淮河流域一次暴雨过程的卫星资料同化试验

陈光舟 娄珊珊 叶金印 张春莉

防汛与抗旱

淮河流域一次暴雨过程的卫星资料同化试验

陈光舟 娄珊珊 叶金印 张春莉

一、中尺度数值模式和同化资料介绍

1.WR F模式介绍

本文采用的 WRF（Weather Research&Forecasting）模式是由美国国家大气研究中心（NCAR）、国家大气海洋局（NOAA）的预报系统实验室（FSL）、国家大气环境研究中心（NCEP）和俄克拉荷马大学的风暴分析和预报中心（CAPS）等多单位联合研制和发展的新一代中尺度预报和资料同化模式。该模式提供了一个研究和业务数值天气预报的通用框架，既适用于1～10km分辨率的模拟，又可用于较低分辨率的业务天气预报、区域气候预报、空气质量模拟和理想化的动力学研究。

本文使用WRF模式三维变分同化方法对卫星AMSU-A和AMSU-B微波辐射率资料进行直接同化试验，并将使用卫星资料的同化试验模拟结果与未使用卫星资料的控制试验模拟结果进行对比分析检验。

2.卫星资料介绍

本文使用的卫星资料是第五代NOAA卫星（NOAA-KLM）携带的垂直探测器（ATOVS）微波探测单元A型（AMSU-A）和B型（AMSU-B）微波辐射率资料。

二、面雨量计算方法

面雨量（流域平均降雨量）是指一次降雨过程中，整个流域面上的平均累计降雨量。最常用的推求方法有算术平均法、泰森多边形法和绘制等雨量线法。本文采用泰森多边形法，首先计算流域各站的时段降雨量，然后根据每个雨量站所占流域面积权重，采用加权法对流域各雨量站的时段降雨量进行叠加求得。流域平均降雨量的计算公式为：

式中：ωi为流域内各雨量站权重，无量纲；Pi为流域内各雨量站的时段降雨量，mm；n为流域内雨量站的个数，无量纲。

本文根据淮河流域集水区,将流域划分为15个子单元分别计算面雨量（图1）。

三、暴雨个例描述

2013年7月4～7日，东北冷涡东移，冷涡后部有冷空气补充南下，副高稳定少变，中低层有切变线由黄淮北部逐渐南压至江淮地区，且有西风急流配合，受其共同影响，流域自北向南出现较强降水过程。

四、分析与检验

选取主要降水时间段2013年7月4日08时～7月5日08时，对 AMSU-A和AMSU-B卫星资料进行直接同化，分析和检验同化试验相对控制试验的强降水落区以及降雨量（面雨量）的模拟结果。

1.检验方法

采用TS和ETS评分2个检验量对降雨量模拟效果进行检验。ETS称为公平TS评分，ETS＞0时，为有技巧模拟；ETS≤0时，为无技巧模拟；ETS=1时为最佳模拟。由于公平TS评分对空报和漏报情形都有惩罚，ETS评分会显著低于TS评分。

将 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个量级，对降雨量模拟结果分量级进行TS 和ETS评分。计算公式如下：

图1 淮河流域15个子单元划分图

式中：Na表示模拟命中站数；Nb表示空报站数；Nc表示漏报站数；Nd表示实况和模拟都未出现降水的站数。

2.强降水落区模拟分析

2013年7月4日08时至5日08时，淮河流域大部分地区出现了降水过程。其中，暴雨区位于南四湖及沂沭泗部分地区，大暴雨在沂河和沭河下游地区（图2a）。控制试验对强降水落区的模拟较降水实况明显偏大，大暴雨落区位置较降水实况偏北（图2b）；同化AMSU-A和AMSU-B卫星资料后，对暴雨落区范围的模拟效果优于控制试验，更接近降水实况，但对大暴雨落区的模拟无明显改进（图2c,d）。

3.不同量级降水模拟分析

表1为同化试验与控制实验模拟的24h降水TS和ETS评分。AMSU-A同化试验TS评分高于AMSU-B同化试验，暴雨以下量级的同化试验TS评分相对于控制试验均无正效果；在暴雨量级，同化试验比控制试验有所改善。各降水量级的同化试验ETS评分与控制试验均为非负值，为有技巧模拟；在中雨和大雨量级，同化试验ETS评分低于控制试验；但在小雨和暴雨量级，同化试验评分优于控制试验，且AMSU-A同化试验评分高于AMSU-B同化试验。

表1 同化试验与控制实验模拟的24h降水TS评分和ETS评分（量级单位：mm）

表2 淮河流域15片同化试验、控制试验模拟面雨量与实况对比表(单位：mm)

图2 2013年7月4日08时～7月5日08时降水图

4.面雨量模拟分析

同化试验对流域15个子单元（片）的面雨量模拟普遍小于控制试验，与实况更为接近（表2）。大坡岭至息县片以及息县至王家坝片面雨量实况均为1mm，两种同化试验模拟面雨量为0，控制试验模拟面雨量异常偏大，分别为20mm与21mm。南四湖片面雨量实况为49mm，AMSU-A、AMSU-B同化试验以及控制试验模拟面雨量均接近面雨量实况，分别为62mm、60mm和61mm。同化卫星资料后，数值预报模式对流域面雨量模拟效果有所改善。

五、结论

利用WRF模式三维变分同化系统，对淮河流域一次暴雨过程进行直接同化卫星AMSU微波辐射率资料模拟试验，分析同化卫星资料后对强降水落区和降雨量（面雨量）模拟效果。

（1）卫星资料同化试验对暴雨及大暴雨落区范围的模拟比控制试验更接近降水实况，同化试验较控制试验模拟的暴雨及大暴雨落区范围变小。

（2）同化卫星资料后，在暴雨量级同化试验TS评分及ETS评分相对控制试验明显改善，其中AMSU-A同化试验模拟结果好于AMSU-B同化试验模拟结果。

（3）同化试验对流域15个子单元面雨量的模拟结果比控制试验偏小，但更接近于降雨实况

（作者单位：安徽省气象台230031）