同化DMSP－F16 SSMIS資料對(duì)一次暴雨過(guò)程模擬的影響

周 鑫 劉健文 黃江平

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同化DMSP－F16 SSMIS資料對(duì)一次暴雨過(guò)程模擬的影響

周 鑫 劉健文 黃江平

本文利用GSI同化系統(tǒng)同化了美國(guó)國(guó)防衛(wèi)星DMSP－F16 SSMIS亮溫資料，對(duì)2015年8月發(fā)生在我國(guó)東南地區(qū)的一次特大暴雨進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，結(jié)果表明，只加入SSMIS探測(cè)通道2～6對(duì)能模擬出降水的基本范圍，但對(duì)于強(qiáng)降水的強(qiáng)度及位置仍存在一定偏差，在此基礎(chǔ)上加入成像通道12～18能夠明顯提高低層物理量，ETS評(píng)分也有顯著增加，進(jìn)一步改善了模擬效果。

而我國(guó)地處太平洋西岸，每年夏季臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生登陸我國(guó)之后，往往會(huì)對(duì)東南沿海帶來(lái)暴雨災(zāi)害，因此提高降水預(yù)報(bào)精度，以最大限度地預(yù)防和降低暴雨等強(qiáng)降水天氣過(guò)程造成的災(zāi)害和損失，是我國(guó)氣象科技工作者孜孜以求的重要目標(biāo)和任務(wù)。現(xiàn)在數(shù)值模式已經(jīng)成為暴雨預(yù)報(bào)的重要手段和工具，眾多研究表明，在數(shù)值預(yù)報(bào)模式中加入非常規(guī)資料能夠有效地改善模式初始場(chǎng)，提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，而衛(wèi)星資料作為觀測(cè)資料的主要部分，對(duì)提高數(shù)值模式水平作用明顯。美國(guó)國(guó)防氣象衛(wèi)星DMSPF16已成功運(yùn)行多年，NOAA的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)同化其搭載的SSMIS探測(cè)儀的資料后，發(fā)現(xiàn)對(duì)全球中期數(shù)值預(yù)報(bào)水平有一定提升作用，由于SSMIS探測(cè)儀具備同時(shí)擁有成像和探測(cè)兩類通道的特點(diǎn)，因此研究其在數(shù)值預(yù)報(bào)中的應(yīng)用對(duì)我國(guó)衛(wèi)星探測(cè)儀的發(fā)展有一定借鑒作用。本文利用SSMIS資料對(duì)2015年8月8日06時(shí)至8 月10日06時(shí)福建及周邊省份的一次暴雨過(guò)程進(jìn)行模擬，并對(duì)成像通道的利用采用對(duì)比試驗(yàn)以探究該類通道數(shù)據(jù)對(duì)降水模擬的作用。

暴雨過(guò)程介紹

受臺(tái)風(fēng)“蘇迪羅”影響，2015年8月7日開始，粵東地區(qū)出現(xiàn)大雨到暴雨局部大暴雨降水過(guò)程，浙江、安徽、江西、江蘇、廣州等省份也出現(xiàn)了不同程度的強(qiáng)降水，至8月10日06時(shí)，福建浙江兩省的平均降水量超過(guò)100mm，部分地區(qū)最大降水量超過(guò)800mm。9日8時(shí)至10日8時(shí)，福建北部和西南部、浙江、江西中北部、安徽中南部、湖南東南部等地部分地區(qū)降雨50-150毫米；浙江臺(tái)州、紹興、寧波和江西九江、安徽六安局地250-320毫米（最大小時(shí)雨強(qiáng)50-90毫米），江西九江局地350-526毫米（九江廬山區(qū)）。江蘇、浙江、安徽、福建、江西5省33市191個(gè)縣（市、區(qū)）565.5萬(wàn)人受災(zāi)，26人死亡，7人失蹤，93萬(wàn)人緊急轉(zhuǎn)移安置，5.8萬(wàn)人需緊急生活救助；4600余間房屋倒塌，6.1萬(wàn)間不同程度損壞；農(nóng)作物受災(zāi)面積229.8千公頃，其中絕收26.2千公頃；直接經(jīng)濟(jì)損失137.7億元。

資料和試驗(yàn)方案

試驗(yàn)中使用NCEP網(wǎng)站提供的2015年8月8日06時(shí)至10日06時(shí)的FNL再分析資料作為初始場(chǎng)和邊界條件，水平分辨率為0.25°×0.25°，衛(wèi)星數(shù)據(jù)采用的是美國(guó)國(guó)防衛(wèi)星DMSP-F16 SSMIS 的BUFR格式亮溫?cái)?shù)據(jù)，WRF模式中心為20°N，125°E，水平分辨率30km，格點(diǎn)202×202，垂直分層41層，模式層頂高10hPa，時(shí)間積分步長(zhǎng)為180 s，物理過(guò)程采用Kain-Fristsch積云方案，WSM6微物理方案，YSU邊界層方案，RRTM長(zhǎng)波輻射方案，Dudhia短波輻射方案。實(shí)況資料采用國(guó)家氣象信息中心小時(shí)降水格點(diǎn)產(chǎn)品，數(shù)據(jù)源主要包括國(guó)家氣象信息中心制作的中國(guó)區(qū)域小時(shí)降水量融合產(chǎn)品、國(guó)家衛(wèi)星氣象中心利用FY-2E靜止衛(wèi)星反演的小時(shí)降水，以及NCEP-CPC制作的CMORPH衛(wèi)星融合降水產(chǎn)品，分辨率為0.1°×0.1°。試驗(yàn)方案見表1，EXP1為控制試驗(yàn)，不同化任何資料直接進(jìn)行預(yù)報(bào)，EXP2同化SSMIS的探測(cè)通道1～5，EXP3在EXP2基礎(chǔ)上加入SSMIS成像通道12～18。

表1　2015年8月7日06時(shí)～10日06時(shí)暴雨模擬方案

降水模擬效果及評(píng)估

本文利用CMORPH衛(wèi)星融合降水產(chǎn)品的降水量作為觀測(cè)，圖1為2015年8月8日06時(shí)至10日06時(shí)48小時(shí)觀測(cè)降水量（a）和三組試驗(yàn)（b、c、d）模擬降水結(jié)果。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，EXP1沒(méi)有模擬出浙江東部300mm以上的降水區(qū)域，而在江蘇省、江西省和湖北省出現(xiàn)了誤報(bào)區(qū)，尤其在江西省出現(xiàn)了大范圍的模擬降水，而實(shí)況顯示在江西省內(nèi)降水范圍很小，在臺(tái)灣省的降水誤差依然存在。EXP2也沒(méi)有能夠模擬出浙江東部的強(qiáng)降水范圍，位于江西西北部的200mm以上的降水中心也不明顯，安徽省和湖北省的降水量偏大，位于臺(tái)灣省和臺(tái)灣海峽的降水區(qū)誤差進(jìn)一步增大。EXP3較1、2模擬出了浙江省內(nèi)部分降水，但范圍還是偏小，安徽西部和江西北部的降水中心能夠同時(shí)模擬出來(lái)，但兩個(gè)降水區(qū)域中間出現(xiàn)了一定誤報(bào)，位于臺(tái)灣的降水偏差小于前兩組試驗(yàn)。總體而言，EXP1模擬效果不佳，降水范圍偏差較大，降水中心不能夠全部模擬出，而且位置存在一定偏離情況，EXP2 基本能夠模擬出降水范圍，但存在降水中心強(qiáng)度過(guò)大和位置不夠準(zhǔn)確的問(wèn)題，EXP3的模擬效果最好，不僅降水范圍和實(shí)況接近，而且?guī)讉€(gè)強(qiáng)降水中心都能夠模擬出來(lái)，并且降水量與實(shí)況相當(dāng)。

圖1　2015年8月8日06時(shí)～10日06時(shí)48小時(shí)降水實(shí)況（a）及三組試驗(yàn)（b、c、d）模擬結(jié)果

下面采用ETS （Equitable Threat Score）評(píng)分方法（也稱公平TS評(píng)分）對(duì)三組試驗(yàn)的降水預(yù)報(bào)效果進(jìn)行客觀性檢驗(yàn)。首先介紹ETS評(píng)分方法，ETS評(píng)分的具體計(jì)算公式定義如下：

其中NA代表實(shí)況發(fā)生降水，同時(shí)預(yù)報(bào)也滿足標(biāo)準(zhǔn)的格點(diǎn)數(shù)；NB代表實(shí)況無(wú)降水，但預(yù)報(bào)有降水的格點(diǎn)數(shù)；NC代表實(shí)況有降水，但預(yù)報(bào)無(wú)降水的格點(diǎn)數(shù)；ND代表實(shí)況無(wú)降水，預(yù)報(bào)也無(wú)降水的格點(diǎn)數(shù)，為隨機(jī)預(yù)測(cè)系數(shù)。

在進(jìn)行ETS評(píng)分之前，先將CMORPH衛(wèi)星融合降水的格點(diǎn)資料插值到模式的格點(diǎn)上，然后利用ETS評(píng)分公式計(jì)算結(jié)果。圖2是三組試驗(yàn)在8日06時(shí)至10日06時(shí)48小時(shí)分級(jí)降水ETS評(píng)分情況，圖中根據(jù)降水量等級(jí)小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨分別給定了評(píng)分閾值 0.1～9.9mm，10～24.9mm，25～49.9mm，50～99.9mm和100mm以上。從ETS評(píng)分來(lái)看，僅加入SSMIS探測(cè)通道對(duì)小雨、大雨和大暴雨的評(píng)分高于控制試驗(yàn)，但中雨和暴雨評(píng)分低于控制試驗(yàn)。同時(shí)加入SSMIS探測(cè)和成像通道除中雨評(píng)分外，其他均高于控制試驗(yàn)，且所有級(jí)別評(píng)分均高于僅加入探測(cè)通道試驗(yàn)。

圖2　三組試驗(yàn)8日06時(shí)至10日48時(shí)24小時(shí)分級(jí)降水ETS評(píng)分圖

降水因子診斷分析

為了了解三組試驗(yàn)預(yù)報(bào)結(jié)果的差異原因，分別從影響降水預(yù)報(bào)效果的動(dòng)力條件、熱力條件以及水汽條件三方面因子對(duì)EXP2和EXP3分析場(chǎng)增量進(jìn)行對(duì)比，選擇相對(duì)渦度、溫度和水汽通量三個(gè)量沿降水中心緯度23°N作垂直剖面圖進(jìn)行診斷分析。

相對(duì)渦度

圖3　相對(duì)渦度增量場(chǎng)沿23°N的垂直剖面

相對(duì)渦度能夠反映降水系統(tǒng)未來(lái)發(fā)展的情況，圖3是EXP2和EXP3分析場(chǎng)相對(duì)于EXP1的相對(duì)渦度增量垂直剖面圖，圖b是同時(shí)同化SSMIS探測(cè)和成像通道數(shù)據(jù)的試驗(yàn)，在中低層750～600hPa有明顯的正渦度增量區(qū)，在高層接近100hPa處有一定的負(fù)渦度增量區(qū)，說(shuō)明加入同化資料之后低層氣旋式環(huán)流有所加強(qiáng)，高層反氣旋是環(huán)流有所減弱；而圖a是僅同化SSMIS探測(cè)通道數(shù)據(jù)試驗(yàn)，從750hPa到100hPa之間，存在著渦度正負(fù)增量中心交替，左右對(duì)稱的情況，且增量較EXP3小兩個(gè)數(shù)量級(jí)，因此說(shuō)明同化成像資料的加入對(duì)垂直上升運(yùn)動(dòng)有一定促進(jìn)作用。

溫度

由于此次暴雨是受臺(tái)風(fēng)影響而產(chǎn)生的，而高溫能夠給臺(tái)風(fēng)提供更加充足的能量，因此溫度可以作為診斷這次暴雨的一個(gè)熱力因子。圖4是溫度增量場(chǎng)的垂直剖面圖，圖a（EXP2）中，在800～700hPa出現(xiàn)了溫度負(fù)增值區(qū)，700～200hPa均為正增值區(qū)，但量級(jí)很小，最大增量只有0.008K，而圖b（EXP3）中，從800～500hPa均為溫度的正增量區(qū)，且最大值達(dá)到0.8K，遠(yuǎn)大于EXP2，這說(shuō)明EXP3在該處上空更容易形成高溫區(qū)，在500hPa～300hPa之間有一定的負(fù)增量區(qū)，這是由于臺(tái)風(fēng)主體因降水和上升運(yùn)動(dòng)引起的降溫現(xiàn)象，因此可以說(shuō)明加入成像通道數(shù)據(jù)對(duì)中低層的溫度增量的提升效果是十分明顯的。

水汽通量

水汽通量也稱水汽輸送量，是指單位時(shí)間從流經(jīng)與速度矢量正交的單位截面積的水汽質(zhì)量，它表示了水汽輸送的大小和方向，是暴雨形成的必要條件之一。圖5為水汽通量增量場(chǎng)的垂直剖面圖，可以看到圖a（EXP2）中，在700hPa以上有一定的水汽通量增量，但數(shù)值很小，最大增量?jī)H為1e-5 kg/（hPa·m·s），而圖b在相同高度的水汽通量增量則大得多，最大為0.01 kg/ （hPa·m·s），與EXP2相差3個(gè)數(shù)量級(jí)，由此可以說(shuō)明雖然同化SSMIS探測(cè)通道資料對(duì)水汽通量有一定的提高作用，但十分有限，遠(yuǎn)不及加入成像通道后的效果明顯。

圖4　溫度增量場(chǎng)沿23°N的垂直剖面

圖5　水汽通量增量場(chǎng)沿23°N的垂直剖面

結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)2015年8月8日至10日有臺(tái)風(fēng)引起的發(fā)生在我國(guó)華南及臺(tái)灣地區(qū)的強(qiáng)降水天氣過(guò)程，利用GSI同化系統(tǒng)，對(duì)SSMIS探測(cè)通道和成像通道亮溫資料進(jìn)行直接同化和數(shù)值模擬試驗(yàn)。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果分析，得到以下結(jié)論：（1）從模擬結(jié)果來(lái)看，均能模擬出降水的基本范圍，但對(duì)于強(qiáng)降水的強(qiáng)度及范圍存在不同程度偏差，整體而言同時(shí)同化SSMIS探測(cè)和成像通道的模擬效果與實(shí)際最為接近；（2）從ETS評(píng)分來(lái)看，僅加入探測(cè)通道數(shù)據(jù)對(duì)降水評(píng)分的提升不是很明顯，但在此基礎(chǔ)上再加入成像通道使得評(píng)分得以顯著提高。總體上看，SSMIS成像通道數(shù)據(jù)對(duì)進(jìn)一步改善降水模擬效果有明顯作用；（3）從分析場(chǎng)增量可以看出，加入成像通道后對(duì)相對(duì)渦度、溫度和水汽通量等影響暴雨模擬的因子在低層有明顯的提升作用。

周 鑫1劉健文2黃江平2

1.解放軍理工大學(xué)；2.北京航空氣象研究所

周鑫，男，解放軍理工大學(xué)研究生，從事數(shù)值預(yù)報(bào)方向研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.007