同化雷达估算降水率对暴雨预报的影响
高郁东1）2）*万齐林1）2）薛纪善1）2）3）丁伟钰1）2）李昊睿1）2）张诚忠1）2）黄燕燕1）2） 【摘 要】
【期刊名称】应用气象学报 【年(卷),期】2015(000)001 【总页数】12
【关键词】暴雨；校准雷达估算降水率；降水率同化；数值预报
选取2009年3月28日广东省广州市大暴雨过程，考察了变分校准前后Z-I关系估算雷达降水率的区别。变分校准后的降水率资料具有较高的单点精度与合理的梯度分布。降水率资料能够反映大气动力特征和水汽分布等重要信息，是模拟中小尺度系统的关键因子。基于GRAPES（Global／Regional Analysis and Prediction System）区域三维变分系统，将FSU（Florida State University）对流参数化方案作为观测算子的同化试验指出，同化降水率资料后同时增强了低层大气的辐合和高层大气的辐散，从而使整层气柱的不稳定能量增加。沙氏指数和K指数诊断分析也表明，同化降水率资料后有利于触发强对流天气。此外，低空辐合有利于水汽垂直输送，维持对流发展，改进降水模拟。逐小时数值模拟结果表明：同化校准后的雷达估算降水率不仅可以改进降水分布，而且使中尺度对流系统的发展和消亡清晰地表现出来。
引 言
暴雨往往由强对流天气系统产生，具有局地性强、生命期短、尺度小等特点，不仅是预报难点，也很难被常规大气探测技术捕获。常规观测站网密度过于稀
疏，很难准确观测或者计算一定区域的降水率，其结果缺乏代表性。多普勒天气雷达观测有很高的时间分辨率（5～10 min）和空间分辨率（125～1000 m），是探测中小尺度天气系统的有力工具［1-3］。雷达反射率因子和降水率存在定量关系，因此，可以采用雷达作为间接测量降水的工具。这类高分辨率降水率资料能弥补常规观测分辨率不足的缺点。
雷达定量估算降水率的方法有多种。在日常工作中，Z-I关系最常用。但Z-I关系的计算精度有限，需对其结果进行校准。20世纪70年代 Wilson［4］提出了平均校准方法，认为整个降水场的校准因子相同，降水分布被过分平滑。人们在此基础上进行改进［5-6］，计算校准因子时考虑降水的空间分布，减小了雷达估算降水的误差。Sasaki［7］将变分法引入气象领域，用于研究数值模式初始场的客观分析。Ninomiya等［8］运用变分原理研究暴雨发生时雷达估算降水和雨量计资料的客观分析，结果令人满意。此后，变分法被我国很多气象学家用于校准雷达估算降水率［9-10］，获得了很好的成果。万齐林［11］提出了一种不需要将校准参照量整场插值到遥测资料格点上的变分校准方案。该方案既避免了对稀疏校正参照量进行客观分析的困难，也避免了校正参照量在资料稀缺区域插值分析带来的不利影响，使遥感资料的整体偏差被修订的同时，能够更好地保持遥测资料空间分布形态不变。本文将该方法运用于校准雷达估算降水率，考察雷达估算降水率是否能准确表达暴雨的分布特征。
降水率不仅能表示降水的瞬时分布，还包含大气动力特征以及水汽分布等信息。如何通过降水率资料改善初始场，已成为亟需解决的问题。近几十年，随着大气探测技术的不断发展，国内外同化的降水率资料主要包含3类：第1类是同化自动气象站计算的降水率资料。丁伟钰等［12］同化自动气象站降水率资料
有效改进了降水预报。虽然自动气象站资料精度较高，但受站点分布限制易漏测，很难获得完整的降水分布。第2类是同化卫星反演的降水率资料。2002年初，日本气象厅将TRMM（Tropical Rainfall Measuring Mission）降水率资料应用在四维变分同化系统中，对降水预报有明显改进。Marécal等［13］提出先一维变分再四维变分的方法同化卫星降水率资料。Bauer等［14］对其进行改进，重新计算水汽误差。大量数值试验证明，同化卫星降水率资料能有效提高预报质量。在国内，丁伟钰等［15］在 GRAPES（Global／Regional Analysis and Prediction System）三维变分（3DVar）同化系统的基础上，采用FSU（Florida State University）对流参数化方案作为观测算子，同化TRMM卫星降水率资料，结果表明：同化后的初始场对台风的路径和降水预报皆有正效果。第3类则是基于多普勒天气雷达定量估算的降水率。相对于卫星资料，雷达估算降水率有较高的时间和空间分辨率，能连续探测暴雨等短时局地天气系统。早在20世纪60年代，英国气象局就已经将雷达估算降水率资料应用在数值预报业务中，同化影响时效超过12 h，甚至达到15 h［16］。Stephan等［17］将雷达估算的降水率加入COSMO（Consortium for Small Scale Modeling）模式，修改其初始场的潜热加热。Wang等［18］采用Kain-Fritsch对流参数化方案，通过先一维变分再四维变分的方法将雷达估算降水率资料加入初始场，很好地模拟出1996年美国芝加哥大暴雨。但目前国内对于雷达估算降水率同化的研究工作较少，更没有业务运行。
本文利用FSU对流参数化方案作为观测算子，通过GRAPES区域3DVar同化系统，研究同化变分校准后的雷达估算降水率资料对暴雨预报的影响。
1 GRAPES区域3DVar系统中降水率资料的同化方法
同化雷达估算降水率对暴雨预报的影响
