后O-B基本都有所减小。其中IR3通道减小最为明显,原始资料的O-B平均在3.5K以上,订正后减小到平均不足0.34K。经过偏差订正,误差分布更趋近于正态分布。进行同化后,平均的0-A基本都小于O-B,表明同化后分析场比背景场更贴近观测。同化资料后主要改变的是大气背景场中的水汽和温度。850hPa比湿最大变化幅度约为1g/kg,温度变化幅度不超过0.6K。为了验证同化FY-2F亮温资料对台风路径和强度的影响,设计了三组对比试验：控制实验(Control)为不同化任何卫星资料;实验1(Satxpl)为直接同化AMSU-A微波资料和HIRS红外亮温资料;实验2(Satxp2)在实验1的基础上增加了FY-2F三个红外通道资料(IR1、2、3)。以2012年三个台风HAIKUI、DAMREY和JELAWAT为研究对象,利用HWRF模式进行间隔6小时的循环模拟并采用三维变分进行初始场的同化。结果表明,同化了FY-2F资料后,24小时路径模拟误差减小的试验次数占总模拟次数的比例为26/50,48小时为22/48,72小时为22/41;强度模拟误差减小的比例则为：24小时为19/50,48小时为18/48,72小时为19/41。

关键词： FY-2F 直接同化 HWRF 台风

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三维变分多普勒雷达资料直接同化试验研究

三维变分多普勒雷达资料直接同化试验研究

作者：赖安伟南京信息工程大学

学位级别：硕士

多普勒天气雷达资料具有高、时空分辨率的特征,如被充分利用将有利于改善数值模式中的中小尺度信息。本文利用中尺度数值模式WRFV2.1及其三维变分同化系统WRFVAR2.1针对2003年7月4-5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程,采用NCEP再分... 详细信息

多普勒天气雷达资料具有高、时空分辨率的特征,如被充分利用将有利于改善数值模式中的中小尺度信息。本文利用中尺度数值模式WRFV2.1及其三维变分同化系统WRFVAR2.1针对2003年7月4-5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程,采用NCEP再分析资料和合肥新一代天气雷达资料,研究了直接同化雷达径向风和反射率的试验。结论如下:(1)雷达资料的预处理和质量控制(包括去除地物杂波和孤立点、退模糊速度、数据填补与平滑处理、稀疏化)可以去除噪声和减少资料间的相关性,有利于同化的实施。(2)直接同化雷达径向风改进了辐合带的位置、在低层增加了气旋性扰动,增强了低空急流核;对垂直速度的改进更利于对流的发生和发展。直接同化反射率对模式的微物理量、动力和热力场有明显改进。同时同化径向风和反射率有利于发挥各自的优点,相对控制实验,雨带分布范围更广,模拟回波、降水与观测更加接近。(3)不同的控制变量和背景场误差协方差矩阵对暴雨预报有不同的影响,合理的配置可以改进暴雨预报。不同的同化频率对同化结果都有正的贡献,每10分钟同化一次的结果略优于每半小时同化一次的结果。(4)预报实验中模式分辨率的提高对中尺度暴雨的模拟有一定的改善。分辨率为2.5km的6小时模拟累积降水量与分辨率为5km的6小时累积降水量相比,整个雨带分布基本相同,但对50mm降水量分布的模拟结果略优。(5)多普勒雷达资料的同化,增加了初始场的中小尺度信息,使数值模拟揭示了此次暴雨中尺度扰动(低涡)与对流活动之间的波动CISK的正反馈机制。暴雨发生时850hPa切变线上分布着小扰动和不均匀的(水汽)辐合、辐散区,梅雨锋北部的低涡对对流有促进作用。波动CISK机制与低压扰动前的反气旋性扰动阻挡的共同作用,使低层的中尺度扰动不断的发展,在低层激发出中尺度对流性低涡。对流性低涡进一步加强切变线和梅雨锋上的对流活动,使得暴雨强度增加且持续时间延长。

关键词：雷达径向风雷达反射率三维变分直接同化中尺度对流性低涡

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多普勒雷达资料的直接同化对降雨预报的影响

暴雨灾害 2010年第2期29卷 122-128页

作者：刘青松董海萍郭卫东成晓冬解放军理工大学气象学院空军95809部队空军气象中心

利用中尺度数值模式WRFV3.1及其三维变分同化系统WRFVAR3.1,对2008年8月10日奥运期间北京地区发生的一次强对流天气过程进行了多普勒雷达资料变分同化试验,并对同化结果和降水预报进行了对比分析。结果表明:(1)雷达资料的同化能有效改... 详细信息

利用中尺度数值模式WRFV3.1及其三维变分同化系统WRFVAR3.1,对2008年8月10日奥运期间北京地区发生的一次强对流天气过程进行了多普勒雷达资料变分同化试验,并对同化结果和降水预报进行了对比分析。结果表明:(1)雷达资料的同化能有效改善初始场中风场、水汽、温度场的空间分布、量值大小,使其包含更多中尺度信息;(2)雷达反射率同化对大气的湿度场和温度场影响较大,而雷达径向速度同化则主要调整大气的风场;(3)对短时0～6h内的降水预报,反射率的同化对降水预报改善明显,径向速度的同化对降水预报影响相对较小,而两者的联合同化降水预报效果最好;(4)雷达资料的同化对较长时间6～12h的降水预报仍有较好效果。

关键词：多普勒雷达三维变分直接同化 WRFVAR3.l