快速更新循環(huán)同化中云初始化技術(shù)研究

發(fā)布時(shí)間：2020-06-07 04:22

【摘要】：云初始化技術(shù)是針對實(shí)際中不易直接觀測的云霧物理量(如水凝物),應(yīng)用衛(wèi)星、雷達(dá)、以及地面觀測資料,通過物理與經(jīng)驗(yàn)關(guān)系在模式的三維網(wǎng)格點(diǎn)上構(gòu)造預(yù)報(bào)方程所需的云霧物理量初始場:并調(diào)整模式相關(guān)的動(dòng)力和熱力學(xué)變量,使初始時(shí)刻的云相關(guān)信息和特征盡可能與模式的動(dòng)力與物理過程相匹配或平衡。它是解決臨近數(shù)值天氣預(yù)報(bào)“spin-up”問題,提高預(yù)報(bào)精度的重要手段之一。本文采用第二代華東快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)模式系統(tǒng),通過有無云初始化方案的對比試驗(yàn),揭示了云初始化方案對降水、龍卷個(gè)例等預(yù)報(bào)結(jié)果的影響。通過云初始化方案形成的水凝物分布與模式微物理方案結(jié)果的比較分析,揭示了云初始化云水物質(zhì)方案與模式微物理方案的不一致性問題及其原因。在上述工作基礎(chǔ)上,通過增加云初始化對格點(diǎn)對流的判別,提出了分別計(jì)算對流云和層狀云的云冰、云水混合比的新計(jì)算方案。論文的主要結(jié)論和結(jié)果如下:1)基于第二代華東快速更新循環(huán)同化模式預(yù)報(bào)系統(tǒng)SMS-WARRV2.0,針對2015年4月28日華東強(qiáng)對流個(gè)例和2016年6月23日江蘇阜寧龍卷個(gè)例,進(jìn)行了有無云初始化對比試驗(yàn),分析了云初始化對降水、龍卷個(gè)例等強(qiáng)對流數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的影響。采用云初始化方案使得00-06預(yù)報(bào)時(shí)段的1小時(shí)累計(jì)降水預(yù)報(bào)的TS評(píng)分顯著提高;強(qiáng)降水的位置預(yù)報(bào)更接近實(shí)況。云初始化能較大地改善初始水凝物的質(zhì)量分布,提供了較為準(zhǔn)確的相關(guān)對流系統(tǒng)的初始信息,改進(jìn)了對強(qiáng)對流區(qū)域水凝物、垂直速度的預(yù)報(bào),有效地避免了模式初始階段的降水滯后現(xiàn)象。在模式系統(tǒng)中,使用觀測資料通過云初始化方法構(gòu)造水凝物的初始場,同時(shí)調(diào)整溫度、濕度等格點(diǎn)場,縮短了模式由于初始微物理信息缺失引起的“spin-up”時(shí)間。云初始化還改善了初始場中有云區(qū)域濕度分析,對低渦中心位置和急流強(qiáng)度把握也更準(zhǔn)確。另外,江蘇阜寧龍卷強(qiáng)天氣個(gè)例的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明,進(jìn)行觀測資料同化(云初始化)的快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)預(yù)報(bào)在阜寧附近模擬出了類似龍卷母體的渦旋結(jié)構(gòu),而沒有進(jìn)行觀測資料同化(云初始化)預(yù)報(bào)結(jié)果中,在阜寧附近沒有預(yù)報(bào)出類似的對流單體,循環(huán)同化(云初始化)對強(qiáng)天氣的模擬起關(guān)鍵作用。2)在云初始化方案中使用模式微物理方案反演的雷達(dá)反射率作為偽觀測,得到云初始化方案形成的水凝物分布,并與模式微物理方案的水凝物分布進(jìn)行對比分析,討論了云初始化云水物質(zhì)方案與模式微物理方案的不一致性問題及其原因。對比發(fā)現(xiàn),云初始化方案形成的云冰和云水混合比顯著大于模式微物理方案中的云冰和云水混合比,尤其云冰含量增大非常顯著。兩種不同水凝物(降水粒子)計(jì)算方案Kessler和Ferrier的試驗(yàn)結(jié)果對比表明,兩種方案對云冰和云水的分析結(jié)果相似,相對模式微物理方案中的結(jié)果都顯著增大;兩種方案對降水粒子的分析結(jié)果略有不同。3)通過增加云初始化對格點(diǎn)對流的判別,提出了分別計(jì)算對流云和層狀云的云冰、云水混合比的新計(jì)算方案。在云初始化改進(jìn)方案中,采用ECMWF的方案,根據(jù)網(wǎng)格尺度地面感熱和潛熱通量來確定近地面次網(wǎng)格的對流尺度垂直速度,作為水平格點(diǎn)的對流判據(jù),并引入以云內(nèi)格點(diǎn)的物理量計(jì)算云冰和云水的層狀云方案。在云初始化方案中增加對流判據(jù),使得在云初始分析中保留局地強(qiáng)對流信息的同時(shí),減少了對流格點(diǎn)。對流格點(diǎn)的分布與正的感熱通量分布相似,并在陸地上有顯著日變化。引入層云云冰和云水計(jì)算方案分析層云格點(diǎn),顯著地減小模式初始場的云冰和云水混合比,有效地減弱了模式積分初始階段云冰和云水含量的劇烈調(diào)整,尤其在陸地區(qū)域。采用改進(jìn)的云初始化方案,可以減少模式預(yù)報(bào)的前1小時(shí)、前6小時(shí)累計(jì)降水的強(qiáng)度。在循環(huán)試驗(yàn)中,改進(jìn)方案對強(qiáng)降水中心強(qiáng)度和面積的預(yù)報(bào)改善較為明顯。
【圖文】：

同化系統(tǒng),邊界層參數(shù)化,積云對流參數(shù)化,第二代