淮河流域一次暴雨過程的衛星資料同化試驗

陳光舟 婁珊珊 葉金印 張春莉

防汛與抗旱

淮河流域一次暴雨過程的衛星資料同化試驗

陳光舟 婁珊珊 葉金印 張春莉

一、中尺度數值模式和同化資料介紹

1.WR F模式介紹

本文采用的 WRF（Weather Research&Forecasting）模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）、國家大氣海洋局（NOAA）的預報系統實驗室（FSL）、國家大氣環境研究中心（NCEP）和俄克拉荷馬大學的風暴分析和預報中心（CAPS）等多單位聯合研制和發展的新一代中尺度預報和資料同化模式。該模式提供了一個研究和業務數值天氣預報的通用框架，既適用于1～10km分辨率的模擬，又可用于較低分辨率的業務天氣預報、區域氣候預報、空氣質量模擬和理想化的動力學研究。

本文使用WRF模式三維變分同化方法對衛星AMSU-A和AMSU-B微波輻射率資料進行直接同化試驗，并將使用衛星資料的同化試驗模擬結果與未使用衛星資料的控制試驗模擬結果進行對比分析檢驗。

2.衛星資料介紹

本文使用的衛星資料是第五代NOAA衛星（NOAA-KLM）攜帶的垂直探測器（ATOVS）微波探測單元A型（AMSU-A）和B型（AMSU-B）微波輻射率資料。

二、面雨量計算方法

面雨量（流域平均降雨量）是指一次降雨過程中，整個流域面上的平均累計降雨量。最常用的推求方法有算術平均法、泰森多邊形法和繪制等雨量線法。本文采用泰森多邊形法，首先計算流域各站的時段降雨量，然后根據每個雨量站所占流域面積權重，采用加權法對流域各雨量站的時段降雨量進行疊加求得。流域平均降雨量的計算公式為：

式中：ωi為流域內各雨量站權重，無量綱；Pi為流域內各雨量站的時段降雨量，mm；n為流域內雨量站的個數，無量綱。

本文根據淮河流域集水區,將流域劃分為15個子單元分別計算面雨量（圖1）。

三、暴雨個例描述

2013年7月4～7日，東北冷渦東移，冷渦后部有冷空氣補充南下，副高穩定少變，中低層有切變線由黃淮北部逐漸南壓至江淮地區，且有西風急流配合，受其共同影響，流域自北向南出現較強降水過程。

四、分析與檢驗

選取主要降水時間段2013年7月4日08時～7月5日08時，對 AMSU-A和AMSU-B衛星資料進行直接同化，分析和檢驗同化試驗相對控制試驗的強降水落區以及降雨量（面雨量）的模擬結果。

1.檢驗方法

采用TS和ETS評分2個檢驗量對降雨量模擬效果進行檢驗。ETS稱為公平TS評分，ETS＞0時，為有技巧模擬；ETS≤0時，為無技巧模擬；ETS=1時為最佳模擬。由于公平TS評分對空報和漏報情形都有懲罰，ETS評分會顯著低于TS評分。

將 24 h降雨量分小雨（0.1～9.9mm）、中雨（10.0～24.9mm）、大雨（25.0～49.9mm）、暴雨（>=50.0mm）4個量級，對降雨量模擬結果分量級進行TS 和ETS評分。計算公式如下：

圖1 淮河流域15個子單元劃分圖

式中：Na表示模擬命中站數；Nb表示空報站數；Nc表示漏報站數；Nd表示實況和模擬都未出現降水的站數。

2.強降水落區模擬分析

2013年7月4日08時至5日08時，淮河流域大部分地區出現了降水過程。其中，暴雨區位于南四湖及沂沭泗部分地區，大暴雨在沂河和沭河下游地區（圖2a）。控制試驗對強降水落區的模擬較降水實況明顯偏大，大暴雨落區位置較降水實況偏北（圖2b）；同化AMSU-A和AMSU-B衛星資料后，對暴雨落區范圍的模擬效果優于控制試驗，更接近降水實況，但對大暴雨落區的模擬無明顯改進（圖2c,d）。

3.不同量級降水模擬分析

表1為同化試驗與控制實驗模擬的24h降水TS和ETS評分。AMSU-A同化試驗TS評分高于AMSU-B同化試驗，暴雨以下量級的同化試驗TS評分相對于控制試驗均無正效果；在暴雨量級，同化試驗比控制試驗有所改善。各降水量級的同化試驗ETS評分與控制試驗均為非負值，為有技巧模擬；在中雨和大雨量級，同化試驗ETS評分低于控制試驗；但在小雨和暴雨量級，同化試驗評分優于控制試驗，且AMSU-A同化試驗評分高于AMSU-B同化試驗。

表1 同化試驗與控制實驗模擬的24h降水TS評分和ETS評分（量級單位：mm）

表2 淮河流域15片同化試驗、控制試驗模擬面雨量與實況對比表(單位：mm)

圖2 2013年7月4日08時～7月5日08時降水圖

4.面雨量模擬分析

同化試驗對流域15個子單元（片）的面雨量模擬普遍小于控制試驗，與實況更為接近（表2）。大坡嶺至息縣片以及息縣至王家壩片面雨量實況均為1mm，兩種同化試驗模擬面雨量為0，控制試驗模擬面雨量異常偏大，分別為20mm與21mm。南四湖片面雨量實況為49mm，AMSU-A、AMSU-B同化試驗以及控制試驗模擬面雨量均接近面雨量實況，分別為62mm、60mm和61mm。同化衛星資料后，數值預報模式對流域面雨量模擬效果有所改善。

五、結論

利用WRF模式三維變分同化系統，對淮河流域一次暴雨過程進行直接同化衛星AMSU微波輻射率資料模擬試驗，分析同化衛星資料后對強降水落區和降雨量（面雨量）模擬效果。

（1）衛星資料同化試驗對暴雨及大暴雨落區范圍的模擬比控制試驗更接近降水實況，同化試驗較控制試驗模擬的暴雨及大暴雨落區范圍變小。

（2）同化衛星資料后，在暴雨量級同化試驗TS評分及ETS評分相對控制試驗明顯改善，其中AMSU-A同化試驗模擬結果好于AMSU-B同化試驗模擬結果。

（3）同化試驗對流域15個子單元面雨量的模擬結果比控制試驗偏小，但更接近于降雨實況

（作者單位：安徽省氣象臺230031）