L波段探空数据分析及在区域模式中的同化应用试验

【摘要】我国于2011年全面完成由59-701型探空系统向L波段电子探空仪系统的更新换代，L波段高空探测系统可提供密集的秒/分钟级探空数据。尽管天气预报和数值预报均可受益于高垂直分辨率探空数据的应用，然而目前国内基于L波段高分辨率垂直探空观测信息的天气分析和同化业务并未展开，主要原因是对秒/分钟级探空数据的认识、特别是有效应用的方法研究和技术开发明显不足，而针对L波段探空垂直高分辨率数据同化的研究工作更是寥寥无几。本研究是对L波段秒/分钟级探空数据分析和在中尺度业务模式中同化应用的一项较为深入系统的研究工作，利用3年全国120个L波段探空资料（2010年03月-2013年02月每日00和12UTC）、地面降水资料和NCEP全球分析等数据，探讨了L波段秒/分钟级探空数据的质控问题并分析了秒/分钟数据的基本特征；初步研究了秒数据在天气分析中的应用；并借助国家级和华北区域气象中心的区域中尺度数值预报业务系统（GRAPES-Meso和BJ-RUC），重点针对秒/分钟级探空数据同化中的一些基本问题展开数值试验设计与对比研究，探讨了秒数据稀疏化方法和将秒数据恰当引入同化系统的方法，研究了L波段加密垂直观测信息和引进气球位置信息的同化对模式分析预报的影响与作用等。主要结论如下：（1）秒/分钟级探空资料中存在包含较大奇异要素值的情况，应用时需进行必要的基础质量控制。业务现行算法得到的秒级探空风脉动比较明显；基于60s时间窗，应用王缅、李伟等提出的改进的秒级探空风求算方法，可在保留风向风速快速变化的真实性同时，减小风的脉动影响，对现行业务秒级探空风可产生一定的修正作用，这种修正作用在低层较小，主要表现在150hPa以上，修正作用在冬季更明显。探空气球漂移，夏季在我国35N以北地区纬向漂移明显，500hPa以上，经度偏差迅速增加，平均情况100hPa以上超过0.5，而35°N以南地区，经向漂移与纬向漂移平均而言均较弱。说明，对高分辨率中尺度模式而言，即使在夏季，漂移所带来的影响也不应忽视。（2）秒级探空在确定抬升凝结高度、自由对流高度、平衡高度及最大假相当位温所在高度等要素时较传统常规探空资料更精确，因而计算出的对流有效位能（CAPE）、对流抑制能（CIN）也更准确。秒级数据计算得到的CAPE值一般大于传统探空数据计算的CAPE，但两者随时间分布序列形式基本一致。对边界层风、温垂直结构的描述，常规探空与秒探空数据反映出的总体形势一致，但秒探空可以捕捉到常规探空所不能解析的边界层气象要素垂直分布细致信息（如：逆温层和弱风的结构变化），这些细致信息对雾霾天气变化的监测分析和短时短期预报是很有价值的。（3）秒探空数据的同化应用，对于当前业务模式垂直分辨率，稀疏化是必要的。与模式层匹配的稀疏化方案比简单等间隔稀疏要优，可使高分辨率探空信息得到较为合理的同化应用；L波段分钟探空观测作为对秒级探空的自然稀疏化，可直接用于较高垂直分辨率的中尺度模式系统（如：与BJ-RUC系统），但对于较低垂直分辨率系统，则同化效果不及与模式层匹配的稀疏化方案。（4）采用廓线或逐点方式同化秒/分钟探空后的大尺度形势场及降水总体特征的预报结果与同化常规探空是类似的，但也在整个模式预报区域内形成了可分辨的影响。逐点同化秒/分钟探空表明气球水平漂移造成的风场同化差异在200hPa以及我国北方地区高空急流位置更为明显。此外秒/分钟探空与常规探空同化发生差异也主要分布在秒/分钟探空与常规探空垂直层次差异较大的地区，其补充的额外观测信息能够部分地影响到其后降水的预报。（5）批量试验表明，逐点同化分钟观测具有最好的分析性能，但在其后的常规气象要素的预报中初始场优势逐渐减弱，但对对流层高层风的预报性能仍有改善，对于大量级降水，无论采用哪种方法同化分钟探空，都能起到一定的正面效果。（6）经过恰当的秒探空数据的稀疏化，国家级GRAPES-Meso现有业务系统和华北区域中心业务模式系统BJ-RUC，都能合理地吸纳L波段高分辨率探空信息。尽管两个系统的降水预报相对于观测的接近程度有差别，但同化秒/分钟探空后对自身降水预报细节和降水中心强度有正面改进作用的结论是一致的，说明同化秒/分钟探空对模式降水预报改进可产生正面影响的结论不依赖模式系统、具有一定普适性。
【作者】姚爽；
【导师】王建捷；陈敏；
【作者基本信息】中国气象科学研究院，气象学，2014，硕士
【关键词】L波段秒/分钟级探空；秒数据基本特征；中尺度3DVAR系统；秒探空数据同化试验；

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