多普勒雷达资料在中尺度模式中的应用

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1、ttp://www.paper.edu.cn1多普勒雷达资料在中尺度模式中的应用1,212杨毅，邱崇，龚建东1兰州大学大气科学学院，甘肃兰州(730000)2国家气象中心，北京（100081）E-mail：yangyi_80@163.com摘要：本文研究了一个在WRF-Var（1.3version，2003）框架中直接同化雷达径向风，同时利用雷达回波强度观测调整各种云物理量、位温和空气湿度变量的技术方案。并针对2003年7月4日-5日的一次淮河暴雨过程进行同化模拟试验。试验结果表明同化雷达资料后的风场包含了更多的中尺度信息；用雷达回波调整后的物理量在空间上与数值

2、上和观测的雷达回波在空间上与强度上有很好的对应关系；从预报的回波来看，同化雷达资料后对降水预报有明显的正作用，并且这种正作用能维持2小时左右。关键词：多普勒雷达，同化，WRF3D-VAR，云微物理量1．引言由于多普勒雷达资料具有常规资料无可比拟的高时间、空间分辨率,多年来人们一直希望利用它来改善中尺度模式初始场,提高临近预报和短期天气预报的准确率。近年来随着模式分辨率的提高，资料同化技术的改进和计算机技术的发展，在中尺度模式中同化雷达资料的愿望更加迫切也有了实现的可能。然而目前为止，多普勒雷达资料并没有在数值天气预报业务中得到充分有效的应用。多普勒雷达径向风最初

3、是通过VAD技术以风廓线的形式被同化到模式中,Lindskog等[1]利用三维变分同化(3D-VAR)方法进行了这方面的试验,同时将一定体积范围内平均的径向风作为“超级观测”进行了同化试验，结果表明同化雷达资料后能提高降水预报检验评[2][3]分。还有一类方法是同化由单多普勒雷达资料反演的风场，Weygandt等针对一个超级单[4]体所进行的试验得到令人鼓舞的结果。邱崇践等利用一种3.5维变分分析方法反演风矢量场,[5]并利用Gal-Chen提出的热力场反演技术得到的气压场，同化入ARPS模式，对移经美国Oklahoma州的一个强雷暴系统作了数值预报试验，结果表

4、明，初始场中利用了多普勒雷达[6]观测资料后明显地改进了预报。马清云等运用局部VAD法由多普勒雷达径向风资料反演水平风场,并运用最优插值法优化中尺度数值预报模式的初始风场,证实它有助于分析和预报时空尺度较小的中尺度系统。这些同化雷达径向风观测的方法，大多数是在雷达资料进入大气模式前首先对它进行某种“加工”，例如先反演出风场和热力场。在这个过程中不可避免地会产生误差，将这些误差带入模式中必然影响同化效果。近年来，还有不少利用雷达回波强度资料调整初始场的工作，例如根据雷达回波强度和降水率的半经验关系调整垂直速度、水汽和云水含量，一些试验显示这样做能有效减轻[7][8

5、][9]spin-up现象，改进降水预报。Zhang等利用回波强度资料进行云分析和非绝热初始化，[10]试验表明，湿度调整能明显改进降水预报。托亚等利用多普勒雷达资料反演的降水对模式进行了动力和热力非绝热初始化调整，通过MM5模式试验发现雷达资料能改进降水落区[11]和强度预报。李永平等用回波资料调整大气的云微物理量对一次降水过程所作的1小时临近预报试验也说明调整后能够得到合理的中小尺度流场辐散辐合结构。1本课题得到国家自然科学基金（40305779）和“十五”国家科技攻关计划课题“奥运气象保障技术研究”（2002BA904B05）的资助。-1-ttp://ww

6、w.paper.edu.cn基于上述这些研究成果,我们认为如果能够在直接同化雷达径向风观测资料的同时利用回波强度观测调整各种云物理量有可能得到更好的分析场,为此本文提出了一种在3D-VAR系统中综合同化多普勒雷达径向速度和回波资料的方法。在这一方法中,径向风被作为一种新的观测类型而被直接同化，同时雷达回波资料被用来调整各种云物理量、位温和空气湿度变量。针对2003年7月4日-5日（北京时间，下同）发生在淮河流域的一次暴雨过程，检验这一方法对预报效果的改善情况。2．方法本方法采用WRF3D-VAR系统作为基本的同化平台，首先直接同化雷达径向风观测，然后再根据雷达回

7、波资料对云微物理量、位温和湿度场进行调整。2.1雷达径向风资料的直接同化本文使用的能够直接同化雷达径向风的3D-VAR同化系统，是在2003年11月发布的WRF3D-VAR1.3版本基础上修改的。[12]WRF3D-VAR系统采用增量公式将同化过程表述为极小化以下的目标函数：1T1−−1bbT1JH()δδδxx=+Bx(x+Hδx−+y)R(xHxHδ−y)(1)22b其中δxxx=−为分析增量，x为模式变量，xb为背景场，非线性观测算子H和切线性观测算子H分别将背景场变量和分析增量映射到观测变量y。B、R分别为背景误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵。目标函数

8、的极小化是在经过预处理的