同化DMSP－F16 SSMIS資料對一次暴雨過程模擬的影響

周 鑫 劉健文 黃江平

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同化DMSP－F16 SSMIS資料對一次暴雨過程模擬的影響

周 鑫 劉健文 黃江平

本文利用GSI同化系統(tǒng)同化了美國國防衛(wèi)星DMSP－F16 SSMIS亮溫資料，對2015年8月發(fā)生在我國東南地區(qū)的一次特大暴雨進(jìn)行模擬預(yù)報，結(jié)果表明，只加入SSMIS探測通道2～6對能模擬出降水的基本范圍，但對于強降水的強度及位置仍存在一定偏差，在此基礎(chǔ)上加入成像通道12～18能夠明顯提高低層物理量，ETS評分也有顯著增加，進(jìn)一步改善了模擬效果。

而我國地處太平洋西岸，每年夏季臺風(fēng)產(chǎn)生登陸我國之后，往往會對東南沿海帶來暴雨災(zāi)害，因此提高降水預(yù)報精度，以最大限度地預(yù)防和降低暴雨等強降水天氣過程造成的災(zāi)害和損失，是我國氣象科技工作者孜孜以求的重要目標(biāo)和任務(wù)。現(xiàn)在數(shù)值模式已經(jīng)成為暴雨預(yù)報的重要手段和工具，眾多研究表明，在數(shù)值預(yù)報模式中加入非常規(guī)資料能夠有效地改善模式初始場，提高預(yù)報準(zhǔn)確率，而衛(wèi)星資料作為觀測資料的主要部分，對提高數(shù)值模式水平作用明顯。美國國防氣象衛(wèi)星DMSPF16已成功運行多年，NOAA的全球預(yù)報系統(tǒng)同化其搭載的SSMIS探測儀的資料后，發(fā)現(xiàn)對全球中期數(shù)值預(yù)報水平有一定提升作用，由于SSMIS探測儀具備同時擁有成像和探測兩類通道的特點，因此研究其在數(shù)值預(yù)報中的應(yīng)用對我國衛(wèi)星探測儀的發(fā)展有一定借鑒作用。本文利用SSMIS資料對2015年8月8日06時至8 月10日06時福建及周邊省份的一次暴雨過程進(jìn)行模擬，并對成像通道的利用采用對比試驗以探究該類通道數(shù)據(jù)對降水模擬的作用。

暴雨過程介紹

受臺風(fēng)“蘇迪羅”影響，2015年8月7日開始，粵東地區(qū)出現(xiàn)大雨到暴雨局部大暴雨降水過程，浙江、安徽、江西、江蘇、廣州等省份也出現(xiàn)了不同程度的強降水，至8月10日06時，福建浙江兩省的平均降水量超過100mm，部分地區(qū)最大降水量超過800mm。9日8時至10日8時，福建北部和西南部、浙江、江西中北部、安徽中南部、湖南東南部等地部分地區(qū)降雨50-150毫米；浙江臺州、紹興、寧波和江西九江、安徽六安局地250-320毫米（最大小時雨強50-90毫米），江西九江局地350-526毫米（九江廬山區(qū)）。江蘇、浙江、安徽、福建、江西5省33市191個縣（市、區(qū)）565.5萬人受災(zāi)，26人死亡，7人失蹤，93萬人緊急轉(zhuǎn)移安置，5.8萬人需緊急生活救助；4600余間房屋倒塌，6.1萬間不同程度損壞；農(nóng)作物受災(zāi)面積229.8千公頃，其中絕收26.2千公頃；直接經(jīng)濟(jì)損失137.7億元。

資料和試驗方案

試驗中使用NCEP網(wǎng)站提供的2015年8月8日06時至10日06時的FNL再分析資料作為初始場和邊界條件，水平分辨率為0.25°×0.25°，衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用的是美國國防衛(wèi)星DMSP-F16 SSMIS 的BUFR格式亮溫數(shù)據(jù)，WRF模式中心為20°N，125°E，水平分辨率30km，格點202×202，垂直分層41層，模式層頂高10hPa，時間積分步長為180 s，物理過程采用Kain-Fristsch積云方案，WSM6微物理方案，YSU邊界層方案，RRTM長波輻射方案，Dudhia短波輻射方案。實況資料采用國家氣象信息中心小時降水格點產(chǎn)品，數(shù)據(jù)源主要包括國家氣象信息中心制作的中國區(qū)域小時降水量融合產(chǎn)品、國家衛(wèi)星氣象中心利用FY-2E靜止衛(wèi)星反演的小時降水，以及NCEP-CPC制作的CMORPH衛(wèi)星融合降水產(chǎn)品，分辨率為0.1°×0.1°。試驗方案見表1，EXP1為控制試驗，不同化任何資料直接進(jìn)行預(yù)報，EXP2同化SSMIS的探測通道1～5，EXP3在EXP2基礎(chǔ)上加入SSMIS成像通道12～18。

表1　2015年8月7日06時～10日06時暴雨模擬方案

降水模擬效果及評估

本文利用CMORPH衛(wèi)星融合降水產(chǎn)品的降水量作為觀測，圖1為2015年8月8日06時至10日06時48小時觀測降水量（a）和三組試驗（b、c、d）模擬降水結(jié)果。對比分析發(fā)現(xiàn)，EXP1沒有模擬出浙江東部300mm以上的降水區(qū)域，而在江蘇省、江西省和湖北省出現(xiàn)了誤報區(qū)，尤其在江西省出現(xiàn)了大范圍的模擬降水，而實況顯示在江西省內(nèi)降水范圍很小，在臺灣省的降水誤差依然存在。EXP2也沒有能夠模擬出浙江東部的強降水范圍，位于江西西北部的200mm以上的降水中心也不明顯，安徽省和湖北省的降水量偏大，位于臺灣省和臺灣海峽的降水區(qū)誤差進(jìn)一步增大。EXP3較1、2模擬出了浙江省內(nèi)部分降水，但范圍還是偏小，安徽西部和江西北部的降水中心能夠同時模擬出來，但兩個降水區(qū)域中間出現(xiàn)了一定誤報，位于臺灣的降水偏差小于前兩組試驗。總體而言，EXP1模擬效果不佳，降水范圍偏差較大，降水中心不能夠全部模擬出，而且位置存在一定偏離情況，EXP2 基本能夠模擬出降水范圍，但存在降水中心強度過大和位置不夠準(zhǔn)確的問題，EXP3的模擬效果最好，不僅降水范圍和實況接近，而且?guī)讉€強降水中心都能夠模擬出來，并且降水量與實況相當(dāng)。

圖1　2015年8月8日06時～10日06時48小時降水實況（a）及三組試驗（b、c、d）模擬結(jié)果

下面采用ETS （Equitable Threat Score）評分方法（也稱公平TS評分）對三組試驗的降水預(yù)報效果進(jìn)行客觀性檢驗。首先介紹ETS評分方法，ETS評分的具體計算公式定義如下：

其中NA代表實況發(fā)生降水，同時預(yù)報也滿足標(biāo)準(zhǔn)的格點數(shù)；NB代表實況無降水，但預(yù)報有降水的格點數(shù)；NC代表實況有降水，但預(yù)報無降水的格點數(shù)；ND代表實況無降水，預(yù)報也無降水的格點數(shù)，為隨機預(yù)測系數(shù)。

在進(jìn)行ETS評分之前，先將CMORPH衛(wèi)星融合降水的格點資料插值到模式的格點上，然后利用ETS評分公式計算結(jié)果。圖2是三組試驗在8日06時至10日06時48小時分級降水ETS評分情況，圖中根據(jù)降水量等級小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨分別給定了評分閾值 0.1～9.9mm，10～24.9mm，25～49.9mm，50～99.9mm和100mm以上。從ETS評分來看，僅加入SSMIS探測通道對小雨、大雨和大暴雨的評分高于控制試驗，但中雨和暴雨評分低于控制試驗。同時加入SSMIS探測和成像通道除中雨評分外，其他均高于控制試驗，且所有級別評分均高于僅加入探測通道試驗。

圖2　三組試驗8日06時至10日48時24小時分級降水ETS評分圖

降水因子診斷分析

為了了解三組試驗預(yù)報結(jié)果的差異原因，分別從影響降水預(yù)報效果的動力條件、熱力條件以及水汽條件三方面因子對EXP2和EXP3分析場增量進(jìn)行對比，選擇相對渦度、溫度和水汽通量三個量沿降水中心緯度23°N作垂直剖面圖進(jìn)行診斷分析。

相對渦度

圖3　相對渦度增量場沿23°N的垂直剖面

相對渦度能夠反映降水系統(tǒng)未來發(fā)展的情況，圖3是EXP2和EXP3分析場相對于EXP1的相對渦度增量垂直剖面圖，圖b是同時同化SSMIS探測和成像通道數(shù)據(jù)的試驗，在中低層750～600hPa有明顯的正渦度增量區(qū)，在高層接近100hPa處有一定的負(fù)渦度增量區(qū)，說明加入同化資料之后低層氣旋式環(huán)流有所加強，高層反氣旋是環(huán)流有所減弱；而圖a是僅同化SSMIS探測通道數(shù)據(jù)試驗，從750hPa到100hPa之間，存在著渦度正負(fù)增量中心交替，左右對稱的情況，且增量較EXP3小兩個數(shù)量級，因此說明同化成像資料的加入對垂直上升運動有一定促進(jìn)作用。

溫度

由于此次暴雨是受臺風(fēng)影響而產(chǎn)生的，而高溫能夠給臺風(fēng)提供更加充足的能量，因此溫度可以作為診斷這次暴雨的一個熱力因子。圖4是溫度增量場的垂直剖面圖，圖a（EXP2）中，在800～700hPa出現(xiàn)了溫度負(fù)增值區(qū)，700～200hPa均為正增值區(qū)，但量級很小，最大增量只有0.008K，而圖b（EXP3）中，從800～500hPa均為溫度的正增量區(qū)，且最大值達(dá)到0.8K，遠(yuǎn)大于EXP2，這說明EXP3在該處上空更容易形成高溫區(qū)，在500hPa～300hPa之間有一定的負(fù)增量區(qū)，這是由于臺風(fēng)主體因降水和上升運動引起的降溫現(xiàn)象，因此可以說明加入成像通道數(shù)據(jù)對中低層的溫度增量的提升效果是十分明顯的。

水汽通量

水汽通量也稱水汽輸送量，是指單位時間從流經(jīng)與速度矢量正交的單位截面積的水汽質(zhì)量，它表示了水汽輸送的大小和方向，是暴雨形成的必要條件之一。圖5為水汽通量增量場的垂直剖面圖，可以看到圖a（EXP2）中，在700hPa以上有一定的水汽通量增量，但數(shù)值很小，最大增量僅為1e-5 kg/（hPa·m·s），而圖b在相同高度的水汽通量增量則大得多，最大為0.01 kg/ （hPa·m·s），與EXP2相差3個數(shù)量級，由此可以說明雖然同化SSMIS探測通道資料對水汽通量有一定的提高作用，但十分有限，遠(yuǎn)不及加入成像通道后的效果明顯。

圖4　溫度增量場沿23°N的垂直剖面

圖5　水汽通量增量場沿23°N的垂直剖面

結(jié)語

本文對2015年8月8日至10日有臺風(fēng)引起的發(fā)生在我國華南及臺灣地區(qū)的強降水天氣過程，利用GSI同化系統(tǒng)，對SSMIS探測通道和成像通道亮溫資料進(jìn)行直接同化和數(shù)值模擬試驗。通過對試驗結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：（1）從模擬結(jié)果來看，均能模擬出降水的基本范圍，但對于強降水的強度及范圍存在不同程度偏差，整體而言同時同化SSMIS探測和成像通道的模擬效果與實際最為接近；（2）從ETS評分來看，僅加入探測通道數(shù)據(jù)對降水評分的提升不是很明顯，但在此基礎(chǔ)上再加入成像通道使得評分得以顯著提高?？傮w上看，SSMIS成像通道數(shù)據(jù)對進(jìn)一步改善降水模擬效果有明顯作用；（3）從分析場增量可以看出，加入成像通道后對相對渦度、溫度和水汽通量等影響暴雨模擬的因子在低層有明顯的提升作用。

周 鑫1劉健文2黃江平2

1.解放軍理工大學(xué)；2.北京航空氣象研究所

周鑫，男，解放軍理工大學(xué)研究生，從事數(shù)值預(yù)報方向研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.007