多普勒雷达资料三维变分直接同化方法研究

摘要

为了探索解决非模式变量—径向速度和反射率因子的直接同化问题，从实际业务应用的前景和价值出发，采用三维变分同化方法，研究建立了多普勒天气雷达基本观测量的直接同化方法，并应用韩国Jindo雷达资料、美国IHOP_2002试验WSR-88D雷达资料和上海WSR-88D雷达资料，分别对台风Rusa（2002）、飑线天气、中尺度暴雨和登陆台风Matsa（2005）进行了分析与模拟。主要研究内容和结论包括： （1）通过在WRF 3DVAR系统框架中引入垂直速度分析增量、云微物理过程参数化、径向速度和反射率因子的直接同化观测算子，并通过伴随检验，发展和建立了多普勒天气雷达基本观测量的直接同化方法。该方法能够在动力约束和热力约束、模式参数、中尺度资料融合等方面与WRF中尺度模式保持协调一致。 （2）应用Jindo雷达资料对台风Rusa（2002）的分析模拟表明，垂直速度分析增量、递归滤波器尺度因子调优、GTS和AWS资料的分析同化都改善了台风的初始结构和数值预报，尤其是径向速度的直接同化效果最为显著，说明直接同化方法能够从雷达观测资料中提取有效信息，对台风初始场和台风登陆预报具有正贡献。 （3）应用IHOP_2002试验的WSR-88D雷达资料，对一次飑线过程的分析模拟表明，分别直接同化径向速度和反射率因子，均能提高分析和预报质量；同时同化径向速度和反射率因子能够进一步改善飑线过程的降水预报；同化更多雷达资料（11部雷达）比同化单部雷达资料对降水预报的效果更好。 （4）应用上海WSR-88D多普勒雷达资料，对中尺度暴雨过程的分析模拟表明，当径向速度新息向量阈值取7.5 m/s、观测误差取1.5 m/s，反射率因子新息向量阈值取10 dBZ、观测误差为2 dBZ时，降水预报效果较好；径向速度直接同化能够改善对流层的三维风场分析；反射率因子的直接同化能够改善热力场分析，并使动力场向热力场适应，对中尺度强降水预报的改善比直接同化径向速度的效果更为突出，同时证实了云半径对云中垂直速度参数化的重要性和敏感性；联合同化径向速度和反射率因子，对中尺度强降水数值预报的贡献比单独同化径向速度和单独同化反射率因子更大。 （5）应用上海WSR-88D多普勒雷达资料，对登陆台风Matsa（2005）的分析模拟表明，经过速度退模糊质量控制的径向速度资料的直接同化，使得台风环流分析和台风路径、台风降水的数值模拟均取得了显著的改善；同化反射率因子资料对降水预报的改进也是明显的；径向速度和反射率因子的联合直接同化对台风Matsa（2005）降水预报的改进，显著地优于单独同化径向速度资料和单独同化反射率因子资料。