雷达反射率资料时空分辨率高、受云雨干扰少，是探测台风降水精细结构的重要手段，对其进行同化有助于提高登陆台风预报精度。反射率因子反映云中水物质信息，是一个由水凝物数浓度、散射面积、相位以及粒径等多种因素共同决定的综合量，其直接同化涉及复杂观测算子的建立与强非线性转化、模式微物理过程、背景误差协方差中变量相关性构造等诸多问题，目前业务模式多采用间接同化的方式。

近期，骆婧瑶助理研究员和李泓研究员联合俄克拉荷马大学薛明教授团队，在GSI-EnKF同化系统中利用基于双参微物理方案(Thompson)的雷达反射率观测算子，实现对我国沿海地基天气雷达反射率观测的直接同化。选取2019年第9号台风“利奇马”作为研究个例，对台风登陆前温州雷达站的反射率因子进行了EnKF直接循环同化试验(每12分钟同化一次)。雷达反射率资料直接同化(Z-DA)与控制试验(CNTL)对比试验结果表明:反射率同化能够改善模式对台风动力、热力以及微物理结构的描述，基于同化试验的台风分析与预报的模拟反射率与实况更加接近，能够更好地解析台风登陆后的结构演变过程。同化对台风路径预报有一定提高，同时显著提高台风强度预报精度，正效果则可维持10小时以上(图1)。累计降水模拟结果显示，同化雷达反射率后，降水形态以及强降水落区更加接近观测，对模式的短时降水预报有正贡献(图2)。

(图1) CNTL(蓝)、Z-DA(红)试验12小时预报以及Best_Track (黑)的台风强度与路径。预报开始时间为2019年8月9号12时(世界时)。

(图2) 2019年8月9日15时-9日18时(世界时)3小时累积降水，(a)为CMA估计观测，(b)(c)分别为CNTL以及Z-DA试验。

在此基础上，针对采用双参微物理方案导致的模式自由度增加问题，开展了敏感性试验，评估该同化系统是否能对增加的模式状态变量进行合理更新。试验结果表明，可靠的集合误差协方差能够应对双参微物理方案带来的不满秩问题，EnKF有能力对于U，V，W，T，Ps等不与观测算子直接相关的其他模式状态变量进行合理更新;在同化过程中对所有的模式状态变量进行更新，能够获得在物理更加平衡的分析场，缩短spin-up时间，从而提高预报技巧。相关研究成果已发表在Remote Sensing。

(图3) 在分析周期中，Ps Tendency随时间的演化。

论文信息:

Luo, J.; Li, H.; Xue, M.; Zhu, Y. Direct Assimilation of Radar Reflectivity Data Using Ensemble Kalman Filter Based on a Two-Moment Microphysics Scheme for the Analysis and Forecast of Typhoon Lekima (2019). Remote Sens. 2022, 14, 3987. https://doi.org/10.3390/rs14163987

原文链接:

https://www.mdpi.com/2072-4292/14/16/3987

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