風(fēng)廓線雷達(dá)資料在降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)中的應(yīng)用探討

李妙英, 楊 璐, 周志敏, 萬 蓉

(1.中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430074;2.解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院,江蘇南京211101;3.南京信息工程大學(xué),江蘇南京210044)

0 引言

湖北省地處東亞季風(fēng)區(qū),夏季受西風(fēng)帶天氣系統(tǒng)和熱帶季風(fēng)系統(tǒng)的影響,強(qiáng)降水頻繁,持續(xù)性或突發(fā)性的強(qiáng)降水常常會(huì)帶來嚴(yán)重的洪澇災(zāi)害。研究表明,強(qiáng)降水事件主要與中尺度對(duì)流系統(tǒng)有關(guān)[1-2]。目前,常規(guī)無線電探空儀資料沒有足夠的時(shí)空分辨率研究此類尺度對(duì)流系統(tǒng),這導(dǎo)致對(duì)強(qiáng)風(fēng)暴降水的認(rèn)識(shí)還不十分清楚。隨著中尺度數(shù)值模式的日臻完善和廣泛使用,對(duì)于各種天氣現(xiàn)象特別是強(qiáng)降水進(jìn)行模擬和診斷已經(jīng)成為當(dāng)前的常用手段。而在中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)中,中尺度系統(tǒng)的初值信息獲取和分析至關(guān)重要,初值的好壞直接影響數(shù)值預(yù)報(bào)的質(zhì)量,是提高中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的關(guān)鍵之一[3]。

風(fēng)廓線雷達(dá)與常規(guī)大氣探測(cè)設(shè)備相比,具有連續(xù)無人值守、全天候監(jiān)測(cè)及可提供低層大氣三維風(fēng)場(chǎng)和溫度廓線的特性。布設(shè)風(fēng)廓線雷達(dá)一方面能加密現(xiàn)有大氣探測(cè)網(wǎng)站,較好彌補(bǔ)常規(guī)氣象網(wǎng)站在監(jiān)測(cè)中小尺度天氣系統(tǒng)時(shí)空分辨過粗的不足;另一方面,通過應(yīng)用資料同化技術(shù),可為數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)提供包含更豐富的局地中、小尺度氣象信息的模式初始場(chǎng)。近年來,隨著風(fēng)廓線雷達(dá)在氣象部門的推廣和普及,及因其具有很高的時(shí)間和空間分辨[4],可以很直觀的顯示大氣流場(chǎng)的水平分布和垂直結(jié)構(gòu),氣象學(xué)者對(duì)利用風(fēng)廓線雷達(dá)資料分析中小尺度系統(tǒng)的連續(xù)變化過程做了大量的研究工作。張檉檉等[5]利用邊界層風(fēng)廓線雷達(dá)提供的風(fēng)場(chǎng)資料,針對(duì)發(fā)生在南京的一次大暴雨過程,對(duì)低空急流與強(qiáng)降水之間關(guān)系的詳細(xì)分析,指出低空急流脈動(dòng)及其向地面的擴(kuò)展程度對(duì)短時(shí)強(qiáng)降水有一定的指示作用。劉淑媛等[6]通過對(duì)照分析風(fēng)廓線雷達(dá)資料逐小時(shí)平均風(fēng)場(chǎng)與雨量之間的關(guān)系,揭示了對(duì)流層存在的中尺度現(xiàn)象及低空急流的脈動(dòng)與強(qiáng)降水發(fā)生過程在時(shí)間上有很好的配合。張京英等[7]針對(duì)山東的一次具有明顯的中小尺度系統(tǒng)影響特征的暴雨過程進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)雷達(dá)風(fēng)廓線資料可以很直觀的反映出降水過程中的風(fēng)場(chǎng)變化特征,并指出暴雨的產(chǎn)生主要由低空急流的下傳及增強(qiáng)所引起。另外國內(nèi)外學(xué)者對(duì)風(fēng)廓線雷達(dá)資料在模式中的應(yīng)用做了許多研究:Ying Hwa Kuo等[8]利用布網(wǎng)的風(fēng)廓線資料進(jìn)行了短期數(shù)值天氣預(yù)報(bào)可行性的分析,并對(duì)模式預(yù)報(bào)的敏感性進(jìn)行了試驗(yàn);Ying Hwa Kuo和Yong Run Guo等[9]利用Nudging方法把美國風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)所獲得的觀測(cè)資料同化到模式中作12小時(shí)的提前預(yù)報(bào),發(fā)現(xiàn)把風(fēng)場(chǎng)資料同化到模式中比同化溫度場(chǎng)更為有效。Ying Hwa Kuo等[10]利用MM5的四維變分技術(shù)成功地把風(fēng)廓線雷達(dá)資料、每小時(shí)降水資料、地面露點(diǎn)和GPS水汽資料同化到模式中,很好地模擬了大氣濕度的垂直結(jié)構(gòu)和降水的分布及總量。張勝軍等[11]將“中國登陸臺(tái)風(fēng)外場(chǎng)科學(xué)試驗(yàn)”中得到的風(fēng)廓線儀探測(cè)資料通過站點(diǎn)nudging技術(shù)同化到模式中,并分析對(duì)風(fēng)場(chǎng)及降水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果的影響。張勇等[12]對(duì)單點(diǎn)的風(fēng)廓線雷達(dá)資料同化及其在模式中的應(yīng)用進(jìn)行了初步研究。李華宏等[13]使用VAD方法反演雷達(dá)風(fēng)廓線并處理成標(biāo)準(zhǔn)的探空資料進(jìn)行了變分同化試驗(yàn),結(jié)果表明同化風(fēng)廓線資料有助于改善數(shù)值模式的初始場(chǎng),對(duì)降水預(yù)報(bào)也有不同程度的改善。

采用美國NCAR研究開發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式(WRF)及其三維變分同化系統(tǒng)(WRF-3DVAR),實(shí)現(xiàn)對(duì)湖北省咸寧市通山站風(fēng)廓線雷達(dá)資料的間接同化。通過對(duì)2010年6月7日發(fā)生在咸寧市的一次由于低空急流引起的強(qiáng)降水過程的各項(xiàng)預(yù)報(bào)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),檢驗(yàn)和評(píng)估風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化對(duì)改進(jìn)數(shù)值模式初始場(chǎng)及其數(shù)值預(yù)報(bào)能力的影響及作用。具體在兩個(gè)方面進(jìn)行驗(yàn)證:首先對(duì)同化和未同化的初始場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比;其次,將同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料得到的結(jié)果與實(shí)況、未同化的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

1 雨情概況及大尺度環(huán)流背景

1.1 雨情概況

根據(jù)湖北省地面氣象觀測(cè)網(wǎng)提供的實(shí)測(cè)降水資料2010年6月7～9日湖北省大部普降中到大雨。6月7日12時(shí)(為世界時(shí),下同)850hPa天氣圖如圖1所示,在西南地區(qū)有一淺槽發(fā)展,700hPa有配合槽線和850hPa高空?qǐng)D上有西南低渦生成,從低渦中心向東沿河南、鄭州形成了切變線,其以南西南氣流發(fā)展旺盛,整個(gè)湖北地區(qū)處于西南暖濕氣流中,850hPa西南氣流的最大風(fēng)速達(dá)到16ms-1,水汽源源不斷向這些地區(qū)輸送,低渦切變線為這次降水提供了必需的動(dòng)力條件。

在該氣象條件下,6月7日09時(shí)～21時(shí),咸寧市區(qū)累計(jì)降水量達(dá)到27.3mm,通山縣為25.4mm,赤壁縣為23.9mm,崇陽縣為22.2mm,金沙縣為 27.4mm,通城縣為16.4mm,如圖2所示,其中點(diǎn)P(114.52°E,29.6°N)為通山站所在位置(因數(shù)據(jù)的原因,降水實(shí)況圖與預(yù)報(bào)場(chǎng)圖在區(qū)域范圍上有差異)。

圖1 6月7日12時(shí)850hPa天氣圖

圖2 6月7日09時(shí)～21時(shí)湖北省自動(dòng)站累積降水實(shí)況圖

2 模式參數(shù)簡(jiǎn)介

采用的數(shù)值預(yù)報(bào)模式是新一代非靜力平衡、高分辨率、科研和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)統(tǒng)一的中尺度預(yù)報(bào)和資料同化模式[14](WRF-V3.2.1版本),水平方向采用Arakawa-C坐標(biāo),垂直方向選用質(zhì)量坐標(biāo)(Eulerian mass coordinate),它是在 σ坐標(biāo)的基礎(chǔ)上建立的,即地面為1,模式頂為0。該次模擬,微物理采用Lin方案,邊界層采用YSU方案、長(zhǎng)波輻射采用RRTM方案、短波輻射采用Dudhia方案,積云對(duì)流化采用淺對(duì)流的Kain-Fritsch(new Eta)。模擬區(qū)域中心設(shè)置為114.52°E,29.6°N(圖2中P點(diǎn))。模式的初始條件和側(cè)邊界條件均采用NCEP每6h一次的全球再分析資料。試驗(yàn)中模式采用雙重嵌套網(wǎng)格。外層D1區(qū)的水平分辨率為15km,格點(diǎn)數(shù)為51×51,垂直分層27層。內(nèi)層D2區(qū)的水平分辨率為5km,格點(diǎn)數(shù)為70×70,垂直分層27層。模式采用熱啟動(dòng)方式,積分時(shí)間為7日07時(shí)至7日21時(shí),預(yù)報(bào)時(shí)間為7日09時(shí)至7日21時(shí)。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

為了比較分析同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)初始場(chǎng)的改變及經(jīng)過同化處理的初始場(chǎng)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果的影響。設(shè)計(jì)了一組對(duì)比試驗(yàn):

試驗(yàn)一:未加入風(fēng)廓線雷達(dá)資料,把模擬結(jié)果與實(shí)況形勢(shì)進(jìn)行比較。目的是驗(yàn)證WFR中尺度模式對(duì)此次過程的模擬能力。

試驗(yàn)二:在內(nèi)層D2區(qū)域同化7日07時(shí)至09時(shí)3個(gè)時(shí)次的通山站整點(diǎn)風(fēng)廓線雷達(dá)資料。將同化后的初始場(chǎng)和模擬結(jié)果與未同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料的模擬結(jié)果進(jìn)行比較。目的是驗(yàn)證風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)改善模式的模擬能力,以及在降水預(yù)報(bào)中的作用。

3.2 同化初始場(chǎng)分析

3.2.1 風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)風(fēng)速、風(fēng)向及相對(duì)濕度的對(duì)比分析

圖3給出了通山站(114.52°E,29.6°N)風(fēng)速、風(fēng)向及相對(duì)濕度廓線在同化前后的分布情況。從圖中可見,同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)風(fēng)速、風(fēng)向及相對(duì)濕度廓線都有明顯的調(diào)整。同化前,低空沒有出現(xiàn)急流,同化后,低空1.5km左右明顯出現(xiàn)一個(gè)風(fēng)速的大值區(qū),最大風(fēng)速達(dá)到16ms-1,和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)較好。從圖3(b)可以看出,在800～850hPa高度層內(nèi),風(fēng)向?yàn)?00°～250°,即為西南風(fēng),中層為偏西風(fēng),高層為西北風(fēng),風(fēng)向隨高度順時(shí)針旋轉(zhuǎn),可能存在暖平流。相比較而言,同化后低層風(fēng)向的模擬結(jié)果與實(shí)況更加接近。另外,同化風(fēng)場(chǎng)資料,相應(yīng)地會(huì)引起質(zhì)量場(chǎng)和氣壓場(chǎng)的調(diào)整,從而引起濕度場(chǎng)的調(diào)整。圖3(c),同化后的相對(duì)濕度,在2km以下有增加,且在2km左右開始達(dá)到飽和,飽和層相比同化前更加深厚。這說明西南低空急流使水汽源源不斷向這些地區(qū)輸送,更利于降水發(fā)生。

圖3 2010年6月7日09時(shí)廓線分布圖

3.2.2 流場(chǎng)對(duì)比分析

圖4給出了以通山站為中心一定范圍內(nèi)的流場(chǎng)分布。同化前流場(chǎng)變化平緩,風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn),500hPa總體為西南風(fēng),氣流平直。700hPa高度通山附近及其南側(cè)也主要為西南風(fēng),通山北側(cè)變?yōu)槠巷L(fēng),存在較弱的氣旋性彎曲。850hPa主要為偏南風(fēng)。同化后的初始流場(chǎng)發(fā)生明顯改變,保持風(fēng)向隨高度順轉(zhuǎn)的趨勢(shì)不變,雷達(dá)站點(diǎn)附近出現(xiàn)明顯波動(dòng),且主要在雷達(dá)站的下風(fēng)方向,距離雷達(dá)站越近變化越明顯。700hPa、850hPa雷達(dá)站下風(fēng)方向產(chǎn)生了很大的氣旋性彎曲。同化對(duì)風(fēng)速的分布也有影響,雷達(dá)站附近的風(fēng)速梯度加大,700hPa在東南側(cè)出現(xiàn)超過14ms-1的低空急流,表明同化后低空急流增強(qiáng),西南風(fēng)急流帶向東北方向伸展。850hPa情況類似。這說明同化風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)資料后初始場(chǎng)的精細(xì)程度增加,分辨率提高。

圖4 2010年6月7日09時(shí)通山站流場(chǎng)分布,陰影表示風(fēng)速(ms-1)

3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.3.1 降水量分析

圖5給出了2010年6月7日09時(shí)至21時(shí)試驗(yàn)一和試驗(yàn)二12小時(shí)累積降水量,以及試驗(yàn)二和試驗(yàn)一相比的12小時(shí)累積降水量增量。與實(shí)況相比,試驗(yàn)一和試驗(yàn)二都沒能把位于(113.6°E,30.0°N)和(114.8°E,29.4°N)附近的雨區(qū)模擬出來,且模擬結(jié)果比實(shí)況都偏小,但試驗(yàn)二的結(jié)果與實(shí)況相對(duì)接近。另外,試驗(yàn)一(圖5a)中降雨的一個(gè)極值位于雷達(dá)站(P點(diǎn))的東南方,試驗(yàn)二(圖5b)的一個(gè)極值位于雷達(dá)站的東北方,且雷達(dá)站點(diǎn)的降雨量試驗(yàn)二比試驗(yàn)一的大。從試驗(yàn)結(jié)果看,加入了西南低空急流后對(duì)雷達(dá)站點(diǎn)下風(fēng)方向的模擬結(jié)果改善效果比較明顯,其他方向上隨著相距雷達(dá)站距離的增加改善效果減弱(圖5c)。

圖5 2010年6月7日09～21時(shí)的累積雨量圖(單位:mm)

總之,同化了風(fēng)廓線雷達(dá)風(fēng)場(chǎng)資料后,WRF模式對(duì)降水落區(qū)的預(yù)報(bào)能力有所改善,特別是實(shí)況強(qiáng)降水區(qū)域附近降水量級(jí)預(yù)報(bào)也得到了明顯的提高。但在有些模擬區(qū)域內(nèi)模擬的降水量比實(shí)況有所偏低,有些區(qū)域模擬結(jié)果又偏大。但總體說,同化資料對(duì)降水的預(yù)報(bào)有一定的改善。

3.3.2 渦度場(chǎng)和散度場(chǎng)的分析

圖6給出了09時(shí)試驗(yàn)一和試驗(yàn)二的渦度散度經(jīng)向垂直剖面圖。從圖6(a)可以看出,在試驗(yàn)區(qū)域低空正渦度最大值為10×10-4s-1,對(duì)應(yīng)散度圖6(c)中的輻合中心值為-10×10-4s-1,200hPa高度存在負(fù)渦度中心(強(qiáng)度為-5×10-4s-1)。經(jīng)過風(fēng)廓線資料的同化后,低層正渦度范圍明顯擴(kuò)大,其強(qiáng)中心增大到30×10-4s-1,輻合區(qū)的層次也得到明顯增厚,而且強(qiáng)度加強(qiáng)(圖6d中700hPa以下為輻合區(qū),中心散度達(dá)到-30×10-4s-1)。400hPa負(fù)渦度中心增強(qiáng)到-10×10-4s-1,對(duì)應(yīng)的強(qiáng)輻散中心達(dá)到20×10-4s-1。這說明風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化改善了低層的水汽輸送,提高了中尺度數(shù)值模式對(duì)于低層輻合、中高層輻散的模擬能力。

圖6 2010年6月7日09時(shí)經(jīng)過114.5°E的渦度、散度經(jīng)向垂直剖面圖(單位:10-4s-1)

圖7 2010年6月7日12時(shí)700hPa水汽通量場(chǎng)(單位:gs-1hPa-1cm-1)

3.3.3 水汽輸送分析

水汽通量為單位時(shí)間內(nèi)通過垂直于風(fēng)向單位面積的水汽量。模式積分12h,對(duì)輸出的700hPa水汽通量場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)(如圖7所示)進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)一和試驗(yàn)二中,水汽通量在通山地區(qū)對(duì)應(yīng)為大值區(qū),且同化后水汽通量值增大,尤其是在雷達(dá)站的下風(fēng)方向增大明顯。試驗(yàn)一和試驗(yàn)二兩種試驗(yàn)方案下,通山上空均維持西南風(fēng),將上游的水汽輸送到本地,為降水創(chuàng)造有利條件。

4 結(jié)論

采用美國NCAR研究開發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式(WRF)及其三維變分同化系統(tǒng)(WRF-3DVAR),實(shí)現(xiàn)了對(duì)湖北省咸寧市通山站風(fēng)廓線雷達(dá)資料的間接同化,并對(duì)發(fā)生在2010年6月7日09時(shí)至21時(shí)湖北省咸寧地區(qū)的一次由于低空急流引起的強(qiáng)降雨過程進(jìn)行了模擬分析,檢驗(yàn)和評(píng)估了風(fēng)廓線雷達(dá)資料的同化對(duì)改進(jìn)數(shù)值模式初始場(chǎng)及其降水?dāng)?shù)值預(yù)報(bào)能力的影響及作用。初始場(chǎng)分析結(jié)果表明,同化后風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)站點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向、濕度場(chǎng)及其周圍的流場(chǎng)均有明顯的改善。從模擬結(jié)果可以看出,同化后在降水量、降水強(qiáng)度、渦度散度分布和水汽輸送等方面都有較好的改善,暴雨預(yù)報(bào)的能力有提高。

雖然在該次試驗(yàn)過程中降水量和降水強(qiáng)度與實(shí)況有著較好的一致性,但預(yù)報(bào)結(jié)果在整體雨型、強(qiáng)中心雨量區(qū)上仍存在一定的偏差。偏差的大小與距離風(fēng)廓線雷達(dá)站的遠(yuǎn)近有關(guān),與選取的個(gè)例也有一定關(guān)系。今后需要對(duì)同化多個(gè)站風(fēng)廓線雷達(dá)資料進(jìn)行研究,并耦合多種探測(cè)資料,以進(jìn)一步探討同化風(fēng)廓線雷達(dá)資料對(duì)于模式描述中小尺度強(qiáng)對(duì)流天氣的不同影響。相信在不久的將來,隨著風(fēng)廓線雷達(dá)布網(wǎng)的進(jìn)一步推進(jìn),有更多、更密的風(fēng)場(chǎng)資料可以應(yīng)用到中尺度模式中,將會(huì)大大提高數(shù)值模式的預(yù)報(bào)能力。

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