多普勒雷达回波资料在WRF模式中初步应用+--物理初始化方案理想场试验.pdfVIP

普勒雷达回波资料在WRF模式中的初步应用+ ——物理初始化方案理想场试验 李萍阳 (国家气象中心数值预报室，北京100081) 1 引言 模式产生spin—up现象的原因之一是分析场中观测资料的密度不够，使得湿度 场的分析过于平滑。从而导致辐散场、非绝热加热和湿度场之间缺少一致性，动力、 热力过程与水分循环过程的不协调。为了减弱模式的spin-up，在初值中增加环流 形势、饱和水汽条件、垂直增温廓线等信息，以便于在观测到有降水的前提下，模 式也可迅速诊断出降水，使临近预报成为可能。 多普勒雷达具有常规气象观测与其它非常规气象观测所不具备的优点，它能够 提供空间尺度(250米～1公里)和时间尺度(5～10钟)非常细致的观测信息。正 在建立的新一代多普勒雷达网络将提供丰富的观测资料，对分辨率尺度在几公里以 内的数值天气预报而言，雷达资料的应用能有效的改善数值预报结果，因而多普勒 雷达资料同化技术的研究是一项急需展开的工作。 ． 本文主要探讨了雷达回波资料在中尺度数值模式wRF中的应用情况，对一种简 化的物理初始化方案做了初步的试验，对改善模式中垂直速度、比湿和云水的分布 对数值模拟结果的影响做了逐步深入的工作，表明了雷达回波资料在wRF预报模式 中的可行性。通过对本项目研究，建立一套较为完善的雷达回波资料反演算子，加 入到WRF系统中，为数值预报提供更准确的初值，进而提高短时降水预报的准确性。 2物理初始化方案 通过对国外工作的广泛调研，认为物理初始化方案对短时的对流性降水预报效 果较好，并且易于开发研究，所以采用这种方法来研究雷达回波资料在数值模式中 的应用。为改善热带数值预报初值条件，Krishnamurti等(1984)首先提出了物理 初始化概念。物理初始化，就是将降水等非绝热加热观测讯息，通过一些半经验的 物理关系加入到常规分析场中去，对常规分析场进行修订，从而使模式的初始状态 更加合理，这不仅可以有效地缩短模式的spin-up时间，而且对预报有重要的积极 影响。 ·本项研究得到国家气象中心课题“霄达回波强度资料改善分析场方法研究”资助； 1ipy矗cma．gov．cn 具体说来，在这里，就是研究用雷达反射率信息反演水汽特征和风场特征，在 获得风、温、压场的信息后，把这些量加入到数值预报模式中去，调节这些量，使 得在观测到有降水时模式也能预报出降水，从而改善降水场的预报效果。 当雷达反射率大于某一临界值时，认为有云，利用z—R关系求出此时的降水率 R，在模式中，把降水率转换成降水通量RR[kg／m2s]。 本文所用的物理初始化方法是基于两个水汽量的连续方程(静力假设)，假定 一种简单的降水机制。这种机制基于饱和水汽密度尻和可降水的密度岛的连续方程 ap：，bt=-V(p,’v)一K，ap：／3t=一V(p?1，，)一K v和1，，分别为三维空气和水的速度矢量。K是由凝结和蒸发造成的转换项。通 过简化和近似，(静力假设、忽略可降水量的水平传输、降水通量的廓线形式很简单， 在云下忽略蒸发，云内，从云底到云顶降水呈线性递减，近似饱和水汽密度的水平 辐散为某种形式)，微分得： w。=(p：，。)“{P：,k_lW 这个公式表示云底饱和水汽和液态水的垂直通量之比。它的值表征了垂直风速 廓线的形状。C只是一个调节参数。 云上和云下的云水含量假设为零。假如在云内温度低于253．16K，那么绝热液 料表明，云大多存在于253．16K以上的过冷水中，而且使用的LM版本不包括冰晶。 考虑由于不饱和空气、降水凝结夹卷造成云水含量的减少： 垡(z)=呸涮卜14叫z一斗-L捌，这个就是物理初始化方案订正后的云水含量公式。在物 理初始化方案中，在云上、云中、云下，模式和边界场的垂直速度、比湿和云水含量 都按如下方法被订正。如表所示：(见下页) 3敏感性试验 WRF模式在水平方向采用(42X42)的跳点网格，水平分辨率为2公里，模式 在垂直方向分41层，不等间距，时间步长为12秒，积分时间2小时，最大积分时 步600步。敏感性实验选择欧拉质量坐标；RK三阶积分方案；微物理过程为NECP3 类简单冰方案，积云参数化指定为gatin—Fritsch方案，近地面层方案选择 Monin—Obukhov方案；边界层方案选择MRF方案；未采用陆面过程、边界层过程、 辐射方案等等。 分别在超级单体和均匀场中做敏