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基于背景场依赖的雷达反射率同化及对流尺度应用

作者: 发布时间:2021-03-05 浏览量:10

雷达资料具有很高的时空分辨率,能够捕捉到中小尺度的天气系统信息,雷达资料的合理利用可以有效改善初始场中对流系统的动力和微物理特征,合理地同化雷达观测资料被认为是提高对流天气数值预报水平的关键之一。传统多普勒天气雷达探测的变量主要是反射率因子和径向风。相较于径向风,反射率因子的观测算子更为复杂、对应的模式变量非线性更强。因此,如何有效同化反射率因子仍是一个难题,且目前还多采用间接同化的方法。

近日,我中心陈耀登教授团队提出了一种基于背景场依赖水凝物反演的雷达反射率同化方法,并将该方法构建到了WRFDA模型中。与原有方法同化过程中的水凝物识别和配比的参数简单根据反射率和温度进行判定不同,该方案水凝物识别和配比的参数是根据背景场中水凝物的分布及其与雷达反射率观测的对应关系实时获取的。研究通过观测系统模拟试验,详细探讨了背景依赖的水凝物反演方法的准确性及其对后续同化预报的影响,结果表明,该方案通过结合背景场水凝物实时分布特征,反射率获得的水凝物相态明显更为合理(图1),尤其是在多种相态粒子共存的混合相态区域,改善了初始场的水凝物的分析(图2)。通过逐小时循环同化预报,水凝物的改善效果能够维持并逐渐传递到温度和湿度等其他变量,进一步改进了整体预报效果,进而提高了对流尺度天气降水预报评分(图3、图4)。

图1.(a)真实场的水凝物垂直剖面,(b)和(c)分别为试验Exp-ZT和Exp-BG中的水凝物反演结果。其中,水凝物包含雨水(绿色线)、雪(蓝色线)和霰(橙色阴影)。图中雨水的等值线为0.01、0.1、0.2、0.5、1.0 g/kg,雪的等值线为0.1、0.2、0.5、1.0、2.5 g/kg。(a)-(c)和(d)-(f)分别为2017年5月7日的15时 和17时的结果。黑色虚线表示融化层。

图2. 水凝物分析场。其中,(a-c)为2 km高度处的雨水分析场,(d-f)和(g-i)分别为6 km高度处雪和霰的分析场。(a)、(d)、(g)为真实场的水凝物混合比;(b)、(e)、(h)为试验Exp-ZT的水凝物分析场,(c)、(f)、(i) 为为试验Exp-BG的水凝物分析场。分析时刻为2017年5月7日17 时。

图3. 最后一个循环的逐小时累计降水(单位:mm),(a-c)为真实场,(d-f)为试验CTRL预报场,(g-i)为试验Exp-ZT预报场,(j-l)为Exp-BG预报场。左中右三列分别代表第1、第2和第3小时内的降水量。

图4. 试验CTRL、Exp-ZT和Exp-BG的逐小时累计降水FSS评分。阈值分别为2.5、5和10 mm。研究选用的评分影响半径为15 km。


 


论文信息:

H. Chen, Y. Chen*, J. Gao, et al. 2020: A radar reflectivity data assimilation method based on background-dependent hydrometeor retrieval: An observing system simulation experiment. Atmospheric Research, 243: 105022. doi: 10.1016/j.atmosres.2020.105022.