風廓線雷達資料在降水數值預報中的應用探討

李妙英, 楊 璐, 周志敏, 萬 蓉

(1.中國氣象局武漢暴雨研究所暴雨監測預警湖北省重點實驗室,湖北武漢430074;2.解放軍理工大學氣象海洋學院,江蘇南京211101;3.南京信息工程大學,江蘇南京210044)

0 引言

湖北省地處東亞季風區,夏季受西風帶天氣系統和熱帶季風系統的影響,強降水頻繁,持續性或突發性的強降水常常會帶來嚴重的洪澇災害。研究表明,強降水事件主要與中尺度對流系統有關[1-2]。目前,常規無線電探空儀資料沒有足夠的時空分辨率研究此類尺度對流系統,這導致對強風暴降水的認識還不十分清楚。隨著中尺度數值模式的日臻完善和廣泛使用,對于各種天氣現象特別是強降水進行模擬和診斷已經成為當前的常用手段。而在中尺度數值預報中,中尺度系統的初值信息獲取和分析至關重要,初值的好壞直接影響數值預報的質量,是提高中尺度數值預報準確率的關鍵之一[3]。

風廓線雷達與常規大氣探測設備相比,具有連續無人值守、全天候監測及可提供低層大氣三維風場和溫度廓線的特性。布設風廓線雷達一方面能加密現有大氣探測網站,較好彌補常規氣象網站在監測中小尺度天氣系統時空分辨過粗的不足;另一方面,通過應用資料同化技術,可為數值預報系統提供包含更豐富的局地中、小尺度氣象信息的模式初始場。近年來,隨著風廓線雷達在氣象部門的推廣和普及,及因其具有很高的時間和空間分辨[4],可以很直觀的顯示大氣流場的水平分布和垂直結構,氣象學者對利用風廓線雷達資料分析中小尺度系統的連續變化過程做了大量的研究工作。張檉檉等[5]利用邊界層風廓線雷達提供的風場資料,針對發生在南京的一次大暴雨過程,對低空急流與強降水之間關系的詳細分析,指出低空急流脈動及其向地面的擴展程度對短時強降水有一定的指示作用。劉淑媛等[6]通過對照分析風廓線雷達資料逐小時平均風場與雨量之間的關系,揭示了對流層存在的中尺度現象及低空急流的脈動與強降水發生過程在時間上有很好的配合。張京英等[7]針對山東的一次具有明顯的中小尺度系統影響特征的暴雨過程進行分析,發現雷達風廓線資料可以很直觀的反映出降水過程中的風場變化特征,并指出暴雨的產生主要由低空急流的下傳及增強所引起。另外國內外學者對風廓線雷達資料在模式中的應用做了許多研究:Ying Hwa Kuo等[8]利用布網的風廓線資料進行了短期數值天氣預報可行性的分析,并對模式預報的敏感性進行了試驗;Ying Hwa Kuo和Yong Run Guo等[9]利用Nudging方法把美國風廓線雷達網所獲得的觀測資料同化到模式中作12小時的提前預報,發現把風場資料同化到模式中比同化溫度場更為有效。Ying Hwa Kuo等[10]利用MM5的四維變分技術成功地把風廓線雷達資料、每小時降水資料、地面露點和GPS水汽資料同化到模式中,很好地模擬了大氣濕度的垂直結構和降水的分布及總量。張勝軍等[11]將“中國登陸臺風外場科學試驗”中得到的風廓線儀探測資料通過站點nudging技術同化到模式中,并分析對風場及降水數值模擬結果的影響。張勇等[12]對單點的風廓線雷達資料同化及其在模式中的應用進行了初步研究。李華宏等[13]使用VAD方法反演雷達風廓線并處理成標準的探空資料進行了變分同化試驗,結果表明同化風廓線資料有助于改善數值模式的初始場,對降水預報也有不同程度的改善。

采用美國NCAR研究開發的新一代中尺度預報模式(WRF)及其三維變分同化系統(WRF-3DVAR),實現對湖北省咸寧市通山站風廓線雷達資料的間接同化。通過對2010年6月7日發生在咸寧市的一次由于低空急流引起的強降水過程的各項預報進行對比試驗,檢驗和評估風廓線雷達資料的同化對改進數值模式初始場及其數值預報能力的影響及作用。具體在兩個方面進行驗證:首先對同化和未同化的初始場進行對比;其次,將同化風廓線雷達資料得到的結果與實況、未同化的模擬結果進行對比。

1 雨情概況及大尺度環流背景

1.1 雨情概況

根據湖北省地面氣象觀測網提供的實測降水資料2010年6月7～9日湖北省大部普降中到大雨。6月7日12時(為世界時,下同)850hPa天氣圖如圖1所示,在西南地區有一淺槽發展,700hPa有配合槽線和850hPa高空圖上有西南低渦生成,從低渦中心向東沿河南、鄭州形成了切變線,其以南西南氣流發展旺盛,整個湖北地區處于西南暖濕氣流中,850hPa西南氣流的最大風速達到16ms-1,水汽源源不斷向這些地區輸送,低渦切變線為這次降水提供了必需的動力條件。

在該氣象條件下,6月7日09時～21時,咸寧市區累計降水量達到27.3mm,通山縣為25.4mm,赤壁縣為23.9mm,崇陽縣為22.2mm,金沙縣為 27.4mm,通城縣為16.4mm,如圖2所示,其中點P(114.52°E,29.6°N)為通山站所在位置(因數據的原因,降水實況圖與預報場圖在區域范圍上有差異)。

圖1 6月7日12時850hPa天氣圖

圖2 6月7日09時～21時湖北省自動站累積降水實況圖

2 模式參數簡介

采用的數值預報模式是新一代非靜力平衡、高分辨率、科研和業務預報統一的中尺度預報和資料同化模式[14](WRF-V3.2.1版本),水平方向采用Arakawa-C坐標,垂直方向選用質量坐標(Eulerian mass coordinate),它是在 σ坐標的基礎上建立的,即地面為1,模式頂為0。該次模擬,微物理采用Lin方案,邊界層采用YSU方案、長波輻射采用RRTM方案、短波輻射采用Dudhia方案,積云對流化采用淺對流的Kain-Fritsch(new Eta)。模擬區域中心設置為114.52°E,29.6°N(圖2中P點)。模式的初始條件和側邊界條件均采用NCEP每6h一次的全球再分析資料。試驗中模式采用雙重嵌套網格。外層D1區的水平分辨率為15km,格點數為51×51,垂直分層27層。內層D2區的水平分辨率為5km,格點數為70×70,垂直分層27層。模式采用熱啟動方式,積分時間為7日07時至7日21時,預報時間為7日09時至7日21時。

3 數值模擬試驗及結果分析

3.1 試驗方案

為了比較分析同化風廓線雷達資料對初始場的改變及經過同化處理的初始場對數值模擬結果的影響。設計了一組對比試驗:

試驗一:未加入風廓線雷達資料,把模擬結果與實況形勢進行比較。目的是驗證WFR中尺度模式對此次過程的模擬能力。

試驗二:在內層D2區域同化7日07時至09時3個時次的通山站整點風廓線雷達資料。將同化后的初始場和模擬結果與未同化風廓線雷達資料的模擬結果進行比較。目的是驗證風廓線雷達資料對改善模式的模擬能力,以及在降水預報中的作用。

3.2 同化初始場分析

3.2.1 風廓線雷達站點風速、風向及相對濕度的對比分析

圖3給出了通山站(114.52°E,29.6°N)風速、風向及相對濕度廓線在同化前后的分布情況。從圖中可見,同化風廓線雷達資料對風速、風向及相對濕度廓線都有明顯的調整。同化前,低空沒有出現急流,同化后,低空1.5km左右明顯出現一個風速的大值區,最大風速達到16ms-1,和實測數據對應較好。從圖3(b)可以看出,在800～850hPa高度層內,風向為200°～250°,即為西南風,中層為偏西風,高層為西北風,風向隨高度順時針旋轉,可能存在暖平流。相比較而言,同化后低層風向的模擬結果與實況更加接近。另外,同化風場資料,相應地會引起質量場和氣壓場的調整,從而引起濕度場的調整。圖3(c),同化后的相對濕度,在2km以下有增加,且在2km左右開始達到飽和,飽和層相比同化前更加深厚。這說明西南低空急流使水汽源源不斷向這些地區輸送,更利于降水發生。

圖3 2010年6月7日09時廓線分布圖

3.2.2 流場對比分析

圖4給出了以通山站為中心一定范圍內的流場分布。同化前流場變化平緩,風向隨高度順轉,500hPa總體為西南風,氣流平直。700hPa高度通山附近及其南側也主要為西南風,通山北側變為偏南風,存在較弱的氣旋性彎曲。850hPa主要為偏南風。同化后的初始流場發生明顯改變,保持風向隨高度順轉的趨勢不變,雷達站點附近出現明顯波動,且主要在雷達站的下風方向,距離雷達站越近變化越明顯。700hPa、850hPa雷達站下風方向產生了很大的氣旋性彎曲。同化對風速的分布也有影響,雷達站附近的風速梯度加大,700hPa在東南側出現超過14ms-1的低空急流,表明同化后低空急流增強,西南風急流帶向東北方向伸展。850hPa情況類似。這說明同化風廓線雷達風場資料后初始場的精細程度增加,分辨率提高。

圖4 2010年6月7日09時通山站流場分布,陰影表示風速(ms-1)

3.3 數值模擬結果分析

3.3.1 降水量分析

圖5給出了2010年6月7日09時至21時試驗一和試驗二12小時累積降水量,以及試驗二和試驗一相比的12小時累積降水量增量。與實況相比,試驗一和試驗二都沒能把位于(113.6°E,30.0°N)和(114.8°E,29.4°N)附近的雨區模擬出來,且模擬結果比實況都偏小,但試驗二的結果與實況相對接近。另外,試驗一(圖5a)中降雨的一個極值位于雷達站(P點)的東南方,試驗二(圖5b)的一個極值位于雷達站的東北方,且雷達站點的降雨量試驗二比試驗一的大。從試驗結果看,加入了西南低空急流后對雷達站點下風方向的模擬結果改善效果比較明顯,其他方向上隨著相距雷達站距離的增加改善效果減弱(圖5c)。

圖5 2010年6月7日09～21時的累積雨量圖(單位:mm)

總之,同化了風廓線雷達風場資料后,WRF模式對降水落區的預報能力有所改善,特別是實況強降水區域附近降水量級預報也得到了明顯的提高。但在有些模擬區域內模擬的降水量比實況有所偏低,有些區域模擬結果又偏大。但總體說,同化資料對降水的預報有一定的改善。

3.3.2 渦度場和散度場的分析

圖6給出了09時試驗一和試驗二的渦度散度經向垂直剖面圖。從圖6(a)可以看出,在試驗區域低空正渦度最大值為10×10-4s-1,對應散度圖6(c)中的輻合中心值為-10×10-4s-1,200hPa高度存在負渦度中心(強度為-5×10-4s-1)。經過風廓線資料的同化后,低層正渦度范圍明顯擴大,其強中心增大到30×10-4s-1,輻合區的層次也得到明顯增厚,而且強度加強(圖6d中700hPa以下為輻合區,中心散度達到-30×10-4s-1)。400hPa負渦度中心增強到-10×10-4s-1,對應的強輻散中心達到20×10-4s-1。這說明風廓線雷達資料的同化改善了低層的水汽輸送,提高了中尺度數值模式對于低層輻合、中高層輻散的模擬能力。

圖6 2010年6月7日09時經過114.5°E的渦度、散度經向垂直剖面圖(單位:10-4s-1)

圖7 2010年6月7日12時700hPa水汽通量場(單位:gs-1hPa-1cm-1)

3.3.3 水汽輸送分析

水汽通量為單位時間內通過垂直于風向單位面積的水汽量。模式積分12h,對輸出的700hPa水汽通量場和風場(如圖7所示)進行比較發現,試驗一和試驗二中,水汽通量在通山地區對應為大值區,且同化后水汽通量值增大,尤其是在雷達站的下風方向增大明顯。試驗一和試驗二兩種試驗方案下,通山上空均維持西南風,將上游的水汽輸送到本地,為降水創造有利條件。

4 結論

采用美國NCAR研究開發的新一代中尺度預報模式(WRF)及其三維變分同化系統(WRF-3DVAR),實現了對湖北省咸寧市通山站風廓線雷達資料的間接同化,并對發生在2010年6月7日09時至21時湖北省咸寧地區的一次由于低空急流引起的強降雨過程進行了模擬分析,檢驗和評估了風廓線雷達資料的同化對改進數值模式初始場及其降水數值預報能力的影響及作用。初始場分析結果表明,同化后風廓線雷達資料對站點的風速、風向、濕度場及其周圍的流場均有明顯的改善。從模擬結果可以看出,同化后在降水量、降水強度、渦度散度分布和水汽輸送等方面都有較好的改善,暴雨預報的能力有提高。

雖然在該次試驗過程中降水量和降水強度與實況有著較好的一致性,但預報結果在整體雨型、強中心雨量區上仍存在一定的偏差。偏差的大小與距離風廓線雷達站的遠近有關,與選取的個例也有一定關系。今后需要對同化多個站風廓線雷達資料進行研究,并耦合多種探測資料,以進一步探討同化風廓線雷達資料對于模式描述中小尺度強對流天氣的不同影響。相信在不久的將來,隨著風廓線雷達布網的進一步推進,有更多、更密的風場資料可以應用到中尺度模式中,將會大大提高數值模式的預報能力。

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