多普勒雷达风场信息变分同化方案的改进与应用

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近年来,随着中国气象局新一代天气雷达的布网和业务使用,使得雷达观测资料广泛应用于对流天气诊断、中小尺度天气系统探测以及中尺度数值天气预报。但是,雷达资料的应用也存在诸多问题。例如,多普勒天气雷达的径向风速仅仅是风场的一个分量,不足以完整地、准确地描述风场的三维结构。雷达回波容易受到大气折射、波束宽度以及脉冲长度等因素的影响,使得雷达探测能力和精度有限。这些因素给雷达资料运用于数值天气预报造成了极大的障碍。   为了探索解决多普勒雷达资料在数值模式中的应用,从实际业务应用的前景和价值出发,本文讨论了雷达径向风和回波强度的同化方法。主要研究结果如下:   (1)本文首先对雷达视风速的计算进行理论推导,在原方案的基础上引入雨滴末速度项。然后,以GRAPES-3DVar系统为平台,做了两组数值试验,试验结果表明改进方案和原方案都具有一定的同化能力。由于改进方案考虑了强对流的影响,计算的雷达视风速可以较准确地描述大气水平风场,同化结果和登陆台风降水模拟均优于原方案。   (2)用自动站资料变分校准后的雷达估算雨强资料具有单点测量精度高、梯度分布合理的特点,利用改进的郭晓岚对流参数化方案作为观测算子,把其作为观测资料同化进模式。数值试验结果表明,在对流系统发展的低层,有明显的水汽辐合与质量辐合,高层以质量辐散为主,这有利于垂直运动的发展和产生强降水。此外,对流系统的强度和中心移动与实况观测更一致,模拟结果有明显改进。   (3)为了运用雷达资料高时间分辨率的特征,利用广州热带海洋气象研究所的逐时同化分析与模式预报循环系统(The Cycle of Hourly Assimilation and Forecast,CHAF),逐小时循环同化雷达风场资料(视风速和径向风)。数值试验表明,逐时同化的结果对登陆台风降水模拟有正作用。
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