科技进展：基于CMA-MESO v5.0的垂直速度3D-Var同化方案

大气运动的垂直分量在对流的定义中起着关键作用，因为它直接影响云及其相关降水的形成和发展。准确包含上升及下沉运动的三维分析场对提高对流降水预报的准确性具有重要的应用前景。三维变分（3D-Var）方法由于其较低的计算成本和能够同化非模式变量的能力，仍在业务中得到广泛应用，因此，开发基于3D-Var方法的垂直速度同化技术显得十分必要。

在3D-Var框架内，同化垂直速度面临诸多困难，其中最具挑战性的是建立一种对预报能够产生合理、积极影响的有效同化方法。如果将垂直速度拓展为模式的控制变量，那么就可以实现直接同化，但微物理场和动力场之间的不平衡可能导致多余的噪音。本研究基于高分辨率（3 km）CMA-MESO v5.0模式，开发了以绝热的Richarsdon方程为观测算子的垂直速度3D-Var同化方案。单点同化试验结果表明，同化一个正的垂直速度，在模式低层（~850 hPa）会有水平风辐合增量，而在模式更高层（~400 hPa）会出现水平风辐散增量。这样的风场调整有助于在这些区域生成或加强对流。通过连续10天的批量试验和个例结果进一步评估了同化垂直速度观测对预报的影响：共配置了不同同化次数的两组试验，包括CTRL试验和DA-W试验，在这两组试验的3小时同化窗内，每隔1小时同化飞机报、探空和其他观测；DA-W试验相较于CTRL试验，增加了垂直速度观测的同化。从逐小时的累积降水评分技巧来看：在相同的同化次数下，DA-W试验的FSS评分技巧优于CTRL试验，表明降水的位置预报精度有所提高。至于ETS评分，DA-W试验在更高的降水阈值（5和20 mm h-1）下具有更高的预报技巧。然而，DA-W试验也更容易产生一些虚假降水，这样就导致从BIAS评分看，DA-W试验与CTRL试验的总体表现相当。个例结果表明：DA-W试验有助于增强对流区的向上运动，从而产生更接近于观测的强降水预报。

研究成果以“A 3D-Var assimilation scheme for vertical velocity with CMA-MESO v5.0” 为题于2024年8月7日发表在Geoscientific Model Development期刊，文章受甘肃省青年科技基金（项目号：23JRRA1327）、国家自然科学基金青年科学基金项目（项目号：42205050）及甘肃省科学技术协会2023年创新驱动助力工程项目（项目号：GXH20230817-7）资助。（拟稿：李红 审核：王鹤龄 发布：杜亚卓）