基于雷达资料4DVar的低层热动力反演系统及其在北京奥运期间的初步应用分析

在变分多普勒雷达分析系统(VDRAS)中,通过对雷达资料的质量控制和预处理、云尺度模式的暖雨参数化方案、中尺度初猜场的插值分析方法、循环同化的冷启动和热启动中尺度背景场的计算方案等进行改进,实现了VDRAS对低层动力和热力场的分析反演及其在北京奥运期间的实时应用。改进后的VDRAS利用四维变分(4DVar)同化技术和一个包含简化暖雨参数化方案的云尺度模式,对北京和天津2部S波段天气雷达资料进行12min间隔的快速更新循环同化分析,反演与对流风暴生消发展密切相关的低层热动力三维结构,包括水平风场、垂直速度、辐合辐散、扰动温度、扰动温度梯度等,以及它们的时间增量。通过对北京奥运期间2个风暴个例的实时反演结果的分析表明,VDRAS反演的动力场能够反映低层的水平辐合、垂直抬升、风暴出流及它们的变化特征,而热力场则能够反映与风暴相伴随的冷池结构及其变化、阵风锋的相对位置及强弱。VDRAS的反演结果符合风暴发展传播与冷池、阵风锋、辐合抬升之间关系的概念模型。利用边界层风廓线雷达、地面自动站及地基微波辐射仪的观测资料,对VDRAS实时反演结果的初步统计检验表明,反演的风场和温度场与观测比较接近,风场能够反映出与风暴密切相关的低层风的垂直切变特征,温度场则能够反映出由于风暴过程所导致的地面温度的剧烈变化。与风廓线观测相比,反演的低层风速偏弱,偏差和均方根误差分别在-1.5m/s和2.5m/s以内,而风向的偏差和均方根误差分别在20°和45°以内。与地基微波辐射仪观测相比,反演的低层温度偏低,偏差和均方根误差分别在-1.9℃和2.8℃以内。