FY-2D云導風在“鯰魚”臺風模擬中的同化試驗

蘇 捷, 朱克云, 張 杰

(1.成都信息工程學院大氣科學學院,四川成都610225;2.成都軍區空軍氣象中心,四川成都610041;3.中國人民解放軍96115部隊,吉林通化134001)

1 引言

隨著近幾年大氣觀測技術的逐步提高,衛星、雷達等一系列高分辨率的非常規觀測已在預報和數值模擬等方面取得了較為廣泛應用,成效顯著,很大程度的彌補了常規觀測資料時空分布不足的缺點。對于觀測稀疏的海洋以及高原地區,云導風資料可以對數值預報的初始場做重要補充和改善。

早在20世紀80年代的美國衛星應用會議上,Purdom et al.[1]就提出可以通過追蹤衛星照片中云的移動和發展,來觀測分析風暴等中尺度系統的發展和演變。之后隨著新型號衛星的發射及新探測器的出現,云導風在數值模擬中的使用和研究也越發廣泛,John F.Le Marshall et al.[2]通過對比了3種不同的資料同化方法的結果之后,得出：變分方法能更好的利用高時空分辨率的云導風資料中所含的信息。R.C.Bhatia et al.[3]通過在有限區域模式中同化METEOSAT-5水汽通道的云導風數據,得出加入云導風可以對熱帶氣旋的路徑預測產生了正效果。B.J.Soden et al.[4]通過在GFDL颶風模式中同化GOES-8的云導風資料減小了對颶風路徑預報的偏西誤差,得出同化云導風可以較好的優化初始場,減小預報誤差。云導風對臺風路徑的影響在國內也有較多的研究和探索,張守峰等[5,6]使用GMS-5衛星云導風資料用最有插值法訂正客觀分析風場,發現新的分析場對臺風路徑預報有明顯改進。王棟梁等[7]通過一系列四維變分同化試驗同化GMS-5水汽和紅外云導風資料,結果表明同化之后對熱帶氣旋路徑預報有一定改善。莊照榮等[8]通過使用GRAPES同化GMS-5衛星云導風資料對“森拉克”臺風做24小時預報,得到了質量更高的風壓場和更準確的預報路徑。何斌等[9]以同化試驗和無同化控制試驗的檢驗對比,得出云導風資料對u,v風場的改進主要集中在對流層高層,對中低層的影響不很明顯。我國自FY-2C靜止衛星的發射至退役(現在被FY-2E衛星的成功替代),其云導風產品在數值模式中的使用大多用于對暴雨的模擬預報或數據的統計處理,而在臺風預報方面并沒有進行太多研究。如李華宏等[10]同化FY-2C云導風資料發現在暴雨區附近初始風場低層的西南氣流明顯加強,能很好地改善24h暴雨預報的強度和落區。其他分析[11-13]也證實在暴雨預報業務和科研中,云導風資料的使用對提高降水預報質量是一個有效途徑。何志新等[14]在一個個例中同化了一個時次的FY-2C云導風資料,得出其對臺風的降水預報有較好改善。

鑒于FY-2C衛星退役之后,國內對我國云導風產品研究和應用較為少缺,因此以不同于前人的研究思路和方法,對FY-2D導風產品進入WRF-3DVAR模塊的同化結果進行探討,并分析不同通道的產品和不同同化方法對臺風預報的可能產生的影響。

2 云導風資料來源及其預處理

利用靜止氣象衛星紅外云圖和水汽圖像資料,追蹤連續的幾幅云圖上的目標云塊(示蹤云)的位移,估計出大氣的運動并利用球面三角公式推算出平均運動矢量,作為該區域示蹤云所在高度的風的近似,這種運動矢量稱為大氣運動矢量(Atmosphere Movtion Vector,AMV),即國內所稱的云導風(云跡風)。

所使用的云導風資料來自國家衛星中心的FY-2D大氣運動矢量產品,其等壓面高度是根據云塊的環境溫度推算得出。產品在生成過程中,國家衛星中心產品開發人員首先對接收到的數據進行了嚴格的質量檢驗和容錯處理,其后又應用雙通道法對矢量高度進行估計,最后再經過空間連續性,時間連續性,地物剔出等一系列質量控制的調整[15]。因此,本文所用云導風資料已經通過質量檢驗,數據真實可用。

FY-2D 云導風數據的計算范圍從 37°E-137°E,50°N-50°S,即 100°×100°,分辨率為 1°×1°。將下載的2010年10月18日到2010年10月23日的導風數據解碼并提取,由于云導風是依據云頂的移動確立,因此對該時間段內所有導風數據在高度上的分布情況進行統計,結果如表1所示。

表1 云導風產品的高度分布(單位：hPa)

可見云導風數據云跡風垂直分布比較復雜,且大多不在標準的層次上,并且高層的導風資料較多主要集中在500hPa以上,其中紅外通道70%,水汽通道95%,而對于中、低層資料較少,且水汽通道遠少于紅外通道。

為了避免或減小相鄰數據間的相關性,在進行資料的同化之前需要將分布密集的數據稀疏化處理。處理方法：把處于標準氣壓層(包括：200hPa,500hPa,700hPa,850hPa)±50hPa范圍的所有數據的均值作為該標準氣壓層上的數據值。稀疏化處理之后的數據分布如圖1所示。

3 試驗的設計和方法

3.1 臺風個例的介紹

1013號超強臺風鲇魚是近20年來,巔峰時刻中心氣壓低于890hPa的唯一一個臺風,“鲇魚”最顯著的特征就是中心附近的風力很大,在10月17日晚上21點左右,美軍的探測飛機穿越臺風鲇魚的中心進行探測。落海儀器測得890hPa的海平面氣壓,和85m/s的一分鐘平均風速。18日凌晨開始,鲇魚進入巔峰狀態,并在18日中午12：25左右,在菲律賓呂宋島伊麗莎白省登陸,這是4年來全世界范圍內登陸的最強臺風。10月23日12時55分在福建省漳浦縣沿海登陸,登陸時中心附近最大風力有13級(38m/s),中心最低氣壓為970hPa,成為2010年西太平洋和南海海域生成的最強臺風。

3.2 模式的介紹

所用模式為WRFV3.2,微物理過程采用WSM3方案,對流參數化方案選擇修改過的Kain-Fritsch方案(能夠較好的同時描述深對流和淺對流過程),試驗中初始場和側邊界條件選用NCEP 1°×1°預報資料,每6h更新一次側邊界條件,模式水平分辨率30km,垂直方向分28層,積分步長為180秒,資料3小時輸出一次,云導風資料的同化在每天的00時和12時,同化時間窗口取±3小時。

3.3 試驗的目的和方案

首先,通過對導風數據的同化前和同化后的比較,包括對兩種不同通道數據同化之后效果的比較,不同同化方案的結果對比,以及對比分析資料稀疏化處理的效果,探討FY-2D云導風產品對臺風路徑和物理量場的改善作用。

圖1 稀疏化處理后數據分布

其次,以往在WRF模式的應用中,模式的向前積分往往只限于48小時以內,以避免模式中誤差的累積增大,然而如果在進行長時間連續積分的同時結合循環同化,效果會更好還是更差呢,將通過延長積分時間(延長為120小時)來對此進行試驗和探討。

研究設定了兩個同化方案,4組試驗對比：

同化方案一：初始時刻進行模式的冷啟動,之后采用每12小時一次的同化循環,總共積分120小時。

同化方案二：在方案一基礎上,每積分24小時進行一次冷啟動。

試驗設計如表2所示：

表2 試驗設計

4 試驗結果的對比和分析

4.1 臺風路徑的模擬對比

由于云導風資料多分布于200-300hPa左右的對流層中上部,低層資料比較稀少,為了更好的比較同化之后的模擬效果,因此所做研究均取模擬后的200hPa高度為研究對象,取200hPa的結果畫路徑圖,為了區分圖中不同的試驗結果,每隔6小時以不同符號進行標記,如圖2所示。

圖2 路徑圖：其中實況(實心圓),控制試驗(空心圓),IR1同化(空心方),IR3同化(實心方)

圖2(a)中包含實況,控制試驗,對比試驗1和對比試驗2;圖2(b)中包含實況,控制試驗和對比試驗3;圖2(c)中包含實況,控制試驗和對比試驗4。分別對圖2的(a),(b),(c)進行分析可以分別得出3組結論。

從圖2(a)中可以看出：(1)沒有進行任何同化的控制試驗所模擬的臺風路徑與實況路徑相比,在前50小時二者基本吻合,隨著模擬時間的延長,控制試驗臺風中心漸漸向東偏離,并且移速增大,登陸較早。(2)根據鯰魚臺風的實況觀測,臺風在19日12點到14點開始北折(即圖中路徑上第7個點),此時對比試驗1和對比試驗2的結果與實況的偏差開始增大,均明顯偏東,比控制試驗出現明顯偏差的時間偏早。尤其是對比試驗2,負效果遠大于另外兩組實驗,然而同化了IR1-AMV的對比試驗1在22日00時(即第16個點)以后,臺風的路徑相比控制試驗更加貼近于實況,移速也比其他兩組實驗更接近實況,可見同化在此時產生了較明顯的正效果。(3)以模擬48小時為界(即圖中路徑上第9個點),在此時刻之前3條試驗模擬路徑近乎重合,與實況路徑之間的偏離也較小,同化的效果并不能明顯表現出來,而此時刻之后,同化效果開始凸現,有正效果的(如IR1-AMV)會使路徑出現回正,減小與實況的偏差,有負效果的(如IR3-AMV)則會加劇偏差的增大。因此綜上所述：不論是控制試驗還是兩組對比試驗,模擬的臺風路徑都存在偏東的誤差;其中加入了同化過程的兩組對比試驗出現明顯東偏的時間要早于控制試驗;從臺風的路徑和移速來看,同化IR1-AMV的效果要優于同化IR3-AMV的結果;并且同化效果的凸顯出現在48小時之后。

圖2(b)采用同化方案二,每24小時一次的冷啟動將由圖2(a)得出的同化后臺風路徑普遍偏東的現象控制在了一定的范圍內,使得同化結果與實況路徑的偏差明顯減小,甚至二者都優于控制試驗,幾乎與實況完全擬合,唯一不足之處是每次模式冷啟動時都會出現離群點(即偏離其他點較遠的點)。可見是否進行冷啟動對臺風路徑的預報的準確率有很大影響,且每次冷啟動后的積分時間均較短,因此不能如圖2(a)般很好的反映兩種云導風數據的優劣。

對于沒有經過稀疏處理的導風數據同化結果如圖2(c)所示,從圖中可以看出兩次同化的路徑與控制試驗的路徑相差無幾,不同于圖2(a)有明顯的正負同化效果,從整體上看,圖3同化后的兩條路徑只是在控制試驗結果的基礎上有較小的變化,且路徑迂回蜿蜒,不符合臺風的實際移動特征,如圖中出現的：北移的臺風突然向南折返。出現這種情況,分析其原因主要在于原始資料無規律的分散在垂直方向的各個高度上(經統計：原始云導風數據中IR1通道處于200hPa的觀測有386個,IR3通道中有562個,而如圖1所示：稀疏后的IR1通道中處于200hPa的觀測有84760個,IR3通道中有75126個),因此稀疏前能用于同化的200hPa的數據個數遠遠小于稀疏后的,使得該區域在該氣壓層只有幾個格點周圍有觀測值可以同化,使得同化效果不明顯并且影響了整體的平衡性,而造成了路徑回折的現象。

4.2 物理量場的增量分析

由于云導風是衛星反演的大氣運動矢量,體現的是高空氣流的流動,因此從同化對位勢高度場和風場的改善作用進行比較分析。由于增量圖的相減作用,去除模式自身的系統偏差和長時間積分過程中模式誤差的積累,可以更好地比較兩種不同通道的導風數據的優劣。

圖3 對比試驗1,19日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負,單位：gpm)

圖4 對比試驗2,19日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負,單位：gpm)

圖5 對比試驗1,20日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負,單位：gpm)

圖6 對比試驗2,20日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負,單位：gpm)

圖7 對比試驗1,21日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負,單位：gpm)

圖8 對比試驗2,21日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負,單位：gpm)

圖2-8為對比試驗1和對比試驗2的位勢高度增量圖(同化后減去同化前,各自取3個時次)。由圖可知,不論是同化哪個通道的云導風資料,在臺風以外的區域位勢高度的變化均在±10gpm左右,并且隨著積分時間的增長,其變化幅度遠小于臺風區域;且都有兩個強度中心,其中正值中心代表的是同化前的臺風中心,負值中心代表同化后的臺風中心,且負值中心均位于正值中心東面,符合同化后臺風中心偏東的結論。以22日00時(即積分48小時)為界,對比圖3、7和圖4、8,可知：在此時刻之前,兩組試驗的正負中心位置均為西正東負,中心強度為±40gpm;在此時刻之后的對比試驗1中,正負中心位置由西東對稱變成了北南對稱,中心強度的增幅為30-40gpm,對比試驗2中的正負中心位置保持西正東負不變,正負中心強度卻增加到了±150gpm,增幅達100gpm以上。因此可以得出,當模式連續積分48小時后,雖然兩個實驗都存在誤差的累積增長,但不論是臺風路徑還是中心強度,同化紅外通道導風數據的效果都要好于同化水汽通道的數據。

在對臺風的研究中,臺風的移動主要取決于周圍環境中引導氣流的影響,而高空氣流的旋度和散度也是評測臺風的重要因素,因此風場的變化對臺風預報有著較大的意義。雖然導風數據的高度確定存在誤差,但是對于觀測稀少的洋面,云導風可以近似看做高空的實況風場,因此從風場的增量圖中可以清楚的看出同化之后云導風對控制試驗中風向和風速的改變值。

圖9和圖10所使用的云導風均為紅外通道,不同之處在于：前者取自對比試驗1的熱啟動同化,后者取自對比試驗3的冷啟動同化。如圖9,10所示,20日之前,兩組試驗在臺風以北區域都有較強的東風分量的增量;20日以后,在臺風以西區域出現較強的南風氣流增量,北部東風增量減弱。

圖9 對比試驗1的200hPa風場增量圖(單位：m/s)

圖10 對比試驗3(IR1-AMV)的200hPa風場增量圖(單位：m/s)

此外對比兩組試驗臺風區域的旋度及高空散度可知：熱啟動同化在高空會出現比冷啟動同化更強的氣流輻散增量;冷啟動同化則會反映出較熱啟動同化更加明顯的反氣旋氣流增量。可以得出：不論是哪種同化方法,對環境風場中的引導氣流都有明顯的增強作用;并且都可以反映出臺風在移動過程中在不斷減弱,但熱啟動同化表現在氣流散度的改變,冷啟動同化表現在旋度的改變。

5 結論

打破了以往在區域模式中進行同化云導風和模擬臺風時,以控制模式連續積分的時間(通常為48小時以內)來減小誤差累積的慣常做法,將積分時間延長至120小時,并且結合了兩種同化方案：熱循環同化和冷啟動同化與熱啟動同化交替進行。以此驗證了對云導風數據進行稀疏處理的必要性,兩種同化方案和兩種通道的導風資料的優劣。

對云導風資料進行垂直方向上的稀疏化,可以有效地增加其在水平面上的數據個數,確保大部分格點有觀測可同化,避免同化之后分析場出現明顯的不平衡性(對比試驗4)。雖然連續積分120小時使得臺風的模擬路徑較實況路徑的偏差持續增大(控制試驗),然而同化了紅外通道云導風的模擬路徑卻在積分48小時之后,出現了明顯的正效果(對比試驗1),水汽通道的則為明顯的負效果(對比試驗2)。而將積分時間限制在48小時之內,雖然能保證臺風模擬路徑最接近于實況,卻無法分辨兩個通道導風的質量好壞(對比試驗3)。通過對位勢高度增量的分析,不論是對臺風的路徑還是中心強度的模擬,紅外通道的導風資料都要優于水汽通道。從風場的增量圖中,對比了熱啟動同化和冷啟動同化,發現兩種方法都可以較好的反映出臺風在移動過程中的不斷衰減,但熱啟動同化表現在氣流散度的改變,冷啟動同化表現在旋度的改變。

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