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聚焦科研,思考培训与科研结合之道——赴美国大气科学研究中心研修总结 发布日期 :2020-06-16  

一、VDRAS雷达资料同化分析系统简介

  VDRAS是NCAR的多普勒天气雷达四维变分同化分析系统,从80年代末开始开发,至今已持续开发了近30年。最初版本为不包含水汽的干包辛内斯克近似的边界层模式,由模拟的单多普勒天气雷达数据发现浮力流,随后发展到用观测的单多普勒雷达反演风场,模式也发展到完整的云模式,可以同化多部雷达。除了观测资料外,还可以包括地面观测和中尺度模式抽取的探空和观测探空。随着VDRAS能力的提升,由仅用于模式初始场反演发展到雷暴与强对流天气临近预报业务应用,为了适应业务化需要,VDRAS开发了并行版本,目前可通话15个雷达,水平分辨率3km格距可模拟800*800范围。其1998年开始的业务应用为,将VDRAS生成的低层风和辐合分析作为预报因子应用到NCAR的客观临近预报系统autonowcaster(ANC)中。这被用于2000年悉尼奥运会和2008年北京奥运会的临近预报中。VDRAS描述整个对流层的完整云模式方案主要用于科研,业务上用的方案为垂直5km的浅层云模式,且上面2km为吸收层,实际雷达资料同化仅影响3km以下的中低层,3km以上主要是中尺度模式的结果。

  VDRAS主要包括以下四个模块(图1):资料读取模块,资料处理模块,四维变分同化模块和资料诊断显示模块。资料读取模块读取观测的探空和模式探空资料,地面观测资料和雷达资料。模式探空为WRF模式模拟结果,一般一小时输入一次,基于WRF模拟的网格距离隔若干格点抽取一个探空廓线。资料处理模块包括去地物杂波,海上杂波,超折射,噪音,速度退模糊,资料稀释等,另外还包括数据插值,基于探空和地面观测进行背景场分析。

  

二、研修期间完成的主要工作

  图1所示,运行同化系统的第一步为数据读入,首先需要进行格式转化,写成VDRAS可以读取的格式。为了适应业务化需要,要求数据存储量小且存储速度快,VDRAS能读入的雷达数据格式为MDV。我带去的是中国多普勒天气雷达基数据(raw data,没有经过质量控制,二进制数据,C语言写入,简称98D数据)。雷达资料处理我先后尝试了两个方案,基于已有的研究基础,已有美国88D雷达基数据转化成MDV的软件,因此第一方案为先将98D数据转化为88D数据,然后再转化为MDV数据。结果发现转化后的数据存在问题:飑线回波以雷达站为中心左右对称,由于该方案经两次转化,另外还需要调用增加经纬度等参数的模块,转而采取第二方案:从北京城市获取源代码,直接将98D数据转化为MDV数据,这部分工作的难点为平台转换的程序编译,在北京城市所陈明轩老师和课题组殷祝明老师的大力帮助下得以完成。图2给出了由于雷达站点位置问题导致的拼图出现两个强回波带,而实际上仅一条回波带。

   

三.收获与体会

(1)关于雷达数据质量问题。

  通过雷达资料处理,深刻体会到国内雷达数据的质量问题亟待解决。基于中国多普勒天气雷达质量问题严重,用客观方法处理雷达资料质量问题很难,在美国业务使用的数据质量控制模块不能很好的解决中国的雷达数据问题。以科研为目的,用某些特别设计的处理方案,针对某一个或一类雷达的问题,确实是可以解决某一雷达的质量问题,但当同化多个雷达时,每个雷达的质量问题各不相同,一套资料处理软件常常无法完成所有的问题,而且即使完成需要的较长的处理时间,而预报时效短是雷达变分同化业务化的难题之一,因此雷达数据质量控制增加了雷达拼图和雷达数据同化的难度。

(2)培训与科研的结合。

  NCAR是一个集科研、教育、平台测试、应用转化为一体的开放的平台。干部学院也可以是某种意义上的开放的科研平台,为提升预报员业务能力的科研应用转化平台。干部学院有能力建成这个平台,体现在以下四个方面:①经过预报员轮训,学院专职教师队伍快速成长,已有部分教师具备指导预报员进一步研究的能力,学院还有一批理论与预报实践经验都丰富的兼职教师,学院可以邀请其为预报员提供指导;②经过多年的积累,学院有常规资料,NCEP再分析资料等数据集;③学院的图书馆还有搜集资料的便利。④外聘华人青年科学家。在许小峰副局长NCAR访问的座谈会上,很多华人青年气象科学家都表达了希望为国家气象事业发展做出贡献的愿意,并且希望能有相关途径为国内气象发展做出贡献。目前国内通过千人、特聘专家等途径使得国际知名的华人气象学者回国开展科研工作,并为国内培养人才。青年华人科学家科研实力强,有强烈的为国工作的意愿和能力,苦于没有途径。学院举办的带研究性质的培训班,如数值预报技术高级讲习班等,可以考虑聘请华人青年学者授课。这有助于相关科研人员与海外华人科学家建立联系,为进一步合作奠定基础。