广东前汛期沿海和内陆暖区暴雨的多源观测资料同化研究及对流初生机制对比分析

Quantitative precipitation forecast (QPF) for the warm-sector heavy rainfall events in Guangdong province during the early summer rainy season is very low, meanwhile the coastal and inland heavy rainfall events have the very different convective initiation mechanisms. However, very few studies focus on these important scientific questions. This project is planned to address these knowledge gaps by studying many warm-sector heavy rainfall cases during the Southern China Monsoon Rainfall Experiment (SCMREX) that collects composite datasets during 1 May -15 June of 2013-2018. These elected heavy rainfall events happened in Guangdong coastal, inland, both coastal and inland, respectively. Firstly, for the simulation of the mesoscale convective systems (MCSs) induced the warm-sector heavy rainfall events，the better reanalysis to generate the initial and lateral boundary conditions, the best simulation start time and the best physics parameterizations will be selected through the ensemble-based convection-permitting simulation experiments. Based on the result of these experiments above mentioned, the data assimilation ensemble-based experiments using Ensemble Kalman Filter (EnKF) are set up to discuss how a variety of observations data assimilation (the surface and sounding observations, Doppler radar, wind profiling radar) influence the MCSs simulation results. Finally, combining the ensemble simulation experiments with the observation analysis, the convective initiation mechanisms of Guangdong coastal and inland heavy rainfall are explored and compared, so as to construct schematic images of each types.

广东前汛期暖区暴雨的定量降水预报（QPF）水平很低，并且沿海和内陆暴雨的对流初生机制存在明显差异，相关的研究却开展很少。本项目拟针对“华南季风降水试验”（SCMREX）期间（2013-2018年5月1日-6月15日）降水中心分别位于广东沿海、内陆、沿海+内陆的多个暖区暴雨个例，开展多源观测资料同化研究和对流初生机制的对比分析。首先，对于广东暖区暴雨中尺度对流系统的数值模拟，通过对流可分辨的集合试验选取出较好的再分析资料提供初边值条件，最优的模式起始时间和物理参数化方案。然后，使用集合卡尔曼滤波方法(EnKF)同化地面、探空、风廓线雷达、天气雷达等观测资料，研究多种资料同化对于模拟中尺度对流系统的影响。最后，将集合模拟与观测分析相结合，对比分析沿海和内陆大暴雨的对流初生机制，并建立相应的概念模型。

广东前汛期暖区暴雨多发生在弱天气强迫的背景下，成因复杂，沿海和内陆暴雨的对流初生机制存在差异，且数值预报模拟难度很大。本项目针对2013年-2020年华南季风降水试验（SCMREX）期间的暖区暴雨过程，从统计和个例两个角度，多源观测和数值模拟相结合，分析了中尺度对流系统的有利天气形势和发生发展机制。此外，使用两种同化方法开展了资料同化研究。主要结论如下：.1）对2013-2017年华南前汛期98个准线性中尺度对流系统（MCS）的基本特征和环流形势进行统计分析发现，MCS主要生成在华南西北部，华南南部和珠江三角洲这三个地区，并且尽管具体发生时间有所不同，但基本都发生在傍晚到清晨的非日照时间。成熟阶段的MCS主要存在五种组织形态，约80%的MCS发生在边界层西南气流更强的环境中。2）运行典型个例的平行数值试验发现，模式结果对于初始场的变化最为敏感，可见再分析资料质量的重要性。使用探空观测资料评估和运行多个典型个例不同初始场的平行试验均发现，与其他再分析资料相比，欧洲中期数值预报中心（ECMWF）的再分析产品（ERA-Interim，ERA5）的质量较好，适用于为多数个例提供初边值条件。3）在明确影响对流初生的关键因素和模式误差源的前提下，选用合适的同化方法同化关键要素，可以有效改进模拟效果，提升确定性和集合概率预报的水平。4）对于广东沿海和内陆暖区暴雨过程而言，海上边界层气流的强度和方向都是影响对流初生时间和位置最关键的要素，此外，沿海地形和海陆差异也会影响沿海对流系统的发生发展，上一过程遗留的地面冷池在沿海和内陆暴雨过程中均会有重要贡献。