應用譜逼近方法模擬2008年初南方持續性降水過程及其水汽通道周期特征分析

王淑莉 徐祥德 康紅文 張勝軍 張夕迪

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應用譜逼近方法模擬2008年初南方持續性降水過程及其水汽通道周期特征分析

王淑莉1徐祥德1康紅文1張勝軍1張夕迪2

1中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081,2國家氣象中心，北京100081

本文利用譜逼近方法，對2008年初發生在我國南方的大范圍持續性降水過程進行了對比試驗，結果發現使用譜逼近方法的試驗模擬所得的雨帶空間分布和降水強度明顯優于沒有使用譜逼近方法的試驗。對于低層受槽線、風切變線等頻繁影響的區域，使用譜逼近方法的試驗得到的經向風場具有2～4天的顯著周期特征，與實況較為一致，即該方法能夠提高模式對經向風場的模擬能力。綜合分析水汽輸送通道、模擬區域位置以及水汽通道超前高相關區的周期特征可知：譜逼近方法可能把中南半島東部區域這一超前高相關區的經向水汽輸送信息引入模式，從而改善了模式對降水區水汽收支周期的模擬能力，這可能是該方法能夠改善降水模擬的重要原因之一。另外，對于譜逼近方法沒有直接作用的模式變量，經過模式內部各變量之間的相互調整，其在譜逼近試驗中的統計結果也有不同程度的提高。本文研究結果表明，譜逼近試驗通過引入外源性的周期特征因素項，調整了模式與大尺度驅動場之間的協調關系，進而能夠提高兩周內模式模擬水平。此方法可能會在模式數值預報中具有一定的實際使用價值。

降水模擬 譜逼近 水汽輸送

1 引言

隨著大型計算機的發展、模式自身的完善以及衛星、雷達等非常規資料的應用，數值天氣預報的準確率不斷提高。目前數值模式中期可用形勢預報可達9～10天左右，兩周內模式預報包含時間段10～14天，屬于延伸期預報的范疇。而延伸期預報被認為是數值預報的一個縫隙，在此時間段內，初值信息微弱、初始條件的不確定性使得初始誤差隨時間增長，積分到3～5天后誤差倍增；此時外源強迫作用開始顯現，它既是初值問題也是邊值問題，這在理論上決定了做延伸期的預報相當困難（Peng et al.，2013）。同時，持續性天氣異常可以引發多種嚴重的氣象災害，如夏季持續性暴雨引發的洪澇、持續性的高溫熱浪、冬季雨雪冰凍災害、春秋季低溫連陰雨以及持續干旱少雨天氣等，對人民的生命財產安全以及社會經濟的健康發展構成了嚴重的威脅。因此如何改進兩周內數值天氣預報，并且使之具有實際使用價值值得深入研究。

Peng et al.（2013）提出利用異常整合和歷史氣候資料的方法改進15天內數值天氣預報，把預報對象分解為氣候平均值及其距平值兩部分，即把氣候值的演變看作已知，模式預報的是距平值，這個方法是對數值模式預報結果進行調整，形成最終預報。丑紀范等（2010）以數值模式為基礎，提出一種 10～30天延伸期數值天氣預報的設想，認為10～30天的預報雖然超出了逐日天氣的可預報時限, 但仍存在可預報分量，針對可預報分量和混沌分量應采用不同的策略和方法。鄭志海（2010）以國家氣候中心業務月動力延伸預報系統為基礎，從可預報性理論出發，提出分離可預報分量和混沌分量的方法以及可預報分量和混沌分量的集合預報方法，最終建立了一個可以實時運行的中期延伸期預報系統。王啟光（2012）從數值模式預報變量誤差增長的角度出發，發展了在實際大氣模式中提取可預報分量的方法，初步建立了針對10～30天延伸期預報的預報模式。

在數值天氣預報模式積分過程中，誤差來源主要有初始誤差和模式誤差兩個方面。為了減少數值預報的初始誤差，大量高精度、高時空分辨率的觀測資料以及各種資料同化技術都被用來改善模式初值，這些工作無疑能給初值條件帶來優化。但是由于觀測誤差、資料密度以及對觀測資料的客觀分析過程中不可避免地存在誤差，再精細的初值場也只是大氣真實狀態的一種近似（車玉章，2014）。在區域動力模式預報中，模式受大尺度偏差的影響較為嚴重，區域模式又使得大尺度偏差繼續擴大，這極大地制約著區域動力模式的預報時效。Davies（1976）提出了設立緩沖區的側邊界方案去協調區域模式與大尺度強迫場之間的差異。這一方案自提出后就廣泛應用于區域模式中，包括現在應用廣泛的Weather Research and Forecasting Model（WRF）。然而這一方案沒有考慮到大尺度偏差在區域內也是會有發展的，因為區域模式不具備識別大尺度波的能力，因此不具備在有限區域內合理改變大尺度波主要性狀的能力。

由于兩周的數值預報積分時間長，初值信息在后期積分過程中信號越來越弱，外源強迫作用越來越強，因此單純使用緩沖區的側邊界方案去協調區域模式與大尺度強迫場之間的差異，僅從模擬區域邊界上添加強迫已遠遠不夠。

為引入外源強迫信息，在WRF模式中有分析逼近法（Analysis Nudging）、觀測逼近法（Observation Nudging）以及譜逼近方法（Spectral Nudging）。其中，分析逼近方法是把驅動場格點值插值到以模式當前時間步長為基礎的、趨向網格分析法，觀測逼近法是將時空分布不均勻的站點觀測值同化到模式中（Stauffer and Seaman，1990，1994；Stauffer et a1.，1991；Seaman et a1.，1995)。這兩種方法對欲引入的外源強迫場的各尺度信息無區別對待，向模式添加外源性的中小尺度信息反而可能會對模式本身模擬出的中小尺度信息造成影響，不利于模擬結果；而譜逼近法是將驅動場大尺度譜信息添加到模式模擬區的較高層面上。

Waldron et al.（1996）首先提出譜逼近的思想，利用譜濾波的方式，把大尺度信息添加到模擬區域中，而不是通過側邊界強迫。von Storch et al.（2000）提出把譜逼近技術作為模式側邊界方案的替代方法，證明其既可使模式模擬在大尺度上接近驅動場，又不會阻止模式中小尺度特征的發展。Cha and Lee（2009）用譜逼近方法進行長期區域氣候模擬，并對1998年我國夏季降水進行模擬，發現譜逼近方法對降水的模擬有較好提高。Cha et al.（2011）提出intermittent spectral nudging方法，認為這種方法可以減少譜逼近強迫給模式中小尺度特征的發展帶來的削弱作用。宋寔和湯劍平（2011）利用Fifth-Generation Penn State/NCAR Mesoscale Model（MM5），分析了譜逼近方案對我國區域氣候模擬中區域大小和位置的敏感性影響，發現該方案能有效降低區域氣候模式對大尺度環流場的模擬偏差和嵌套區域選取的敏感性。曾先鋒和周天軍（2012）在Regional Climate Model 3.0 (RegCM3.0)中對風場采用譜逼近方法，并以2003年江淮梅雨過程為例進行研究，結果表明該方法能校正模式模擬的梅雨期環流形勢和梅雨鋒位置偏北導致降水偏北的偏差。

從前面的介紹可以看到，譜逼近方法在模式積分過程中不僅從模擬區域邊界上，同時從模擬區域內部向模式添加外源強迫項，從而控制模式的積分預報與大尺度驅動場資料保持一致，并且能夠保留模式自身產生的小尺度信息（Cha and Lee,2009）。這在模式進行兩周模擬的后期，即外源強迫作用逐漸增強的階段可以對模式大尺度場及時進行調整，從而提高模式的模擬結果。國內目前對于譜逼近方法的研究主要應用于對區域氣候的模擬，本文從天氣過程模擬出發，以2008年1月25日至2月5日我國南方的連續降水過程為模擬樣本，主要關注中小尺度系統發展和降水模擬，并對使用譜逼近方法的WRF模式模擬的試驗結果進行分析，主要從譜周期特征的視角分析強降水過程中的低層環流特征、整層水汽特征，并剖析暴雨過程的主要水汽通道及其路徑關鍵區的周期特征，以揭示譜逼近方法引入的外源強迫場周期信息對于模式模擬效果的重要作用。

2 資料方法和試驗設計

2.1 資料方法介紹

1.1

2.1.1 譜逼近方法

譜逼近方法是把區域模擬作為一種“降尺度”問題來處理，在模式積分過程中，在大尺度譜空間向整個模擬區域添加逼近項，從而減小模式變量與驅動場之間的偏差。

使用譜逼近方法向模擬區域內某個變量的大尺度譜空間添加逼近項時，按照下面這一公式進行：

其中，L和L分別代表全球和區域模式中的大尺度譜空間；代表大尺度驅動場和區域模式場通過傅里葉變換進行譜分解之后，在長波譜區域的交集；、和分別是大尺度驅動場、逼近場和區域模式模擬場中的變量。

截斷波長的選取主要根據區域模式選取空間的大小和欲引入目標信號的波長來確定，波長低于截斷波長的波被濾除，只處理波長大于或等于截斷波長的波信息，再通過逼近系數的選擇來控制欲引入目標信號的權重。

譜逼近方法利用再分析資料作為驅動場，在譜空間向模式區域內加入逼近項，對指定模式變量的大尺度場進行調整。添加的強迫項主要在垂直向的較高層面上，從而使模式與驅動場在較高層面的大尺度場保持一致，低層自由發展中小尺度活動。譜逼近方法的這些特點，使得區域模式在較高層面上與驅動場偏差減小的同時，能夠發揮區域模式的優點，自主發展對流層低層中小尺度的物理過程。

2.1.2 小波分析

針對某一待處理的信號或函數，對其進行小波分析的基本思想是用一簇小波函數系去表示或者逼近它。小波變換將時間序列分解到時間頻率域內，得到它的周期變化動態和周期變化動態的時間格局。小波分析將信號分解成一系列小波函數的疊加，都是由一個母小波函數經過平移與尺度伸縮得來的，因此選擇合適的母小波函數是進行小波分析的前提。一般對某一信號進行分析，預期得到平滑且連續分布的小波振幅，非正交小波函數能達到上述要求。使用復值小波，能夠得到時間序列振幅和相位兩方面的信息，可以對相位進行很好的表達（Torrence and Compo, 1998）。Morlet小波具有非正交性，而且是由Gaussian調節的指數復值小波，因此成為很好的選擇。

本文選用小波系數模方圖（也稱為小波功率譜圖）和小波方差圖進行研究。小波系數的模方相當于小波能量譜，它可以分析出不同周期的震蕩能量；小波方差圖能反映時間序列的波動能量隨尺度的分布情況。

2.1.3 異常相關系數和均方根誤差

異常相關系數（abnormal correlation coefficient, ACC）可用來衡量預報值和分析值之間的相關程度，最大為1.0，在預報檢驗中，當異常相關系數大于0.6 時，通常認為預報是成功的 (Wang et al., 2008)。均方根誤差 (root-mean-square error, RMSE) 又叫標準誤差，用來衡量預報值和分析值之間的偏差，均方根誤差越小表明二者越接近。acc 與rmse 的表達式分別為

2.1.4 資料

本文研究中使用了美國國家環境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）和國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）的全球預報模式最終分析資料（Final Operational Global Analysis data，FNL）為模式提供海溫驅動、初始條件以及邊界條件，所用資料的時段為：2008年1月21日00時（協調世界時，下同）至2月5日00時，空間分辨率為1°×1°，時間分辨率為6小時；降水資料使用2008年1月22日00時至2月5日00時時段內的NCEP/NCAR的再分析地面通量資料中的格點降水率資料，空間格點分布為緯向0°～358.125°，格距1.875°，經向94個格點，非等間隔分布，時間分辨率為6小時；MICAPS (Meteorological Information Comprehensive Analysis and Processing System) 第三類數據格式的加密24小時站點降水量。

2.2 中尺度模式試驗設計

1.1

本文模擬試驗使用完全可壓縮的、中尺度非靜力模式WRF3.4 (Skamarock,et al., 2008)，模式試驗起報時間為2008年1月22日00時，積分14天到2008年2月5日00時結束，模式資料的輸出頻次為逐6小時輸出。使用蘭伯托投影，模擬區域的中心位置定于（28°N, 108°E），兩層雙向嵌套，圖1為模擬試驗模式兩層區域嵌套圖，其中黑色框代表內層區域。外層區域和內層區域的網格距分別是 24 km、8 km，區域格點數（東西×南北）分別為220×142、313×253。側邊界緩沖區包含5個格點，垂直坐標采用靜力氣壓下的地形追隨坐標，垂直向40個分層，模式頂層50 hPa。模式采用Grell-Devenyi積云參數化方案，微物理過程采用WSM6（WRF single-moment six-class）微物理過程方案，行星邊界層過程使用Yonsei University方案，長波輻射采用rrtm方案，短波輻射采用Dudhia方案，陸面過程采用5層熱量擴散方案。試驗包括兩個模擬方案：無譜逼近方法的參照試驗（NOSP）和使用譜逼近方法的試驗（SP）。其中，SP試驗對內外兩個區域的緯向風、經向風進行譜逼近處理。模式推薦截斷波長1000 km以上，因此內外兩個區域的緯向、經向截斷波數分別選為5、2和3、2，即東西、南北向的截斷波長都在1000 km以上。模式垂直空間的十層以下不進行外源強迫的處理，從第十層（700 hPa附近）開始進行譜逼近強迫項的添加，并且隨著高度的增加，強迫項所占比重越來越大。

圖1 模擬試驗模式兩層區域嵌套圖。陰影：地形高度

3 2008年1月25至2月5日持續性降水過程

2008年初中國南方出現了大范圍的持續“低溫雨雪冰凍”天氣，這次強天氣事件過程范圍廣、強度大、持續時間長且災害極為嚴重，其天氣學特征表現為中高緯阻塞形勢穩定少變，低緯系統活躍確保水汽輸送（王東海等，2008）。期間，長江中下游及貴州連續低溫日數和連續冰凍日數均超過1954/1955年冬季，達到歷史最大值（王凌等，2008），5次主要降水過程分別出現于1月10～15日、18～22日、25～28日、1月31日至2月2日、2月4～5日（楊貴名等，2008）。本文利用WRF模式對這次持續時間較長的降水過程，進行SP和NOSP對比試驗。在雨帶空間分布以及降水強度方面對比兩個試驗的結果，發現經過譜逼近方法處理的SP試驗降水結果改善較好的天數為9天左右，分別是1月25～29日、1月31日至2月1日、2月3日和2月5日（圖略）。選取這次對比試驗的第5、10、14天，即1月27日、2月1日、2月5日為代表，對模式模擬降水與站點降水資料進行對比分析。

1月27日，觀測到30 mm以上強降水主要分布在（24°～26°N，110°～120°E）地區（圖2a）；NOSP模擬強降水（圖2g）在（25°～31°N，108°～120°E）地區，雨帶范圍偏大且分布散亂；SP模擬強降水（圖2d）主要分布在福建中北部、廣東北部及周邊地區，SP模擬的雨帶位置更為集中，虛報降水情況得到很好的改善。2月1日，觀測到25 mm以上的降水主要分布在廣東北部與湖南、江西、福建南部交界一帶（圖2b）；NOSP中雨帶位置偏北且范圍較寬（圖2h）；而SP中的雨帶位置更為集中，和觀測較為接近（圖2e）。2月5日，廣東、福建、江西一帶有15 mm以下的降水（圖2c）；NOSP試驗降水主要發生在西南地區（圖2i），比實況降水位置偏西北，而在觀測到降水的東南地區沒有做出正確模擬；SP試驗模擬降水很好的反映了降水的真實落區（圖2f）。

圖2 2008年（a、d、g）1月27日00時（協調世界時，下同）、（b、e、h）2月1日00時、（c、f、i）2月5日00時的24小時累積降水量：（a–c）對應觀測降水；（d–f）對應SP試驗模擬降水；（g–i）對應NOSP試驗模擬降水

由上述分析可見，2008年1月25至2月5日的持續強降水過程主要集中發生在（22°～27°N, 108°～118°E）這一區域，因此將該強降水區域定義為A區（下同）。由于沒有獲得逐小時觀測降水數據，本文降水功率譜及方差分析使用逐六小時的NCEP/NCAR再分析格點降水率資料。將A區逐六小時降水率資料累加成逐日降水資料，其與站點觀測降水資料的相關系數為0.7798，通過99%顯著性檢驗，說明再分析降水率資料能夠代表同時段同區域的觀測降水資料，可信度很高。對區域A的逐六小時再分析格點降水率資料和模擬降水進行區域平均，形成降水的時間序列，通過小波分析進行周期分析。從結果來看（圖3），再分析降水存在1天、2～4天的顯著性降水周期，且以2～4天為降水變化的主周期。其中，1天左右的功率譜在整個強降水時段內分布較為均勻，而2～4天左右的周期能量譜主要集中在整個過程的后半段。SP試驗和NOSP試驗均在降水過程后半段存在2～4天顯著周期，其中SP試驗在1月28～29日存在1天的顯著周期，而NOSP試驗缺少1天左右的顯著周期。從功率譜形態分布上來看，SP試驗和再分析降水更為接近。再分析降水在方框標注區的1、2天周期有顯著能量譜存在，SP試驗結果較好的體現出這一信息，而NOSP試驗幾乎沒有顯著的能量譜與之對應。通過譜逼近方法引入外源強迫場的短周期信息，SP試驗的模式降水譜周期向1～2天的短周期調整，從而做出較好的周期模擬。

圖3 強降水A區降水小波功率譜（左）和小波方差（右）：（a）再分析降水；（b）SP試驗降水；（c）NOSP試驗降水。黑色粗實線及黑色虛線為0.10顯著性水平檢驗線

4 持續性降水過程環流及水汽通道的周期性特征

為了探究譜逼近方法的外源信息引入能力，首先從環流場的角度進行剖析。對降水過程時段內的850 hPa環流配置場（圖略）進行研究，綜合考慮該高度各時次槽線的影響位置、風切變以及降水區等因素，選取（25°～30°N，110°～115°E）作為研究區域。在模擬時段內對該區域內的高度場、溫度場、緯向風場和經向風場逐六小時的FNL資料、SP模擬和NOSP模擬資料，分別使用小波分析方法分析其周期信息。對比發現，SP試驗對于經向風場的模擬結果（圖4）明顯優于其他三個要素（圖略）。SP試驗較好的模擬出了該層經向風存在2～4天左右的周期（圖4b），而NOSP試驗則未能體現出這一信息（圖4c），說明使用SP方法能夠較好改進影響降水區的低層環流場（尤其是經向風場）的模擬結果。

圖4 同圖3，但為850 hPa 經向風

下面考慮水汽輸送方面的影響。在降水過程時段內，計算過程平均的整層（地面～200 hPa）水汽通量、經向整層水汽通量q與A區降水量超前24小時相關系數（圖5）。結果表明，往A區輸送的水汽主要是從孟加拉灣、南海經中南半島轉向以 及西北太平洋海上而來。這與何溪澄等（2006）的研究結論——冬季中國南方地區的水汽主要來自南支西風帶低槽前部的西南氣流和南海—中南半島上空的轉向氣流以及施曉暉等（2009）的研究結論——強西南水汽輸送通道可能是2008年1月中國南方雨雪冰凍災害形成的關鍵因素之一相一致。

圖5 平均整層水汽通量（矢量箭頭）和經向整層水汽通量qv與A區降水超前24小時相關系數（陰影區代表相關系數通過0.10顯著性檢驗）

從經向整層水汽通量q與A區降水超前24小時相關系數的高相關區分布情況以及過程平均的水汽輸送通道來看，我國云南以南到越南地區、孟加拉灣東北部以及中南半島東南部，存在著3個與A區高相關（通過90%顯著性檢驗）區域，說明 這些地區的南北向水汽輸送可能對于24小時后的A區降水有著較為重要的影響。若能把這3個高 相關區中的某個或某幾個的水汽輸送信息引入模式模擬中，將會對模式降水模擬有很大程度的改善。

為了說明這一問題，先從各個高相關區的水汽輸送周期特征角度進行分析。把上述高相關區劃分成3個水汽通道關鍵區（考慮模式模擬區域位置）：B區：（18°～24°N，98°～108°E）；C區：（13°～19°N，88°～98°E）；D區：（13°～16°N，104°～112°E）。

對上述水汽通道關鍵區在降水過程時段內的經向整層水汽通量分別做區域平均，形成區域經向整層水汽通量六小時間隔的時間序列。通過小波分析3個關鍵區的周期特征可知，D區經向整層水汽通量的主要周期為2～4天（圖6a），與A區的降水周期較為一致，而其他區域的周期信息（圖略）與A區差別較大。進一步對D區水汽通量的FNL資料、SP模擬結果和NOSP模擬結果進行對比分 析，發現SP試驗能夠很好的模擬出2～4天這一顯著周期信息（圖6b），而NOSP試驗則沒有顯著 的周期信息體現出來（圖6c）。結合前文SP試驗對經向風場的改善分析，說明SP方法有可能把D區經向水汽通量的2～4天周期信息引入到SP模擬試驗中。

圖6 D區經向整層水汽通量qv小波方差圖：(a) FNL資料；(b) SP試驗；(c) NOSP試驗。虛線為0.10顯著性檢驗線

從A區整層水汽通量散度的小波方差對比結果來看，NOSP試驗的顯著周期為4～6天（圖7c），比實況周期偏長；SP試驗經過譜逼近方法的作用，降水A區的水汽收支周期向短周期調整，較好模擬出與實況一致的2～4天顯著周期（圖7a、b）。

圖7 同圖6，但為A區整層水汽通量散度

在1月27日、2月1日、2月5日，分別對比SP試驗及NOSP試驗的整層水汽通量與實況的差值場分布情況（圖8）。結果表明，1月27日和2月1日的NOSP試驗中，貴州、重慶附近地區有較大的經向偏差（圖8d、e），從而導致該試驗的降水區范圍較實況偏北；2月5日，NOSP試驗在我國南方沿海地區的較大反氣旋性水汽輸送偏差（圖8f），使得該試驗對于東南沿海的降水過程雨帶空間分布模擬嚴重偏向西北。SP試驗與實況的水汽通量差值總體較小且分布較為均勻（圖8a、b、c），說明SP試驗能夠較準確的模擬出整層水汽通量的空間分布情況。

圖8 （a、d）1月27日、（b、e）2月1日、（c、f）2月5日整層水汽通量差值：（a–c）SP試驗－FNL資料；（d–f）NOSP試驗－FNL資料。單位：108 kg s?1

結合前文對過程平均的整層水汽輸送通道、對比試驗的模式區域位置以及3個水汽通道關鍵區的周期特征分析可知：譜逼近方法可能引入與降水A區高相關的中南半島東部的經向整層水汽通量2～4天周期信息，使模式降水A區原本為4～6天的水汽收支周期調整為2～4天，和實際情況一致。數值模式對降水區水汽收支模擬的好壞，直接影響模式降水的模擬，這可能是SP試驗能夠改善降水模擬結果的重要原因之一。本文僅從水汽輸送周期信號的角度分析了譜逼近方法的外源強迫引入能力，而譜逼近方法可能還包含其他作用使得模式模擬結果改善，這有待開展后期工作進行更深一步的分析。

5 對比試驗的統計檢驗

圖9、圖10和圖11分別給出了內層嵌套區域在 （18°～34°N，100°～122°E）范圍內，將SP試驗（實線）和NOSP試驗（虛線）在模擬時段內得到的緯向風場、經向風場和溫度場插值成1°×1°空間分辨率的資料，并在不同高度上進行空間acc（紅色）和rmse（黑色）統計檢驗得到的結果。SP試驗的200 hPa、500 hPa和850 hPa的緯向風場acc系數較NOSP試驗均有改善，分別能夠達到最高0.08、0.37和0.23的提高（圖9）；經向風場最高能夠達到0.14、0.26和0.58的提高（圖10）；溫度場最高能夠達到0.38、0.02和0.046的提高（圖11）。

圖9 緯向風acc（紅色）、rmse（黑色）統計系數：(a) 850 hPa; (b) 500 hPa; (c) 200 hPa。實線為SP試驗結果，虛線為NOSP試驗結果

圖10 同圖9，但為經向風

圖11 同圖9，但為溫度場

統計結果顯示，預報第4天后SP試驗較NOSP試驗改善明顯增強，尤其在850 hPa和500 hPa上改善顯著。200 hPa較850 hPa、500 hPa改善不明顯的原因，可能和該層次原本模擬效果較好，改善空間較小有關。雖然譜逼近方法添加的強迫項主要作用在垂直向的較高層面上，但是經過模式各層之間的相互影響，SP試驗對于中層和較低層面上各要素的模擬也有改善效果。譜逼近方法的這一特性，對于模式積分過程中在低層發展起來的虛假中小尺度系統可能具有抑制作用，從而提高模式對中、低層天氣狀況的模擬水平，進而改進天氣系統以及降水的模擬準確性。

緯向風場和經向風場經過譜逼近處理，在acc、rmse統計改善方面效果較好，而溫度場改進不明顯，這可能和本次試驗的譜逼近方法只應用在風場上面有一定關系。雖然譜逼近方法沒有直接應用于溫度場的調整，但從統計結果上看，SP試驗模擬溫度場在兩周內也有不同程度提高，說明經過模式內部變量之間的相互影響，譜逼近方法也能夠間接作用到其他變量中去。

6 總結與討論

利用譜逼近方法對2008年初我國南方大范圍持續性降水過程進行模擬對比試驗，探討這一方法對兩周內預報的改進能力，結果發現：（1）經過譜逼近方法處理的SP模擬試驗，能夠有效描述持續性天氣過程的降水落區與強度，即對降水過程的雨帶空間分布和降水強度的模擬明顯優于沒有使用譜逼近方法的NOSP試驗；（2）在低層（850 hPa）受槽線、風切變線等頻繁影響的區域，SP試驗的經向風場對比NOSP試驗有較好改善，成功模擬出與實況較為一致的2～4天顯著周期特征，使得模式對于經向風場的模擬得到提高；（3）綜合分析過程平均的整層水汽輸送通道、模式區域位置以及超前24小時水汽通道高相關區的周期特征可知，SP試驗可能把中南半島東部區域的經向水汽輸送信息引入模式，從而改善該試驗對降水區水汽收支周期特征的模擬，這可能是譜逼近方法改善SP試驗降水模擬結果的重要原因之一；（4）對于譜逼近方法沒有直接作用的模式變量，SP試驗的模擬統計結果在兩周內也有不同程度提高，說明經過模式內部各個變量之間的相互影響，譜逼近方法的調整作用可以延伸到其他變量中去。

本文研究結果表明，使用譜逼近方法在14天模擬積分過程中通過添加特定的大尺度外源強迫項，調制了模式與大尺度驅動場之間的協調關系，從而提高模式模擬效果。此方法可能在模式數值預報中具有一定的實際使用價值。本文使用的大尺度外強迫場從FNL資料中提取出來，具有較高可信度，但在實際業務預報中只能用模式預報資料作為外強迫場，其可信度有一定程度的降低，因而在實際業務預報中譜逼近方法的效果如何，有待進一步研究。

本文只針對緯向風和經向風進行了譜逼近強迫的研究工作，目前國內外研究中也大都只針對風場進行譜逼近強迫，對風場之外的溫度場等要素進行譜逼近強迫的改善效果將會在后期研究工作中展開。

（References）

Cha D H, Lee D K. 2009. Reduction of systematic errors in regional climate simulations of the summer monsoon over East Asia and the western North Pacific by applying the spectral nudging technique [J]. J. Geophys. Res., 114 (D14), doi:10.1029/2008JD011176.

Cha D H, Jin C S, Lee D K, et al. 2011. Impact of intermittent spectral nudging on regional climate simulation using Weather Research and Forecasting model [J]. J. Geophys. Res., 116 (D10), doi:10.1029/ 2010JD015069.

車玉章. 2014. 改進15天以內數值天氣預報的方法研究 [D]. 中國氣象科學研究院碩士學位論文. Che Yuzhang. 2014. A novel approach to improve the numerical weather prediction skills within 15 days [D]. M. S. thesis (in Chinese), Chinese Academy of Meteorological Sciences.

丑紀范, 鄭志海, 孫樹鵬. 2010. 10～30 d延伸期數值天氣預報的策略思考——直面混沌 [J]. 氣象科學, 30 (5): 569–573. Chou Jifan, Zheng Zhihai, Sun Shupeng. 2010. The think about 10–30 d extended-range numerical weather prediction strategy—Facing the atmosphere chaos [J]. Scientia Meteor. Sinica (in Chinese), 30 (5): 569–573.

Davies H C. 1976. A lateral boundary formulation for multi-level prediction models [J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 102 (432): 405–418, doi:10.1002/ qj.49710243210.

何溪澄, 丁一匯, 何金海, 等. 2006. 中國南方地區冬季風降水異常的分析 [J]. 氣象學報, 64 (5): 594–604. He Xicheng, Ding Yihui, He Jinhai, et al. 2006. An analysis on anomalous precipitation in southern China during winter monsoons [J]. Acta Meteor. Sinica (in Chinese), 64 (5): 594–604, doi:10.11676/qxxb2006.058.

Peng X D, Che Y Z, Chang J. 2013. A novel approach to improve numerical weather prediction skills by using anomaly integration and historical data [J]. J. Geophys. Res., 118 (16): 8814–8826, doi:10.1002/jgrd.50682.

Seaman N L, Stauffer D R, Lario-Gibbs A M. 1995. A multiscale four-dimensional data assimilation system applied in the San Joaquin Valley during SARMAP. Part I: Modeling design and basic performance characteristics [J]. J. Appl. Meteor., 34 (8): 1739–1761, doi:10.1175/ 1520-0450(1995)034<1739:AMFDDA>2.0.CO;2.

施曉暉, 徐祥德, 程興宏. 2009. 2008年雪災過程高原上游關鍵區水汽輸送機制及其前兆性“強信號”特征 [J]. 氣象學報, 67 (3): 478–488. Shi Xiaohui, Xu Xiangde, Cheng Xinghong. 2009. Premonitory of water vapor transport in the upstream key region over the Tibetan Plateau during the 2008 snowstorm disaster in South China [J]. Acta Meteor.Sinica (in Chinese), 67 (3): 478–488, doi:10.11676/qxxb2009.048.

Skamarock W C, Klemp J B, Dudhia J, et al. 2008. A description of the advanced research WRF version 3 [R]. NCAR Tech. Note NCAR/ TN-4751STR, 113pp, doi:10.5065/D68S4MVH..

宋寔, 湯劍平. 2011. 譜逼近方法在東亞夏季降水區域模式模擬中的適用性研究: 區域大小和位置的影響 [J]. 氣象學報, 69 (2): 297–309. Song Shi, Tang Jianping. 2011. An application of the spectral nudging technique to the simulation of summer precipitation over East Asia using a regional climate model: The impact of domain size and position [J]. Acta Meteor. Sinica (in Chinese), 69 (2): 297–309, doi:10.11676/ qxxb2011.025.

Stauffer D R, Seaman N L. 1990. Use of four-dimensional data assimilation in a limited-area mesoscale model. Part I: Experiments with synoptic- scale data [J]. Mon. Wea. Rev., 118 (6): 1250–1277, doi:10.1175/1520- 0493(1990)118<1250:UOFDDA>2.0.CO;2.

Stauffer D R, Seaman N L. 1994. Multiscale four-dimensional data assimilation [J]. J. Appl. Meteor., 33 (3): 416–434, doi:10.1175/1520- 0450(1994)033<0416:MFDDA>2.0.CO;2.

Stauffer D R, Seaman N L, Binkowski F S. 1991. Use of four-dimensional data assimilation in a limited-area mesoscale model. Part II: Effects of data assimilation within the planetary boundary layer [J]. Mon. Wea. Rev., 119 (3): 734–754, doi:10.1175/1520-0493(1991)119<0734: UOFDDA> 2.0.CO;2.

Torrence C, Compo G P. 1998. A practical guide to wavelet analysis [J]. Bull. Amer. Meteor. Soc., 79 (1): 61–78.

von Storch H, Langenberg H, Feser F. 2000. A spectral nudging technique for dynamical downscaling purposes [J]. Mon. Wea. Rev., 128 (10): 3664–3673, doi:10.1175/1520-0493(2000)128<3664:ASNTFD>2.0.CO; 2.

Waldron K M, Paegle J, Horel J D. 1996. Sensitivity of a spectrally filtered and nudged limited-area model to outer model options [J]. Mon. Wea. Rev., 124 (3): 529–547, doi:10.1175/1520-0493(1996)124<0529:SOASFA>2.0.CO;2.

王東海, 柳崇健, 劉英, 等. 2008. 2008年1月中國南方低溫雨雪冰凍天氣特征及其天氣動力學成因的初步分析 [J]. 氣象學報, 66 (3): 405– 422. Wang Donghai, Liu Chongjian, Liu Ying, et al. 2008. A preliminary analysis of features and causes of the snow storm event over the southern China in January 2008 [J]. Acta Meteor. Sinica (in Chinese), 66 (3): 405–422, doi:10.11676/qxxb2008.038.

王凌, 高歌, 張強, 等. 2008. 2008年1月我國大范圍低溫雨雪冰凍災害分析 I. 氣候特征與影響評估 [J]. 氣象, 34 (4): 95–100. Wang Ling, Gao Ge, Zhang Qiang, et al. 2008. Analysis of the severe cold surge, ice-snow and frozen disasters in South China during January 2008. I. Climatic features and its impact [J]. Meteor Mon. (in Chinese), 34 (4): 95–100.

王啟光. 2012. 數值模式延伸期可預報分量提取及預報技術研究 [D]. 蘭州大學博士學位論文. Wang Qiguang. 2012. The research of extracting predictable components and the forecasting techniques in extended-range numerical weather prediction [D]. Ph. D. dissertation (in Chinese), Lanzhou University.

Wang Y, Qian H, Song J J, et al. 2008. Verification of the T213 global spectral model of China National Meteorology Center over the East-Asia area [J]. J. Geophys. Res., 113 (D10), doi:10.1029/2007JD008750.

楊貴名, 孔期, 毛冬艷, 等. 2008. 2008 年初“低溫雨雪冰凍”災害天氣的持續性原因分析 [J]. 氣象學報, 66 (5): 836–849. Yang Guiming, Kong Qi, Mao Dongyan, et al. 2008. Analysis of the long-lasting cryogenic freezing rain and snow weather in the beginning of 2008 [J]. Acta Meteor. Sinica (in Chinese), 66 (5): 836–849, doi:10.11676/ qxxb2008.076.

曾先鋒, 周天軍. 2012. 譜逼近方法對區域氣候模式性能的改進: 不同權重函數的影響 [J]. 氣象學報, 70 (5): 1084–1097. Zeng Xianfeng, Zhou Tianjun. 2012. Impact of the spectral nudging on the simulation of a regional climate model: Different weight function [J]. Acta Meteor. Sinica (in Chinese), 70 (5): 1084–1097, doi:10.11676/qxxb2012.091.

鄭志海. 2010. 基于可預報分量的6～15天數值天氣預報業務技術研究 [D]. 蘭州大學博士學位論文. Zheng Zhihai. 2010. Operational technology research of 6–15 days numerical weather prediction based on predictable components [D]. Ph. D. dissertation (in Chinese), Lanzhou University.

Simulation of Continuous Rainfall over South China in Early 2008 with the Spectral Nudging Method and the Periodicity Characteristics of the Water Vapor Channel

Wang Shuli1, Xu Xiangde1, Kang Hongwen1, Zhang Shengjun1, and Zhang Xidi2

1,,100081,2,100081

The spectral nudging (SP) method is used in simulating continuous precipitation processes that occurred over South China in early 2008. The results show that the spatial distribution and intensity of precipitation in the SP experiment is obviously better than that without use of this method (NOSP). For the area affected frequently by troughs or wind shear lines in lower layers, a 2–4-day oscillation period of meridional wind is found in the SP experiment, which is consistent with observations. This means that the SP method may enhance the simulation ability of the meridional wind field. Based on a comprehensive analysis of the water vapor transport pathway, the model domains and periodicity features of high-correlation regions in advance of the water vapor channel, we find that the SP method can introduce meridional vapor transport information over the eastern Indo-China Peninsula into the model, improving the simulation ability of the cycle of the water vapor budget in the precipitation area. This could be an important reason why the SP method improves the rainfall simulation in the SP experiment. Furthermore, the variables indirectly affected by the SP method are statistically improved by means of the interaction with other variables in the SP experiment. Above all, the exogenous cycle characteristic factors introduced by the SP method, which adjust the coordination between modeling and large-scale forcing fields, could improve simulation results within a forecast time of two weeks. This method has the potential to be of practical value in numerical prediction.

Rainfall simulation, Spectral nudging, Water vapor transmission

10.3878/j.issn. 1006-9895.1507.14332.

1006-9895(2016)03-0476-13

P456

A

10.3878/j.issn.1006-9895.1507.14332

2014-12-03；網絡預出版日期 2015-08-06

王淑莉，女，1989年出生，碩士研究生，主要從事數值模擬及預報方向研究。E-mail: shuliwang2013@126.com

徐祥德，E-mail: xuxd@cams.cma.gov.cn

國家科技支撐計劃項目2012BAK10B04，國家自然科學基金項目41130960

Funded by National Key Technology Research and Development Program of the Ministry of Science and Technology of China (Grant 2012BAK10B04) National Natural Science Foundation of China (NSFC) (Grant 41130960)

王淑莉，徐祥德，康紅文，等. 2016. 應用譜逼近方法模擬2008年初南方持續性降水過程及其水汽通道周期特征分析 [J]. 大氣科學, 40 (3): 476-488. Wang Shuli, Xu Xiangde, Kang Hongwen, et al. 2016. The simulation of continuous rainfall over South China in early 2008 with the spectral nudging method and the periodicity characteristics of the water vapor channel [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 40 (3): 476-488,