国内外现状

国外现状

代表国外气象雷达发展趋势的主要有三个区域，一个是美国，另一个是欧洲，第三是我国近邻日本在风廓线雷达发展应用方案也有较好的基础。目前，美欧等地的发达国家已完成或正在实施全国天气雷达网的双偏振技术改造。国外天气雷达发展的最主要特征是资料已经在公里尺度高分辨率数值预报中得到大量业务应用。

1. 多普勒雷达

   20世纪80年代后期，当美国WSR-88D和欧洲COST-717多普勒雷达业务布网开始的时候，就开始关注和研究中尺度数值预报的可能性。中尺度数值预报面临的最主要问 题是如何获得准确的中小尺度天气变化的初始状态，多普勒天气雷达几乎是观测对流尺度气流四维涡动结构的唯一探测工具，可是，多普勒天气雷达的基本观测量只 有径向速度和反射率因子，而且在绝大多数地区，一般只有单多普勒天气雷达的观测数据。因此，为了获得三维风场、气压场、浮力场、水汽场等非观测的气象要素 场，就必需从单多普勒雷达观测的径向速度和反射率因子（或降水率、湿度廓线等产品）资料出发进行同化技术的研究工作。

   多普勒雷达径向速度资料的同化应用，在实践中提出了多种方法，包括连续订正方法、三维变分等。美国ESRL的局地分析和预报系统LAPS（Local Analysis and Prediction System）采用连续订正方法处理各种观测资料，其中雷达径向速度资料的分析起着关键的作用。美国NCEP在1998年实现雷达径向速度在ETA区域预报系 统中，2000年雷达径向速度又被应用于高分辨率预报系统的3DVAR方案中。在数值模式同化雷达径向速度的各种方法中，主要的区别是热力场向风场的调整方法不同，需要保证热力场与风场的一致性。

   由于中尺度资料分析并不足以完整描述中尺度天气的初始状态，特别是缺乏对降水预报至关重要的云的宏观与微观特征的信息，中尺度模式积分的开始数小时内，模式大气要通过模式自身包含的云与降水物理过程从无到有地产生出云与降水的分布。降水预报总是受到模式启动滞后的困扰。因此，对短时预报和临近预报来说，多普勒雷达反射率资料对模式降水预报短时间的改善也是非常有益的。主要方法包括潜热强迫和、4DVAR同化雷达反演降水资料方法。潜热强迫方法至今仍在英国气象局雷达资料同化中发挥关键作用。此外，采用云分析技术是有效使用雷达反射率资料的重要途径。三维云分析系统ADAS（ARPS Data Assimilation System）采用三维反射率等多种资料用来决定模式中的云过程、水凝物类型及其混合比，包括雨水、云水、雪、软雹和冰的混合比，ADAS的输出用来初始化中尺度的数值模式，通过中尺度数值模拟证明这样的方法是行之有效的。在雷达反演产品资料同化中，法国气象局发展了利用贝叶斯估计理论，将雷达回波垂直廓线与湿度垂直廓线建立动态统计关系的方法，利用雷达回波反演的湿度廓线进行同化，可以显著改善降水分析，将消除虚假的降水回波。这个方法已经开始在雷达资料同化中普遍采用。

   国外利用中尺度模式预报试验表明，同化反射率资料和同化径向速度资料都对模式预报有显著的改进作用。此外，国外还发展了基于观测系统试验（Observing System Experiment，OSE）、观测系统模拟试验（Observation System Simulation Experiment，OSSE）、观测系统对预报的影响试验（Forecast Sensitivity Observation，FSO）、观测系统对分析的影响（DFS），诊断方法相对齐全，可以定量的评价雷达资料对中尺度模式分析系统以及短时预报的作用，为进一步优化雷达资料在中尺度模式中的应用的改进提供指导。

2. 双偏振雷达

   近几年来，美国等国家很多业务雷达已经更新为双偏振观测模式，但对于双偏振观测资料同化的研究还刚刚起步。双偏振雷达观测资料可以区分微物理变量的相态，对于更准确地估计各微物理变量有所帮助。双偏振雷达资料同化可以采用直接法或间接法。直接法要求复杂的观测算子，可以将模式中的微物理变量与雷达的双偏振观测变量进行直接转换。直接法的优势在于准确的观测算子，但缺点是此观测算子的非线性化有可能给基于线性假定的变分法带来计算误差。间接法是先将双偏振观测变量转为微物理变量再进行同化。对于双偏振雷达资料同化，还需要更进一步的研究，检验双偏振雷达资料同化对对流尺度的分析和预报的影响。总体上，双偏振雷达业务应用还有一定距离。下表给出了现阶段国际主要国家和地区双偏振雷达布网情况和偏振观测量业务应用的主要研究方向。

   国际主要国家和地区双偏振雷达布网和业务应用研究情况

   2015年国际业务中心高分辨率中尺度模式情况

   国别	2015年现状	未来计划
   英国气象局	UKV模式，水平分辨率4km/1.5km, 3D-Var（3 km）, 3h分析循环	4D-Var, 1.5 km分辨率, 1-h分析循环
   法国气象局	AROME 模式1.3km ，3D-Var, 1-h分析循环	同化采用3D EDA， 然后是4D EnVar
   加拿大气象局	高分辨率HRDPS系统 10km/2.5km分辨率, 同化采用 EnVar	同高分辨率HRDPS: 2.5 km, EnVar
   德国气象局	COSMO-DE ,2.8 km, OI分析，3h同化循环	分析更新为 LETKF (KENDA), 2.8 km分辨率，1-h同化循环
   日本气象厅	2公里模式，3D-VAR 分析,1小时分析循环	不明
   美国环境预报中心	RAP（13km）+HRRR(2.5km) 系统，1小时分析	HRRR(2.5km)系统，1小时分析

3. 公里尺度高分辨率数值预报系统

   近年来，国际上雷达资料在公里尺度高分辨率数值预报的短临短时预报中的作用日益显著，模式分辨率普遍达到了1.5～2.5公里，采用3DVAR或4DVAR/4DENVAR分析，分析循环达到了1～3小时或更短。英国气象局在1.5KM高分辨率模式上，采用3DVAR分析，逐小时循环的分析方法，对短临降水预报改进显著。法国气象局在2.5km高分辨率非静力模式AROME中同化25部雷达回波强度资料反演的湿度资料，显著改善了降水预报效果。美国强风暴实验室NSSL发展了一个基于三维变分的高分辨率（1km）和高频率（每5分钟）的实时分析系统。这个系统在NOAA的强灾害天气实验基地进行了准业务运行。它能根据实时天气形势确定分析区域，并利用实时雷达观测数据和数值预报产品快速做出分析。特别是能实时估计出强风暴中中尺度气旋环流的强度，从而给预报员发布强天气预警提供帮助。这个三维变分同化系统在其它对流尺度的分析和应用研究方面也发挥了很大作用，从2008年以来，这个系统也被应用到NOAA灾害性天气实验基地春季预报实验阶段来为高分辨率WRF预报模式的确定性和集合预报提供初值。这个实验的分析预报区域覆盖全美大陆地区，用到几乎所有WSR-88D雷达网提供的数据。按照2015年世界气象组织天气研究计划下的资料同化与观测系统工作组（WMO WWRP/DAOS）的总结报告指出，目前世界主要国家的区域分析系统普遍实现了1.5～2.5公里分辨率，采用1～3小时分析循环策略。目前三维变分同化仍然是主要分析方法，未来将向混合同化发展。

国内现状

1. 在雷达资料数值预报应用方面

   我国在同化雷达资料改进高分辨率数值模式的初始化精度方面有一定基础，但不同区域差别大。在国家级基于ARPS（Advanced Regional Prediction System）模式中ADAS云分析技术，以我国雷达反射率拼图资料为重点资料的云分析，已经初步实现了在GRAPES_MESO系统中应用，可以通过云分析应用我国东部区域100余部SA/SB,CB波段雷达反射率资料，但大量的西北、西南、东北等区域的C波段雷达反射率资料还不能使用，此外C波段径向风资料业务同化利用率也偏低。在部分区域中心，应用同化系统如VDRAS、基于ARPS或WRF的Nudging等方法，对区域内的雷达资料在业务应用取得效果，而其他区域中心组网雷达资料还没有应用起来。

2. 在风廓线雷达资料数值预报应用方面

   我国风廓线雷达资料在数值预报业务上的应用能力明显不足，与国外相比存在较大差距。现有站点布局与业务服务需求不适应、高时空分辨率资料应用能力不足及数据质量等问题影响资料同化应用效果，业务中没有充分发挥风廓线雷达产品的作用。

3. 在双偏振多普勒天气雷达发展方面

   同国外发达国家相比，我国双线偏振雷达发展相对较迟，主要集中在科研单位，尚未在业务布网雷达中使用。近年来我国在南京大学等研究单位开展了双偏振雷达资料在数值预报应用方案的预研，对双偏振雷达资料的质量控制、观测算子、改进云分析方案等方面开展了研究。中国气象局广州热带所开展了双偏振雷达观测算子的研究，并与国外观测算子的模拟精度进行比较。这些研究工作基于研究个例，研究比较初步，目前双偏振雷达还不具备业务应用能力。国内关于双线偏振雷达的研究，主要集中在降水估计、粒子类型识别以及天气过程分析等。资料同化工作仅限于同化雷达观测的径向风和水平反射率因子以及利用水平反射率因子改进云分析方案，如发展ARPS云分析方案，可同时分析霰和雹，并在水物质质量分析的基础上，增加了水物质粒子浓度场分析，建立了适合双参数微物理方案云分析方案，改善了降水预报。尽管如此，在偏振参量资料如差分反射率因子 、差传播相移率 等同化研究方面工几乎处于空白。因此急需开展此类研究，为双偏振雷达资料定量应用和提高数值预报降水建立基础。

4. 在高分辨率数值预报系统建设方面

   在国家级具备资料快速更新同化循环能力的10公里模式分辨率、3小时同化循环的GRAPES_MESO系统已经建立。我国东部区域3公里精细化模式已经实现准业务运行，但快速循环系统还没有建立。区域中心3-9公里分辨率、3-6小时同化循环系统已经在业务中发挥了作用。部分区域发展了3公里分辨率3小时同化循环系统，3公里分辨率1小时同化循环系统有一定基础，而1公里分辨率、频次小于1小时的同化循环系统还没有建立。现有业务系统在雷达资料应用上存在明显不足，雷达资料同化应用站点数量少。

   国家级和各区域以雷达为核心同化预报系统情况

   单位	现状
   国家级	3DVar，全国范围，水平分辨率10km，3h分析循环，30h预报，同化SA，SB， CB类型雷达反演VAD，基于GRAPES云分析使用雷达反射率三维拼图资料
   华北区域	基于京津冀地区7部天气雷达（6部S，1部C）观测资料（径向风和反射率因子） 的3DVar，24h预报，3km分辨率，3小时快速更新循环
   华东区域	ADAS分析系统，WRF模式，水平分辨率3km，1h分析循环，12h预报，SA/SB 类型雷达，云分析中采用雷达反射率
   华南区域	云分析技术，GRAPES模式，37部雷达反射率；3DVar同化14部风廓线雷达， 水平分辨率3km，1h分析循环
   华中区域	LAPS分析预报系统，华中区域中尺度模（27km，9km，3km），12小时分析； 高分辨率快速循环同化预报系统（13km，3km），3小时分析；同化30部雷达， 利用GSI系统同化雷达反射率
   西南区域	ADAS分析，WRF模式，水平分辨率9km，预报时效72h，同化西南区域SA、SB、 SC型S波段雷达8部；基于ADAS复杂云分析同化雷达反射率变量
   西北区域	西北区域中尺度模式GRAPES_LZ，水平分辨率10km， 3DVar，72h预报，19部 C波段雷达建成三维拼图
   新疆区域	WRFDA与WRF模式，水平分辨率9km，同化12部C波段雷达径向风资料
   东北区域	WRFDA，1h循环同化，东北区域内S和C波段54部雷达的径向风资料同化

总体上，在气象雷达资料数值预报应用上，雷达资料的业务应用还不充分，雷达观测还没有完全发挥出效益。此外，对雷达资料在数值预报中的应用效果的定量评估，无论在技术储备和能力建设、系统集成等方面都存在不足，还不具备定量评价雷达资料在高分辨率模式中应用效果的能力。