循環(huán)同化雷達(dá)資料對(duì)一次颮線(xiàn)系統(tǒng)臨近預(yù)報(bào)的改進(jìn)作用

董琪如 邱曉濱 王瑩 王澤林 李季 梁綿

(1.天津市海洋氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300074； 2.天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074； 3.天津市氣象臺(tái)，天津 300074； 4.中國(guó)飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089； 5.山東省氣象局大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，山東 濟(jì)南 250031； 6.陜西省氣象臺(tái)，陜西 西安 710014)

引言

臨近預(yù)報(bào)指的是對(duì)短時(shí)間內(nèi)發(fā)生明顯變化的天氣現(xiàn)象的0—2 h高時(shí)空分辨率的預(yù)報(bào)[1-3]。這些天氣主要包括雷暴、大風(fēng)、暴雨(雪)、冰雹等，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)展變化快、生命史較短等特征，故一直是數(shù)值預(yù)報(bào)的難點(diǎn)之一[4-5]。目前主要利用觀(guān)測(cè)資料不斷同化更新模式的初始場(chǎng)來(lái)提高模式預(yù)報(bào)效果。但由于常規(guī)觀(guān)測(cè)資料的時(shí)空局限性，不能較好的反映小尺度特征[6]。而多普勒天氣雷達(dá)資料具有極高的時(shí)空分布，具備探測(cè)中小尺度天氣系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)的信息，在災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)方面能發(fā)揮很大的作用，故同化雷達(dá)資料已成為提高模式預(yù)報(bào)局地對(duì)流性系統(tǒng)的主要方法之一[7-9]。但模式預(yù)報(bào)能力隨著預(yù)報(bào)時(shí)效增加而降低[10]，局地強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)在區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式中的觸發(fā)和發(fā)展也較為困難，長(zhǎng)時(shí)間更新一次模式初始場(chǎng)并不適合強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)。因此，快速循環(huán)更新同化技術(shù)顯得尤為重要。通過(guò)短時(shí)間間隔反復(fù)同化雷達(dá)資料，使模式初始場(chǎng)盡可能的包含中小尺度信息，從而提高數(shù)值模式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣臨近預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率[11-13]。

盛春巖等[14]利用ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及資料同化系統(tǒng)ADAS(ARPS Data Analysis System)對(duì)一次華北區(qū)域暴雨進(jìn)行了預(yù)報(bào)試驗(yàn)，結(jié)果表明使用雷達(dá)資料同化改進(jìn)模式初始場(chǎng)是提高模式短時(shí)預(yù)報(bào)的一個(gè)非常有效的途徑；楊毅等[15]就一次暴雨分別進(jìn)行了間接同化雷達(dá)徑向風(fēng)和回波強(qiáng)度資料的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明二者同時(shí)同化對(duì)提前9 h的降水預(yù)報(bào)改進(jìn)明顯；陳子通等[16]基于GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)預(yù)報(bào)模式及其三維變分，進(jìn)行了1個(gè)月的滾動(dòng)預(yù)報(bào)，該試驗(yàn)表明逐時(shí)循環(huán)同化初步具備開(kāi)展短時(shí)臨近預(yù)報(bào)的能力；陳敏等[17]對(duì)雷達(dá)徑向風(fēng)觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行了快速更新循環(huán)同化，結(jié)果表明雷達(dá)徑向風(fēng)同化明顯提升了汛期內(nèi)強(qiáng)對(duì)流天氣的短時(shí)預(yù)報(bào)性能；王洪等[18]利用GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系統(tǒng)及WRF(Weather Research Forecast)模式每30 min 循環(huán)同化雷達(dá)資料對(duì)一次特大暴雨進(jìn)行數(shù)值模擬研究，結(jié)果顯示循環(huán)同化雷達(dá)資料能有效改善短時(shí)強(qiáng)降水(0—6 h)預(yù)報(bào)；楊麗麗等[19]針對(duì)一次暴雨過(guò)程進(jìn)行雷達(dá)循環(huán)同化研究，顯示循環(huán)同化比同化一次效果好。以上研究主要從模式參數(shù)化方案及同化雷達(dá)反射率或徑向風(fēng)等方面進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，表明雷達(dá)資料同化起了重要作用，可以改善短時(shí)預(yù)報(bào)效果。但對(duì)于雷達(dá)資料同化時(shí)機(jī)及循環(huán)同化對(duì)強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的影響還需要進(jìn)一步分析。

本文針對(duì)2017年7月7日發(fā)生在北京周邊地區(qū)的一次颮線(xiàn)系統(tǒng)，利用WRF模式及其3D-Var(Three-Dimensional Variational assimilation)變分系統(tǒng)開(kāi)展循環(huán)同化預(yù)報(bào)試驗(yàn)，討論了循環(huán)同化雷達(dá)資料能提高颮線(xiàn)系統(tǒng)的臨近預(yù)報(bào)效果；分析了此次颮線(xiàn)系統(tǒng)得以發(fā)展的原因；并探討了循環(huán)同化雷達(dá)資料對(duì)動(dòng)力、熱力場(chǎng)及水凝物的改進(jìn)效果。

1 資料與方法

1.1 模式介紹及資料來(lái)源

本文采用WRF3.9.1模式進(jìn)行預(yù)報(bào)，使用兩重嵌套方案(圖1)。水平方向格點(diǎn)數(shù)分別為341×337、591×498，水平格距為9 km 和3 km，垂直方向51層。系統(tǒng)采用的物理參數(shù)化方案為：新的Thompson 微物理方案、MM5相似理論近地面層方案、Noah 陸面方案、ACM2 PBL行星邊界層方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案(d02區(qū)無(wú)積云參數(shù)化方案)、RRTM長(zhǎng)波方案和Dudhia短波輻射方案。

圖1 模式區(qū)域圖Fig.1 Schematic map of simulation domains

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的GFS(Global Forecast System)資料作為背景場(chǎng)。2017年7月6日18時(shí)(UTC，下同)冷啟積分至00時(shí)，隨后每3 h熱啟一次并進(jìn)行24 h預(yù)報(bào)(圖2)。在循環(huán)同化的過(guò)程中，兩層區(qū)域均進(jìn)行了常規(guī)資料同化，但只有內(nèi)層區(qū)域加入了雷達(dá)資料同化。本次試驗(yàn)重點(diǎn)分析3 km分辨率的d02區(qū)域的結(jié)果[20]。

圖2 同化流程圖Fig.2 Flow chart of data assimilation

1.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為探討同化雷達(dá)資料的作用，本文使用2017年7月7日00時(shí)的預(yù)報(bào)場(chǎng)作為3D-Var背景場(chǎng)。將只同化常規(guī)觀(guān)測(cè)資料的控制試驗(yàn)(ctl)、00—12時(shí)逐3 h循環(huán)同化常規(guī)觀(guān)測(cè)資料和雷達(dá)資料的試驗(yàn)(exp_00—exp_12)及00—12時(shí)逐3 h只循環(huán)同化常規(guī)觀(guān)測(cè)資料并于12時(shí)加入雷達(dá)資料進(jìn)行同化的試驗(yàn)(exp_da)做對(duì)比，具體試驗(yàn)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)Table 1 Configuration of sensitivity experiments in this study

同化的觀(guān)測(cè)資料為船舶(SHIP)、浮標(biāo)(BUOY)、探空(SOUND)和地面報(bào)告(SYNOP)，雷達(dá)資料則來(lái)自京津冀7部多普勒雷達(dá)(圖3)。其中，5部(北京、天津、石家莊、秦皇島及滄州)為S波段，2部(張北、承德)為C波段。雷達(dá)資料的處理主要利用ADAS中的88d2arps雷達(dá)資料預(yù)處理模塊進(jìn)行質(zhì)量控制，并轉(zhuǎn)換為WRFDA可讀入的資料格式。WRFDA三維變分同化系統(tǒng)可以直接同化雷達(dá)徑向速度。對(duì)于雷達(dá)反射率資料，則并不直接同化，而是同化由反射率反演出的水凝物(雨水、雪水、霰)和估計(jì)的濕度。這種方案可以較好的提高數(shù)值模式短時(shí)定量降水預(yù)報(bào)的能力[21]。由于雷達(dá)觀(guān)測(cè)具有較高的時(shí)空分辨率，故在同化系統(tǒng)中采用了以(U,V)為控制變量的背景誤差協(xié)方差，使雷達(dá)觀(guān)測(cè)信息能較好的傳遞于模式空間[22]。

圖3 多普勒雷達(dá)分布示意圖Fig.3 Sketch map of Doppler radar sites

2 結(jié)果分析

2.1 天氣概況

2017年7月7日，在河北西北部和北京中北部發(fā)生了一次強(qiáng)颮線(xiàn)過(guò)程。該系統(tǒng)剛開(kāi)始為線(xiàn)狀對(duì)流，于7日09時(shí)河北北部與內(nèi)蒙古交界處區(qū)域附近初生，隨后移入北京區(qū)域并迅速向東南偏東方向移動(dòng)，后逐漸發(fā)展為團(tuán)狀超級(jí)單體對(duì)流系統(tǒng)(圖略)。12時(shí)颮線(xiàn)位于北京與河北交界處(圖4a)，開(kāi)始進(jìn)入成熟階段(已為團(tuán)狀對(duì)流系統(tǒng))；圖4b和圖4c表明13—14時(shí)颮線(xiàn)處于北京地區(qū)，并逐漸向東移動(dòng)，此時(shí)颮線(xiàn)弓形回波特征明顯，對(duì)流活動(dòng)發(fā)展旺盛；15時(shí)(圖4d)颮線(xiàn)組織性變差，弓形狀態(tài)逐漸消失并移入河北地區(qū)，直到8日02時(shí)前后到達(dá)渤海并逐漸消散[23]。

組合反射率由ARPS系統(tǒng)中mosaic模塊拼接7部華北雷達(dá)基數(shù)據(jù)獲得，單位為dBz圖4 2017年7月7日12時(shí)(a)、13時(shí)(b)、14時(shí)(c)、15時(shí)(d)中國(guó)華北地區(qū)雷達(dá)組合反射率拼圖Fig.4 Radar composite reflectivity in northern China at 12:00 (a),13:00 (b),14:00 (c),and 15:00 (d) UTC on July 7,2017

由7日12時(shí)500 hPa天氣形勢(shì)來(lái)看，位于內(nèi)蒙古與蒙古國(guó)的交界區(qū)域的冷渦是此次颮線(xiàn)發(fā)生發(fā)展的大尺度影響系統(tǒng)。北京及周邊地區(qū)位于冷渦底部。冷渦緩慢東移南壓，渦后有冷空氣南下；850 hPa河北中部及北京等地西南氣流顯著增強(qiáng)，有強(qiáng)低空急流出現(xiàn)，最大風(fēng)速達(dá)到 18 m·s-1。在以上高低空天氣形勢(shì)的配置下，極易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流天氣(圖略)。

颮線(xiàn)等對(duì)流尺度天氣現(xiàn)象的發(fā)生和大氣層結(jié)不穩(wěn)定有很大關(guān)系。通過(guò)北京探空站12時(shí)T-logP圖發(fā)現(xiàn)，低層溫度較高、垂直風(fēng)切變較大，為颮線(xiàn)的發(fā)展提供了有力的熱力和動(dòng)力條件[24-25]。對(duì)流有效位能(CAPE)達(dá)到2715.5 J·kg-1，能量已得到充分積累，大氣處于強(qiáng)不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 背景場(chǎng)與分析場(chǎng)對(duì)比

將7組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的7日12—15時(shí)的雷達(dá)組合反射率與實(shí)況(圖4)進(jìn)行對(duì)比，其中ctl、exp_00、exp_03、exp_06均沒(méi)有預(yù)報(bào)出這次颮線(xiàn)過(guò)程，exp_da、exp_09、exp_12均能預(yù)報(bào)出對(duì)流系統(tǒng)的演變，落區(qū)基本與實(shí)況接近，但強(qiáng)度均弱于實(shí)況。ctl試驗(yàn)及exp_09試驗(yàn)在12—15時(shí)均為預(yù)報(bào)場(chǎng)，但同時(shí)ctl試驗(yàn)為exp_da試驗(yàn)的背景場(chǎng)，exp_09試驗(yàn)為exp_12試驗(yàn)的背景場(chǎng)。

橙色陰影區(qū)為對(duì)流有效位能，單位為J·kg-1；綠色陰影區(qū)為對(duì)流抑制有效位能，單位為J·kg-1；紅色粗實(shí)線(xiàn)為抬升曲線(xiàn);藍(lán)色粗實(shí)線(xiàn)為溫度廓線(xiàn)；綠色粗實(shí)線(xiàn)為露點(diǎn)廓線(xiàn)圖5 2017年7月7日12時(shí)北京探空T-logP圖Fig.5 T-logP diagram at Beijing sounding station at 12:00 UTC on July 7,2017

2.2.1 組合反射率

12時(shí)，對(duì)于exp_09及exp_12試驗(yàn)，其雷達(dá)回波位置及強(qiáng)度幾乎一致，均在北京西部與河北交界處。與實(shí)況位置接近；ctl試驗(yàn)幾乎不存在回波(圖6i)，而只同化了12時(shí)刻雷達(dá)資料的exp_da試驗(yàn)(圖6m)的雷達(dá)回波位置及大小幾乎與循環(huán)同化試驗(yàn)exp_12一致。表明即使不進(jìn)行循環(huán)雷達(dá)資料同化，只在颮線(xiàn)成熟期(12時(shí))進(jìn)行雷達(dá)資料同化(exp_da)，對(duì)颮線(xiàn)系統(tǒng)的雷達(dá)組合反射率背景場(chǎng)也有較好的改善作用。

陰影為反射率，單位為dBz；圖6e、圖6f和圖6h中粗實(shí)線(xiàn)為圖8和圖9垂直剖面圖所沿線(xiàn)段圖6 2017年7月7日試驗(yàn)exp_09的12時(shí)(a)、13時(shí)(b)、14時(shí)(c)、15時(shí)(d),exp_12的12時(shí)(e)、13時(shí)(f)、14時(shí)(g)、15時(shí)(h),ctl的12時(shí)(i)、13時(shí)(j)、14時(shí)(k)、15時(shí)(l),exp_da的12時(shí)(m)、13時(shí)(n)、14時(shí)(o)、15時(shí)(p)雷達(dá)組合反射率圖Fig.6 Radar composite reflectivity at 12:00,13:00,14:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in experiments of ctl (a-d),exp_09 (e-h),exp_12 (i-l),and exp_da (m-p)

以上分析可知，12時(shí)exp_12及exp_da試驗(yàn)的同化分析場(chǎng)雷達(dá)組合反射率差異不大，下面具體分析試驗(yàn)exp_09、exp_12及exp_da在動(dòng)力、熱力及水凝物方面的改善情況。由于ctl試驗(yàn)中幾乎不存在雷達(dá)回波，故不再分析。

2.2.2 850 hPa風(fēng)速及渦度

圖7d表明，12時(shí)exp_12試驗(yàn)在北京及周邊地區(qū)大都盛行西南風(fēng)，并有來(lái)自?xún)?nèi)蒙古的弱冷空氣于北京西部邊界處匯合，輻合加強(qiáng)的結(jié)果使得該地區(qū)存在較多的中小尺度正負(fù)渦度中心。exp_09試驗(yàn)(圖7a)則和exp_12試驗(yàn)差異不大。對(duì)于exp_da試驗(yàn)(圖7g)，風(fēng)向則更偏西，且無(wú)來(lái)自?xún)?nèi)蒙古的西北風(fēng)。

箭矢為風(fēng)速，單位為m·s-1；陰影為渦度，單位為s-1；紅框?yàn)槔走_(dá)組合率大值區(qū)圖7 2017年7月7日試驗(yàn)exp_09的12時(shí)(a)、13時(shí)(b)、15時(shí)(c),exp_12的12時(shí)(d)、13時(shí)(e)、15時(shí)(f),exp_da的12時(shí)(g)、13時(shí)(h)、15時(shí)(i)850 hPa風(fēng)場(chǎng)Fig.7 850 hPa wind fields at 12:00,13:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in experiments of exp_09 (a-c),exp_12 (d-f),and exp_da (g-i)

以上分析可知，只同化12時(shí)刻的exp_da試驗(yàn)在850 hPa風(fēng)場(chǎng)相較exp_12差異較大，使得低層輻合作用較??；而循環(huán)同化試驗(yàn)exp_09、exp_12中有明顯的正渦度大值區(qū)，輻合作用明顯。表明循環(huán)同化雷達(dá)資料能有效改善低層風(fēng)場(chǎng)。

2.2.3 假相當(dāng)位溫、雷達(dá)反射率因子及風(fēng)速

圖8a、圖8d和圖8g分別為三組試驗(yàn)于12時(shí)沿圖6e中AB線(xiàn)段所作的垂直剖面圖。試驗(yàn)exp_09和exp_12雷達(dá)反射率因子垂直分布及大小基本相同，颮線(xiàn)的垂直發(fā)展旺盛，回波40 dBz最高延伸至550 hPa高度；風(fēng)速也無(wú)明顯差異，兩組試驗(yàn)在雷達(dá)回波最大處有明顯的下沉氣流，且回波已經(jīng)接地，表明該時(shí)刻有降水發(fā)生，降水粒子的拖曳作用以及中層干冷空氣的夾卷加劇了下沉氣流的強(qiáng)度。兩組試驗(yàn)的區(qū)別主要在假相當(dāng)位溫層的分布上。試驗(yàn)exp_12低層(700 hPa以下)的假相當(dāng)位溫幾乎比exp_09大12 K，即exp_12試驗(yàn)低層空氣更加暖濕。試驗(yàn)exp_12和試驗(yàn)exp_09中高層假相當(dāng)位溫則差距不大?？v觀(guān)整層假相當(dāng)位溫的垂直分布，試驗(yàn)exp_12低層暖中心最高達(dá)364 K，與600 hPa最大差值達(dá)20 K，對(duì)流極不穩(wěn)定，熱力不穩(wěn)定比exp_09試驗(yàn)更強(qiáng)。北京西部邊界處(115.78°E)位于高能量區(qū)域，配合低層氣流的輻合抬升作用(圖7d)，很容易觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流。

等值線(xiàn)為雷達(dá)反射率因子，單位為dBz；填色為假相當(dāng)位溫，單位為K；箭矢為(U,10×W)合成風(fēng)，其中U為水平方向的風(fēng)，W為垂直風(fēng)速圖8 2017年7月7日試驗(yàn)exp_09的12時(shí)(a)、13時(shí)(b)、15時(shí)(c),exp_12的12時(shí)(d)、13時(shí)(e)、15時(shí)(f),試驗(yàn)exp_da的12時(shí)(g)、13時(shí)(h)、15時(shí)(i)分別沿圖6中AB 、CD及EF假相當(dāng)位溫、雷達(dá)反射率因子及風(fēng)場(chǎng)垂直剖面圖Fig.8 Crossing sections of pseudo-equivalent potential temperature,radar reflectivity factor,and velocity vectors at 12:00,13:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in exp_09 (a-c),exp_12 (d-f),and exp_da (g-i),along the line AB,CD,and EF in Figs.6e-h,respectively

exp_da試驗(yàn)(圖8g)在北京西部邊界處(115.78°E)的假相當(dāng)位溫分布與exp_12近似，低層暖濕中層干冷；風(fēng)場(chǎng)方面，exp_da試驗(yàn)在該處的上升運(yùn)動(dòng)較小，明顯弱于循環(huán)試驗(yàn)exp_09及exp_12。通過(guò)對(duì)風(fēng)場(chǎng)及假相當(dāng)位溫垂直剖面分析表明，在颮線(xiàn)成熟期時(shí)刻同化雷達(dá)資料可以有效更新模式背景場(chǎng)的熱力層結(jié)；而通過(guò)循環(huán)同化雷達(dá)資料則能對(duì)風(fēng)場(chǎng)起修正作用。

2.2.4 水凝物

圖9a、圖9d和圖9g為12時(shí)沿圖6e中線(xiàn)段AB所作的水凝物剖面圖。exp_09和exp_12的水凝物分布大致相同。低層則主要以雨水為主，雨水的等值線(xiàn)分布形狀和600 hPa以下雷達(dá)回波垂直分布(圖8a)類(lèi)似，且混合比數(shù)值較大，達(dá)到1.5 g·kg-1，基本分布在中高層(850—600 hPa)；霰的分布大部分和云水重疊，主要集中于650—500 hPa，混合比最大為1 g·kg-1；云水分布于中層，混合比最大為1.5 g·kg-1；雪水分布在115.96°E以西，混合比含量有2 g·kg-1；云冰在該區(qū)域未體現(xiàn)。

單位為g·kg-1圖9 2017年7月7日試驗(yàn)exp_09的12時(shí)(a)、13時(shí)(b)、15時(shí)(c),exp_12的12時(shí)(d)、13時(shí)(e)、15時(shí)(f),試驗(yàn)exp_da12時(shí)(g)、13時(shí)(h)、15時(shí)(i)分別沿圖6中AB 、CD及EF凝物混合比的垂直剖面圖Fig.9 Crossing sections of mixing ratio of hydrometeor at 12:00,13:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in exp_09 (a-c),exp_12 (d-f),and exp_da (g-i),along the line AB,CD,and EF in Figs.6e-h,respectively

ctl試驗(yàn)中幾乎不存在任何水凝物的分布(圖略)，而同化試驗(yàn)exp_da的霰、云水、雪水、及雨水的量級(jí)與循環(huán)試驗(yàn)exp_12試驗(yàn)相差不大，但在115.78°E以東云水及霰的分布范圍較小。通過(guò)對(duì)水凝物分析表明，在颮線(xiàn)成熟期時(shí)刻同化雷達(dá)資料對(duì)水凝物有明顯的改善作用；但與循環(huán)同化雷達(dá)資料相比，水凝物分布范圍略偏小。

2.3 數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果

為評(píng)估循環(huán)同化與單次同化雷達(dá)資料后模式對(duì)颮線(xiàn)系統(tǒng)預(yù)報(bào)的影響，本文對(duì)13—15時(shí)預(yù)報(bào)的組合反射率、風(fēng)場(chǎng)、熱力場(chǎng)、雷達(dá)回波垂直剖面、水凝物及3 h降水量進(jìn)行了對(duì)比分析。

2.3.1 組合反射率

由圖6可知，ctl試驗(yàn)在該時(shí)間段內(nèi)均未預(yù)報(bào)出此次颮線(xiàn)演變過(guò)程，以下不再贅述。exp_12試驗(yàn)預(yù)報(bào)的1—3 h內(nèi)雷達(dá)回波最為接近實(shí)況，exp_da次之，exp_09的系統(tǒng)則并未發(fā)展增強(qiáng)。13時(shí)，exp_09的對(duì)流系統(tǒng)沒(méi)有繼續(xù)發(fā)展增強(qiáng)，已不存在45 dBz以上的強(qiáng)回波；試驗(yàn)exp_12(圖6f)北京中部地區(qū)有東北—西南的弓形回波形成，雖然東北處回波未延伸至河北地區(qū)，但與實(shí)況雷達(dá)回波形狀和落區(qū)大致相似，回波強(qiáng)度也較為接近；試驗(yàn)exp_da(圖6n)強(qiáng)回波落區(qū)基本接近實(shí)況。14時(shí)，exp_09(圖6c)中系統(tǒng)已經(jīng)很弱；試驗(yàn)exp_12(圖6g)仍保持著較明顯的弓形特征，回波強(qiáng)度可達(dá)55 dBz左右，系統(tǒng)移速略微快于實(shí)況；而exp_da(圖6o)試驗(yàn)強(qiáng)回波位置則只存在于北京與天津交界處，且范圍很小。15時(shí)，exp_09試驗(yàn)(圖6d)中對(duì)流系統(tǒng)則始終處于較弱水平；exp_12試驗(yàn)(圖6h)預(yù)報(bào)的回波位置及強(qiáng)度和實(shí)況最為接近；exp_da試驗(yàn)(圖6p)，在系統(tǒng)前部又激發(fā)出了松散的對(duì)流單體，但此后也均逐步減弱消散。16—17時(shí)，exp_12還存在較強(qiáng)但范圍較小的雷達(dá)回波，并于18時(shí)在渤海地區(qū)消散，這與實(shí)況基本一致。而exp_da在17時(shí)消散于河北地區(qū)(圖略)。

通過(guò)對(duì)預(yù)報(bào)的雷達(dá)組合反射率對(duì)比發(fā)現(xiàn)，若只在12時(shí)進(jìn)行雷達(dá)資料同化(exp_da)，分析場(chǎng)能獲得較好的調(diào)整，與實(shí)況更為接近，說(shuō)明在颮線(xiàn)系統(tǒng)成熟期同化有利于雷達(dá)組合反射率的分析，但只在13時(shí)對(duì)颮線(xiàn)系統(tǒng)有較好的預(yù)報(bào)能力，后續(xù)預(yù)報(bào)較差。而循環(huán)同化雷達(dá)資料至12時(shí)(颮線(xiàn)成熟)，對(duì)颮線(xiàn)系統(tǒng)1—3 h內(nèi)雷達(dá)組合反射率預(yù)報(bào)的最好(exp_12)，表明循環(huán)同化雷達(dá)資料能縮短平衡調(diào)整過(guò)程(spin-up)的時(shí)間，使得熱動(dòng)力場(chǎng)更加匹配，對(duì)颮線(xiàn)系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展預(yù)報(bào)效果較好。

2.3.2 850 hPa風(fēng)速及渦度

2017年7月7日13時(shí)，來(lái)自?xún)?nèi)蒙古的冷空氣繼續(xù)南下，其中以exp_12試驗(yàn)中西北風(fēng)最強(qiáng)(圖7e紅框內(nèi))。西北干冷空氣與來(lái)自西南暖濕氣流于北京中部匯合，對(duì)比圖7b、圖7e及圖7h中兩組氣流交匯處，以試驗(yàn)exp_12正渦度最大值范圍較大，且正渦度大值區(qū)輪廓與弓形回波(圖6f)吻合；15時(shí)，正渦度大值區(qū)均移至天津以東。在118°E附近(圖7c、圖7f和圖7i紅框內(nèi))，試驗(yàn)exp_09及exp_da在該處的風(fēng)向大都以西南風(fēng)為主，而試驗(yàn)exp_12仍存在西北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合，正渦度大值區(qū)范圍較廣，表明該處上升運(yùn)動(dòng)較大(圖7f)。

由2.2.2節(jié)分析可知，只同化12時(shí)刻雷達(dá)資料的試驗(yàn)exp_da在初始時(shí)刻對(duì)西北風(fēng)的預(yù)報(bào)就弱于exp_12；而exp_09試驗(yàn)在12時(shí)風(fēng)場(chǎng)雖與exp_12差異不大，但后期對(duì)西北氣流的預(yù)報(bào)也較弱；而試驗(yàn)exp_12對(duì)西北風(fēng)的預(yù)報(bào)較好，致使與西南氣流交匯處存在較強(qiáng)的輻合上升運(yùn)動(dòng)，使得雷達(dá)回波的發(fā)展演變與實(shí)況更為接近。

2.3.3 假相當(dāng)位溫、雷達(dá)反射率因子及風(fēng)速

13時(shí)沿著圖6f雷達(dá)組合反射率最大處CD線(xiàn)段作垂直斜剖面。明顯發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)exp_09和exp_12的假相當(dāng)位溫垂直分布、風(fēng)場(chǎng)及雷達(dá)反射率因子均差距較大(圖8b和圖8e)。在116.56°E附近，exp_12試驗(yàn) 700 hPa以下存在明顯的能量鋒區(qū)，高溫高濕的假相當(dāng)位溫平流為颮線(xiàn)發(fā)展提供了充足的不穩(wěn)定能量。而試驗(yàn)exp_09由于不存在明顯的能量鋒區(qū)，假相當(dāng)位溫平流也弱。試驗(yàn)exp_da(圖8h)的回波旺盛區(qū)域則集中在116.56°E附近，主要是因?yàn)橹懈邔由仙龤饬鬏^強(qiáng)，雷達(dá)回波達(dá)到了50 dBz，且發(fā)展至550 hPa，在116.56°E處也以exp_da預(yù)報(bào)的雷達(dá)組合回波更強(qiáng)(圖6n)。在116.62°—116.83°E區(qū)域，試驗(yàn)exp_09以水平風(fēng)為主，垂直運(yùn)動(dòng)較??；而試驗(yàn)exp_12下沉氣流較強(qiáng)，主要是因?yàn)轭A(yù)報(bào)的中低層干冷空氣較強(qiáng)(圖8)，使得冷空氣的夾卷作用明顯變大，從而增強(qiáng)了降水的蒸發(fā)冷卻，因而產(chǎn)生了較強(qiáng)的下沉氣流[26]。同時(shí)由于水凝物的相變，會(huì)吸收周?chē)罅康臒崃浚沟么藚^(qū)域中低層(600 hPa以下)存在冷中心[27]。強(qiáng)下沉氣流增強(qiáng)了颮線(xiàn)中低層冷空氣外流，再通過(guò)強(qiáng)迫抬升使流入的暖濕空氣更強(qiáng)烈的抬升，從而增強(qiáng)對(duì)流，表現(xiàn)為40 dBz強(qiáng)回波伸展到300 hPa(116.83°E)，系統(tǒng)發(fā)展旺盛；對(duì)于exp_da試驗(yàn)，由于此處低層干冷空氣較弱(圖8h)，夾卷作用相對(duì)較小，下沉氣流較弱，動(dòng)力抬升作用較小，因此上升氣流明顯弱于exp_12試驗(yàn)，雷達(dá)回波發(fā)展較弱。

15時(shí)沿著圖6h雷達(dá)組合反射率最大處EF線(xiàn)段做垂直剖面。試驗(yàn)exp_09(圖8c)基本以水平風(fēng)為主，低層空氣較為暖濕，雖然存在熱力不穩(wěn)定條件，但動(dòng)力條件較差，無(wú)法支撐颮線(xiàn)系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展；117.54°—118.01°E區(qū)域，試驗(yàn)exp_12(圖8f)假相當(dāng)位溫分布存在2個(gè)峰值，主要是因?yàn)樵诖藚^(qū)域低層的西北風(fēng)明顯(圖7f)，冷暖空氣交匯形成的切變線(xiàn)的輻合抬升，使得暖濕空氣被抬升至450 hPa附近。而試驗(yàn)exp_da在該處低層西北風(fēng)較弱，抬升作用小，回波發(fā)展弱(圖8i)；在118.01°E以東，exp_12及exp_da的假相當(dāng)位溫分布均呈現(xiàn)2個(gè)峰值。處于118.01°—118.03°E之間的峰值以exp_12發(fā)展較為旺盛，40 dBz從地面延伸至中層，主要還是因?yàn)楹蠓嚼淇諝馊肭郑骨胺脚瘽駳饬鞅黄忍?，上升氣流變?qiáng)，系統(tǒng)發(fā)展旺盛；在exp_da試驗(yàn)中，118.26°E處的上升氣流明顯強(qiáng)于exp_12，回波大值區(qū)(50 dBz)位于中層，而exp_12 試驗(yàn)50 dBz回波主要位于950—700 hPa，相較于12時(shí)、13時(shí)回波高度有所降低，且垂直運(yùn)動(dòng)變?nèi)?，表明此時(shí)刻颮線(xiàn)已進(jìn)入消散階段。

上述分析表明，中層的干冷空氣進(jìn)入颮線(xiàn)系統(tǒng)，再配合低層氣流幅合的強(qiáng)抬升作用，是exp_12試驗(yàn)雷達(dá)回波預(yù)報(bào)較好的原因。由2.2.3節(jié)exp_da試驗(yàn)雖然初始熱力條件較好，但缺乏前期循環(huán)同化雷達(dá)資料的作用，造成環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的預(yù)報(bào)有一定的差異(相較試驗(yàn)exp_12)，致使后期颮線(xiàn)系統(tǒng)發(fā)展難以持續(xù)，表明循環(huán)同化雷達(dá)資料在1—3 h內(nèi)對(duì)風(fēng)場(chǎng)有較好的修正作用。

2.3.4 水凝物

圖9b、圖9e和圖9h為13時(shí)沿圖6f線(xiàn)段CD所作的水凝物剖面圖。對(duì)比圖9b和圖9e，試驗(yàn)exp_09主要存在雪水、霰及云水，除去雪水混合比達(dá)到3 g·kg-1外，其余水凝物混合比大多在1 g·kg-1，分布多集中在116.62°E附近；而試驗(yàn)exp_12雨水水平分布較廣，垂直分布則集中在低層至600 hPa。霰水平分布和雨水類(lèi)似，垂直分布則集中于中高層700—350 hPa之間。云水分布垂直分布和霰重疊。雪水則分布于高層，等值線(xiàn)密集，且?guī)缀鹾w研究區(qū)域，最大混合比達(dá)4 g·kg-1。116.83°E處對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波發(fā)展旺盛，與此處霰、云冰、云水、雪水分布密集有關(guān)，而這些水凝物的聚集，和強(qiáng)上升氣流密不可分(圖8e)。由圖8h可知，exp_da試驗(yàn)在116.62°E處有強(qiáng)上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)應(yīng)圖9h，該處中高層存在霰的分布密集區(qū)，雨水也從地面延伸至中層600 hPa，云水混合比含量較小。而116.83°E處以水平風(fēng)為主，所以此區(qū)域幾乎沒(méi)有水凝物，雷達(dá)回波值較小。

圖9c、圖9f和圖9i為15時(shí)沿圖6h線(xiàn)段CD所作的水凝物剖面圖。圖9c顯示exp_09只在中高層存在雪水，低層幾乎不存在水凝物分布；圖8f表明，exp_12仍存在較強(qiáng)的垂直運(yùn)動(dòng)，致使水凝物分布(圖9f)依舊很密集，雪水基本涵蓋整個(gè)研究區(qū)域高層，雨水水平分布廣，垂直分布上則從地面延伸至600 hPa，云水含量較小，大多分布在雨水的上方。117.64°E及117.89°E處還存在霰的垂直分布，致使圖8f處對(duì)應(yīng)的兩個(gè)假相當(dāng)位溫波峰處的雷達(dá)回波較強(qiáng)，回波50 dBz分布與雨水最大混合比3 g·kg-1等值線(xiàn)分布范圍相似；由圖9i可知，exp_da試驗(yàn)水凝物大多集中在117.89°E以東。雪水仍舊存在于高層，霰存在于對(duì)流層，118.38°E處雨水混合比達(dá)到3 g·kg-1，與圖8i雷達(dá)回波50 dBz分布范圍接近。

水凝物的準(zhǔn)確分布對(duì)數(shù)值模式精確預(yù)報(bào)微物理發(fā)展過(guò)程至關(guān)重要[13,18]。由2.2.4節(jié)分析表明，同化雷達(dá)資料對(duì)水凝物初始場(chǎng)有一定的改善作用。exp_da試驗(yàn)在12時(shí)的分布與循環(huán)同化雷達(dá)資料的試驗(yàn)只在水凝物分布范圍上略有差異；至預(yù)報(bào)時(shí)刻13時(shí)、15時(shí)，由于動(dòng)力及熱力條件的不足，exp_09試驗(yàn)中水凝物的混合比及種類(lèi)明顯低于試驗(yàn)exp_da及exp_12；試驗(yàn)exp_da則由于輻合上升的氣流較小，在116.83°—116.94°E(圖9h)、117.64°—117.89°E(圖9i)中低層幾乎無(wú)水凝物的分布。

2.3.5 預(yù)報(bào)的3 h降水量

此次颮線(xiàn)過(guò)程造成了較大范圍的冰雹、雷暴大風(fēng)及短時(shí)強(qiáng)降水。為檢驗(yàn)不同試驗(yàn)對(duì)降水預(yù)報(bào)的影響，對(duì)比分析不同試驗(yàn)7日12—15時(shí)3 h累積降水量。從實(shí)況降水量看到(圖10a)，降水大值區(qū)主要集中在北京中部及天津北部地區(qū)。對(duì)比exp_09(圖10b)、exp_12(圖10c)及exp_da(圖10d)3組試驗(yàn)，exp_09降水落區(qū)偏小，且降水整體偏弱；試驗(yàn)exp_12降水預(yù)報(bào)則較好，降水分布落區(qū)與實(shí)況近似，但降水整體偏強(qiáng)；而exp_da試驗(yàn)在北京東北部、天津北部等地降水量偏小，主要是該地區(qū)(117.40°—117.64°E)15時(shí)上升運(yùn)動(dòng)不強(qiáng)(圖8i)，且中低層無(wú)水凝物分布(圖9i)；而exp_09試驗(yàn)在北京中部及天津北部降水量均偏小，主要原因在于13時(shí)、15時(shí)試驗(yàn)exp_09上升氣流較小(圖8b和圖8c)，中低層幾乎沒(méi)有雨水含量(圖9b和圖9c)。同時(shí)，3組試驗(yàn)在北京西南邊界地帶均出現(xiàn)了不應(yīng)存在的降水大值區(qū)，這屬于雷達(dá)資料同化的固有問(wèn)題。

圓點(diǎn)大小及顏色為實(shí)際站點(diǎn)累積降水，陰影為預(yù)報(bào)試驗(yàn)累積降水圖10 2017年7月7日12—15時(shí)實(shí)況(a)、exp_09試驗(yàn)(b)、exp_12試驗(yàn)(c)和exp_da試驗(yàn)(d)累積降水量Fig.10 Observed cumulative precipitation (a) from 12:00 to 15:00 on July 7,2017 and that predicted in experiments of exp_09 (b),exp_12 (c),and exp_da (d)

3 結(jié)論與討論

(1)對(duì)比試驗(yàn)exp09、exp_12與exp_da可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)同化對(duì)于流場(chǎng)有更好的改進(jìn)作用。對(duì)于這次颮線(xiàn)個(gè)例，其水平的輻合和垂直運(yùn)動(dòng)都更為明顯，這有助于強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的維持。

(2)相對(duì)于流場(chǎng)的作用，在颮線(xiàn)成熟階段單次同化雷達(dá)資料對(duì)熱力改進(jìn)作用更為顯著(exp_da、exp_12與exp_09對(duì)比)。通過(guò)反射率的同化，改善了模式低層的熱力分布，為對(duì)流觸發(fā)和發(fā)展提供了能量。

(3)exp_12試驗(yàn)對(duì)此次颮線(xiàn)的預(yù)報(bào)效果較好，主要原因在于該組試驗(yàn)低層西北冷空氣較強(qiáng)，與西南暖濕氣流交匯輻合，使得抬升作用增強(qiáng)，上升氣流變大，再配合強(qiáng)的熱力不穩(wěn)定條件，使颮線(xiàn)的發(fā)展得以維持。在颮線(xiàn)成熟期時(shí)刻同化雷達(dá)資料對(duì)水凝物有明顯的改善作用。

(4)通過(guò)對(duì)3 h累積降水對(duì)比分析，試驗(yàn)exp_09降水落區(qū)范圍及降水強(qiáng)度均偏小；循環(huán)同化試驗(yàn)exp_12的預(yù)報(bào)落區(qū)與實(shí)況接近，降水強(qiáng)度偏強(qiáng)；exp_da試驗(yàn)在部分地帶降水偏弱。

(5)本文采用循環(huán)同化雷達(dá)資料試驗(yàn)的方案雖然獲得了較為理想的預(yù)報(bào)效果，但由于同化系統(tǒng)中采用了統(tǒng)計(jì)的靜態(tài)背景誤差協(xié)方差矩陣，在反映小尺度系統(tǒng)誤差上有一定的缺陷，今后將進(jìn)一步研究流依賴(lài)的背景誤差協(xié)方差矩陣的作用；且根據(jù)反射率因子與雨水的非線(xiàn)性關(guān)系所反演出的雨水可能具有一定的偏差，故仍存在部分不足。