多普勒雷达资料三维变分直接同化方法研究

论文摘要

为了探索解决非模式变量—径向速度和反射率因子的直接同化问题,从实际业务应用的前景和价值出发,采用三维变分同化方法,研究建立了多普勒天气雷达基本观测量的直接同化方法,并应用韩国Jindo雷达资料、美国IHOP2002试验WSR-88D雷达资料和上海WSR-88D雷达资料,分别对台风Rusa（2002）、飑线天气、中尺度暴雨和登陆台风Matsa（2005）进行了分析与模拟。主要研究内容和结论包括:（1）通过在WRF 3DVAR系统框架中引入垂直速度分析增量、云微物理过程参数化、径向速度和反射率因子的直接同化观测算子,并通过伴随检验,发展和建立了多普勒天气雷达基本观测量的直接同化方法。该方法能够在动力约束和热力约束、模式参数、中尺度资料融合等方面与WRF中尺度模式保持协调一致。（2）应用Jindo雷达资料对台风Rusa（2002）的分析模拟表明,垂直速度分析增量、递归滤波器尺度因子调优、GTS和AWS资料的分析同化都改善了台风的初始结构和数值预报,尤其是径向速度的直接同化效果最为显著,说明直接同化方法能够从雷达观测资料中提取有效信息,对台风初始场和台风登陆预报具有正贡献。（3）应用IHOP2002试验的WSR-88D雷达资料,对一次飑线过程的分析模拟表明,分别直接同化径向速度和反射率因子,均能提高分析和预报质量;同时同化径向速度和反射率因子能够进一步改善飑线过程的降水预报;同化更多雷达资料（11部雷达）比同化单部雷达资料对降水预报的效果更好。（4）应用上海WSR-88D多普勒雷达资料,对中尺度暴雨过程的分析模拟表明,当径向速度新息向量阈值取7.5 m/s、观测误差取1.5 m/s,反射率因子新息向量阈值取10 dBZ、观测误差为2 dBZ时,降水预报效果较好;径向速度直接同化能够改善对流层的三维风场分析;反射率因子的直接同化能够改善热力场分析,并使动力场向热力场适应,对中尺度强降水预报的改善比直接同化径向速度的效果更为突出,同时证实了云半径对云中垂直速度参数化的重要性和敏感性;联合同化径向速度和反射率因子,对中尺度强降水数值预报的贡献比单独同化径向速度和单独同化反射率因子更大。（5）应用上海WSR-88D多普勒雷达资料,对登陆台风Matsa（2005）的分析模拟表明,经过速度退模糊质量控制的径向速度资料的直接同化,使得台风环流分析和台风路径、台风降水的数值模拟均取得了显著的改善;同化反射率因子资料对降水预报的改进也是明显的;径向速度和反射率因子的联合直接同化对台风Matsa（2005）降水预报的改进,显著地优于单独同化径向速度资料和单独同化反射率因子资料。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 1. 雷达资料同化研究的意义和必要性
• 2. 雷达资料应用研究综述
• 2.1 传统反演方法
• 2.2 变分反演方法
• 2.3 雷达资料在数值预报中的应用
• 2.3.1 径向速度资料的应用
• 2.3.2 降水率（反射率）资料的应用
• 2.3.3 短时临近预报
• 2.4 国内现状
• 3. 存在的问题
• 4. 本论文研究目的与创新之处
• 5. 本论文各章主要内容
• 第一章 多普勒天气雷达资料直接同化问题
• 1. 多普勒天气雷达探测基本原理
• 1.1 天气雷达发展历史简介
• 1.2 多普勒天气雷达基本原理
• 1.3 多普勒天气雷达基本数据的产生
• 1.3.1 雷达天线工作方式
• 1.3.2 反射率因子数据
• 1.3.3 平均径向速度数据
• 2. 气象资料变分同化问题
• 2.1 最优差值与三维变分理论
• 2.2 四维变分同化理论
• 3. 非模式变量观测资料应用存在的问题
• 4. 多普勒天气雷达资料直接同化问题的提出
• 5. 本章小结
• 第二章 三维变分同化系统及中尺度模式简介
• 1. 引言
• 2. WRF 3DVAR 简介
• 2.1 WRF 3DVAR 基本方法
• 2.2 WRF 3DVAR 在 WRF 模式空间中的热力学方程
• 2.3 WRF 3DVAR 主要流程框架
• 3. WRF 中尺度模式简介
• 4. 本章小结
• 第三章 多普勒天气雷达资料三维变分直接同化方法
• 1. 引言
• 2. 多普勒径向速度直接同化观测算子
• 3. 基本反射率因子直接同化观测算子
• 4. 垂直速度分析增量
• 5. 云微物理过程参数化
• 6. 伴随检验
• 6.1 Richardson 方程伴随检验
• 6.2 云微物理过程参数化方程伴随检验
• 6.3 多普勒径向速度观测算子伴随检验
• 6.4 雷达基本反射率因子观测算子伴随检验
• 6.5 径向速度观测算子和反射率因子观测算子同时存在时的伴随检验
• 7. 本章小结
• 第四章 多普勒径向速度直接同化对台风 Rusa（2002）的影响作用
• 1. 引言
• 2. 台风Rusa（2002）概况
• 3. 模式参数设置
• 4. 观测资料准备
• 4.1 常规GTS 资料和AWS 资料
• 4.2 Jindo 雷达资料预处理
• 5. 垂直速度分析变量的作用
• 6. GTS 资料和 AWS 资料及不同背景误差统计的分析同化及其数值试验
• 6.1 递归滤波器尺度因子调优
• 6.2 试验方案设计
• 6.3 结果分析
• 6.3.1 台风路径
• 6.3.2 台风降水
• 6.4 讨论
• 7. 多普勒径向速度资料的分析同化及其数值预报试验
• 7.1 试验方案设计
• 7.2 结果分析
• 7.2.1 同化分析
• 7.2.2 台风路径
• 7.2.3 台风登陆
• 7.2.4 台风降水
• 8. 本章小结
• 第五章 多普勒雷达资料直接同化对一次飑线过程的分析和模拟
• 1. 引言
• 2002 简介'>2. IHOP₂002 简介
• 2002 飑线过程'>3. IHOP₂002 飑线过程
• 4. 多普勒雷达资料预处理
• 5. 控制试验
• 5.1 模式参数
• 5.2 背景场获得
• 5.3 控制试验分析
• 6. 多普勒径向速度直接同化分析及其数值模拟
• 7. 雷达基本反射率因子直接同化分析及其数值模拟
• 8. 多普勒径向速度与雷达反射率因子联合直接同化模拟
• 9. 本章小结
• 第六章 多普勒雷达资料直接同化在中尺度暴雨分析模拟中的应用
• 1. 引言
• 2. 中尺度暴雨天气背景分析
• 3. 云微物理过程在中尺度暴雨模拟中的作用
• 3.1 试验方案设计
• 3.2 模拟与分析
• 3.2.1 模式初值
• 3.2.2 降水评分
• 3.2.3 冰相作用
• 3.2.4 混合位相作用
• 3.3 讨论
• 4. 多普勒雷达资料预处理
• 4.1 资料简介
• 4.2 坐标变换
• 4.2.1 距离库数据点离地球表面的垂直伸展高度
• 4.2.2 距离库数据点经纬度计算
• 5. 控制试验
• 5.1 模式参数
• 5.2 背景场获得
• 5.3 控制试验分析
• 6. 多普勒径向速度直接同化分析及其降水模拟
• 6.1 多普勒速度资料不同径向分辨率同化试验
• 6.1.1 同化试验方案
• 6.1.2 多普勒径向速度直接同化分析
• 6.1.3 多普勒径向速度直接同化的降水数值模拟
• 6.2 新息向量阈值设计试验
• 6.3 多普勒径向速度资料不同观测误差同化试验
• 7. 雷达反射率因子直接同化分析及其降水模拟
• 7.1 雷达反射率因子资料不同径向分辨率同化试验
• 7.1.1 同化试验方案
• 7.1.2 雷达反射率因子直接同化分析
• 7.1.3 雷达反射率因子直接同化的降水数值模拟
• 7.2 新息向量阈值设计试验
• 7.3 雷达反射率因子资料不同观测误差同化试验
• 7.4 云半径的敏感性数值试验
• 8. 径向速度与反射率因子联合直接同化分析及其降水模拟
• 8.1 不同径向分辨率组合同化试验方案
• 8.2 径向速度和反射率因子联合直接同化分析
• 8.3 联合直接同化的降水数值模拟
• 9. 本章小结
• 第七章 多普勒雷达资料直接同化在登陆台风 Matsa 分析模拟中的应用
• 1. 引言
• 2. 台风Matsa（2005）概况
• 3. 台风Matsa（2005）天气分析
• 4. 多普勒雷达资料预处理
• 5. 控制试验
• 5.1 模式参数
• 5.2 背景场获得
• 5.3 控制试验分析
• 6. 多普勒径向速度直接同化分析及其数值模拟
• 6.1 同化试验方案
• 6.2 多普勒径向速度直接同化分析
• 6.3 多普勒径向速度直接同化的数值模拟
• 7. 雷达反射率因子直接同化分析及其数值模拟
• 7.1 雷达基本反射率因子直接同化分析
• 7.2 雷达反射率因子直接同化的数值模拟
• 8. 径向速度与反射率因子联合直接同化模拟
• 8.1 联合同化对台风路径的数值模拟
• 8.2 联合同化对台风降水的数值模拟
• 9. 本章小结
• 结论与讨论
• 1. 主要结论
• 1.1 研究建立了多普勒天气雷达资料三维变分直接同化方法
• 1.2 研究了径向速度直接同化对台风Rusa（2002）的影响作用
• 1.3 雷达资料直接同化对一次飑线过程的分析和模拟研究
• 1.4 雷达资料直接同化在中尺度暴雨分析模拟中的应用研究
• 1.5 雷达资料直接同化在登陆台风 Matsa 分析模拟中的应用研究
• 1.6 特色与创新之处
• 2. 讨论与展望
• 2.1 存在问题
• 2.2 发展方向
• 致谢
• 参考文献
• 个人简介