ETKF—3DVAR混合同化方案在一次梅雨锋暴雨预报中的应用研

究

梅雨锋暴雨是我国夏季长江中下游地区的主要灾害之一,每年给我国带来重大经济损失。因此,选用合适的资料同化方法,改善初始场质量,对于提高梅雨锋暴雨的预报精度具有重要意义。目前,变分和集合是资料同化领域的两种主流方法。

而结合二者优点的集合——变分混合同化方案正在不断研究发展。本文将GTS常规观测资料和MSU-A&B卫星辐射率资料相融合,采用基于WRF模式的ETKF ——3DVAR混合同化方法,与传统的3DVAR同化方法进行对比,对2013年7月5日——6日一次梅雨锋暴雨天气过程进行了同化、模拟和分析,比较了混合同化方案与3DVAR同化方案在初始场改进、天气过程模拟、数值预报效果等方面的差异,得到了如下研究结论：首先,在单点测试中,与传统3DVAR同化方案相

比,Hybri d同化方法的单点试验温度场增量场充分体现了集合协方差的“流依赖”特征,随着天气形势的演变而变化。而3DVAR的背景误差协方差虽然满足地转平衡和静力平衡,却具有静态、各向同性的特点,不随天气形势发生变化。

在Hybrid同化的循环同化末端,通过对ETKF更新扰动的集合成员进行集合平均和集合离散度两方面的检验,发现该组集合成员200hPa风场平均场能够较好地反映本次暴雨过程的天气特征和发生发展趋势,而集合成员500hPa风,场、温度场的集合离散度大值区与梅雨锋锋区对流不稳定相对应。其次,在对7月5日——6日的24h降水雨量模拟中,控制试验、3DVAR同化试验和Hybri d同化试验均较好地模拟了本次暴雨的雨量分布和雨带走势。然而,Hybrid同化试验相比于控制试验和3DVAR同化试验,Hybri d同化试验能够更好地模拟出强降水中心

和量级。

在TS降水评分检验中,Hybrid同化方法亦表现出对暴雨和大暴雨的良好的预报能力。最后,通过比较Hybrid同化方法和3DVAR同化方法对初始风场、温度场和湿度场的调整,发现Hybrid同化方法模拟的调整初始场后的增量场更符合梅雨锋天气特征。在比较不同的同化方案的分析场均方根误差中,发现Hybrid 同化方法对各个气象要素在对流层中下层改进较为明显,对对流层上层并无明显改进。

在24h的集合预报,试验证明,在对24h涡度场和急流轴的演变过程模拟中,Hybrid方案模拟的天气过程比3DVAR方案更加接近于实况。在对预报的的第12时的500hPa形势场的模拟中,Hybrid同化方法亦展现了其优越性,能够较好地刻画出该时刻的风场和位势高度场的天气特征。然而,在对比两种方案的预报均方根误差中,发现在预报前12h, Hybrid同化方法具有优越性,随着预报时间的推移,Hybrid同化方法的优势逐渐减弱。