2011, Vol. 37 
2. 中国人民解放军61741部队, 北京 100094；
3. 南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室，南京 210044
2. 61741 Troops of PLA, Beijing 100094;
3. Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministvy of Education, Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing 210044
近年来，虽然中尺度数值模式得到很大改进，但对中小尺度系统的降水预报能力仍然有限。模式对于初值的质量要求很高，特别是精细化的数值模式，所以资料同化在数值预报系统中作用越来越重要[1-5]。目前在中小尺度系统中同化主要是常规观测资料，非常规资料主要是雷达资料[6-7]和云导风资料[8-9]的运用，而采用高垂直分辨率的GPS折射率资料尚少。鞠永茂等[10]选取2003年7月长江中下游一次梅雨锋暴雨过程个例, 对垂直分辨率影响模式模拟结果以及空间分辨率的协调问题进行了数值模拟试验和探讨, 发现当模式水平分辨率达到较高的精度后, 垂直分辨率如果没有相应的提高, 会使数值模式放大中尺度地形的作用, 而不能很好地描述大气本身尤其是垂直方向上的特征, 从而对降水的模拟产生不利影响, 所以同化高垂直分辨率的GPS折射率资料能提高中尺度系统降水预报和中尺度结构分析, 研究GPS折射率资料的同化很有必要。黄清勇等[11]使用WRF-3DVAR将GPS掩星观测折射率资料及传统观测资料同化进WRF中尺度模式, 以了解同化折射率对台风数值模拟结果的影响。结果显示同化GPS掩星观测资料对于台风路径模拟影响较小, 对降雨模拟则有改善。本文应用NCEP和NCAR等美国科研机构发展的WRF-3DVAR系统, 对GPS掩星折射率资料在2007年7月4—6日梅雨锋暴雨个例中应用进行了同化试验, 从而得出GPS折射率资料三维变分同化对梅雨锋暴雨预报的改进之处。
1 环流形势及降水实况2007年7月4日08时至5日08时(北京时, 下同)，淮河雨带全面加强，强雨带主要集中在安徽北部阜阳和亳州附近，整个河南南部雨量达100 mm左右，江苏北部雨量稍小。7月4—5日出现的暴雨最强时间段集中在7月4日22时至5日02时之间, 整个东西向带状雨带中心分别位于安徽宿州和亳州附近160 mm以及山西南部164 mm(图 1a); 6日, 雨带强度全面减小，位置稍微北移，降水中心东移至安徽和江苏北部为102 mm(见图 1b)。
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图 1 2007年7月4日08时到7月5日08时(a)和7月5日08时到7月6日08时(b)降水量分布(MICAPS)(单位：mm) Fig. 1 Precipitation distributions (unit:mm) produced by MICAPS in different periods (a) 08 BT 4 July-08 BT 5 July 2007, (b) 08 BT 5 July-08 BT 6 July 2007 |
2007年7月4日08时天气形势图显示：500 hPa(图 2a)上中高纬度地区呈两槽一脊型，中高纬度槽后脊前不断有冷空气扩散南下，并有高空急流存在，西太平洋副热带高压不断西伸北抬；850 hPa(图 2b)上可见, 副高外围的低层低空急流将暖湿气流携带北上与高空急流汇合。700 hPa(图略)上还可见7月5日08时有东西向切变线位于秦岭附近。这样在黄河中下游以及江淮地区500 hPa以上高空为西北干冷气流入侵, 对流层低层的700、850 hPa为西南低空暖湿气流输送，这样的高低空急流配合造成了这次降水过程。
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图 2 2007年7月4日08时500 hPa(a)和850 hPa(b)高度场(单位：dagpm)和风场(单位：m·s-1)合成图 阴影区风速大于12 m·s-1 Fig. 2 The wind (unit: m·s-1) and height (unit: dagpm) fields at 08:00 BT 4 July 2007 for (a) 500 hPa and (b) 850 hPa The wind velocity are more than 12 m·s-1 in shaded areas |
从2007年7月5—6日FY-2C卫星云图TBB资料可以清晰看到，此次过程有MCS的生消发展过程。7月4日08时(图略)河南南部出现一个MCS，并迅速发展，随云带移动，5日00时(图 3a)最强云团到达了安徽北部，18时(图 3b)TBB最强区域向东移动至苏皖交界北部地区，后逐渐减弱。
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图 3 2007年7月5日00时(a)和18时(b)TBB (单位：℃) Fig. 3 The TBB (unit: ℃) distributions at 00:00 BT (a) 5 July and 18:00 BT (b) 5 July 2007 |
本文采用完全可压缩非静力中尺度数值模式WRF，选用非静力方案，中心位置(35°N、115°E)，外域水平网格为148×133个格点，内域水平网格为151×151个格点，格距为30 km、10 km，垂直分层31层。模式使用的资料为NCEP的每6小时一次的再分析资料，水平分辨率为1°×1°，初始时间积分为2007年7月4日08时，积分48 h，每3小时输出一次模拟结果。所同化的资料为CHAMP和COSMIC卫星的GPS掩星折射率资料，同化资料之前经过了严格的质量控制。为了更好地研究GPS折射率资料对初始场的调整, 加入了云导风资料进行比较。云导风资料分为红外和水汽通道两种，以下EXP3和EXP4试验所用的云导风资料均为国家卫星气象中心提供的大气矢量产品，该数据每隔6小时输出一次。试验方案如表 1所示。
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表 1 试验方案 Table 1 The experimental schemes |
GPS掩星资料目前每天提供接近3000个大气垂直分辨率的廓线资料，平均每6小时内全球上空掩星点分布约为500个。选择个例的粗网格区域里发生的掩星事件一共有12个；细网格区域里的掩星事件于2007年7月4日01时37分56秒发生在(40.935°N、119.545°E)位置。以此为例，选择细网格区域进行同化，同时考察单点同化对初始场的影响。图 4为观测所得折射率和反演的温度、水汽、气压廓线，垂直分辨率为0.1 km。经质量控制后，该掩星点1.2 km以下的资料去除掉，从反演的各物理量的垂直廓线分布来看，大体与NCEP资料(略)一致，但GPS掩星资料保留了更多细节的变化，特别反映在中低层水汽廓线上，如图 4b在2~5 km直接水汽的变化。经同化后这些高垂直分辨率廓线的信息将在一定程度上改善预报初始场。
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图 4 反演的温度(a)、水汽(b)、气压(c)和掩星点大气折射率(d)的垂直分布 Fig. 4 The vertical distributions of temperature (a, unit: ℃), vapour (b, unit: g·kg-1), pressure (c, unit: hPa) and refractive index (d, unit: N) |
图 5给出风、温度、高度、比湿在垂直方向的方差。由图 5可见, 初始同化云导风资料对于风场的调整比GPS折射率资料大，特别是在高层，GPS折射率对于风场的调整各层都比较小；对于温度场的调整，GPS折射率资料的调整在各层相差比较大，调整得最大在中层，而云导风资料调整的趋势是底层调整大，然后减小到11层以上又增大到19层达到最大；对于高度场的调整，二者趋势基本一致，调整范围都是在9~23层，只同化GPS资料的方差幅度是加入云导风之后的2倍；对湿度场的调整主要是GPS折射率同化的作用，方差从底层到第7层增加至最大，调整范围最高只到第20层300 hPa左右，云导风红外通道对于湿度调整贡献微乎其微。结合同化增量分析可得，GPS折射率资料的同化主要改善了湿度场的初值特别是中低层, 对温度场和高度场的调整也主要是中低层而云导风资料调整的主要是对中高层风场的调整。
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图 5 纬向风(a)、经向风(b)、温度(c)、位势高度(d)、比湿(e)在垂直方向上的方差 Fig. 5 The variance of zonal wind (a), meridional wind (b), temperature (c), height (d), and humidity (e) in the vertical direction |
从实况图 1可见, 7月5日24小时累积降水雨带呈东西走向，中心沿纬度34°N分布在经向110°E、114°E、116°E、118°E上4个中心；7月6日24小时累积降水雨带呈西南—东北走向，中心分别在(32°N、110°E)，(33°N、113°E), (34°N、116°E)。从7月5日24小时模拟的降水范围(图 6)来看，除了EXP4没有模拟出苏皖北部降雨区之外，其他的试验都模拟出了和实况相接近的降雨区域，这与循环加入云导风资料增大误差而且积分时间不充分有很大的关系；EXP3模拟的降水中心在河南东北部，相对于实况略有偏移，这也和多加入非常规资料增大误差有关，而前3个试验均和实况相近；在模拟最大降水量上，EXP1模拟的最大降水量143.3 mm相对于其他试验更接近于实况。可见GPS折射率资料在初始场调整湿度场有利于提高降水模拟。
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图 6 2007年7月5日各试验模拟24 h降水量(单位：mm)(a) CTL, (b) EXP1, (c) EXP2, (d) EXP3, (e) EXP4 Fig. 6 Simulated 24 h precipitation on 5 July 2007 (unit: mm) by various schemes (a) CTL, (b) EXP1, (c) EXP2, (d) EXP3, (e) EXP4 |
从7月6日24 h模拟(图 7)来看，加入非常规资料模拟的降水区域都比CTL试验更接近实况降水区域，但EXP3位于河南西南部的降水中心略往北偏移，EXP2和EXP4在山东南部产生了虚假的降水中心，EXP1模拟出的降水最大值103.2 mm和实况102 mm相近，所以综合来看，EXP1试验的模拟无论从降水区域，降雨中心位置和降水量都和实况接近，加入的非常规资料种类越多和频率越大往往引起误差的增大，效果也不一定好。
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图 7 2007年7月6日各试验模拟24 h降水量(单位：mm) (a) CTL, (b) EXP1, (c) EXP2, (d) EXP3, (e) EXP4 Fig. 7 As in Fig. 6, but for 6 July 2007 |
图 8、9是GPS同化试验相对于CTL试验涡度和散度水平增量图，从图中可以发现在各降水中心和主要雨带都有明显的负散度增量和正涡度增量对应，说明同化资料之后对于各降水中心地区增强了产生此次降水的动力条件。
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图 8 EXP1试验模拟相对于CTL试验散度增量(单位:10-5 s-1)(a) 7月5日08时, (b) 7月6日08时 Fig. 8 Divergence increment of the EXP1 simulation in relation to CTL (unit: 10-5 s-1)(a) 08:00 BT 5 July, (b) 08:00 BT 6 July |
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图 9 EXP1试验模拟相对于CTL试验涡度增量(单位:10-5 s-1)(a) 7月5日08时, (b) 7月6日08时 Fig. 9 Vorticity increment of the EXP1 simulation in relation to CTL (10-5 s-1)(a) 08 BT 5 July, (b) 08 BT 6 July 2007 |
图 10~12分别反映了此次过程的梅雨锋暴雨的水平和垂直结构，降水中心在锋面的北边，属于暖锋前降水，锋前从底层到上空800~300 hPa之间是强烈的垂直上升区。从图 11可以发现在26°~28°N范围有一条大于15 m·s-1的超低空西南风急流，由于超低空西南风急流接近地面，比湿大，所以是暴雨区所需水汽的最大提供者，也有利于暴雨区超低空对流不稳定层结的建立和维持，以及超低空天气尺度上升气流的建立和触发对流不稳定能量释放，还有200 hPa高度上淮河以北39°N附近有一条明显的高空西风急流带。850 hPa(图 12)淮河以南也维持着一条低空西风急流带, 降水流域正好位于高空急流入口区右侧以及低空急流出口区左侧。这种高低空急流配合有利于辐合上升运动增强，将副高西部外围的东南和热带低压东部的西南暖湿气流抬升，与槽后携带的高空冷空气相遇，导致了此次暴雨过程的发生。
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图 10 EXP1试验模拟假相当位温(单位：K)和垂直速度(阴影区, m·s-1)沿115°E经向垂直剖面图 (a) 7月4日12时, (b) 7月5日12时 Fig. 10 Vertical cross-sections of θse (unit: K) and vertical speed (shaded area, unit: m·s-1) along 115°E by EXP1 simulation (a) 12:00 BT 4 July, (b) 12:00 BT 5 July 2007 |
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图 11 EXP1试验模拟沿115°E经向垂直风场剖面图(单位:m·s-1) (a) 7月4日12时, (b) 7月5日12时 Fig. 11 As in Fig. 10, but for wind speed (unit: m·s-1) |
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图 12 EXP1试验850 hPa假相当位温(单位：K)和风场图(单位:m·s-1) (a) 7月4日12时, (b) 7月5日12时 Fig. 12 The 500 hPa θse (unit: K) and the wind (unit: m·s-1) distributions by EXP1 scheme (a) 12 BT 4 July, (b) 12 BT 5 July 2007 |
本文通过同化GPS掩星折射率资料对2007年7月4—6日梅雨锋暴雨的影响得出以下结论。
(1) 产生梅雨锋暴雨的云团具有MCS特征。TBB最低值与暴雨中心对应较好，可作为临近预报的参考。
(2) 详细分析了Wetprf初始资料特征，Wetprf资料的水汽和温度廓线比之于平滑的NCEP或ECMWF廓线丰富得多，垂直分辨率更高，为中小尺度数值模拟提供中小尺度信息。
(3) 将同化后的水平和垂直偏差以及方差对比分析，同化的Wetprf资料折射率资料对于中低层湿度和温度场的改善比较明显，加入云导风资料对于中高层风场改进明显，二者对于高度场的调整主要在高层。
(4) 从降水量的数值模拟结果发现直接同化折射率资料的模拟比较成功，其他的可能与连续同化和加入云导风资料之后引入更大的误差有关。
(5) 通过GPS试验相对于CTL试验的模拟散度和涡度增量分析发现，正涡度增量中心和负散度中心与降水中心符合，说明同化资料之后对于各降水中心地区增强了产生此次降水的动力条件，从锋面附近的假相当位温和风场水平和垂直分析中发现，降雨区正位于低空急流出口和高空急流入口，该区域也是对流不稳定区域。
综合来说，加入GPS掩星折射率资料之后有利于提高梅雨锋暴雨模拟结果，以及增强垂直辐合上升的动力条件，有利于提高梅雨锋暴雨机制和结构的分析。
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