衛(wèi)星遙感資料在蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)值預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

王振會(huì) 楊 璐 姚展予 王 喆

(1.南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210044; 2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044; 3.中國(guó)氣象科學(xué)研究院,北京 100081;4.中國(guó)氣象局培訓(xùn)中心,北京 100081)

引 言

蒸發(fā)波導(dǎo)[1]預(yù)報(bào)很重要,其主要參數(shù)是蒸發(fā)波導(dǎo)高度,它表明了蒸發(fā)波導(dǎo)的厚度和強(qiáng)度。通常確定蒸發(fā)波導(dǎo)高度的方法有直接測(cè)量法、微波傳播法和雷達(dá)探測(cè)法,但這些方法都無法滿足人們對(duì)大范圍海區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境時(shí)空分布的需求[2]。

數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中尺度模式已具有較高的垂直分辨率,能夠?qū)貙拥闹谐叨痊F(xiàn)象進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)與模擬,在模式中加入衛(wèi)星遙感資料,能大大提高模式初始場(chǎng)質(zhì)量,從而能夠?qū)貙拥闹谐叨痊F(xiàn)象進(jìn)行更好的數(shù)值預(yù)報(bào)與模擬[3]。現(xiàn)代衛(wèi)星遙感技術(shù)可提供全球海面上高分辨率的溫度、風(fēng)速和風(fēng)向、熱帶降水等一系列大氣特征量的觀測(cè)數(shù)據(jù)[4],其中,海面溫度是研究海面水汽和熱量交換的一個(gè)重要物理參數(shù),而海面風(fēng)場(chǎng)幾乎與所有的海水運(yùn)動(dòng)直接相關(guān)。這些具有高時(shí)空分辨率的衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)為研究大范圍海域的蒸發(fā)波導(dǎo)環(huán)境實(shí)時(shí)變化、季節(jié)和氣候變化提供了基礎(chǔ)。

在國(guó)內(nèi),王振會(huì)等[5]利用天氣預(yù)報(bào)模式(WRF),對(duì)發(fā)生在黃淮江淮流域的一次大氣波導(dǎo)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬與對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)WRF模式可以反映出大氣邊界層內(nèi)的逆溫和濕度銳減并較好地模擬大氣波導(dǎo)的變化。胡曉華等[6]利用有限區(qū)域預(yù)報(bào)模式(ARPS)對(duì)一次受臺(tái)風(fēng)影響的大氣波導(dǎo)過程進(jìn)行了分析和數(shù)值模擬,認(rèn)為對(duì)大氣波導(dǎo)進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí),初始場(chǎng)十分重要,同化多個(gè)測(cè)站探空資料的數(shù)值模擬表明ARPS模式對(duì)大氣波導(dǎo)具有一定的預(yù)報(bào)能力。成印河等[7]利用中尺度氣象預(yù)報(bào)模式(MM5)對(duì)大氣波導(dǎo)進(jìn)行了數(shù)值模擬的研究,認(rèn)為MM5模式不僅能夠模擬海上大氣波導(dǎo)的發(fā)生,而且可定量描述低空大氣波導(dǎo)參數(shù)的三維空間變化。陳莉等[8]利用MM5模式對(duì)2007年中國(guó)近海大氣蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行了全年的高分辨的數(shù)值模擬,詳細(xì)分析了蒸發(fā)波導(dǎo)的季節(jié)分布特征及其與海洋環(huán)流和海面氣象條件的相關(guān)關(guān)系。

在國(guó)外,由美海軍研究實(shí)驗(yàn)室(NRL)開發(fā)研制的海洋大氣耦合中尺度預(yù)報(bào)系統(tǒng)(COAMPS)已經(jīng)投入業(yè)務(wù)使用,其功能之一就是預(yù)報(bào)蒸發(fā)波導(dǎo)高度,評(píng)估大氣環(huán)境對(duì)電磁波傳播的影響。Burk和Thompson[9]采用美國(guó)海軍業(yè)務(wù)化區(qū)域大氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)(NORAPS)對(duì)1993年8月23日～9月3日期間太平洋東部沿岸地區(qū)的大氣折射率作了24 h的滾動(dòng)預(yù)報(bào)試驗(yàn),結(jié)果表明:中尺度大氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式能預(yù)報(bào)海岸地區(qū)大氣折射率的日變化及天氣系統(tǒng),如海陸風(fēng)環(huán)流等對(duì)大氣折射率的影響,只是預(yù)報(bào)的大氣波導(dǎo)特征量與實(shí)際還存在一定的差距。

利用WRF中尺度數(shù)值模式及其三維變分同化系統(tǒng),同化海面風(fēng)和海面溫度等衛(wèi)星遙感資料,將Babin蒸發(fā)波導(dǎo)模型與WRF模式耦合,建立了一個(gè)海洋蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報(bào)模式,并用于研究2002年5月25～26日在福建省平潭島地區(qū)的一次蒸發(fā)波導(dǎo)過程。

1 海洋蒸發(fā)波導(dǎo)高度的確定

蒸發(fā)波導(dǎo)高度是表征海洋上蒸發(fā)波導(dǎo)強(qiáng)度的重要參數(shù),也是確定蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)電磁波傳播影響的一個(gè)重要參量。目前國(guó)內(nèi)外確定蒸發(fā)波導(dǎo)高度的模式有多種,包括LKB (Liu-Katsaros-Busin)蒸發(fā)波導(dǎo)模式[15]、MGB(Musson-Genon、Gauthier、Bruth)蒸發(fā)波導(dǎo)模式[10]、Babin蒸發(fā)波導(dǎo)模式[11]等。其中,Babin模式使用了在熱帶海洋全球大氣海氣耦合響應(yīng)試驗(yàn)(TOGA COARE)中提出的描述海洋大氣邊界層物理過程的最新技術(shù),他認(rèn)為該模式優(yōu)于P-J和MGB兩種模式。本文采用Babin基于通量算法的新模型來計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)高度,加入張強(qiáng)等[12]提出的通量廓線關(guān)系,從而將莫寧-奧布霍夫(M-O)理論[13]拓展到甚低風(fēng)速條件下和近岸沿海地區(qū)。

對(duì)于微波波段,大氣折射指數(shù)表達(dá)式為

(1)

式中:A=77.6 K/hPa;B=4 810 K2/hPa;p是氣壓(單位:hPa);e是水汽壓(單位:hPa);T是氣溫(單位:K)。Babin模式使用的M-O相似變量是位溫和比濕這兩個(gè)保守量,借助于位溫θ和比濕q與p、T、e的關(guān)系[11],并利用靜力平衡方程,可得

(2)

根據(jù)M-O相似理論中位溫θ和比濕q的垂直梯度表達(dá)式[13]并令溫度和濕度的普適函數(shù)Φt、Φq相等,由式(2)可得

(3)

式中:θ*、q*為特征尺度參數(shù);L為M-O長(zhǎng)度。當(dāng)式(3)等于形成波導(dǎo)的臨界值-0.157 m-1時(shí),所對(duì)應(yīng)的高度z就是波導(dǎo)高度zd,所以

(4)

式中溫度和濕度的普適函數(shù)Φ在中性、穩(wěn)定條件下以及不穩(wěn)定條件下分別為

(5)

(6)

為了從式(4)解得蒸發(fā)波導(dǎo)高度zd, 需要計(jì)算θ*、q*和L,可根據(jù)文獻(xiàn)[14]和[15]提出的算法來確定。

2 個(gè)例、資料與模式參數(shù)簡(jiǎn)介

2002年5月25日,福建省平潭島附近海域發(fā)生一次蒸發(fā)波導(dǎo),將平潭島鐵塔傳感器測(cè)量的近地層大氣溫、濕、壓、風(fēng)、海表水溫等代入Babin模式中計(jì)算得到的蒸發(fā)波導(dǎo)高度稱為“觀測(cè)結(jié)果”。對(duì)這次蒸發(fā)波導(dǎo)進(jìn)行基于WRF模式的模擬預(yù)報(bào)試驗(yàn),采用當(dāng)日00:00(UTC)NCEP的全球客觀分析場(chǎng)全球分析(FNL)資料作為初始場(chǎng),進(jìn)行直到次日00:00的24 h模擬預(yù)報(bào)。將利用WRF模式預(yù)報(bào)輸出的溫、壓、濕、風(fēng)、海表水溫?cái)?shù)據(jù)代入Babin模式中得到蒸發(fā)波導(dǎo)高度的“預(yù)報(bào)結(jié)果”。

FNL資料格點(diǎn)分辨率1°×1°,屬于全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)(GFS)并經(jīng)過再分析而生成的產(chǎn)品。本文同化的海面風(fēng)和海表溫度資料分別來自于“快速測(cè)風(fēng)”(QuickSCAT)衛(wèi)星和日本靜止氣象衛(wèi)星(GMS5),水平分辨率分別為0.25°×0.25°,0.1°×0.1°.

WRF模式是美國(guó)最新的中尺度區(qū)域模式,水平分辨率設(shè)為30 km,模擬區(qū)域中心為25°N、119°E,垂直分41層[8]。物理過程包括延世大學(xué)(YSU)[16]邊界層過程、KF(Kain-Fritsch)方案[17]、天氣預(yù)報(bào)單時(shí)刻3類簡(jiǎn)單冰方案積云對(duì)流微物理過程[18]、輻射傳輸模式(RRTM)長(zhǎng)波輻射方案,Dudhia短波輻射方案[8]。WRF模式提供了基于變分技術(shù)的數(shù)據(jù)同化模塊,用以同化常規(guī)觀測(cè)、雷達(dá)、衛(wèi)星等各種數(shù)據(jù)以改善初始場(chǎng)。

3 數(shù)值模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)方案

為了對(duì)比資料同化對(duì)初始場(chǎng)和預(yù)報(bào)結(jié)果的影響,設(shè)計(jì)了4種試驗(yàn)方案進(jìn)行對(duì)比分析:

1) 模式不加以下任何一種可同化資料,積分24 h;

2) 同化25日00∶00的海面風(fēng)資料,積分24 h;

3) 同化25日00∶00的海表溫度資料,積分24 h;

4) 同時(shí)同化25日00∶00的海面風(fēng)資料和海表溫度資料,積分24 h.

3.2 模擬結(jié)果分析

3.2.1 同化對(duì)初始場(chǎng)的影響

計(jì)算蒸發(fā)波導(dǎo)只需要近地層一層的氣象數(shù)據(jù),所以下面僅分析近地層10 m高度處同化對(duì)初始場(chǎng)的影響,如圖1所示。

(a) QuickSCAT風(fēng)場(chǎng) 同化前的初始風(fēng)場(chǎng) (b) QuickSCAT風(fēng)場(chǎng) 同化后的初始風(fēng)場(chǎng) (c) GMS5海表溫度同化 前的海表溫度初始場(chǎng) (d) GMS5海表溫度同化 后的海表溫度初始場(chǎng)圖1 2002年5月25日00:00資料同化對(duì)初始場(chǎng)的影響

圖1(a)與(b)分別表示同化前、后的10 m高度處風(fēng)場(chǎng)。可見,同化前,南海地區(qū)強(qiáng)風(fēng)速區(qū)的速度最大值分別位于點(diǎn)(117.5°E,22.5°N)及(122°E,21.5°N)附近,最大值為8;同化后,強(qiáng)速度區(qū)向東北方向偏移,速度最大值增大到12,位于(122°E,24.5°N)附近。同化后，風(fēng)場(chǎng)速度中心發(fā)生了偏離,且中心數(shù)值最大值增大。

圖1(c)與(d)分別為同化前與同化后的海表溫度圖。對(duì)比可見,同化海表溫度之后對(duì)海面上的溫度影響較大。其中,在臺(tái)灣島以北的海域內(nèi),同化后溫度上升了2～3 ℃,而在臺(tái)灣島以南的大面積海域經(jīng)同化,溫度普遍升高了1 ℃.

3.2.2 蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比分析

將在4種試驗(yàn)方案下WRF每小時(shí)一次預(yù)報(bào)輸出的海面大氣溫、濕、壓、海表水溫、海面風(fēng)速等參量分別代入Babin模式中,計(jì)算得到25日00∶00～26日00∶00連續(xù)24 h的蒸發(fā)波導(dǎo)高度。因篇幅所限,僅給出25日00∶00的4種方案下的WRF預(yù)報(bào)結(jié)果,如圖2所示,4種方案下的預(yù)報(bào)結(jié)果均呈現(xiàn)出東南沿海地區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)的發(fā)生,在模擬的初始時(shí)刻,未同化任何觀測(cè)資料的蒸發(fā)波導(dǎo)高值區(qū)主要位于西南象限,高度達(dá)到22 m以上;其他3種方案下的蒸發(fā)波導(dǎo)高度高值區(qū)主要位于西北象限,高度最大值增加,達(dá)到24 m以上。隨著時(shí)間的推移,4種方案下的蒸發(fā)波導(dǎo)高度都不斷降低,26日00∶00已經(jīng)降到18 m以下。

為了定量比較4種方案下WRF的預(yù)報(bào)結(jié)果,用平潭島站(119.78°E,25.52°N;圖2(d)中點(diǎn)P處)蒸發(fā)波導(dǎo)高度的觀測(cè)結(jié)果分別與4種方案下的模式預(yù)報(bào)值進(jìn)行對(duì)比,如圖3所示。其中黑實(shí)線表示鐵塔觀測(cè)值,其他線分別表示不同試驗(yàn)方案下的模式預(yù)報(bào)值。

(a) 第1種方案 (b) 第2種方安 (c) 第3種方案 (d) 第4種方案圖2 2002年5月25日00∶00的4種試驗(yàn)方案下WRF模式預(yù)報(bào)的蒸發(fā)波導(dǎo)高度結(jié)果圖

圖3 2002年5月25日00:00～26日00:00的種方案下平潭島蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)報(bào)與觀測(cè)對(duì)比(其中橫軸1 h表示25日00:00,其余類推)

用Xi和Yi分別代表模式預(yù)報(bào)結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果的蒸發(fā)波導(dǎo)高度值,“Xi-Yi”為預(yù)報(bào)誤差。分別計(jì)算4組預(yù)報(bào)值的誤差均方根(RMS)、無偏誤差均方根(RMS′)以及相關(guān)系數(shù)rXY[19]。結(jié)果如表1所示。

表1 平潭島蒸發(fā)波導(dǎo)高度的預(yù)報(bào)結(jié)果統(tǒng)計(jì)量

從圖3和表1可以看出：本模式方法預(yù)報(bào)值與觀測(cè)值變化規(guī)律基本一致(4種方案下相關(guān)系數(shù)都在0.92以上),但同化遙感資料有助于提高相關(guān)系數(shù);“同時(shí)同化海表風(fēng)和海面溫度”情況下,經(jīng)過偏差訂正后的預(yù)報(bào)效果最好(表中RMS′最小)。單獨(dú)同化海面風(fēng)或海面溫度資料都會(huì)改善預(yù)報(bào)結(jié)果,但單獨(dú)同化海面溫度不如單獨(dú)同化海表風(fēng)場(chǎng)。

模式預(yù)報(bào)的波導(dǎo)高度總體上都比實(shí)測(cè)計(jì)算值偏高。海面微氣象條件如近地層大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、海表水溫對(duì)蒸發(fā)波導(dǎo)的高度具有決定作用。陳莉等[8]指出,相比海溫而言,海氣溫差和海面風(fēng)速對(duì)波導(dǎo)高度的影響較大,海氣溫差與波導(dǎo)高度呈負(fù)相關(guān),海面風(fēng)速與之呈正相關(guān)。穆均[20]利用南海6個(gè)島嶼站對(duì)NCEP再分析風(fēng)場(chǎng)資料按五年、季節(jié)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果顯示:NCEP風(fēng)速比西沙、南沙、珊瑚島和東沙實(shí)測(cè)風(fēng)速都偏大。所以,模式中所采用的風(fēng)向風(fēng)速資料相比鐵塔傳感器實(shí)測(cè)資料值相對(duì)偏大,這在一定程度上造成了模式預(yù)報(bào)的波導(dǎo)高度總體上都比實(shí)測(cè)計(jì)算值偏高。

對(duì)于缺少觀測(cè)資料的海洋,同化散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料和GMS5海面溫度資料可以明顯改善模式初始場(chǎng),對(duì)于低層風(fēng)場(chǎng)和海面溫度有一定的調(diào)整。其中,第二組同化方案對(duì)預(yù)報(bào)效果改善最為明顯,這主要是由于QuickSCAT散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)的反演不僅使用了SeaWinds探測(cè)數(shù)據(jù),還應(yīng)用了數(shù)值天氣預(yù)報(bào)資料(NWP)和專用傳感器微波成像儀(SSM/I)或熱帶降雨測(cè)量衛(wèi)星(TRMM)等的多通道微波探測(cè)資料以及海陸模式,是多種資料綜合應(yīng)用的結(jié)果。雖然散射計(jì)風(fēng)場(chǎng)資料同化對(duì)于質(zhì)量場(chǎng)以及中高層垂直結(jié)構(gòu)的影響有限,但對(duì)于低層風(fēng)場(chǎng)調(diào)整比較大,而本文中所需要的是近地層的海面風(fēng)場(chǎng),所以它對(duì)于海面風(fēng)初始場(chǎng)的優(yōu)化效果非常明顯。可見,同化遙感資料對(duì)于本模式方法的蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)報(bào)是有幫助的。

4 結(jié)論與分析

本文以WRF模式為基礎(chǔ),通過WRF3D-VAR變分同化系統(tǒng)將海面風(fēng)速、海面溫度資料等衛(wèi)星遙感資料同化,然后耦合Babin蒸發(fā)波導(dǎo)模式,構(gòu)建了一個(gè)海洋蒸發(fā)波導(dǎo)預(yù)報(bào)模式,并用于模擬了2002年5月25日00:00至26日00:00(UTC)福建省平潭島附近海域的一次蒸發(fā)波導(dǎo)過程,比較了衛(wèi)星遙感海面風(fēng)和海面溫度資料的同化對(duì)模式初始場(chǎng)和其后24 h蒸發(fā)波導(dǎo)高度預(yù)報(bào)的影響,經(jīng)與平潭島鐵塔觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比表明：衛(wèi)星遙感資料同化可以使模式初始場(chǎng)優(yōu)化,有助于改善預(yù)報(bào)結(jié)果,蒸發(fā)波導(dǎo)高度的24 h之內(nèi)模式預(yù)報(bào)結(jié)果與鐵塔觀測(cè)值結(jié)果變化規(guī)律基本一致。

雖然本次福建平潭島地區(qū)蒸發(fā)波導(dǎo)數(shù)值預(yù)報(bào)的高度與觀測(cè)數(shù)據(jù)有著較好的一致性,但是由于廣大海洋地區(qū)缺少高時(shí)空分辨率的觀測(cè)資料,可供對(duì)比分析的實(shí)測(cè)資料較少,所以對(duì)于大片海域蒸發(fā)波導(dǎo)高度的驗(yàn)證無法實(shí)現(xiàn),數(shù)值模擬區(qū)域蒸發(fā)波導(dǎo)的可靠性尚需進(jìn)一步驗(yàn)證和改進(jìn)。

致謝：感謝潘維玉老師、韓豐同學(xué)等在研究工作中的幫助，感謝福建省平潭島氣象局在一些資料獲取上的大力支持。

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