雷达资料三维变分同化研究

论文摘要

本文设计了一个雷达资料三维变分同化方案并采用梅雨和台风天气的实际雷达观测资料进行了同化和预报试验。文献中广泛应用的雷达径向风和反射率因子的观测算子被用来建立观测资料和模式变量之间的物理联系。较强的垂直运动是中尺度天气系统的典型特征之一,本文采用了两种技术来处理垂直速度。其一是采用Richardson方程通过水平风场、温度和气压来对垂直速度进行诊断,其二是利用统计方法由观测的反射率因子反演出垂直速度后,再采用Richardson方程作为观测算子对反演的垂直速度进行同化。研究发现,前一种方法得到的垂直速度偏小,分析出的中尺度对流系统不明显,后一种技术可以得到比较明显的三维中尺度环流结构。同时还发现下边界地形和Richardson方程中的加热项对垂直速度的同化有重要影响。水汽和云水采用一定的诊断方法得到,以构造动力、热力和水成物相互协调的三维对流结构。梅雨和台风暴雨个例试验结果表明,本文同化技术在缓解spinup现象、提高中尺度数值预报水平方面均显示出明显的正效果。论文的创新之处和主要结论有如下几个方面:（1）本文建立的雷达资料三维变分中尺度同化系统是基本合理和有效的,单点检验证明同化系统中各观测算子和约束关系是合理的,天气个例试验显示同化雷达资料后预报结果均得到较大改善。（2）以Richardson方程作为观测算子同化垂直速度可以改善初始场中中尺度系统的三维动力和热力结构,方程中的非绝热项对同化结果有重要影响。（3）淮河暴雨试验结果表明同化雷达资料可以改善梅雨锋（切变线）上的中-β尺度对流系统的预报,缓解Spinup现象,并实现数值模式的热启动。（4）登陆台风试验结果表明同化雷达资料可以提高台风降水、强度和移动路径的预报水平,并改善初始场中台风螺旋雨带上的中-β尺度对流系统的结构。鉴于中尺度和天气尺度天气系统之间的巨大差别,在中尺度资料三维变分同化时,背景误差相关模型的设置、观测误差结构和观测资料的代表性等方面还需要进行更加深入的研究。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 前言
• 1.1 雷达资料同化研究的意义和必要性
• 1.2 临近预报和数值天气预报
• 1.3 气象资料同化技术简介
• 1.4 雷达资料同化在数值预报中的应用
• 1.4.1 反射率因子的同化
• 1.4.2 径向风的同化
• 1.4.3 国内雷达资料使用现状
• 1.5 雷达资料同化研究遇到的主要困难
• 1.6 本文研究的目的、技术路线和主要内容
• 1.7 论文各章内容安排
• 第二章 雷达探测、三维变分和GRAPES模式简介
• 2.1 气象雷达探测原理、能力和精度
• 2.1.1 天气雷达探测综述
• 2.1.2 径向风探测
• 2.1.3 雷达资料的质量
• 2.2 三维变分简介
• 2.2.1 变分分析的一般表达式
• 2.2.2 增量分析方法
• 2.2.3 预调节和变量变换
• 2.2.4 观测算子
• 2.2.5 伴随模式的正确性检验
• 2.3 GRAPES模式简介
• 第三章 雷达资料三维变分同化方法及单点试验
• 3.1 中尺度资料同化的特点和要求
• 3.2 雷达资料在中尺度资料同化中的应用
• 3.2.1 Doppler雷达径向风资料的3DVAR同化
• 3.2.2 雷达反射率因子的3DVAR同化
• 3.2.3 云中垂直速度的构造和同化
• 3.2.4 气压、位温、温度和云水混合比的分析
• 3.3 雷达资料3DVAR同化单点试验
• 3.3.1 试验设计
• 3.3.2 仅同化径向速度并忽略观测算子中的垂直运动项
• 3.3.3 仅同化径向速度并考虑观测算子中的垂直运动项
• 3.3.4 采用Richardson方程作为观测算子同化反演的垂直速度
• 3.3.5 地形对同化垂直速度的影响
• 3.3.6 Richardson方程中加热项的影响
• 3.3.7 联合同化径向风和垂直速度
• 3.3.8 各种因素的综合影响
• 3.4 势函数与流函数比例、地转关系比例的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 淮河暴雨个例试验
• 4.1 引言
• 4.2 对流参数化和云分辨模式
• 4.3 个例选择、模式设置和雷达资料的预处理
• 4.4 三维变分同化结果
• 4.4.1 不同观测（反演）资料同化结果对比分析
• 4.4.2 不同水平相关半径对同化结果的影响
• 4.4.3 同化雷达观测（反演）资料后背景场的改变
• 4.5 数值模拟实验
• 4.5.1 对照试验
• 4.5.2 水汽的影响
• 4.5.3 仅同化径向风的影响
• 4.5.4 同时同化雨水、垂直速度和径向风
• 4.6 对流结构和降水演变过程
• 4.6.1 对流结构的时间演变
• 4.6.2 降水过程的时间演变
• 4.6.3 预报2h时的对流结构
• 4.7 本章小结
• 第五章 登陆台风个例试验
• 5.1 引言
• 5.2 个例选择、雷达资料处理和模式设置
• 5.3 三维变分同化结果
• 5.4 数值模拟实验
• 5.4.1 对照试验
• 5.4.2 仅同化径向风的影响
• 5.4.3 同化雨水和垂直速度的情形
• 5.4.4 同时同化雨水、垂直速度和径向速度
• 5.4.5 各方案预报开始1h的累积降水量
• 5.5 台风结构分析
• 5.6 同化雷达资料对台风路径的影响
• 5.7 同化雷达资料对台风强度的影响
• 5.8 台风螺旋雨带及其上的中-β尺度系统的演变
• 5.9 本章小结
• 第六章 结论和讨论
• 6.1 本文得出的主要结果和结论
• 6.2 本文研究的创新之处
• 6.3 讨论和展望
• 参考文献
• 发表论文
• 致谢