雷达资料同化对飑线系统的模拟影响

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飑线系统往往伴随着大风、冰雹、强降水等恶劣天气现象的发生。随着国内强对流天气发生的频次增多,对中尺度对流系统的深入研究显得尤为重要。考虑到同化雷达观测资料能够改善强对流天气的预报,但是不同的循环同化方案配置会得到不同的预报结果。因此,本文利用中尺度数值预报模式WRF,以及ARPS 3DVAR同化系统和复杂云分析模块探讨了雷达资料同化对国内飑线系统的模拟影响。首先,本文针对中国南部2018年3月4日一次飑线过程,以全球预报模式GFS分析场为背景场,采用中尺度区域气象预报模式ARPS三维变分3DVAR系统同化多普勒雷达径向速度,用ARPS复杂云分析模块处理雷达反射率数据,设置不同同化间隔及同化频次,并调整云分析模块中不同的参数,采用1 h同化窗口,循环同化雷达观测资料,最后利用天气研究与预报模式WRF进行预报,探讨雷达资料同化对飑线系统触发及发展机制的影响。结果表明,同化时间间隔过短时,由于模式自调整时间过短导致热动力变量未能产生平衡从而生成较多虚假对流回波,而当同化时间间隔过长时,分析场中系统触发和发展机制普遍偏弱;总体而言,采用12 min的间隔同化时间得到了最好的初始场,并且同化频次越高,则生成的对流系统发展越旺盛,并且最终得到的降水预报结果越好。其次,本文进一步探讨了ARPS云分析模块中不同调整参数对飑线系统的影响,结果表明把所有调整参数打开则能大大改善初始场,减少模式自调整时间,其中,湿度调整、温度调整、雨水调整及水汽调整能使分析场中的水成物分布产生较大变化,使之产生不利于系统对流发展的动力结构,相比较而言垂直速度调整参数对飑线系统的云微物理场和动力场影响较小,而对流云中垂直上升运动参数wmhr_Cu几乎未对分析场产生任何变化。接下来,考虑到ARPS同化系统中的云微物理方案直接决定了分析场中的水成物分布,因此选择了6种云微物理方案进行敏感性分析,结果表明简化雨水过程的WSM6方案能更贴切地模拟出此次飑线过程的水成物分布,并且初始分析场中的水汽和雨水粒子相比于其他水成物更为重要。最后,基于以上所得的最优循环同化方案设置,采用ARPS 3DVAR系统和复杂云分析模块对2017年5月11日发生在同样区域的强天气尺度强迫下的华南飑线过程进行了同化预报试验。预报结果表明,该循环同化方案明显改善了“05·11”飑线系统的云微物理场及动力场,明显提高了对该个例的降水预报。对比雷达观测资料同化对两种不同强迫程度下产生的飑线过程的具体影响,结果表明同化过程对强天气尺度强迫下生成的飑线过程产生了更为明显的影响,其模拟出了对流发生区域扰动位温的负向变化,并且预报出了触发此次系统产生的低空切变线机制,云微物理场中主要生成了较多雨水颗粒物,这使得最终的降水预报与观测更为接近。相比较而言,雷达资料同化对弱天气尺度强迫下的飑线系统影响较小,主要增强了水平风场,而对温度场影响较小,并且初始分析场中含有过多冰相水成物,间接影响飑线系统动力场分布,使飑线系统弓形回波后部产生下沉运动。
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