海洋2B衛(wèi)星和中法海洋衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料在臺(tái)風(fēng)“米娜”模擬中的一次應(yīng)用

劉曉燕，陳莉，邢建勇，高元勇，崔利民

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，北京 100081）

1 引言

我國(guó)東部毗鄰西北太平洋，因此我國(guó)是受臺(tái)風(fēng)影響最為嚴(yán)重的國(guó)家之一[1]。西北太平洋平均每年可生成28.2個(gè)臺(tái)風(fēng)，在我國(guó)登陸的約有7個(gè)[2-3]，其伴隨的狂風(fēng)和暴雨等災(zāi)害現(xiàn)象，給所影響的省市和地區(qū)帶來(lái)了嚴(yán)重的損失。提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平，及時(shí)做好防范措施，可有效降低災(zāi)害天氣帶來(lái)的損失，因此臺(tái)風(fēng)的準(zhǔn)確預(yù)報(bào)對(duì)國(guó)家和社會(huì)具有重要意義[4-5]。

近些年，隨著衛(wèi)星和雷達(dá)等遙感技術(shù)的發(fā)展，非常規(guī)觀測(cè)資料迅速增多，有效彌補(bǔ)了常規(guī)觀測(cè)資料的不足。這些非常規(guī)觀測(cè)資料，不僅可以對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，而且可以用于數(shù)值模式中，通過(guò)同化技術(shù)改善模式初始場(chǎng)，提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)效果。黃嘉宏等[6]利用四維變分（Four-Dimensional VARiational，4DVAR）同化技術(shù)，對(duì)南海臺(tái)風(fēng)“Vongfong”進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，證明了QuikSCAT 衛(wèi)星海面風(fēng)場(chǎng)資料可以使模擬的臺(tái)風(fēng)路徑與實(shí)況更為接近；王業(yè)桂等[5]探究了同化不同衛(wèi)星的同一種微波遙感資料對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑模擬效果的影響，證明了同化衛(wèi)星微波遙感資料可以有效改善臺(tái)風(fēng)路徑模擬，但是同化不同資料的效果不一；希爽等[7]針對(duì)2008 年影響我國(guó)大陸的8個(gè)典型臺(tái)風(fēng)開(kāi)展了批量衛(wèi)星資料同化和數(shù)值預(yù)報(bào)試驗(yàn)，證明了衛(wèi)星資料對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)有改進(jìn)作用。

海洋2B（HY-2B）衛(wèi)星和中法海洋衛(wèi)星（China-France Oceanography SATellite，CFOSAT）均為2018年底發(fā)射，截至2020 年底，已經(jīng)有一年多的數(shù)據(jù)可供使用，也形成了一些相關(guān)研究。陳克海等[8]利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)、熱帶大氣海洋觀測(cè)計(jì)劃和美國(guó)國(guó)家數(shù)據(jù)浮標(biāo)中心（National Data Buoy Center，NDBC）浮標(biāo)獲取的海面風(fēng)矢量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)HY-2B 散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析。結(jié)果表明，不論是在開(kāi)闊海域還是近海海域，HY-2B 散射計(jì)海面風(fēng)資料都能較好地滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的精度要求，即風(fēng)速優(yōu)于2 m/s，風(fēng)向優(yōu)于20°。國(guó)家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心的中法衛(wèi)星在軌測(cè)試評(píng)審報(bào)告指出，CFOSAT對(duì)ECMWF 再分析風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的風(fēng)速精度在1.26～1.48 m/s 之間，風(fēng)向精度在11°～15°之間，優(yōu)于風(fēng)速測(cè)量誤差2 m/s 和風(fēng)向誤差20°的指標(biāo)要求[9-10]。Xu等[11]利用CFOSAT同步觀測(cè)到了由臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)場(chǎng)和海浪場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了臺(tái)風(fēng)的有效監(jiān)測(cè)。到目前為止，這兩種衛(wèi)星散射計(jì)數(shù)據(jù)用于同化的工作還比較少。本文基于新一代高分辨率中尺度預(yù)報(bào)模式（Weather Research and Forecasting model，WRF）及其三維變分（Three-Dimensional Variational，3DVAR）同化系統(tǒng)，開(kāi)展這兩種海洋衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料在同化中的應(yīng)用，并考察同化不同衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬的影響。

2 臺(tái)風(fēng)個(gè)例概述

2019年第18號(hào)熱帶氣旋“米娜”（Mitag）于2019年9月28日00時(shí)（世界時(shí)，下同）在臺(tái)灣省臺(tái)北市東南方約1540 km 的西北太平洋上（132.1°E，15.4°N）生成，中心附近最大風(fēng)力8 級(jí)（18 m/s），中心最低氣壓為998 hPa；隨后向西北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，28 日21 時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)，29 日09 時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)；10 月1 日00 時(shí)開(kāi)始減弱，并于1 日12 時(shí)30分在浙江舟山普陀沿海登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為11級(jí)（30 m/s）），中心最低氣壓980 hPa；之后向東北方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸減弱，并于2 日12 時(shí)10分前后在韓國(guó)全羅南道沿海再次登陸，登陸時(shí)為熱帶風(fēng)暴級(jí)，最大風(fēng)力9 級(jí)（23 m/s），中心最低氣壓為988 hPa；之后繼續(xù)減弱，3 日06 時(shí)中央氣象臺(tái)對(duì)其停止編號(hào)[12-13]。

3 資料介紹、方法介紹、模式設(shè)置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 資料介紹

本文所使用的數(shù)據(jù)主要有美國(guó)全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)（Global Forecast System，GFS）的模式輸出產(chǎn)品、我國(guó)自主研制的HY-2B 散射計(jì)海面風(fēng)數(shù)據(jù)以及與法國(guó)聯(lián)合研制的CFOSAT散射計(jì)海面風(fēng)數(shù)據(jù)。GFS數(shù)據(jù)每6 h 輸出一次，取其第12～84 h 共計(jì)72 h 的預(yù)報(bào)結(jié)果為本文試驗(yàn)提供初值（背景場(chǎng)）和邊界條件，該數(shù)據(jù)空間分辨率為0.5°×0.5°。HY-2B 是我國(guó)第二顆海洋動(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星，于2018年10月25日發(fā)射，其上搭載的散射計(jì)主要功能為測(cè)量海面風(fēng)矢量場(chǎng)，工作頻率為13.256 GHz，極化方式包含HH和VV兩種，其中H 極化的刈幅優(yōu)于1350 km，V 極化的刈幅優(yōu)于1700 km，分辨率為25 km×25 km，風(fēng)速測(cè)量范圍為2～24 m/s，風(fēng)速精度為±2 m/s 或10%，風(fēng)向精度 為±20°[14]。CFOSAT 于2018 年10 月29 日 發(fā)射，是一顆具有海風(fēng)海浪聯(lián)合探測(cè)能力的衛(wèi)星，其上搭載的散射計(jì)是國(guó)際上首次采用旋轉(zhuǎn)扇形波束掃描方式測(cè)量海洋風(fēng)場(chǎng)的微波散射計(jì)，刈幅大于1000 km，工作頻率為13.256 GHz，空間分辨率有25 km×25 km 和12.5 km×12.5 km 兩種，本文使用前者，風(fēng)速的有效測(cè)量范圍為4～24 m/s，精度為±2 m/s或10%，風(fēng)向精度為±20°[15]。此外，臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自中國(guó)氣象局熱帶氣旋最佳路徑數(shù)據(jù)集（網(wǎng)址：https：//tcdata.typhoon.org.cn）[16]。

3.2 方法介紹

本文采用WRFV3.7.1 及其3DVAR 同化系統(tǒng)。3DVAR 是變分法的一種方法，它是通過(guò)迭代函數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)分析時(shí)刻的大氣真實(shí)狀態(tài)的最優(yōu)估計(jì)，通過(guò)目標(biāo)泛函表示為：

式中，x為大氣狀態(tài)變量；xb為背景場(chǎng)資料；y0為觀測(cè)資料；H為觀測(cè)算子，它將分析變量投影到觀測(cè)空間；B為背景場(chǎng)誤差協(xié)方差矩陣；O為觀測(cè)誤差協(xié)方差矩陣。三維變分問(wèn)題就是求解上式極小值的問(wèn)題。

文中使用的3DVAR同化方法依賴于WRF模式的變分同化系統(tǒng)，該同化系統(tǒng)根據(jù)設(shè)置的不同，可以識(shí)別little_r和bufr兩種數(shù)據(jù)格式。文中采用的是little_r 格式，即一種該同化系統(tǒng)所識(shí)別的有著固定格式的文本格式，將觀測(cè)資料輸出為此格式，進(jìn)入同化系統(tǒng)，該同化系統(tǒng)在進(jìn)行質(zhì)量控制后（剔除超過(guò)閾值的數(shù)據(jù)），使用上述公式計(jì)算，便可得到優(yōu)化后的初始場(chǎng)。

3.3 模式設(shè)置及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本文模擬區(qū)域的模式水平分辨率為25 km，垂直為不均勻35 層，以（128°E，23°N）為中心，共400×300 個(gè)格點(diǎn)。試驗(yàn)采用的模式物理過(guò)程方案設(shè)置見(jiàn)表1。模擬時(shí)間為2019 年9 月29 日12 時(shí)—10 月2 日12 時(shí)。同 化分析時(shí)刻為2019 年9 月29 日12時(shí)，同化時(shí)間窗口為2019年9月29日09—15時(shí)。

表1 物理過(guò)程參數(shù)化方案設(shè)置Tab.1 Parameterization scheme setting of physical processes

文中共設(shè)計(jì)了4 組試驗(yàn)，試驗(yàn)HY2B、試驗(yàn)CFO和試驗(yàn)HY2B+CFO 分別為同化HY-2B 衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)數(shù)據(jù)、CFO 衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)數(shù)據(jù)和同化以上兩種數(shù)據(jù)，試驗(yàn)CTRL為控制試驗(yàn)（不同化任何資料），用于評(píng)估其他3組同化試驗(yàn)的效果。具體設(shè)計(jì)見(jiàn)表2。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)Tab.2 Design of numerical experiments

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 同化效果分析

圖1 為3 組同化試驗(yàn)中吸收的觀測(cè)資料的分布情況。圖中可以看到兩顆衛(wèi)星的散射計(jì)海面風(fēng)數(shù)據(jù)的部分區(qū)域有重合，且都完整地捕捉到了臺(tái)風(fēng)位置信息，不同的是兩顆衛(wèi)星散射計(jì)捕捉臺(tái)風(fēng)信息的時(shí)間存在差異，HY-2B 衛(wèi)星散射計(jì)捕捉到臺(tái)風(fēng)的時(shí)間在09—10時(shí)之間，而CFO衛(wèi)星散射計(jì)捕捉到臺(tái)風(fēng)的時(shí)間在10—11時(shí)之間，更接近于同化時(shí)間。

圖1 3組同化試驗(yàn)的觀測(cè)資料分布情況Fig.1 Observation data distribution of three groups of assimilation experiments

圖2 是3 組同化試驗(yàn)使用不同衛(wèi)星觀測(cè)資料進(jìn)行同化后，觀測(cè)資料的U/V 分量分別與背景場(chǎng)和分析場(chǎng)進(jìn)行比較的結(jié)果，表3 更直觀地展示了圖2 中同化前后的U 分量的分析結(jié)果。由圖2 和表3 均可以看出，不論是使用HY-2B 衛(wèi)星散射計(jì)資料、CFO衛(wèi)星散射計(jì)資料亦或二者和，其效果都是一致的，相對(duì)于背景場(chǎng)，分析場(chǎng)的平均誤差（mean）、均方根值（rms）和標(biāo)準(zhǔn)差（std）均更接近觀測(cè)場(chǎng)，即OMA

圖2 3組同化試驗(yàn)的OMB和OMA（OBS為觀測(cè)資料，BAK為背景場(chǎng)資料，ANA為分析場(chǎng)資料，單位：m/s）Fig.2 OMB and OMA of three groups of assimilation experiments（OBS is observation data，BAK is background field data，ANA is analysis field data，unit：m/s）

表3 同化前后U分量的背景場(chǎng)與分析場(chǎng)對(duì)比結(jié)果Tab.3 Comparison of background field and analysis field of U component

此外，我們還可以看到HY2B 試驗(yàn)中觀測(cè)資料與背景場(chǎng)的差異小于其他兩組試驗(yàn)的差異，說(shuō)明HY-2B 衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料與背景場(chǎng)資料接近。從初始增量場(chǎng)圖（略）也可以看出，HY2B 試驗(yàn)的增量小于其他兩組試驗(yàn)增量，這與圖2 反映出的特征吻合。

4.2 臺(tái)風(fēng)路徑72 h模擬結(jié)果分析

圖3 是4 組試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)路徑72 h 模擬結(jié)果與臺(tái)風(fēng)實(shí)況的比較。由圖可以看出，4 組試驗(yàn)結(jié)果整體趨勢(shì)比較接近，與實(shí)況相比，CTRL 和HY2B 試驗(yàn)?zāi)M的路徑偏西，其他兩組試驗(yàn)?zāi)M的路徑偏東，且4組試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度都要慢于實(shí)況。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)既受臺(tái)風(fēng)內(nèi)部因子的作用又受環(huán)境條件的影響，環(huán)境條件主要是指高空引導(dǎo)氣流，但4組試驗(yàn)的500 hPa 位勢(shì)高度場(chǎng)（圖略）未能將路徑不同的原因體現(xiàn)出來(lái)，說(shuō)明同化過(guò)程對(duì)該高度場(chǎng)的影響不太明顯，同時(shí)還說(shuō)明造成4 組試驗(yàn)臺(tái)風(fēng)移動(dòng)路徑差異的原因可能是臺(tái)風(fēng)內(nèi)部因子的作用。

圖3 臺(tái)風(fēng)“米娜”的模擬路徑和實(shí)況路徑Fig.3 Simulated tracks and observed track of typhoon"Mitag"

圖4 是4 組試驗(yàn)在72 h 內(nèi)逐6 h 的路徑誤差變化。由圖可以看出，HY2B 試驗(yàn)的路徑誤差趨勢(shì)跟CTRL 試驗(yàn)結(jié)果比較相似，均為在模擬后期誤差明顯增大；HY2B 試驗(yàn)的結(jié)果除個(gè)別時(shí)刻與CTRL 試驗(yàn)結(jié)果比較一致外，其他時(shí)刻的效果是優(yōu)于CTRL 試驗(yàn)的；CFO 試驗(yàn)結(jié)果明顯優(yōu)于控制試驗(yàn)CTRL，在整個(gè)模擬時(shí)段內(nèi)，誤差均小于CTRL；最后一組同化試驗(yàn)HY2B+CFO 結(jié)果的模擬誤差隨時(shí)間變化不大，在預(yù)報(bào)前36 h 略微優(yōu)于CTRL，在42 h 時(shí)誤差大于CTRL，之后隨著CTRL 的誤差快速增大將二者之間的差距拉開(kāi)，HY2B+CFO 試驗(yàn)結(jié)果在后期明顯優(yōu)于CTRL。從圖中左上角的統(tǒng)計(jì)結(jié)果也可以得知，3 組同化試驗(yàn)對(duì)于臺(tái)風(fēng)路徑的模擬均起到了較好的改善效果。

圖4 4組試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)路徑模擬誤差逐6 h變化Fig.4 Temporal variations of errors in typhoon track simulations at 6-hour interval for 4 groups of experiments

從圖4 中我們可以明顯地看到，在模擬時(shí)段的前54 h 內(nèi)，路徑誤差均控制在150 km 以內(nèi)，54 h 之后，CTRL 和HY2B 兩組試驗(yàn)的誤差開(kāi)始明顯增大，72 h 時(shí)誤差達(dá)到300 km 左右，而另外兩組試驗(yàn)的誤差隨模擬時(shí)效增大不明顯。

4.3 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度72 h模擬結(jié)果分析

4.3.1 臺(tái)風(fēng)中心海平面最低氣壓分析

圖5為臺(tái)風(fēng)中心海平面最低氣壓模擬結(jié)果和實(shí)況對(duì)比情況。由圖可以看出，4 組試驗(yàn)結(jié)果走勢(shì)比較一致，均為氣壓先減小后增大，與實(shí)況的變化趨勢(shì)也基本一致，但是4 組試驗(yàn)結(jié)果在模擬前60 h 均大于實(shí)況，即模擬的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度均偏弱，在模擬時(shí)段的后12 h 里4 組試驗(yàn)出現(xiàn)了分支，CFO 和HY2B+CFO兩組試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度偏強(qiáng)。

圖5 臺(tái)風(fēng)中心海平面最低氣壓模擬結(jié)果和實(shí)況對(duì)比Fig.5 Comparison of simulation results of lowest sea-level pressure in typhoon center and CMA best track data

4.3.2 臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速分析

圖6為臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速模擬結(jié)果和實(shí)況對(duì)比情況。由圖可以看出，4 組試驗(yàn)結(jié)果走勢(shì)比較一致（起報(bào)時(shí)刻除外），均為風(fēng)速先增大再減小，與實(shí)況的變化趨勢(shì)也基本一致，只是4 組試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬結(jié)果均比實(shí)況弱。

圖6 臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速模擬結(jié)果和實(shí)況對(duì)比Fig.6 Comparison of simulation results of maximum wind speed in typhoon center and CMA best track data

不論是從臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓還是中心附近最大風(fēng)速情況分析，4 組試驗(yàn)?zāi)M的臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度均偏弱。分析其原因，可能因?yàn)榕_(tái)風(fēng)強(qiáng)度主要和熱力結(jié)構(gòu)直接相關(guān)，本文的觀測(cè)資料是衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料，更多的是直接改進(jìn)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)等動(dòng)力結(jié)構(gòu)，雖然利用背景誤差協(xié)方差，風(fēng)場(chǎng)的調(diào)整可以傳遞到其他與熱力結(jié)構(gòu)有關(guān)的控制變量，但影響有限，因此對(duì)臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度改進(jìn)不明顯。

5 總結(jié)

本文進(jìn)行了HY-2B 和CFO 兩顆衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料在同化中的應(yīng)用。基于2019 年第18 號(hào)臺(tái)風(fēng)“米娜”，利用WRF 模式及其3DVAR 同化系統(tǒng)對(duì)不同的海洋衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料開(kāi)展同化試驗(yàn)，考察了同化不同散射計(jì)海面風(fēng)對(duì)臺(tái)風(fēng)模擬效果的影響。結(jié)論如下：

（1）對(duì)于臺(tái)風(fēng)路徑，4 組試驗(yàn)的模擬和實(shí)況較為一致，且3 組同化試驗(yàn)的結(jié)果均優(yōu)于CTRL 試驗(yàn)，CFO 試驗(yàn)效果最優(yōu)，其次是HY2B+CFO，HY2B 試驗(yàn)效果相對(duì)弱一些，可能是因?yàn)镃FOSAT 散射計(jì)海面風(fēng)資料的時(shí)間更接近模擬時(shí)刻。

（2）對(duì)于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度，4 組試驗(yàn)的模擬情況與實(shí)況的變化趨勢(shì)較為一致，但是模擬結(jié)果比實(shí)況偏弱，3組同化試驗(yàn)未在臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度模擬中體現(xiàn)出同化的優(yōu)勢(shì)，只有在海平面最低氣壓模擬中，CFO 和HY2B+CFO兩組試驗(yàn)的結(jié)果略微優(yōu)于CTRL。

基于上述結(jié)論可知，同化不同海洋衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)資料對(duì)于此次臺(tái)風(fēng)路徑的模擬都具有不同效果的改善，但是對(duì)于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的模擬效果比較微弱。由于本文結(jié)論只是基于個(gè)例試驗(yàn)的衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的一次應(yīng)用，具有一定的局限性，其結(jié)論并不能直接代表這兩種衛(wèi)星散射計(jì)海面風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的真實(shí)效果，因而下一步將考慮進(jìn)行一年或更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的臺(tái)風(fēng)模擬試驗(yàn)，得出更具代表性和說(shuō)服力的結(jié)論。

致謝：所有CFOSAT 數(shù)據(jù)由中國(guó)國(guó)家航天局（CNSA）和法國(guó)國(guó)家空間研究中心（CNES）提供。CFOSAT 和HY-2B 數(shù)據(jù)來(lái)源于https://osdds.nsoas.org.cn.