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多普勒雷达资料集合平方根滤波同化试验

作　者: 陈杰
导　师: 闵锦忠
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 气象学
关键词: 集合平方根滤波风暴尺度多普勒雷达资料
分类号: P413
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 57次
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内容摘要

多普勒雷达资料同化是提高风暴尺度数值预报质量的重要途径。先进的资料同化方法要求从雷达的径向速度和反射率因子分析出准确的动力场、热力场和微物理场。与四维变分方法相比,集合卡尔曼滤波同化方法由于其背景误差协方差具有流依赖性质,并且不需要复杂的伴随模式,为资料同化的发展提供了另一种选择。本文的主要目的是发展一个基于风暴尺度模式的集合卡尔曼滤波同化系统,使其可以直接同化我国新一代多普勒雷达资料,为风暴尺度数值预报提供更准确的初始场。经过对比试验,本文的主要研究工作和主要结论如下：(1)本文利用自主构建的针对风暴尺度资料同化的WRF-EnSRF同化系统同化多普勒雷达资料,检验其在一次梅雨锋暴雨以及一次强对流天气过程的同化性能。结果显示,在两个个例中该同化系统均表现出有效的同化能力,经过60分钟同化的分析场和以该分析场集合做初值的30分钟的集合预报结果都比较接近实际观测。文中考察了初始扰动时全场扰动与对流区域局部扰动,以及扰动环境风场与否对同化效果的影响。试验结果表明,对流区局部扰动相对于全场扰动并没有提高同化效果；对于尺度较大的梅雨锋暴雨来说,扰动环境风场时同化效果较好。为了考察分析场在降水预报中的表现,在暴雨个例中,以分析场为初值做6小时降水预报,经过同化的集合预报和确定性预报结果都比没有经过同化的控制试验结果准确。(2)在以上研究的基础上,本文利用WRF-EnSRF系统同化实际多普勒雷达资料,检验集合平方根滤波在包括飑线、超级单体风暴和多单体风暴三个不同结构类型的强对流天气过程的同化效果,并考察了初始场添加扰动时不同强度的位温和水汽扰动对预报场集合离散度以及同化效果的影响。结果显示,在三个个例中该同化系统均表现出有效的同化能力,各个个例分析结果都比较合理。预报场集合离散度和同化效果对热力场的扰动强度比较敏感,适当增加初始扰动时位温和水汽的扰动强度有利于提高集合离散度和改善径向速度的分析效果。

全文目录

目录  5-7
摘要  7-8
Abstract  8-10
第一章引言  10-15
  1.1 雷达资料集合卡尔曼滤波同化研究的意义和必要性  10-12
  1.2 雷达资料集合卡尔曼滤波同化研究进展  12-13
  1.3 本论文研究目的与创新之处  13
  1.4 本论文各章节主要内容  13-15
第二章集合卡尔曼滤波理论方法  15-29
  2.1 引言  15
  2.2 EnKF理论背景  15-21
    2.2.1 最小二乘法  15-17
    2.2.2 标量卡尔曼滤波  17-18
    2.2.3 线性卡尔曼滤波  18-20
    2.2.4 扩展卡尔曼滤波  20-21
  2.3 EnKF及相关方法  21-23
    2.3.1 集合卡尔曼滤波  21-23
    2.3.2 集合平方根滤波  23
  2.4 EnKF应用的相关问题以及发展趋势  23-28
    2.4.1 协方差局地化  23-25
    2.4.2 滤波发散  25-26
    2.4.3 模式误差  26-27
    2.4.4 集合卡尔曼滤波的发展趋势  27-28
  2.5 本章小结  28-29
第三章 WRF模式及WRF-EnSRF同化系统介绍  29-36
  3.1 引言  29
  3.2 WRF模式简介  29-30
  3.3 WRF-EnSRF同化系统  30-35
    3.3.1 同化系统设计  30-33
    3.3.2 快速EnSRF计算方案  33-34
    3.3.3 多普勒雷达资料直接同化观测算子  34-35
  3.4 本章小结  35-36
第四章 WRF-EnSRF同化系统的检验及其在风暴尺度中的应用  36-50
  4.1 前言  36
  4.2 天气个例概况  36-37
    4.2.1 暴雨个例  36-37
    4.2.2 强对流个例  37
  4.3 试验设置  37-40
    4.3.1 模式设置  37
    4.3.2 同化方案及参数  37-38
    4.3.3 资料介绍  38
    4.3.4 观测空间诊断  38-39
    4.3.5 试验设计  39-40
  4.4 结果分析  40-48
    4.4.1 梅雨锋暴雨同化控制试验  40-41
    4.4.2 强对流天气同化控制试验  41-44
    4.4.3 不同扰动方式试验结果对比  44-47
    4.4.4 梅雨锋暴雨降水预报试验  47-48
  4.5 本章小结  48-50
第五章雷达资料EnSRF同化在多类型强对流天气过程的数值试验  50-60
  5.1 前言  50-51
  5.2 个例简介和资料  51-52
    5.2.1 个例介绍  51
    5.2.2 资料介绍及处理  51-52
  5.3 试验设计  52-53
    5.3.1 预报模式  52-53
    5.3.2 同化方案  53
    5.3.3 试验设置  53
  5.4 结果分析  53-59
    5.4.1 2009.6.14飑线  53-54
    5.4.2 2008.6.3超级单体风暴  54-55
    5.4.3 2005.4.20多单体风暴  55-56
    5.4.4 模式空间  56-57
    5.4.5 集合预报  57-58
    5.4.6 热力场的不同扰动强度影响  58-59
  5.5 本章小结  59-60
第六章总结与讨论  60-63
  6.1 主要结论  60-61
  6.2 问题与展望  61-63
参考文献  63-68
致谢  68-69
作者简介  69

多普勒雷达资料集合平方根滤波同化试验

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