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时间：2023-12-04 07:09:02 下载该word文档

WRF-EnSRF系统同化多普勒雷达资料在多类型强对流天气过程的数值试验陈杰;闵锦忠;王世璋;王孝慈【摘要】TheeffectivenessoftheEnSRF(ensemblesquarerootfilterdataassimilationsysteminassimilatingDopplerradardataonconvectivescalesisinvestigatedforcaseswhosebehaviorsspansupercellular,linear,andmulticellularorganizations.Theimpactsofpotentialtemperatureandwatervaporatdifferentlevelsonensemblespreadandassimilationeffectduringinitialperturbationsarealsoinvestigated.TheEnSRFperformseffectivelyandproducesresultsofcomparablequalityforeachofthecases.Therootmeansquareinnovationsofradialvelocityandreflectivitydecreaseto35m/sandabout10dBzrespectivelyafterroughly24rainofassimilationandmaintainthevaluesthroughouttotheendofthe60minperiodofassimilation.Theensemblespreadandassimilationeffectaresensitivetothemagnitudeofperturbationinthermalfield,whichimpliesthatlargerensemblespreadandbetterradialvelocityanalysiscanbeobtainedbyincreasingthestandarddeviationofpotentialtemperatureandwatervapormixratioaooroofiatelvdurininitialterturbation%利用自主构建的基于风暴尺度的WRF—EnSRF（weatherresearchandforecastingensemblesquarerootfilter）系统同化实际多普勒雷达资料，检验该同化系统在包括飑线、超级单体风暴和多单体风暴3个不同结构类型的强对流天气过程的同化效果，并考察了初始场扰动时不同强度的位温和水汽扰动对集合离散度以及同化效果的影响。结果表明，在3个个例中该同化系统均表现出有效的同化能力，各
分析结果均比较合理，径向速度和反射率因子分析的增量均方差在经过24min同化后分别下降到3～5m／s和10dBz，并维持至60min同化结束。预报场集合离散度和同化效果对热力场的扰动强度比较敏感，适当增加初始扰动时位温和水汽的扰动强度有利于提高集合离散度和改善径向速度的分析效果。【期刊名称】《大气科学学报》【年(卷,期】2012(035006【总页数】10页(P720-729【关键词】EnSRF;风暴尺度;多普勒雷达资料【作者】陈杰;闵锦忠;王世璋;王孝慈【作者单位】94701部队,安徽安庆246001南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室,江苏南京210044【正文语种】中文【中图分类】P459.9风暴尺度数值预报对于强对流天气系统三维风场与热力场的模拟和重建一直是大气科学中难以解决的难题。多普勒天气雷达几乎是能够探测到风暴尺度系统三维信息的唯一工具，因此很多研究集中于雷达资料的反演和同化上(SunandCrook，1997，1998。本文利用基于WRF(weatherresearchandforecasting模式开发的集合平方根滤波(ensemblesquarerootfilter，EnSRF同化系统，对3个不
同结构类型的强对流天气过程进行多普勒雷达资料同化。Evensen(1994首次把集合卡尔曼滤波(ensembleKalmanfilter，EnKF应用到海洋同化领域中，EnKF是一个用蒙特卡罗的短期集合预报方法来估计预报误差协方差的四维同化方法。HoutekamerandMitchell(1998把EnKF引入到大气资料同化系统，并进行了一系列研究。SnyderandZhang(2003验证了EnKF应用于风暴尺度同化的潜力。EnKF可以通过一组有限集合成员统计出具有流依赖性质的背景误差协方差，并且不需要预报模式的切线性模式和伴随模式，可以和模式相互独立，易于移植和维护，越来越受到人们的重视。目前针对EnKF的研究主要集中于模拟雷达资料同化上(SnyderandZhang，2003;Zhangetal.，2004;TongandXue，2005;Xueetal.，2006。TongandXue(2005在ARPS模式上构建了EnKF系统并进行模拟雷达同化试验，结果表明，通过联合同化反射率因子和径向速度，风暴系统结构可以很好的重建。许小永等(2006利用EnKF在云模式中同化模拟雷达观测，并考察了不同条件下的同化效果。兰伟仁等(2010a，2010b也利用一次风暴过程的模拟多普勒雷达资料进行一系列敏感性试验，并且探讨了EnKF在有显著模式误差的情况下同化模拟多普勒雷达资料的效果问题。针对实际雷达资料的EnKF研究还比较少，早期Dowelletal.(2004用EnKF同化了实际的雷达观测资料。Tong(2006在龙卷雷暴个例中应用了EnKF同化实际雷达资料，对比了同化单雷达资料与双雷达资料的效果。Aksoyetal.(2009利用DART系统(AndersonandCollins，2007在三类风暴尺度天气过程中同化实际雷达资料，考察了系统在各类型个例中的同化性能。由于EnSRF能够避免传统的EnKF中由于观测扰动带来的采样误差而导致的分析误差协方差低估的问题(WhitakerandHamill，2002，因此，本文在WRF模式上构建WRF-EnSRF同化系统，并利用该系统在3个不同类型(飑线、超级单体风暴和多单体风暴的独立的强对流天气过程中同化多普勒雷达资料，进而考察系统
在风暴尺度的同化性能。对流风暴是大气中不稳定能量释放的产物，它的发生发展与其环境的热力结构必然有密切联系。在EnKF的研究中，预报场的集合离散度不足是一个普遍的问题(Aksoyetal.，2009。因此，考虑到初始场中热力场的不确定性与预报场的集合离散度应该有密切关系，本文考察了初始场扰动时不同强度的位温和水汽扰动对集合离散度以及同化效果的影响。选取风暴尺度天气中具有代表性的3个不同类型的强对流天气过程，包括2009年6月14日飑线，2008年6月3日超级单体风暴和2005年4月20日多单体风暴。该3个个例的共同特点是:南京雷达站的多普勒雷达可以较好地探测它们的发生发展过程，雷达资料方便获取;其次是系统发生发展的区域地形比较平坦，一致性较好。2009年6月14日飑线主要成因是:东北冷涡活动频繁且强度偏强，有利于引导强冷空气南下，使得豫皖苏地区上干冷下暖湿的不稳定条件逐渐形成。同时由于中高层干冷空气的侵入(干冷平流和底层暖湿平流的共同作用，使得不稳定能量聚集，进一步增强层结的不稳定性。6月14日飑线主要袭击安徽、江苏等地，都有冰雹、大风、雷电、短时强降水等天气现象，造成多人伤亡，直接经济损失严重。2008年6月3日安徽江北地区受多个雷暴单体影响，09:00(世界时，下同左右滁州地区对流系统呈现明显的超级单体特征(周昆等，2008。这次强对流天气是在高空东北冷涡后部弱冷空气扩散南下以及地面冷锋东移南下共同作用下发生的。安徽江北地区有冰雹、雷电、大风等灾害天气，造成了严重灾害。2005年4月20日江苏中部地区发生一次强对流天气过程，造成此次强对流天气的3个风暴群，分别从安徽的宿州和江苏宿迁的沭阳、淮阴的泗阳生成，沿三条路径向东南方向移动，并逐步加强发展、演变成多单体风暴(谢义明等，2008。此次强对流天气主要由东北冷涡南压造成，并有高、低空三支急流的耦合为其提供
动力上升条件。江苏中部地区遭受了大风、冰雹、龙卷的袭击，造成了严重的财产损失和人员伤亡。背景场及边界条件采用NCEP/NCAR的1°×1°分析资料，各风暴个例雷达资料均采用南京站多普勒雷达资料，飑线、超级单体风暴和多单体风暴的雷达资料时段分别是2009年6月14日09:00—10:30、2008年6月3日08:00—09:30、2005年4月20日08:00—09:30。南京站多普勒雷达是我国新一代S波段多普勒天气雷达(CINRAD/SA，反射率因子距离库长为1000m，最大距离库数为