云海-2 掩星資料在區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)中的同化應(yīng)用評(píng)估

蔡其發(fā) 王業(yè)桂 張斌 李娟 蘭偉仁 王廣杰

61741 部隊(duì)，北京 100094

1 引言

GPS（global positioning system）無線電掩星技術(shù)（GPS Radio Occulation, GPS RO）利用GPS衛(wèi)星和地球低軌衛(wèi)星與地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成的掩星過程中特定波長(zhǎng)的無線電波穿透大氣而引起的無線電信號(hào)折射，利用在此過程中無線電波產(chǎn)生的相位延遲和相應(yīng)的振幅差異，從中獲得不同高度的路徑差異及頻率等信息，通過這些信息，利用相應(yīng)的大氣學(xué)原理，可以反演出電離層電子密度信息、中性層大氣溫度、壓力、濕度等參數(shù)廓線（朱孟斌,2012）。GPS RO 探測(cè)技術(shù)具有高精度、高垂直分辨率、受氣溶膠和云及降水的影響小、無需定標(biāo)、全球均勻覆蓋、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)（Anthes et al.,2000），在常規(guī)觀測(cè)資料匱乏的海洋、高原和荒漠等地區(qū)，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

因?yàn)镚PS RO 探測(cè)具有的優(yōu)勢(shì)，許多國(guó)家和地區(qū)先后實(shí)施了GPS 掩星測(cè)量計(jì)劃，1995 年4 月UCAR（University Corporation for Atmospheric Research）主持的GPS/Meteorology 項(xiàng)目，成功發(fā)射了攜帶全球定位系統(tǒng)接收機(jī)的低軌實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星MicroLab1，揭開了GPS 無線電掩星技術(shù)探測(cè)地區(qū)大氣試驗(yàn)計(jì)劃的序幕。隨后，德國(guó)、阿根廷等分別于2000 年成功實(shí)施了CHAMP（Challenging Minisatellite Payload）和SAC-C（Satellite de Applicacions Cientificas-C）計(jì)劃。GPS/Meteorology、CHAMP 和SAC-C 均只有一個(gè)GPS 掩星資料接收器，每天雖然可以獲取一定數(shù)量的掩星廓線，但這些GPS 掩星探測(cè)的密度不高，制約了GPS 掩星探測(cè)的業(yè)務(wù)化應(yīng)用（馬再忠等,2011）。2006 年中國(guó)臺(tái)灣和美國(guó)合作的掩星探測(cè)項(xiàng)目COSMIC（ Constellation Observing System for Meteorology，Ionosphere，and Climate）發(fā)射成功，COSMIC 由6 個(gè)GPS 掩星資料接收器組成，每天可以獲取更多數(shù)量的掩星廓線，大大增加了掩星探測(cè)密度和業(yè)務(wù)化應(yīng)用的潛力。

GPS RO 探測(cè)技術(shù)作為一種很有前景的大氣探測(cè)手段，能夠提供豐富的高時(shí)空分辨率探測(cè)資料，在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中得到了廣泛的應(yīng)用。同化GPS RO 探測(cè)資料可以對(duì)初始場(chǎng)進(jìn)行有效的調(diào)整，進(jìn)而改善預(yù)報(bào)精度。GPS RO 資料同化通常采用彎曲角或折射率觀測(cè)資料，在地球大氣局部球?qū)ΨQ假設(shè)下，彎曲角與折射率可以通過Abel 變換相互轉(zhuǎn)換（朱孟 斌 等, 2013）。Zou et al.（1995）和Kuo et al.（1998）在數(shù)值模式中對(duì)GPS RO 的折射率資料進(jìn)行同化后，溫度和濕度場(chǎng)得到了有效的改善，提高了數(shù)值預(yù)報(bào)模式的結(jié)果。Huang et al.（2005）利用MM5 模式及其三維變分（3DVar）對(duì)GPS 掩星折射率進(jìn)行同化，發(fā)現(xiàn)GPS RO 資料對(duì)于臺(tái)風(fēng)路徑及降水預(yù)報(bào)都有正影響。Cucurull（2010）在全球模式業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中對(duì)GPS RO 折射率資料進(jìn)行同化，等壓面的重力位勢(shì)高度和風(fēng)速得到了有效改善，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度也得以提高。英國(guó)氣象局（Healy et al.,2005）對(duì)CHAMP 掩星資料進(jìn)行同化，預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明GPS 掩星觀測(cè)資料能夠提高低對(duì)流層對(duì)無線電波溫度觀測(cè)量分析和預(yù)報(bào)的符合度。Healy and Thépaut（2006）通過4DVar 將GPS RO 彎角資料同化到ECMWF 全球模式中，提供了高準(zhǔn)確度的溫度信息，并證明了這有助于提升溫度預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度，特別是南半球300 hPa 到50 hPa 高度的區(qū)域。朱孟斌等（2013）在全球模式中利用四維變分同化系統(tǒng)對(duì)GPS 彎曲角進(jìn)行同化，試驗(yàn)結(jié)果表明同化GPS 無線電掩星資料之后全球區(qū)域正作用十分明顯。余江林等（2014）針對(duì)暴雨天氣，利用GSI-3DVar 同化系統(tǒng)對(duì)GPS 掩星彎角進(jìn)行同化，結(jié)果表明同化后強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性得到了有效提高。鄒逸航等（2017）基于GRAPES 的三維變分同化系統(tǒng)對(duì)GPS 掩星資料進(jìn)行同化，可以減小臺(tái)風(fēng)路徑誤差，提高降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。

目前，無論是業(yè)務(wù)應(yīng)用還是科學(xué)研究，掩星資料在數(shù)值預(yù)報(bào)中均展示了良好的應(yīng)用效果和潛力。2019 年12 月，中國(guó)發(fā)射了自主的云海-2 掩星大氣探測(cè)星座系統(tǒng)，云海-2 星座由6 顆衛(wèi)星組成，可以探測(cè)獲取豐富的全球中低緯度大氣層溫度、濕度、氣壓等參數(shù)的垂直廓線，能夠?yàn)閿?shù)值天氣預(yù)報(bào)提供高垂直分辨率、高精度的觀測(cè)信息，對(duì)于提升數(shù)值預(yù)報(bào)精度具有重要作用。

云海-2 掩星資料作為中國(guó)自主的掩星觀測(cè)資料，自衛(wèi)星成功發(fā)射后，尚未在數(shù)值預(yù)報(bào)中開展應(yīng)用研究工作。為了解云海-2 掩星資料的同化效果，加快自主掩星資料的業(yè)務(wù)化應(yīng)用進(jìn)度，發(fā)揮好云海-2 掩星資料在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的作用，本文基于區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式，針對(duì)云海-2 掩星資料首次開展同化應(yīng)用研究，通過建立云海-2 掩星衛(wèi)星在區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的同化技術(shù)流程，對(duì)云海-2掩星資料同化應(yīng)用效果進(jìn)行檢驗(yàn)，為業(yè)務(wù)化應(yīng)用提供借鑒。

2 云海-2 掩星數(shù)據(jù)、模式和試驗(yàn)設(shè)置

云海-2 掩星大氣探測(cè)資料包括干空氣廓線數(shù)據(jù)和濕空氣廓線數(shù)據(jù)，每類數(shù)據(jù)均包括彎角和折射率變量。本文對(duì)干空氣廓線數(shù)據(jù)的折射率資料進(jìn)行同化，為了確保掩星資料得到合理有效的同化，同化之前對(duì)其進(jìn)行一定的質(zhì)量控制，主要包括最初的質(zhì)量控制、背景場(chǎng)檢驗(yàn)和相對(duì)誤差檢驗(yàn)（王挺等,2015），其次考慮到云海-2 掩星資料在垂直方向上具有較高的分辨率，在對(duì)其進(jìn)行同化時(shí)，將觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏化，為每個(gè)模式層匹配一個(gè)距離最近的觀測(cè)。

本 文 基 于 NCEP（ National Centers for Environmental Prediction）開 發(fā) 的GSI（gridpoint statiscal interpolation system）三維變分同化系統(tǒng)（three dimension variational analysis，3DVar）對(duì)云海-2 掩星資料的折射率進(jìn)行同化，GSI 是NOAA（National Oceanic and Atmospheric Administration）開發(fā)并用于NCEP 業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的變分同化系統(tǒng)；采用的區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式為Advanced Research WRF（ARW），WRF 模式是一個(gè)在三維非靜力平衡中尺度/云模式基礎(chǔ)上加入混合相微物理過程參數(shù)化、高階湍流閉合參數(shù)化、輻射參數(shù)化、網(wǎng)格嵌套等多種先進(jìn)技術(shù)而發(fā)展起來的，近年來已廣泛應(yīng)用于各種研究與業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中。

圖1 試驗(yàn)區(qū)域Fig.1 Experiment region

本文針對(duì)如圖1 所示的中國(guó)及其周邊區(qū)域開展同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)，同化時(shí)間窗設(shè)置為6 h；WRF 模式的中心點(diǎn)為（35°N，100°E），水平分辨率為30 km，格點(diǎn)數(shù)為240×175，垂直層數(shù)為35 層，模式層頂高度為10 hPa。采用的參數(shù)化方案包括：WSM6微物理方案，Kain-Fritsch 積云對(duì)流參數(shù)化方案，RRTM 長(zhǎng)波輻射方案，Dudhia 短波輻射方案，YSU 邊界層參數(shù)化方案。

為了系統(tǒng)考察云海-2 掩星資料的同化預(yù)報(bào)效果，以2019 年5 月開展長(zhǎng)達(dá)一個(gè)月的數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)。試驗(yàn)中設(shè)置兩組試驗(yàn)，分別為試驗(yàn)CTRL 和試驗(yàn)YHDA，試驗(yàn)CTRL 為控制試驗(yàn)，僅同化常規(guī)觀探測(cè)資料，試驗(yàn)YHDA 在試驗(yàn)CTRL 的基礎(chǔ)上，增加了云海-2 掩星資料的同化，兩組試驗(yàn)同化完成后均進(jìn)行72 h 的預(yù)報(bào)。試驗(yàn)CTRL 和試驗(yàn)YHDA的預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比即可反映云海-2 掩星資料在區(qū)域模式預(yù)報(bào)中的同化效果。兩組試驗(yàn)每天進(jìn)行一次，72 h 的起報(bào)時(shí)間均為08 時(shí)（北京時(shí)，下同）。試驗(yàn)中均采用T799 模式每隔6 h 的全球預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)為WRF 模式提供背景場(chǎng)和邊界條件。

本文的同化試驗(yàn)均采用如圖2 所示的三次循環(huán)同化的方式，即首先在初始場(chǎng)對(duì)應(yīng)時(shí)刻完成第一次資料同化過程，得到一個(gè)分析場(chǎng)，隨后基于分析場(chǎng)進(jìn)行6 h 的預(yù)報(bào)，得到一個(gè)預(yù)報(bào)場(chǎng)，然后將此預(yù)報(bào)場(chǎng)當(dāng)作對(duì)應(yīng)時(shí)刻的背景場(chǎng)，完成第二次資料同化過程，得到一個(gè)分析場(chǎng)，繼續(xù)進(jìn)行一個(gè)6 h 的預(yù)報(bào)，得到一個(gè)預(yù)報(bào)場(chǎng)，然后將此預(yù)報(bào)場(chǎng)當(dāng)作對(duì)應(yīng)時(shí)刻的背景場(chǎng)，完成第三次資料同化過程，得到一個(gè)分析場(chǎng)，最后利用這個(gè)分析場(chǎng)進(jìn)行72 h 的區(qū)域預(yù)報(bào)，同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)的最終起報(bào)時(shí)間均為08 時(shí)。

3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 同化、預(yù)報(bào)流程Fig.2 Assimilation and prediction process

在分析同化云海-2 掩星資料對(duì)預(yù)報(bào)的整體影響時(shí)，本文首先采用NCEP 的0.25 度再分析資料對(duì)多個(gè)要素場(chǎng)的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評(píng)估，即以NCEP的0.25 度再分析資料作為參照，對(duì)兩組試驗(yàn)的水平風(fēng)場(chǎng)U、V，溫度場(chǎng)T，水汽混合比Qv的預(yù)報(bào)結(jié)果的均方根誤差進(jìn)行對(duì)比分析；其次基于強(qiáng)降水過程，考察分析同化云海-2 掩星資料對(duì)降水預(yù)報(bào)結(jié)果的影響及其對(duì)模式要素場(chǎng)的調(diào)整。

3.1 統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析

3.1.1 要素場(chǎng)的均方根誤差分析

在考量同化云海-2 掩星資料對(duì)于預(yù)報(bào)場(chǎng)的調(diào)整效果時(shí)，本節(jié)對(duì)2019 年5 月的兩組批量試驗(yàn)6 h到72 h 每隔6 h 預(yù)報(bào)的均方根誤差進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后將5 月份每天相同預(yù)報(bào)時(shí)刻的均方根誤差進(jìn)行平均，得到各要素場(chǎng)預(yù)報(bào)的均方根誤差統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

為了更清晰地對(duì)比同化云海-2 掩星資料對(duì)各要素場(chǎng)預(yù)報(bào)場(chǎng)的調(diào)整效果，下面對(duì)試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 在各預(yù)報(bào)時(shí)次上各要素場(chǎng)降低的均方根誤差進(jìn)行分析。

圖3 為試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 各要素預(yù)報(bào)場(chǎng)均方根誤差降低的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看到U風(fēng)場(chǎng)、V 風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)隨著預(yù)報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)，降低的均方根誤差逐漸增大，即隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)，同化云海-2 掩星資料對(duì)各要素場(chǎng)預(yù)報(bào)的改善程度逐漸增大，但是可以看到U 風(fēng)場(chǎng)、V 風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)在預(yù)報(bào)前期降低的均方根誤差均為負(fù)值，其中U風(fēng)場(chǎng)、V 風(fēng)場(chǎng)分別在42 h 和12 h 后才體現(xiàn)出正效應(yīng)，溫度場(chǎng)則在60 h 后出現(xiàn)正效應(yīng)。3 個(gè)要素預(yù)報(bào)場(chǎng)的改善效應(yīng)基本都出現(xiàn)在預(yù)報(bào)的中后期，這可能是因?yàn)樵坪?2 掩星資料作為一種新觀測(cè)資料，目前同化參數(shù)尚未完全優(yōu)化，對(duì)模式要素場(chǎng)的改善需要一定的適應(yīng)時(shí)間，因此對(duì)于要素場(chǎng)的改善作用有所滯后。進(jìn)一步分析，同化云海-2 掩星資料對(duì)風(fēng)場(chǎng)的改善作用要好于溫度場(chǎng)，對(duì)溫度場(chǎng)的改善在預(yù)報(bào)時(shí)間段整體并不是很理想，僅在預(yù)報(bào)最后時(shí)刻才展現(xiàn)一定的正效應(yīng)。不同于U 風(fēng)場(chǎng)、V 風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，同化云海-2 掩星資料對(duì)于水汽混合比的調(diào)整在整個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)均為正效果，這可能源于云海-2 掩星的探測(cè)量與大氣的濕度場(chǎng)有著緊密聯(lián)系，因而可以對(duì)濕度場(chǎng)進(jìn)行直接有效的調(diào)整，而風(fēng)場(chǎng)與其沒有直接聯(lián)系，對(duì)風(fēng)場(chǎng)初期的調(diào)整主要是通過背景誤差協(xié)方差中統(tǒng)計(jì)的各要素相關(guān)性進(jìn)行間接調(diào)整，因此如果統(tǒng)計(jì)的背景誤差協(xié)方差不夠精確，也會(huì)一定程度影響到對(duì)風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整，這也可能導(dǎo)致對(duì)風(fēng)場(chǎng)前期調(diào)整改善效果不理想；其次相對(duì)于U 風(fēng)場(chǎng)、V 風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，水汽混合比的調(diào)整在整個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性，這可能是因?yàn)樗旌媳茸鳛闈穸葓?chǎng)，具有較強(qiáng)的局地性和非線性特征，因此其變化也易產(chǎn)生較大的起伏。

圖3 試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 的（a）U（單位：m s?1）、（b）V（單位：m s?1）、（c）溫度場(chǎng)T（單位：K）和（d）水汽混合比（單位：g kg?1）預(yù)報(bào)場(chǎng)降低的均方根誤差Fig.3 Root mean square errors (RMSE) of the decrease for experiment YHDA (the assimilation of yunhai-2 occultation data is added on the basis of the experiment CTRL) forecast relative to experiment CTRL (Only conventional observation data were assimilated): (a) Zonal wind U (units: m s?1);(b) meridinal V (units: m s?1); (c) temperature T (units: K); (d) water vapor mixing ratio Qv (units: g kg?1)

整體來說，隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)，同化云海-2 掩星資料對(duì)于要素預(yù)報(bào)場(chǎng)的改善效果逐漸增強(qiáng)，濕度場(chǎng)的改善效果貫穿于整個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)，而風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)的改善效應(yīng)主要是體現(xiàn)在預(yù)報(bào)的中后期，風(fēng)場(chǎng)的改善要好于溫度場(chǎng)。

3.1.2 各要素預(yù)報(bào)場(chǎng)提高的百分比分析

在3.1.1 節(jié)的基礎(chǔ)上，為了考察同化云海-2 掩星資料對(duì)于各要素場(chǎng)的調(diào)整程度，本節(jié)進(jìn)一步對(duì)各要素預(yù)報(bào)場(chǎng)的提高百分比進(jìn)行分析。

圖4 為試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 各要素場(chǎng)均方根誤差隨預(yù)報(bào)時(shí)間降低的百分比。圖4 與圖3 有著較好的對(duì)應(yīng)，風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的改善程度在預(yù)報(bào)中前期改善均不理想，但隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增強(qiáng)，到一定預(yù)報(bào)時(shí)間后趨于穩(wěn)定，溫度場(chǎng)的改善效果整體來說最不理想。不同于風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，水汽混合比的改善程度在整個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)相對(duì)比較平穩(wěn)，調(diào)整改善的程度隨著預(yù)報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)只是呈現(xiàn)略微的下降，這可能仍源于其與云海-2 掩星探測(cè)量有著直接聯(lián)系，因此易于取得較穩(wěn)定的改善效果。最后，可以看到隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)，4 個(gè)要素場(chǎng)的改善程度趨于接近，這是因?yàn)樵谀Ｊ椒e分過程中，各個(gè)物理量存在相互關(guān)聯(lián)，各要素場(chǎng)的改善程度相互影響，經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的積分預(yù)報(bào)，能夠達(dá)到整體協(xié)調(diào)一致的改善。

圖4 試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 各要素場(chǎng)預(yù)報(bào)均方根誤差降低百分比Fig.4 Decrease percentage of RMSE for experiment YHDA prediction relative to experiment CTRL

3.1.3 各要素預(yù)報(bào)場(chǎng)在模式層上的均方根誤差分布

云海-2 掩星探測(cè)在垂直方向上具有較高的分辨率，垂直方向上不同的探測(cè)特性可能對(duì)要素場(chǎng)預(yù)報(bào)會(huì)產(chǎn)生不同的影響，為了分析同化云海-2 掩星資料對(duì)模式垂直層上各要素場(chǎng)預(yù)報(bào)的具體影響，本節(jié)結(jié)合2019 年5 月份整月的試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)U 風(fēng)場(chǎng)、V 風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和水汽混合比要素場(chǎng)預(yù)報(bào)在垂直方向上的均方根誤差分布特征進(jìn)行分析。

垂直方向上的均方根誤差是將5 月每日相同預(yù)報(bào)時(shí)效的預(yù)報(bào)場(chǎng)的各層次的均方根誤差進(jìn)行平均得到。類似前文的分析，為了清晰對(duì)比同化云海-2掩星資料在垂直方向上對(duì)預(yù)報(bào)場(chǎng)的影響，下面對(duì)試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 在垂直方向上降低的均方根誤差進(jìn)行分析。結(jié)合前文的分析結(jié)果，同化云海-2 掩星資料對(duì)各要素場(chǎng)的改善效果主要體現(xiàn)在預(yù)報(bào)的中后期，因此本節(jié)主要對(duì)24 h、36 h 和48 h 預(yù)報(bào)的結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5～7 為試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 在模式層上各要素場(chǎng)24 h、36 h 和48 h 預(yù)報(bào)降低的均方根誤差分布，可以看到各要素場(chǎng)在3 個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)刻降低的均方根誤差在垂直方向上的分布基本類似。從圖5～7 中的a、b 圖可以看到，對(duì)于風(fēng)場(chǎng)而言，同化云海-2 掩星資料在模式垂直方向上主要是改善了10 層以上到30 層以下的中層預(yù)報(bào)，而對(duì)于10 層以下和30 層以上的改善均不理想，且隨著層數(shù)的增加有所加劇，尤其是30 層以上，變化更為劇烈。而對(duì)于溫度場(chǎng)，從圖5～7 的c 圖可以看到，同化云海-2 掩星資料對(duì)于25 層以下的調(diào)整影響較小，改善效果主要體現(xiàn)在25 層以下的中層，但改善較小，低層的改善效果不理想，25 層以上的調(diào)整幅度相對(duì)較大，但均呈現(xiàn)不理想的效果，且隨著層數(shù)增加進(jìn)一步加劇。圖5～7 的d 圖為同化云海-2 掩星資料對(duì)于水汽混合比的調(diào)整，不同于風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)，同化云海-2 掩星資料對(duì)其調(diào)整主要體現(xiàn)在20 層以下的中下層，而對(duì)于20 層以上基本未進(jìn)行調(diào)整，20 層以下的調(diào)整呈現(xiàn)較大幅度波動(dòng)變化，5 層以下的低層為正效果，5 層到11 層則改善效果不理想，而11 層到20 層則為正效果，5 層以下、11 層到20 層呈現(xiàn)類似的變化特征，均出現(xiàn)了一個(gè)改善波峰，11 層到20 層則出現(xiàn)了2 個(gè)波峰和一個(gè)波谷的特征，變化更為劇烈。

圖5 試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 在模式層上（a）U（單位：m s?1）、（b）V（單位：m s?1）、（c）溫度場(chǎng)（單位：K）和（d）水汽混合比（單位：g kg?1）24 h 預(yù)報(bào)降低的均方根誤差分布Fig.5 RMSE distributions of the decrease in the 24-h forecast for experiment YHDA relative to experiment CTRL on model levels: (a) U (units: m s?1); (b) V (units: m s?1); (c) T (units: K); (d) Qv (units: g kg?1)

整體來說在模式層上，對(duì)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)而言，同化云海-2 掩星資料的改善主要體現(xiàn)在模式中層，而在低層和高層均不理想，相對(duì)于風(fēng)場(chǎng)，溫度場(chǎng)的調(diào)整效果較弱。對(duì)于水汽混合比而言，同化云海-2 掩星資料對(duì)其調(diào)整主要體現(xiàn)在模式的中低層，并且呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性，改善作用主要體現(xiàn)在中低層中的低層和高層。

3.2 強(qiáng)降水個(gè)例分析

3.1 節(jié)主要分析了同化云海-2 掩星資料對(duì)各要素預(yù)報(bào)場(chǎng)調(diào)整的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，本節(jié)將基于2019 年5月25 日08 時(shí)至5 月26 日08 時(shí)的降水預(yù)報(bào)，分析同化云海-2 掩星資料對(duì)降水預(yù)報(bào)結(jié)果和要素場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響。

3.2.1 降水預(yù)報(bào)

圖8 為2019 年5 月25 日08 時(shí) 到5 月26 日08 時(shí)全國(guó)降水量實(shí)況，可以看到強(qiáng)降水主要發(fā)生在中國(guó)長(zhǎng)江中下游，降水強(qiáng)度達(dá)到100 mm 以上，雨帶位于武漢、合肥和南京連線的南部地區(qū)，呈準(zhǔn)東西向分布。

對(duì)于此次降水，試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL的24 h 預(yù)報(bào)（圖略）并沒有取得明顯改善，這與4.1.1 節(jié)和4.1.2 節(jié)中所分析的同化云海-2 掩星資料對(duì)于各要素場(chǎng)前期的改善不理想相對(duì)應(yīng)，因此本節(jié)主要考察48 h 的降水預(yù)報(bào)結(jié)果。圖9 為試驗(yàn)CTRL和YHDA 的2019 年5 月25 日08 時(shí)（起報(bào)時(shí)刻）到5 月26 日08 時(shí)的48 h 全國(guó)降水量預(yù)報(bào)，可以看到試驗(yàn)CTRL 和YHDA 都大致預(yù)報(bào)出了長(zhǎng)江中下游的強(qiáng)降水，但是試驗(yàn)CTRL 預(yù)報(bào)的雨帶呈西南—東北走向，與實(shí)況有著明顯區(qū)別，而試驗(yàn)YHDA的雨帶則呈現(xiàn)準(zhǔn)東西走向，降水落區(qū)和強(qiáng)度與實(shí)況更為接近。

3.2.2 500 hPa 高度場(chǎng)及700 hPa 增量場(chǎng)

圖6 同圖5，但為36 h 預(yù)報(bào)降低的均方根誤差分布Fig.6 As in Fig.5, but for RMSE distributions of the decrease in the 36-h forecast

同化云海-2 掩星資料對(duì)于降水的改善與對(duì)其模式中要素場(chǎng)的調(diào)整直接聯(lián)系。本節(jié)對(duì)本次降水的500 hPa 高度場(chǎng)、700 hPa 的比濕、溫度和風(fēng)場(chǎng)增量場(chǎng)進(jìn)行分析，考察同化云海-2 掩星資料對(duì)各要素場(chǎng)的調(diào)整與降水改善的聯(lián)系。

圖10 為2019 年5 月25 日08 時(shí)500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)。與NCEP 再分析場(chǎng)（0.25°×0.25°）對(duì)比，試驗(yàn)CTRL 和YHDA 的24 h 預(yù)報(bào)場(chǎng)均能夠大致刻畫500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)的特征，如中國(guó)北部的一槽一脊形勢(shì)，然而對(duì)于云南至湖北的5800 gpm 線，兩者的描述有著較大差別，試驗(yàn)CTRL 在此處為一個(gè)明顯小脊，而試驗(yàn)YHDA 則相對(duì)較為平直，與NCEP 再分析場(chǎng)更為接近，易于產(chǎn)生準(zhǔn)東西向的強(qiáng)降水雨帶?？偟膩碚f同化云海-2 掩星資料能夠?qū)?00 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)進(jìn)行有效的調(diào)整，易于改善降水預(yù)報(bào)。

圖11 為2019 年5 月25 日08 時(shí) 試 驗(yàn)YHDA相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 的700 hPa 比濕增量場(chǎng)和溫度增量場(chǎng)，可以看到在湖北北部至河南南部出現(xiàn)了一條準(zhǔn)東西向的比濕正增量帶，這有利于此處準(zhǔn)東西向雨帶的產(chǎn)生，在這條比濕正增量帶的111°E 附近出現(xiàn)了閉合的溫度負(fù)值增量區(qū)域，溫度的降低不利于對(duì)流的發(fā)生，綜合而言正值比濕增量和負(fù)值溫度增量不易于產(chǎn)生較大的降水，這與試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 在此處降水預(yù)報(bào)沒有較大的調(diào)整有著較好的對(duì)應(yīng)，而在比濕正增量帶東部（113°E 附近）緊鄰的南邊出現(xiàn)了閉合的溫度正值增量區(qū)域，有利于此處降水的增強(qiáng)，這與試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 降水的東移發(fā)展相對(duì)應(yīng)。圖12 為2019 年5月25 日08 時(shí)試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 的700 hPa 風(fēng)場(chǎng)增量和散度場(chǎng)增量，可以看到湖北至河南南部出現(xiàn)了一條準(zhǔn)東西向的風(fēng)場(chǎng)輻合帶，這與圖11 的濕度場(chǎng)配合易于產(chǎn)生準(zhǔn)東西向的降水，從風(fēng)場(chǎng)散度分布可以看出在輻合帶的東部為強(qiáng)度最大的區(qū)域，這有利于強(qiáng)降水向東部的發(fā)展。綜合來講，同化云海-2 掩星資料對(duì)于濕度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整均有利于降水的改善，這與圖9 的降水預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)應(yīng)。

圖7 同圖5，但為48 h 預(yù)報(bào)降低的均方根誤差分布Fig.7 As in Fig.5, but for RMSE distributions of the decrease in the 48-h forecast

圖8 2019 年5 月25 日08 時(shí)到5 月26 日08 時(shí)中國(guó)降水量（單位：mm）實(shí)況Fig.8 Precipitation (units: mm) observation for China from 0800 BJT (Beijing time) 25 May to 0800 BJT 26 May 2019

圖9 2019 年5 月25 日08 時(shí)（起報(bào)時(shí)刻）到5 月26 日08 時(shí)中國(guó)降水量（單位：mm）的48 h 預(yù)報(bào)：（a）試驗(yàn)CTRL；（b）試驗(yàn)YHDAFig.9 48-h prediction of precipitation (units: mm) for China from 0800 BJT on 25 May to 0800 BJT on 26 May 2019: (a) Experiment CTRL; (b)experiment YHDA

4 總結(jié)

本文針對(duì)中國(guó)自主的云海-2 掩星資料，基于區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式，以2019 年5 月整月首次開展了同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)。結(jié)合NCEP 再分析資料（0.25°×0.25°）對(duì)風(fēng)場(chǎng)、溫度和水汽混合比等要素的預(yù)報(bào)場(chǎng)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，其次針對(duì)降水預(yù)報(bào)，分析了同化云海-2 掩星資料對(duì)降水影響及對(duì)模式要素場(chǎng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整，主要結(jié)論如下：

（1）同化云海-2 掩星資料對(duì)風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)的改善主要體現(xiàn)在預(yù)報(bào)的中后期，隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)，改善效果逐漸增強(qiáng)，最后趨于穩(wěn)定，而對(duì)濕度場(chǎng)的改善則貫穿于整個(gè)預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)；對(duì)風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)的調(diào)整改善程度也隨著預(yù)報(bào)時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸增強(qiáng)，而濕度場(chǎng)的改善程度則相對(duì)平穩(wěn)，風(fēng)場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的改善程度隨著預(yù)報(bào)時(shí)間延長(zhǎng)最終趨于一致。

圖10 2019 年5 月25 日08 時(shí)500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（單位：gpm）：（a）NCEP 再分析場(chǎng)（0.25°×0.25°）；（b）試驗(yàn)CTRL、（c）試驗(yàn)YHDA 的24 h 預(yù)報(bào)場(chǎng)Fig.10 500-hPa geopotential height field (units: gpm) at 0800 BJT on 25 May 2019: (a) NCEP reanalysis data (0.25°×0.25°); the 24-h prediction fields for (b) experiment CTRL, (c) experiment YHDA

圖11 2019 年5 月25 日08 時(shí)試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 的700 hPa 比濕增量場(chǎng)（彩色陰影）和溫度增量場(chǎng)（黑色等值線，單位：K）Fig.11 Specific humidity increment field (color shadings) and temperature increment field (black contours, units: K) at 700 hPa for experiment Y HDA relative to experiment CTRL at 0800 BJT on 25 May 2019

圖12 2019 年5 月25 日08 時(shí)試驗(yàn)YHDA 相對(duì)于試驗(yàn)CTRL 的700 hPa 風(fēng)場(chǎng)增量（箭頭，單位：m s?1）和散度場(chǎng)增量（彩色陰影，單位：10?4 s?1）Fig.12 Wind increment field (vectors, units: m s?1) and divergence increment field (color shadings, units: 10?4 s?1) at 700 hPa for experiment YHDA relative to experiment CTRL at 0800 BJT on 25 May 2019

（2）同化云海-2 掩星對(duì)風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)的改善主要體現(xiàn)在模式中層，而對(duì)低層和高層的改善不理想，相對(duì)于溫度場(chǎng)，中層風(fēng)場(chǎng)的改善更為明顯，對(duì)水汽混合比的調(diào)整則主要體現(xiàn)在模式的中低層，并呈現(xiàn)較大的波動(dòng)性，改善作用主要體現(xiàn)在模式中低層的低層和高層。

（3）同化云海-2 掩星資料能夠有效的改善降水的預(yù)報(bào)，這源于其能夠有效的調(diào)整模式要素場(chǎng)。同化云海-2 掩星資料后500 hPa 的位勢(shì)高度場(chǎng)描述更加準(zhǔn)確，700 hPa 濕度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整則有利于降水預(yù)報(bào)的改善，與降水預(yù)報(bào)結(jié)果有著較好的對(duì)應(yīng)。

由于本文是首次開展云海-2 掩星資料同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)，因此結(jié)果具有一定的局限性，下一步將開展更長(zhǎng)時(shí)間的同化試驗(yàn)，為云海-2 掩星資料業(yè)務(wù)化積累更多經(jīng)驗(yàn)。