针对短时对流降水预报的WRF变分同化系统改进与应用研究

摘要

短时对流性降水的预报一直以来是气象研究和业务领域的重要挑战之一。高分辨率数值天气预报模式的应用极大地提高了短时对流性降水定量预报的准确性，而构建准确的初始场是提高模式预报的关键。 很多业务运行的变分同化系统使用流函数和速度势作为动量控制变量。然而对于有限区域高分辨率资料同化来说，流函数和速度势作为动量控制变量会过度平滑分析增量，忽略小尺度信息，影响分析场和预报的准确性。针对这个问题，本文基于WRFDA系统框架，首次建立了以水平风场为动量控制变量的变分同化系统。对多个对流降水个例进行资料同化和预报试验，考察了不同动量控制变量对于短时对流性降水预报的影响，结果表明改进后的三维变分同化系统可以有效提取观测资料包含的对流尺度信息，并同时保持背景场的大尺度平衡，能使分析场风场更接近观测，并提高短时降水预报水平。 本文发展了针对1小时更新循环的分步同化方案，该方案有效地解决了在现有变分同化系统中如何有效融合多种观测资料，同时保持各尺度系统相互平衡的问题。该方案是将大尺度的常规观测和小尺度、高分辨率的观测资料分步同化，从不同尺度的观测中分别提取出大尺度和对流尺度的信息。分步同化方案在1小时更新循环系统的应用在多个降水个例中都有效提高了0-12h的降水预报。进一步的分析显示，分步同化方案可以使分析场中同时保留大尺度和对流尺度的信息，从而使预报出的降水在位置和强度等方面都更准确，因此降水预报评分有明显提高。 由于在改进的WRFDA变分同化系统中使用了水平风场作为控制变量，水平速度的两个分量不相关，变量之间缺少平衡。分析场中的不平衡可能会导致预报中产生虚假的降水。针对这个问题，本文在WRFDA三维变分同化的目标函数中，新增加了连续方程约束，抑制同化过程中噪声的影响。将新的约束项应用于1小时更新循环系统，可以有效改善分析场中动力平衡，减少虚报，从而提高对流降水的短时预报水平。通过多个降水个例验证，分步同化方案和约束项的作用在统计意义上起到稳定的正效果。 本文针对短时对流性降水预报这一难点问题，基于WRFDA系统从资料同化入手进行了有针对性的研究，通过修改变分同化系统的控制变量，改进多尺度资料的同化方法以及添加新的动力约束等方法来改进降水显式预报的水平。从多次降水个例的详细分析结果来看，这些研究显著地提高了短时强降水预报的能力。同时，这些研究的改进已集成到WRFDA最新的官方版本中，并应用于实时运行的系统，为业务中短时降水预报提供了可行有效的参考方案，对于提升短时降水预报水平有重要的意义。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究意义

1．2研究进展

1．2．1资料同化理论和方法

1．2．2雷达资料同化

1．2．3快速更新循环系统

1．3问题的提出及研究内容

1．4论文各章内容安排

2．1 WRF模式介绍

2．1．1 WRF模式的系统组成

2．1．2 WRF模式的物理过程

2．2 WRF变分同化系统介绍

2．3雷达资料介绍

2．3．1雷达资料观测量

2．3．2雷达资料预处理

2．3．3雷达资料同化方案

2．4降水预报评分介绍

第三章WRFDA变分同化系统的控制变量改进

3．1研究背景和目的

3．2控制变量改进与单点试验

3．2．1新控制变量B矩阵特征

3．2．2单点试验

3．3控制变量改进对降水预报个例的检验和分析

3．3．1多个对流降水个例的结果分析

3．3．2雷达资料同化个例试验

3．4本章小结

第四章1小时快速更新循环系统的构建及效果分析

4．1研究背景和目的

4．2分步同化方案的设计

4．3分步同化对降水预报个例的检验和分析

4．3．1对比3h和1h更新循环的控制试验对比

4．3．2分步同化方案的作用

4．4本章小结

第五章分步同化方案在BJ-RUC系统的改进与应用

5．1方案的改进

5．2个例与试验设计

5．3结果分析

5．4本章小结

第六章WRFDA三维变分系统的新动力约束

6．1研究背景和目的

6．2散度约束的设计和单点试验

6．3散度约束对降水预报的检验和分析

6．4本章小结

第七章总结与展望

7．1全文总结

7．2研究特色与创新点

7．3存在问题与展望

参考文献

在读期间科研情况

致谢