AMSU辐射率资料在“07·07”暴雨个例中直接同化的试验研究

陶俞锋

(中国民用航空宁波空中交通管理站，浙江宁波315000)

0 引言

近些年来随着卫星和雷达探测等遥感技术的快速发展，各种有价值的非常规观测信息逐渐增多，特别是卫星探测资料具有资料较为一致、覆盖面积较广、时空分辨率较高等特点，在很大程度上弥补了常规观测资料的不足。因此，如何充分、有效地利用卫星资料来形成更加准确的模式初值场，已经成为进一步提高数值预报水平的关键问题。

卫星资料在气象领域发挥了越来越重要的作用［1］，国外多家数值预报业务和研究中心都已实现了卫星资料在数值天气预报中的同化应用，且卫星资料已成为数值预报所用观测资料的主体，极大提高了数值预报准确率［2－3］。国内对于卫星资料的同化研究虽然起步较晚，但是通过协作攻关取得了一定的研究成果［4－6］。卫星资料的应用对中小尺度暴雨系统更为重要，针对暴雨数值预报中卫星资料的应用已开展大量工作。齐琳琳等采用3D-VAR和MM5V3对ATOVS辐射率资料进行直接同化，发现对强暴雨落区和雨强的模拟效果均有明显改善［7］。黄兵等采用 GRAPES 3D-Var同化系统直接同化ATOVS资料并加入到MM5模式中进行暴雨的分析和模拟研究，发现直接同化ATOVS资料极大丰富了模式初始场上大气温度和湿度的信息，且对流层中下层风场也有一定改进［8］。齐琳琳等利用GRAPES 3D-Var同化系统和MM5V3模式进行ATOVS资料的直接同化和预报研究，结果表明，同化ATOVS资料对模式初始场有明显改善，在降水预报方面有很大的潜力［9］。张爱忠等采用GRAPES 3D-Var同化系统直接同化AMSU-A辐射亮温资料，研究表明同化ATOVS辐射率资料对降水模拟方面的改善效果较为明显［10］。李娟等利用T213-SSI准业务同化系统，对极端暴雨过程进行了模拟分析，发现卫星资料的长期使用可以改进天气系统的环境场，使得天气系统更接近真实场［11］。

20年代初期，大多数人研究工作主要集中在GRAPES3D-Var同化系统和MM5预报系统，对中尺度数值模式WRF的使用相对较少。本文选用WRFDA3.1同化系统和 WRF预报系统，对2007年7月7—9日发生在江淮流域的暴雨过程进行了模拟分析研究，以考察同化ATOVS卫星辐射率资料在极端暴雨事件预报中的应用效果和能力，评估分析卫星资料的应用对极端暴雨事件预报效果的影响。

1 模式及资料介绍

WRF模式是一个完全可压非静力平衡模式，控制方程组写为通量形式，网格形式采用Arakawa-C格点，有利于在高分辨率的模拟中提高准确性。模式的时间积分方案采用是Runge-Kutta的3阶方案，并用时间分裂法。试验同化系统为WRFDA，主要特点是:目标函数采用增量形式;分析增量采用不交错的A网格;多种背景场误差和控制变量供选择;区域的水平背景误差协方差由递归滤波表示，水平和垂直误差不分离。目前的WRFDA系统增加了同化模块，利用观测算子，可以同化雷达资料、SSM/I和ATOVS辐射率资料等。

ATOVS大气垂直探测器由3个相互独立的仪器组成，分别是先进的微波探测装置A型(AMSU-A)，先进的微波探测装置B型(AMSUB)和高分辨率红外辐射探测器3型(HIRS/3)。本试验使用的卫星资料是微波辐射率资料，包括搭载在NOAA-15/16/18上的AMSU-A资料和NOAA-15/16/17上的AMSU-B资料。前者包括15个通道，主要用于大气温度探测，其窗区通道可探测地表发射率、可降水等，星下点分辨率为45 km;后者包括5个通道，主要用来探测地表特征、可降水等，星下点分辨率为15 km。

2 天气过程

2007年6月下旬至7月上旬的梅雨期间，江淮地区降水异常偏多。尤其是7月7—9日，江淮流域出现了一次大暴雨过程［12］。7日降水主要集中在江苏及安徽两省，当日南京站24 h降雨量达到125.3 mm;8日降水量增强，转为特大暴雨，在江苏、安徽、河南和湖北等地形成了一条呈东北—西南走向的暴雨带，其中安徽寿县24 h降雨量达到289.0 mm，淮南凤台277.5 mm;9日雨带范围减小，位置南移，降水主要集中在安徽和湖北南部地区;10日降水基本结束。

此次降水为典型的梅雨期天气形势，2007年7月7日00时(UTC)，500 hPa中高纬度环流形势为两脊一槽型，位于我国东北北部的阻高稳定维持，沿贝加尔湖至蒙古中部为低槽并形成了一个切断低压。同时，副高西脊点位于107°E，副高脊线平均位置位于26°N附近。8日00时，500 hPa在亚欧地区中高纬度发展成为两槽两脊，其中低压槽已移到我国东北地区，槽内形成一东北涡旋，其后部有较强的偏北气流，冷空气沿槽后的偏北气流南下。与此同时，副高逐步东退，其西北部的暖湿气流与冷空气强烈交汇于淮河流域。低层850 hPa上，对应我国北部有东北冷涡，四川盆地地区有西南低涡，低涡位于500 hPa上低槽前部，将有利于低涡的发展和移出。在西南涡的右侧存在低空急流带，强盛的气流不但能把低层水汽、热量集中往下游输送，使下游地区位势更加不稳定，且在其前方能形成辐合场，与高空的辐散场配合，从而产生强烈的上升运动，促使此次暴雨的形成。

此次江淮流域的降水过程，范围广，强度大，持续时间长，其中发生在8日00时—9日00时(UTC)的这一时段的暴雨强度最大，影响面积最广，本试验就以此段降水为模拟对象，在常规资料基础上加入AMSU辐射率资料进行同化试验研究。

3 试验方案

本文模拟的水平区域为2层双向反馈嵌套网格，粗网格(d01)区域中心为(33.5°N，106.5°E)，水平格点数为163×116，分辨率为30 km，时间积分步长是180s;细网格(d02)区域为271×208格点，水平分辨率为10 km，时间积分步长是60 s。水平投影方式为兰勃托正形投影。垂直方向定义28个整σ层，模式顶层气压取10 hPa。所选取的初始场为fnl资料，格式为Grib1，其分辨率为1°×1°。模式选取的主要物理方案包括:Purdue Lin微物理过程方案，KF积云参数化方案，RRTM长波辐射方案和MRF行星边界层方案。

AMSU辐射率资料在暴雨数值模拟中的应用，目的是为模式提供更为丰富的高时空分辨率的中小尺度信息，从而改善环境场。针对2007年7月8日00时至9日00时的暴雨过程，设计了4组对比模拟试验方案(见表1所示)，其中A方案为控制试验，B、C、D方案为同化试验。同化试验均以2007070400 UTC的WRF模式的6 h预报场作背景场开始同化预报试验，连续滚动至2007070900 UTC，其中B方案只同化常规资料(obs)，C方案加入了AMSU-A辐射率资料(obs＆AMSU-A)，D方案加入了AMSU-B 资料(obs＆AMSU-B)。

根据最新资料估计，同化系统生成的分析场只有15%的信息由观测资料贡献，其余85%的信息来源于背景场［13］。因此，本文使用美国NMC方法对WRF预报模式在江淮流域地区一个月(2007年7月1—31日)时间段内进行了24和12 h预报差值场集合统计计算，从而估计出背景误差协方差(B)的相关统计量。

变分同化中，B的标准控制变量是流函数、非平衡速度势、非平衡温度、非平衡地表气压和假相对湿度。图1表示的是速度势和流函数图之间的相关系数分布，可以看出在热带和极地地区的高层所对应的相关系数较小;相对地，在北半球中纬度的低层相关系数较大，说明地转平衡约束在该地区更适合。另外从流函数导出的平衡温度和平衡地面气压分析得出，在大部分分析区域中温度场和地面气压场的比值基本可以通过流函数导出作为平衡场。其中，温度场的平衡场基本上占完整场的50%以上，而地面气压场，大部分平衡场占完整场的60%以上。这些都表明，通过使用回归系数统计量和平衡变换，分析增量的较大部分通过平衡关系导出，而作为控制变量的非平衡部分则被限制在很小的范围内，保证了分析场的质量。另外，根据资料同化中二维特征长度随模式分辨率的提高会按照二次根的规律递减［14］，本文将控制变量的相关尺度长度和方差长度调整因子设为0.05。

图1 速度势和流函数的相关系数

4 模拟结果分析

4.1 降水场模拟对比分析

降水的预报效果是研究中尺度暴雨的核心内容，降水量的大小和降水的分布是暴雨预报的研究重点。由于暴雨的局地性、突发性和强度强等的特点，因此对暴雨的准确预报(包括暴雨的落区、突发时间和暴雨的强度等)一直是个难点。

从2007年7月8日00时至9日00时的降水实况图(图2a)上可以看到整个雨区主要位于江淮一带，雨带大致呈水平分布形状。整个雨带有5 个降水中心，其中位于(33°N，119.5°E)，(32.5°N，116.5°E)和(32.5°N，114.5°E)附近的3个中心最为强大，中心数值在160 mm以上，在(33°N，121°E)，(31°N，112.5°E)处有两个次降水中心。

图2b、2c、2d、2e 是各试验方案模拟的粗网格(30 km)24 h累计降水分布图，通过对比分析，控制试验和同化试验都能基本模拟出江苏、安徽、河南和湖北一带的降水分布和走向。从A方案控制试验降水图中可以看出，该试验在陆地上模拟的雨带与实况接近，而海洋上存在虚假的降水雨区。该方案能模拟出4个强降水中心，分别位于湖北东北部、河南南部、安徽北部和江苏中部，强度较实况相比偏弱，位置也有所偏移。B方案同化常规资料试验基本模拟出了雨带的纬向型分布特征，而且对江苏中西部的降水中心位置模拟与实况对应，强度较实况偏弱。此外，对安徽北部的强降水中心的模拟与实况相接近，强度达到180 mm，但位置较实况略偏西。位于海上的虚假雨区也明显减小。在C方案同化obs＆AMSU-A试验中，模拟出了3个降水中心。其中对安徽北部和河南南部的暴雨中心的模拟，无论在数值上，还是在位置上都与实况基本一致。而对湖北东北部降水中心的模拟，其数值上与实况接近，位置较实况偏北。另外，在对江苏中西部的暴雨中心没有能力模拟出来。D方案同化obs＆AMSU-B试验模拟出了安徽北部的暴雨中心，位置与强度较实况接近。对湖北东北部暴雨中心的模拟，其位置较方案C有所改进。同时在模拟江苏中西部的暴雨中心位置基本与实况一致，但降水量上还存在偏差。通过综合分析发现，控制试验和同化试验基本都能模拟出整个雨带的分布和走向。总体来讲，同化试验的效果无论在降水中心的数值上还是位置上都比控制试验要好。而在卫星资料的同化方面，AMSU-B的同化效果要比AMSU-A的好，前者模拟出了江苏中部的暴雨信息。这可能是因为AMSU-B资料主要是对湿度场的调整有较大贡献，对暴雨的模拟提供直接的信息。

图2 8日00UTC－9日00UTC 24 h降水分布(d01区域)(单位:mm)

4.2 天气形势场模拟对比分析

天气形势场作为预报员分析天气的重要根据，对于预报结果起着极为重要的作用。同化后的形势场如能更接近实际，那么就能够为预报员提供更加准确的天气信息，从而得到更准确的预报结论。因此，进一步对比分析此次暴雨过程的天气形势场模拟情况。

图3a为7月8日00时500 hPa上控制试验的位势高度场图，图3b为加入常规资料后的位势高度场图，而图3c、3d为同化AMSU卫星资料相应的试验结果。对比发现，4个方案的结果基本都能模拟出此次降雨过程中大尺度环流背景及影响系统。其中，3个连续同化方案的模拟结果优于控制试验，表现为在东北冷涡方面，同化试验模拟的冷涡强度比控制试验强，使得其后部有较强的偏北气流，冷空气沿槽后的偏北气流更能南下;而在副高方面，同化试验模拟的副高西脊点比控制试验模拟的偏西，这样更有利于脊线北侧的西南暖湿气流流入江淮地区。另外，在加入AMSU辐射率资料的方案中，同化AMSU-B的试验效果要优于同化AMSU-A，前者在模拟东北冷涡和副高，无论在强度和位置上更接近实况。同时，在西南槽的模拟上，同化AMSU-B试验其模拟的槽线更深。总的来讲，在连续同化卫星资料后，改进了大尺度环境场，暴雨天气过程的直接影响系统更接近实际。

图3 2007年7月8日00时500hPa位势高度场

4.3 增量场模拟对比分析

卫星资料的引入，最直接调整了要素场，包括温度场、湿度场、风场等。因此，有必要对比分析引入卫星资料前后，各要素场的改进效果。由于ATOVS探测器的AMSU-A和AMSU-B的权重函数峰值分别在对流层中层和中下层较多，所以，温度增量场和湿度增量场分别选取500hPa和700hPa为标准。

4.3.1 温度增量对比

图4为2007年7月8日00时加入卫星资料的两方案相对于B方案在500hPa上的温度增量图。从图中可以看出，整个模拟区域以温度正增量为主。图4a为同化AMSU-A的温度增量图，如图所示，在整个大陆上基本以正增量为主，而负增量中心则出现在海上;图4b为同化AMSU-B的温度增量图，在江淮流域附近出现了正、负温度增量的交界处，导致该地区能量不稳定，切变进一步加大，有利于降水的形成。另外，AMSU-A资料的加入相对于AMSU-B对温度场的调整更加明显。这主要是因为AMSU-A是测温仪器，对温度更为敏感。

图4 2007年7月8日00时500 hPa的温度场增量图

4.3.2 湿度增量对比

由700 hPa上的湿度场增量图可以看出(图略)，同化AMSU-B资料后，在江淮流域一带出现的是正增湿区，这一区域与8日的实况降水区基本一致。主要原因:AMSU-B是测湿仪器，对湿度的贡献较大。而同化AMSU-A资料后，湿度场增量分布在江苏地区以负增量为主，而安徽与湖北交界处出现正增量，但量级不及 AMSU-B试验。

4.3.3 风场增量对比

再分析700和300 hPa上的风场增量场。从这两个高低层次的配置来看，加入AMSU资料后，在江淮流域地区低层出现了向内辐合的风场中心，而高层则出现了向外辐散的风场中心，强度加大。这样的高低空配置，低层辐合，高层辐散，促使了强烈的上升运动使得对流垂直运动加强，增强水汽对降水的正反馈作用，促进降水强度。

综合以上分析可以得出，加入卫星资料比仅仅同化常规资料，对于温湿场以及风场都有明显的改善作用。这些要素场的准确信息将为预报员提供更好的参考依据，对得出准确的预报结论有重要的贡献。

5 结语

本章利用WRFV3.1及其三维变分同化系统，选取了2007年7月8—9日发生在江淮流域的暴雨个例，设计了一组控制试验和3组同化试验。通过WRF同化预报系统，分析了AMSU辐射率资料的应用对极端暴雨事件预报效果的影响，可以得出以下结论。

1)针对背景误差协方差(B)的重要性，构造出适合模拟区域的地形和天气形势相配合的协方差是必要的。

2)通过连续同化AMSU辐射率资料，可以改善降水预报效果，尤其是降水强度，其中同化AMSU-B资料的效果优于同化AMSU-A。

3)AMSU资料的连续使用可以改进大尺度环境场，尤其对AMSU-B资料的使用，使得暴雨天气过程的直接影响系统更接近实际。

4)AMSU资料的引入改进了温湿场和风场，AMSU-A资料对温度场有较为明显的影响，而AMSU-B资料对湿度场的调整有较大的贡献。

通过本文的研究说明，AMSU辐射率资料的同化应用对提高局地暴雨过程的预报效果是可行的。本文仅用了江淮暴雨一个个例，所得结果具有局限性，因此，有必要选取更多不同时期、不同区域的个例来进行说明。另外，在同化过程中对卫星资料所采用的质量控制和偏差订正方案还有待进一步的完善。

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