EnKF循環(huán)同化相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)與變分雷達(dá)反演方法的對比研究：對一次臺(tái)風(fēng)外圍龍卷個(gè)例的分析

王晨 趙坤 朱科鋒 傅佩玲 陳炳洪 楊正瑋

(1 南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210023；2 南京氣象科技創(chuàng)新研究院，南京 210019；3 廣州市氣象臺(tái)，廣州 511430)

引 言

龍卷是強(qiáng)對流天氣中災(zāi)害性最強(qiáng)的天氣災(zāi)害之一，具有尺度小、生命史短和破壞性強(qiáng)的特點(diǎn)，如何監(jiān)測和預(yù)報(bào)是世界性難題。珠三角地區(qū)是我國龍卷的高發(fā)地區(qū)[1]，其中一部分龍卷形成于臺(tái)風(fēng)外圍雨帶中，也被稱為臺(tái)風(fēng)龍卷。這一類龍卷發(fā)展迅速，且影響巨大，往往導(dǎo)致嚴(yán)重的局地災(zāi)害[2]。

為了提高對這一帶強(qiáng)對流天氣(包括臺(tái)風(fēng)龍卷等)監(jiān)測與預(yù)警能力，2015—2021年間廣東省已部署了22部X波段相控陣?yán)走_(dá)(其中南海站相控陣?yán)走_(dá)位于廣東省佛山市)。當(dāng)前業(yè)務(wù)使用的WSR-88D S波段雷達(dá)需要6 min完成一次體積掃描，無法捕捉像龍卷這樣快速演變的小尺度氣象災(zāi)害，而且S波段雷達(dá)的空間分辨率也難以解析龍卷這樣小尺度災(zāi)害性天氣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。相比之下，更先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)只需約2 min即可完成一次體掃，可以通過多波束掃描更快地檢測到短暫的風(fēng)暴，這使得相控陣?yán)走_(dá)更適用于小尺度氣象災(zāi)害的臨近預(yù)報(bào)和預(yù)警[3]。

一些觀測試驗(yàn)也證明了相控陣?yán)走_(dá)技術(shù)可以提高對龍卷等小尺度氣象災(zāi)害精細(xì)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識。Newman, et al[4]利用美國一臺(tái)相控陣?yán)走_(dá)分別對一次超級單體過程、一次下?lián)舯┝鬟^程和一次冰雹過程進(jìn)行了觀測，發(fā)現(xiàn)相控陣?yán)走_(dá)可以很好地捕捉這些災(zāi)害天氣的發(fā)展過程，并且可以觀測到一些常規(guī)雷達(dá)觀測不到的細(xì)節(jié)特征，例如超級單體中的低層輻散、下?lián)舯┝鞯牡乇沓隽饕约氨⑦^程中下沉氣流的快速發(fā)展等。Heinselman, et al[5]在對一次準(zhǔn)線性對流系統(tǒng)的觀測試驗(yàn)中，也使用了這臺(tái)相控陣?yán)走_(dá)，發(fā)現(xiàn)在對流系統(tǒng)移動(dòng)到俄克拉何馬州的拉什斯普林斯時(shí)，系統(tǒng)中的中層氣流迅速增強(qiáng)，為中層的輻合創(chuàng)造了有利條件。WU, et al[6]使用我國南部的一部相控陣?yán)走_(dá)觀測了一次超級單體事件，觀測到了鉤狀回波的出流和入流結(jié)構(gòu)，且證明S波段雷達(dá)不能觀測到這些特征。Kuster, et al[7]總結(jié)了相控陣?yán)走_(dá)監(jiān)觀測對流風(fēng)暴時(shí)可以觀測到的3個(gè)典型特征：低層和中層渦旋強(qiáng)度的變化及其相關(guān)入流強(qiáng)度的變化、低層渦旋的快速增強(qiáng)過程和龍卷渦旋的快速移動(dòng)過程。

本文針對2018年9月17日臺(tái)風(fēng)“山竹”期間生成的龍卷母體風(fēng)暴，開展相關(guān)的相控陣?yán)走_(dá)資料同化研究。針對這次龍卷過程的環(huán)流背景、天氣形勢等大尺度方面：黃先香等[8]指出2018年9月17日00時(shí)(世界時(shí)，下同)，珠三角地區(qū)925、850、700和500 hPa各層?xùn)|南急流上下疊加，并且925 hPa輻合線與200 hPa高空輔散區(qū)也疊加在此處；臺(tái)風(fēng)“山竹”龍卷發(fā)生地在低層輻合、高層輻散與中低空急流交匯處附近，非常有利于龍卷的發(fā)生。但目前依舊缺乏對此次臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴風(fēng)場的三維結(jié)構(gòu)研究，導(dǎo)致對臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)與過程認(rèn)識不清。

金融創(chuàng)新型小鎮(zhèn)[5]處于經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的核心區(qū)域以辦公區(qū)、商務(wù)配套區(qū)和生活配套區(qū)三大核心功能區(qū)，包括公募基金、私募基金、信托、券商資管以及銀行、投行、律師事務(wù)所、會(huì)計(jì)師事務(wù)所等相關(guān)金融服務(wù)機(jī)構(gòu)；新興產(chǎn)業(yè)型特色小鎮(zhèn)以商務(wù)、軟件設(shè)計(jì)、信息服務(wù)、集成電路、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)安全、動(dòng)漫設(shè)計(jì)等互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、經(jīng)營和技術(shù)（工程）服務(wù)的企業(yè)。金融創(chuàng)新型小鎮(zhèn)、新興產(chǎn)業(yè)型一般距離城市核心近，土地開發(fā)強(qiáng)度大，建設(shè)用地及國有土地占比大，如圖1，圖2。

本文將利用南海站X波段相控陣?yán)走_(dá)和兩臺(tái)S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)的觀測資料，結(jié)合集合卡爾曼濾波(Ensemble Kalman Filter, EnKF)資料同化技術(shù)以及變分方法[9-10]，研究臺(tái)風(fēng)“山竹”龍卷母體風(fēng)暴過程的動(dòng)力結(jié)構(gòu)，對比兩種方法得到的風(fēng)場結(jié)果，并檢測相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)對結(jié)果的影響，增進(jìn)對這次龍卷母體風(fēng)暴過程的認(rèn)識。

1 個(gè)例介紹

指標(biāo)應(yīng)建立在一定的科學(xué)理論基礎(chǔ)之上客觀存在的，能反映治理措施在時(shí)間、空間上的變化特征和水平，反映流域各項(xiàng)治理措施實(shí)施后直接和間接效益。

圖1 2018年9月17日01時(shí)30分臺(tái)風(fēng)“山竹”路徑(黑色虛線)及1 km高度廣東雷達(dá)組網(wǎng)組合反射率因子(填色)(黑色“+”為龍卷母體風(fēng)暴位置; 黑點(diǎn)標(biāo)記臺(tái)風(fēng)中心位置以及時(shí)間; 其中紅點(diǎn)標(biāo)記01時(shí)30分臺(tái)風(fēng)中心位置, 與龍卷母體風(fēng)暴位置直線距離為447 km)Fig.1 Composite reflectivity on 1 km altitude and track of typhoon Mangkhut (black dotted line) at 0130 UTC on September 17, 2018 (The black ‘+’ symbol represents the location of tornado, and the eye of typhoon Mangkhut at 0130 UTC is marked by red point, with the straight distance of 447 km to the location of tornado)

9月17日“山竹”臺(tái)風(fēng)中心進(jìn)入廣西時(shí)，外圍雨帶中產(chǎn)生了龍卷，襲擊了佛山地區(qū)，佛山市三水區(qū)白坭鎮(zhèn)、西南街道和肇慶市四會(huì)區(qū)大沙鎮(zhèn)等地先后受到龍卷影響。根據(jù)災(zāi)害調(diào)查，此次龍卷強(qiáng)度為EF2，持續(xù)時(shí)間為23 min(01時(shí)36分至02時(shí)00分)，路徑長度為18 km。位于龍卷發(fā)生地西北方約67 km處的清遠(yuǎn)探空站在9月17日00時(shí)的觀測顯示，盡管對于強(qiáng)對流過程，對流有效位能(Convective Available Potential Energy, CAPE)偏低，為411 J·kg-1；環(huán)境場具備合適的對流抑制能量(Convective inhibition, CIN),為33 J·kg-1；抬升凝結(jié)高度(Lifting Condensation Level, LCL)為低值144 m；強(qiáng) 0～1 km低層垂直風(fēng)切變?yōu)?6.0 m·s-1和大的風(fēng)暴相對螺旋度(Storm Relatiue Helicity, SRH) 283 m2·s-2，有利于強(qiáng)龍卷母體風(fēng)暴的發(fā)生發(fā)展[8,12]。

位于佛山市的南海站X波段相控陣?yán)走_(dá)憑借高精度的時(shí)空分辨率，在觀測快速發(fā)展的龍卷母體風(fēng)暴精細(xì)結(jié)構(gòu)具有顯著優(yōu)勢，并且很好地捕捉到了此次“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴過程。圖2為01時(shí)36—42分南海站X波段相控陣?yán)走_(dá)在反射率因子和徑向速度，在6 min的時(shí)間間隔內(nèi)，X波段相控陣?yán)走_(dá)可以得到4組觀測數(shù)據(jù)。01時(shí)36—42分臺(tái)風(fēng)龍卷出現(xiàn)在登陸臺(tái)風(fēng)中心的右前側(cè)、距離臺(tái)風(fēng)中心約300～400 km的區(qū)域內(nèi)，鉤狀回波結(jié)構(gòu)非常明顯，并且入流缺口持續(xù)擴(kuò)大，最大反射率因子超過60 dBZ，正負(fù)速度差值變大，并且正負(fù)速度中心越來越緊湊，表明超級單體風(fēng)暴處于迅速增強(qiáng)的階段[13]。在“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴發(fā)展過程中，最大反射率因子達(dá)到約66 dBZ，而最大正負(fù)速度差可以達(dá)到32 m·s-1。相比之下，S波段雷達(dá)能觀測到龍卷母體風(fēng)暴，在低仰角也能觀測到明顯的正負(fù)速度對，但由于時(shí)空分辨率限制，對臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴低層精細(xì)結(jié)構(gòu)刻畫及其演變特征并沒有X波段相控陣?yán)走_(dá)清楚(圖3)。此外，受限于最低仰角，S波段并不能觀測到近地面信息，而這一部分對臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴的分析至關(guān)重要。總體來說，X波段相控陣?yán)走_(dá)很好地彌補(bǔ)了S波段雷達(dá)觀測對龍卷母體風(fēng)暴低層觀測不足。

2 資料與方法

2.1 EnKF實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用了由美國賓州州立大學(xué)張福青課題團(tuán)隊(duì)開發(fā)的WRF-EnKF系統(tǒng)[14-16]，國內(nèi)外很多研究[17-19]已經(jīng)將其應(yīng)用于雷達(dá)資料同化研究。該系統(tǒng)耦合了WRFDA-3DVAR系統(tǒng)用于產(chǎn)生擾動(dòng)，并利用WRF-ARW模式作為預(yù)報(bào)模塊進(jìn)行循環(huán)同化和預(yù)報(bào)。圖4a是臺(tái)風(fēng)龍卷個(gè)例WRF三層單向嵌套區(qū)域。其中，外層區(qū)域(D1)水平格點(diǎn)設(shè)置為85×45，水平格距是12.5 km，D1覆蓋了臺(tái)風(fēng)“山竹”的風(fēng)場結(jié)構(gòu)，這對于維持臺(tái)風(fēng)外圍雨帶非常重要。第二層區(qū)域(D2)的水平格點(diǎn)設(shè)置為111×96，水平格距是2.5 km。最內(nèi)層區(qū)域(D3)的水平格點(diǎn)設(shè)置為76×76，水平格距為0.5 km。D1、D2和D3的垂直格點(diǎn)數(shù)均為51，且模式頂層高度在10 hPa。模擬的初始條件和邊界條件均取自NCEP提供的再分析資料，其分辨率是1°× 1°。模式使用的物理參數(shù)化方案包括Thompson 微物理參數(shù)化方案、RRTM長波輻射方案、Dudhia 短波輻射方案、Monin-Obukhov 地表層方案、Noah土壤模型和韓國YSU邊界層方案。D2和D3均關(guān)閉了積云對流方案。

圖2 2018年9月17日01時(shí)36—42分南海站相控陣?yán)走_(dá)觀測的“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴反射率因子(a—d, 單位: dBZ)和徑向速度(e—h, 單位: m·s-1)(觀測仰角為0.9°; 黑色實(shí)線代表龍卷路徑; 左下角標(biāo)有對應(yīng)時(shí)刻的龍卷強(qiáng)度): (a、e) 01時(shí)36分; (b、f) 01時(shí)38分; (c、g) 01時(shí)40分; (d、h) 01時(shí)42分Fig.2 Reflectivity factor (a-d, unit: dBZ) and radial velocity (e-h, unit: m·s-1) of parent storm of typhoon “Mangkhut”observed by Nanhai phased array radar with elevation of 0.9° from 0136 UTC to 0142 UTC on September 17, 2018(The black line represents the tornado path. The lower left corner is marked with the tornado strength at the corresponding time):(a, e) 0136 UTC; (b, f) 0138 UTC; (c, g) 0140 UTC; (d, h) 0142 UTC

圖3 2018年9月17日01時(shí)36—42分肇慶站雷達(dá)觀測的“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴的反射率因子(a、b, 單位: dBZ)和徑向速度(c、d, 單位: m·s-1) (觀測仰角為1.5°; 黑色實(shí)線代表龍卷路徑):(a、c) 01時(shí)36分; (b、d)01時(shí)42分Fig.3 Reflectivity factor (a，b； unit: dBZ) and radial velocity(c，d； unit: m·s-1) of parent storm of typhoon “Mangkhut” observed by Zhaoqing operational radar with elevation of 1.5° on September 17, 2018 (The black line represents the tornado path):(a, c) 0136 UTC; (b, d) 0142 UTC

為了方便與EnKF分析場對比，變分方法的水平區(qū)域范圍和水平格點(diǎn)格距設(shè)置與EnKF同化實(shí)驗(yàn)中的WRF區(qū)域D3一致，即水平格點(diǎn)設(shè)置為76×76，水平格距是0.5 km。變分方法的垂直格點(diǎn)設(shè)置采用等高面，垂直格距是0.1 km，模式頂為9 km。選取01時(shí)36分和01時(shí)42分分別代表龍卷母體風(fēng)暴的初生階段和成熟階段。使用WRF模式輸出的在這兩個(gè)時(shí)刻的預(yù)報(bào)場作為風(fēng)場反演的背景場。WRF模式的初始場資料為NCEP提供的1°×1°分辨率的再分析資料。根據(jù)反演所用雷達(dá)數(shù)據(jù)的不同，設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：VAR_SX和VAR_S。實(shí)驗(yàn)VAR_SX使用的數(shù)據(jù)與EnKF_SX一致，均為南海站相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)以及兩臺(tái)S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)(廣州站雷達(dá)和肇慶站雷達(dá))數(shù)據(jù)；實(shí)驗(yàn)VAR_S使用的數(shù)據(jù)與EnKF_S一致，僅使用了兩臺(tái)S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)(廣州站雷達(dá)和肇慶站雷達(dá))數(shù)據(jù)。變分方法作為一種三維風(fēng)場的反演方法，對反射率因子僅做了插值處理，因此圖5—7中變分方法結(jié)果的背景填色是雷達(dá)組合反射率因子插值結(jié)果，可作為雷達(dá)的實(shí)際觀測。

從整體看，對于池莉的作品，研究者認(rèn)為過于貼近生活過于真實(shí)而不夠有文學(xué)價(jià)值，忽視了池莉新寫實(shí)作品中存在的哲學(xué)深度和深層意蘊(yùn)。

造成兩種方法分析結(jié)構(gòu)差異的原因可歸結(jié)為：一是同化階段的差別，EnKF方法利用集合構(gòu)造的背景場誤差協(xié)方差矩陣對模式變量進(jìn)行更新，除了觀測算子涉及到的變量，對其他模式變量也會(huì)更新，同時(shí)，雷達(dá)數(shù)據(jù)的同化不僅可以影響觀測所在位置的變量，還會(huì)更新影響半徑內(nèi)變量，因而其調(diào)整的范圍要優(yōu)于變分反演。相比之下，變分風(fēng)場反演盡管在目標(biāo)函數(shù)中加入了連續(xù)運(yùn)動(dòng)方程的約束，對于雷達(dá)觀測缺失的區(qū)域，反演風(fēng)場還是主要由背景風(fēng)場組成，可以看到在無雷達(dá)回波的區(qū)域，風(fēng)暴相對速度是很弱，這是因?yàn)闆]有雷達(dá)資料同化的背景風(fēng)場并不能提供精細(xì)的風(fēng)暴風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征。二是流程設(shè)計(jì)上的差異，EnKF采用循環(huán)同化的方式，模式會(huì)不斷吸收雷達(dá)觀測信息，并通過積分調(diào)整實(shí)現(xiàn)動(dòng)力平衡，從而可以調(diào)整雷達(dá)觀測缺失區(qū)域的動(dòng)力場，而變分反演則是基于獨(dú)立的單次分析，對雷達(dá)觀測缺失區(qū)域的風(fēng)場的調(diào)整有限，因而并不能提供完整的臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴及其周邊關(guān)鍵區(qū)域的動(dòng)力場結(jié)構(gòu)。總體而言，EnKF分析場的風(fēng)場結(jié)構(gòu)更符合臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴的流場特征模型，動(dòng)力場的平衡更好。

亳文化悠久豐富，特色鮮明，風(fēng)格獨(dú)具，這正是其走向世界的立足之本。亳文化以什么樣的路徑走出去一直是亳州市政府、企業(yè)等關(guān)注的焦點(diǎn)，研究表明，亳文化“走出去”必須改變單一路徑，突出文化個(gè)性，培育地域特色品牌，推動(dòng)彰顯亳文化的產(chǎn)品走出去。

2.2 變分方法實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的雙多普勒反演方法缺乏大氣物理方程的約束，也無法體現(xiàn)地形的強(qiáng)迫作用。針對這些缺陷，Liou, et al[9-10]提出采用變分方法反演三維風(fēng)場，該方法的約束條件建立在連續(xù)運(yùn)動(dòng)方程的基礎(chǔ)上，增加了垂直渦度方程約束、背景場約束以及上下邊界約束等約束條件，使得到的風(fēng)場更加符合物理規(guī)律。其最重要的優(yōu)勢是在地形處理上采用了浸入邊界法(Immerse Boundry Method, IBM)方法模擬氣流經(jīng)過地形時(shí)的流型，有利于反演佛山周邊地區(qū)復(fù)雜地形上的風(fēng)場結(jié)構(gòu)。

第 22 號臺(tái)風(fēng)“山竹”是 2018 年登陸我國的最強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，于2018年9月7日在西太平洋生成，之后不斷加強(qiáng)，15日凌晨在菲律賓呂宋島東北部沿海登陸，16 日09時(shí)左右在廣東省江門市臺(tái)山沿海登陸，登陸時(shí)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級別，中心附近最大風(fēng)速達(dá)15級(48 m·s-1)，17日12時(shí)在廣西停止編號[11]。臺(tái)風(fēng)“山竹”的移動(dòng)路徑以及外圍雨帶情況參見圖1。

公式(1)描述了該方法的目標(biāo)函數(shù)[9]：

(1)

其中：J1代表雷達(dá)徑向風(fēng)與三維風(fēng)場的幾何關(guān)系；J2代表背景場與反演風(fēng)場的差；J3代表連續(xù)方程約束；J4代表垂直渦度方程約束；J5代表拉普拉斯平滑項(xiàng)約束；J6和J7代表上下邊界條件約束。而α1～α7是它們的權(quán)重系數(shù)，分別為1×105、1×100、4×108、4×1014、1×1012、1×102和1×102。

(1) 伴有癥狀的ST段弓背向上抬高≥0.1 mV，持續(xù)1 min；原有ST段抬高者，在原有基礎(chǔ)上ST段弓背向上再抬高≥0.1 mV，持續(xù)1 min；兩次發(fā)作間期≥1 min。

圖4 (a) EnKF同化實(shí)驗(yàn)中的WRF模式區(qū)域、(b)圖a中虛線矩形區(qū)域的放大和(c) EnKF資料同化實(shí)驗(yàn)流程(a中黑色實(shí)心框中由箭矢指向標(biāo)記代表最內(nèi)層嵌套區(qū)域D3; 藍(lán)色虛線自東向西表示從2018年9月16日02時(shí)—17日09時(shí)臺(tái)風(fēng)“山竹”的軌跡;紅點(diǎn)為17日02時(shí)臺(tái)風(fēng)“山竹”的中心位置; “×”代表龍卷發(fā)生位置; 黑色實(shí)心圓圈表示S波段雷達(dá)的觀測范圍)Fig.4 (a) The WRF simulation domains, (b) enlarged view of the dashed rectangle area in fig.4a, and (c) flow chart of EnKF dataassimilation experiment(The innermost solid black box (pointed by the arrow) indicates the innermost domain D3; the blue dashedline represents the best track of Typhoon “Mangkhut” from 0200 UTC on 16 to 0900 UTC on 17 September, 2018; the eye oftyphoon “Mangkhut” at 0200 UTC is marked by the red point; the black solid circles indicate the S-band radar’s observation range)

在同化階段，更新變量包括擾動(dòng)位溫(T)、地表溫度(TSK)、2 m高度處溫度(T2)、擾動(dòng)地勢(PH)、擾動(dòng)干空氣質(zhì)量(MU)、地表氣壓(PSFC)和擾動(dòng)氣壓(P)。除此之外，在同化反射率因子時(shí)，額外更新水蒸氣混合比(QVAPOR)、云水混合比(QCLOUD)、雨水混合比(QRAIN)、云冰混合比(QICE)、雪混合比(QSNOW)、霰混合比(QGRAUP)和雨滴數(shù)目(NRAIN)；在同化徑向速度時(shí)，額外更新垂直速度(W)、水平速度(U,V)和10 m高度水平速度(U10,V10)。這種模式變量更新的差別是為了減少虛假的相關(guān)[20]。

2.2.1 慢性疾病患病概況 59例受調(diào)查者中，高血壓患者46例(78.0%)，平均病程(13.87 ±7.47)年；高脂血癥患者12例(20.3%)，平均病程(5.67±4.70)年；高尿酸血癥患者4例(6.8%)，中位病程5 (2,12)年；痛風(fēng)史3例(5.1%)，痛風(fēng)發(fā)作頻率2 (1, 4)次/年；糖尿病患者14例(23.7%)，平均病程7(3, 12)年。14例糖尿病患者中，空腹血糖<7.0 mmol/L且餐后2 h血糖<11.1 mmol/L者2例(14.3%)。再次問卷調(diào)查時(shí)發(fā)現(xiàn)，新發(fā)糖尿病2例，空腹血糖和餐后2 h血糖均達(dá)標(biāo)者6例(37.5%)。

2.3 數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制

本次研究所使用的雷達(dá)分別是廣州站S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)、肇慶站S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)和南海站X波段相控陣?yán)走_(dá)。三臺(tái)雷達(dá)的相對位置與觀測范圍如圖4b所示。

廣州站S 波段多普勒天氣雷達(dá)位于廣州市 (23.00°N, 113.36°E)，距離地面高度(Above Ground Level, AGL)約179 m，最大多普勒探測范圍是 460 km，柵間距和方位分辨率分別為0.25 km 和1°，以體積覆蓋模式 (Volume Coverage Patterns, VCP) 21模式運(yùn)行，包含 9 個(gè)仰角(0.5°、1.5°、2.4°、3.3°、4.3°、6°、9.9°、14.6°和19.5°)，完成一次體掃約 6 min。肇慶站S 波段多普勒天氣雷達(dá)位于肇慶市(22.93°N, 112.56°E)，AGL約為96 m，其他參數(shù)與廣州站一致。南海站X波段相控陣?yán)走_(dá)位于佛山市(23.15°N, 113.03°E)，AGL約為38 m，最大多普勒探測范圍是41.6 km，柵間距和方位分辨率分別為0.03 km和1°，包含17個(gè)仰角(0.9°、2.7°、4.5°、6.3°、8.1°、9.9°、11.7°、13.5°、15.3°、17.1°、18.9°、20.7°、22.5°、24.3°、26.1°、27.9°和29.7°)，完成一次體掃約2 min。

在龍卷母體風(fēng)暴的初生階段(圖5)，通過觀察雷達(dá)組合反射率，可以發(fā)現(xiàn)在500 m高度上已經(jīng)出現(xiàn)比較明顯的鉤狀回波結(jié)構(gòu)(圖5c)，說明這次龍卷母體風(fēng)暴過程是由微型超級單體產(chǎn)生。EnKF_SX分析場在01時(shí)36分也能夠通過同化反射率因子模擬出超級單體結(jié)構(gòu)，盡管與反射率因子觀測(圖5c)相比，弱回波區(qū)不夠明顯(圖5a)。而EnKF_SX分析場中反射率因子在垂直方向上表現(xiàn)為回波懸垂的特征，并且40 dBZ反射率廓線延伸高度達(dá)到了4 km以上(圖7a)，回波整體結(jié)構(gòu)與雷達(dá)組合反射率觀測比較一致(圖7c)。對比它們在龍卷母體風(fēng)暴初生階段風(fēng)場結(jié)構(gòu)的差異可以發(fā)現(xiàn)，雖然兩種方法都在鉤狀回波南部末端產(chǎn)生明顯的渦旋，但EnKF_SX分析場的渦旋強(qiáng)度更強(qiáng)，500 m高度垂直渦度最大值達(dá)到了13×10-3s-1，并且氣流閉合，入流明顯；而VAR_SX的垂直渦度最大值僅達(dá)到11×10-3s-1，且渦旋周圍并沒有形成閉合的環(huán)流，主要由一支東北氣流和西南氣流構(gòu)成，并不符合龍卷母體風(fēng)暴的氣旋特征模型。

澳克泰工具技術(shù)有限公司推出的全新AFM45-XN07/XN09面銑刀系列產(chǎn)品，刀盤設(shè)計(jì)采用45°主偏角設(shè)計(jì)，可以達(dá)到最佳的受力平衡和完美的高效銑削能力。該系列面銑刀刀片采用雙面負(fù)型七邊形設(shè)計(jì)，擁有14個(gè)有效切削刃，具有極佳的加工經(jīng)濟(jì)性。

AH=α×KDP，

(2)

ADP=β×KDP。

(3)

其中：α和β通過散射模擬實(shí)驗(yàn)來計(jì)算得到，分別為0.32和0.059 dB·km-1。詳細(xì)計(jì)算步驟可以參考HUANG, et al[24]的研究。本研究通過大氣散射觀測氣候研究中心(Atmospheric Radiation Measurement Climate Research facility, ARM)的雷達(dá)處理包(Radar Toolkit, Py-ART)[25]的region-based算法來實(shí)現(xiàn)多普勒速度退模糊。對于其他質(zhì)控細(xì)節(jié)，參考HUANG, et al[24,26]。

連續(xù)協(xié)方差局地化(Successive Covariance Localization，SCL)方法[17]被用于計(jì)算水平影響半徑內(nèi)的權(quán)重，而Gaspari, et al[21]提出的5階相關(guān)函數(shù)被用于計(jì)算垂直影響半徑內(nèi)的權(quán)重，該組合方案也在前人研究中被多次使用[22-23]。同化徑向速度的水平影響半徑是2 km，垂直影響半徑是3個(gè)模式垂直格距。同化反射率因子的水平影響半徑是2 km，垂直影響半徑是兩個(gè)模式垂直格距。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 EnKF分析場與變分風(fēng)場反演結(jié)果的對比

采用比差分相位移 (KDP)的特定衰減(AH)和差分衰減(ADP)線性參數(shù)化來質(zhì)控反射率因子，AH和ADP公式為：

在龍卷母體風(fēng)暴的成熟階段(圖6a)，相對于風(fēng)暴的初生階段(圖5a)，EnKF_SX分析場中鉤狀回波更加明顯，且渦旋強(qiáng)度得到增強(qiáng)，500 m高度垂直渦度最大值達(dá)到了19×10-3s-1，要比EnKF_S分析場的渦旋強(qiáng)度(垂直渦度最大值6×10-3s-1)和VAR_SX的渦旋強(qiáng)度(垂直渦度最大值12×10-3s-1)更強(qiáng)。EnKF_SX分析場的氣流閉合，入流也更加明顯，這與初生階段的風(fēng)場特點(diǎn)分析一致。另一個(gè)比較明顯的區(qū)別在于東部的入流區(qū)域。EnKF_SX分析場的超級單體東部具有明顯的自東向西的氣流，弱回波區(qū)具有明顯的入流(圖6a)，而在變分風(fēng)場反演結(jié)果中，超級單體的東部并不存在明顯的風(fēng)暴相對氣流，從而在弱回波區(qū)，入流也偏弱(圖6c)。這主要是因?yàn)镋nKF方法可以通過一定的影響半徑，調(diào)整觀測周圍的風(fēng)場，并通過循環(huán)分析與預(yù)報(bào)進(jìn)一步調(diào)節(jié)風(fēng)場結(jié)構(gòu)，而變分方法僅僅對觀測范圍內(nèi)的風(fēng)場有明顯調(diào)整，在缺乏觀測的范圍(東部區(qū)域)，幾乎沒有增量。在垂直剖面上，EnKF_SX和VAR_SX的結(jié)果差異也很明顯。在弱回波區(qū)域(圖7e右側(cè)區(qū)域)，EnKF_SX分析存在比較明顯的入流，而低層入流輻合后，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的氣流上升運(yùn)動(dòng)。可以看到EnKF_SX分析的垂直渦度5×10-3·s-1高度延伸至2 km，垂直渦度大值中心集中于300 m以下的區(qū)域(圖7e)。相比之下，VAR_SX的入流強(qiáng)度以及上升運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度都明顯要弱于EnKF_SX分析結(jié)果，弱回波區(qū)幾乎沒有入流，對應(yīng)區(qū)域也幾乎沒有上升運(yùn)動(dòng)，分析的渦旋強(qiáng)度也明顯偏弱，最大高度僅延伸至1.5 km左右(圖7g)。需要注意地是，盡管在同一時(shí)刻，EnKF_SX和VAR_SX得到的風(fēng)場結(jié)構(gòu)具有明顯的差別，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)得到的龍卷母體風(fēng)暴演變特征也有一些相似之處：在垂直高度上，通過觀察垂直渦度廓線，可以發(fā)現(xiàn)01時(shí)42分風(fēng)暴高度(圖7d、f)明顯低于01時(shí)36分的風(fēng)暴高度(圖7a、c)，同時(shí)也伴隨著渦旋強(qiáng)度的增強(qiáng)。

圖5 2018年9月17日01時(shí)36分不同實(shí)驗(yàn)方法在500 m高度(a—d, 黑線標(biāo)記為圖7中所示的垂直剖面的位置)和(e—h)1.5 km高度的反射率、風(fēng)暴相對風(fēng)場和垂直渦度(其中a、b、e、f中陰影為反射率因子, 單位: dBZ; c、g、d、h中陰影為組合反射率;黑色箭矢為風(fēng)暴相對風(fēng)場;白色等值線為垂直渦度: ±5×10-3s-1、±10×10-3s-1和±15×10-3s-1):(a、e)EnKF_SX; (b、f)EnKF_S; (c、g)VAR_SX; (d、h)VAR_SFig.5 Analyzed reflectivity (after smoothing), storm-relative wind vectors, and vertical vorticity at the height of 500 m (a-d, the black line inpanels marks the cross section shown in fig.7) and 1.5 km (e-h) at 0136 UTC on 17 September, 2018 (the shadows in a, b, e, and f are reflectance factors, unit: dBZ; the shadows in c, g, d, and h are combined reflectance; the black arrow is the relative wind field of the storm; the white contours represent the positive and negative vertical vorticity which is shown at ±5×10-3s-1、10×10-3s-1、15×10-3s-1): (a, e)EnKF_SX; (b, f)EnKF_S; (c, g)VAR_SX; (d, h)VAR_S

圖6 與圖5一致，但是01時(shí)42分的結(jié)果Fig.6 Same as fig.5, but for 0142 UTC

圖7 沿圖5(a—d)和圖6(e—h)中黑直線的反射率因子(陰影, 單位: dBZ)、風(fēng)暴相對速度(黑色箭矢, 單位: m·s-1)和垂直風(fēng)速(黑色等值線，±2 m·s-1、±4 m·s-1、±6 m·s-1)、垂直渦度(白色等值線，±5×10-3s-1、±10×10-3s-1和±15×10-3s-1)的垂直剖面:(a、e)EnKF_SX; (b、f)EnKF_S; (c、g)VAR_SX; (d、h)VAR_SFig.7 Cross sections of vertical wind (black contours), vertical vorticity (white contours, at ±5×10-3s-1, ±10×10-3s-1, 15×10-3s-1),Z (color shaded), and storm-relative wind (black vectors, unit: m·s-1) along the black lines in fig.5(a-d) and fig.6(e-h):(a, e) EnKF_SX; (b, f) EnKF_S; (c, g) VAR_SX; (d, h) VAR_S

本文首先進(jìn)行了1 h的集合預(yù)報(bào)，構(gòu)造合理的背景場誤差協(xié)方差矩陣(圖4c)。01—02時(shí)是雷達(dá)數(shù)據(jù)同化階段，其中在D2，廣州雷達(dá)和肇慶雷達(dá)資料逐6 min同化一次，為D3創(chuàng)造更好的邊界條件。為了研究相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)同化對結(jié)果的影響，根據(jù)D3同化數(shù)據(jù)的不同設(shè)計(jì)了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)：EnKF_S和EnKF_SX。在實(shí)驗(yàn)EnKF_S中，D3只同化了兩臺(tái)S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)的數(shù)據(jù)，同化頻率為6 min；在實(shí)驗(yàn)EnKF_SX中，南海站相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)同化頻率為2 min，而兩臺(tái)S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)的數(shù)據(jù)同化頻率則為6 min。

數(shù)字化課程建設(shè)中要遵循學(xué)生受教育原則，在建設(shè)過程中要選用優(yōu)質(zhì)的教學(xué)知識載體，知識體系要從淺入深，知識內(nèi)容要簡單易懂，以此方便課程設(shè)計(jì)和制作。數(shù)字化課程建設(shè)需要完整的課程教學(xué)標(biāo)準(zhǔn)、教學(xué)資源，特別是一些能夠促使學(xué)生學(xué)習(xí)課外知識的內(nèi)容，這樣才能夠發(fā)揮數(shù)字化課程作用。在建設(shè)時(shí)要依據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況來建設(shè)知識體系，設(shè)置內(nèi)容要符合學(xué)生認(rèn)知心理與知識理解規(guī)律。

3.2 相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)對流場分析的影響

為了進(jìn)一步說明相控陣?yán)走_(dá)觀測對于龍卷風(fēng)暴低層結(jié)構(gòu)改進(jìn)的貢獻(xiàn)，本文設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)：EnKF_S和VAR_S，這兩組實(shí)驗(yàn)和EnKF_SX和VRA_SX類似，只是沒有同化相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)。

可以看到，只同化了兩臺(tái)S波段雷達(dá)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)EnKF_S在兩個(gè)階段都沒有產(chǎn)生鉤狀回波結(jié)構(gòu)(圖5b、6b)，并且在01時(shí)36分的垂直剖面中，回波懸垂特征不顯著。由于缺乏相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)補(bǔ)充的低層信息，EnKF_S分析的0～1 km的回波強(qiáng)度相對于觀測明顯偏弱(圖7b、c)，而01時(shí)42分的垂直剖面盡管出現(xiàn)了回波懸垂特征，但相對于EnKF_SX和觀測的結(jié)果，弱回波區(qū)的強(qiáng)度被高估，并且40 dBZ廓線的伸展高度偏高，總體形態(tài)差別明顯(圖7e、f、g)。對于低層風(fēng)場結(jié)構(gòu)，EnKF_S在兩個(gè)階段都沒有產(chǎn)生顯著低層渦旋(圖5b、6b)，垂直渦度最大值均沒有超過10×10-3s-1，無法通過分析場產(chǎn)生龍卷母體風(fēng)暴的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)特征，這一差別在后一時(shí)刻更加明顯，EnKF_SX在500 m分析場上展示了明顯的強(qiáng)渦旋中心(圖6a)，而EnKF_S沒有任何渦旋特征(圖6b)?？偟膩碚f，在EnKF分析中，X波段相控陣?yán)走_(dá)同化改進(jìn)了低層渦旋強(qiáng)度，這個(gè)改進(jìn)在后一個(gè)時(shí)刻更明顯，這主要是因?yàn)镋nKF通過預(yù)報(bào)改進(jìn)了風(fēng)暴入流；同時(shí)，X波段相控陣?yán)走_(dá)同化也明顯改進(jìn)了弱回波區(qū)結(jié)構(gòu)。

相比之下，變分方法僅涉及對單個(gè)時(shí)次雷達(dá)數(shù)據(jù)的處理，不涉及EnKF方法中的循環(huán)同化和模式積分，VAR_SX和VAR_S的結(jié)果差異更能直接反映相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)主要影響區(qū)域。通過對比兩個(gè)實(shí)驗(yàn)的風(fēng)場，可以發(fā)現(xiàn)差別最大的位置在500 m高度弱回波區(qū)的北部(圖5c、d和圖6c、d)。在缺乏相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)同化時(shí)，VAR_S中龍卷母體風(fēng)暴北側(cè)區(qū)域的入流強(qiáng)度明顯變?nèi)趿?，而這也直接導(dǎo)致了垂直渦度的減弱，使反演風(fēng)場無法形成顯著的低層渦旋。與EnKF_S分析結(jié)果類似，兩個(gè)階段的垂直渦度最大值均沒有超過10×10-3s-1，無法產(chǎn)生龍卷母體風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)特征?？傮w而言在變分反演中，X波段相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)的應(yīng)用改進(jìn)了低層渦旋結(jié)構(gòu)，VAR_S因?yàn)槿鄙俦匾娜肓髦危錅u旋強(qiáng)度要明顯弱于VAR_SX。

4 結(jié)論

本文基于2018年9月17日“山竹”臺(tái)風(fēng)龍卷個(gè)例，利用南海站X波段相控陣?yán)走_(dá)和兩臺(tái)S波段業(yè)務(wù)雷達(dá)的觀測數(shù)據(jù)，對比分析了EnKF方法和變分方法分析的龍卷母體風(fēng)暴在不同階段的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)，并檢測了相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)同化對結(jié)果的影響。主要結(jié)論如下：

(1) EnKF_SX分析場和VAR_SX反演的風(fēng)場結(jié)構(gòu)存在較大差異，EnKF_SX分析的龍卷母體風(fēng)暴無論是初生還是成熟階段，渦旋強(qiáng)度更強(qiáng)，垂直伸展高度更高，在弱回波區(qū)的風(fēng)暴相對入流也更強(qiáng)，環(huán)流更完整。相比之下，VAR_SX得到的渦旋強(qiáng)度偏弱，在低層并不能形成閉合的氣旋式環(huán)流風(fēng)場結(jié)構(gòu)。總體而言，EnKF_SX分析的臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴及其周邊的風(fēng)場環(huán)流結(jié)構(gòu)更符合觀測和概念模型，動(dòng)力場更加平衡。

(2) 在同化同樣數(shù)據(jù)時(shí)，造成兩種方法差異的原因是EnKF方法可以利用集合預(yù)報(bào)來構(gòu)造背景場誤差協(xié)方差矩陣，通過背景場誤差協(xié)方差矩陣來更新所有模式變量，包括風(fēng)場及云水物質(zhì)場，并在循環(huán)同化中，利用模式積分調(diào)整動(dòng)力平衡，充分吸收相控陣?yán)走_(dá)高頻率觀測信息，構(gòu)建完整的風(fēng)暴熱動(dòng)力結(jié)構(gòu)；而變分方法只能利用單時(shí)刻的雷達(dá)觀測信息，且對風(fēng)場的調(diào)整僅限于有雷達(dá)觀測的區(qū)域，無法充分發(fā)揮相控陣?yán)走_(dá)高頻觀測的優(yōu)勢，也無法調(diào)節(jié)臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴周邊區(qū)域，后者對于臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴的發(fā)展演變極為關(guān)鍵，最終導(dǎo)致了兩種方法風(fēng)場結(jié)果不同。

(3) X波段雷達(dá)觀測主要改進(jìn)了龍卷風(fēng)暴低層結(jié)構(gòu)。沒有X波段相控陣?yán)走_(dá)同化，無論是EnKF還是變分反演方案，都無法得到龍卷母體風(fēng)暴的典型風(fēng)場結(jié)構(gòu)特征。

本文比較了EnKF和變分方法同化X波段相控陣?yán)走_(dá)資料后的龍卷母體風(fēng)暴的三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)，相比之下，EnKF系統(tǒng)更能充分利用X波段相控陣?yán)走_(dá)高時(shí)空分辨率資料的優(yōu)勢。而缺乏相控陣?yán)走_(dá)數(shù)據(jù)同化時(shí)，兩種方法都無法在分析場中產(chǎn)生臺(tái)風(fēng)龍卷母體風(fēng)暴特征。本研究僅選取了2018年9月17日臺(tái)風(fēng)“山竹”龍卷個(gè)例為研究對象，未來將對更多個(gè)例進(jìn)行研究工作，統(tǒng)計(jì)獲取我國臺(tái)風(fēng)龍卷的典型特征。