掩星探测弯角和折射率同化对数值预报的影响

段华

摘 要：以某台风为例，采用相应的方式分析掩星探测弯角和折射率同化对数值，明确了掩星探测弯角和折射率同化对台风的运行路线、台风的强度、大气状况等造成的影响，为台风预防工作提供了准确的资料，并在一定程度上降低了台风造成的损失。

关键词：台风；折射率；弯角；无线电掩星探测

中图分类号：P457.8 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.075

在实际的掩星探测弯角和折射率同化对数值预报的影响研究中，掩星探测资料有很多优势——能够为数值天气预报、环境监测、气候变化等工作的开展提供可靠的数据。通常来说，掩星探测数据的产品都是严格按照从低到高的顺序有序排列的，依次为弯角、折射率、温压湿廓线。本文主要通过对某台风的定向定量研究、分析，阐述了掩星折射率和弯角资料同化对台风运行路线、台风强度等造成的影响。

1 工作原理分析

1.1 GSI同化系统

在实际应用过程中，GIS属于格点的统计数据插入系统，能够有效利用整个地球和不同区域变分同化系统，而GIS同化系统本质是NCEP以波谱统计插值为基础所研究的一种全新的分析系统。随着社会经济的不断发展，GIS系统已经被广泛应用于各个行业。这是因为应用该系统能够同化多种不同类型的资料，例如卫星反演资料、卫星辐射资料等。另外，GIS还能有效利用局地观测算子，从而实现对GPS资料的快速同化。

1.2 折射率局地观测算子

一般来说，折射率局地观测算子在应用过程中的数学计算公式为：

NLoc=F1HN（T，p，q）. （1）

式（1）中：NLoc为局地地折射率；HN（T，p，q）为Smith-Weintraub方程，即HN（T，p，q）=77.6 +3.73×105 .

在开展实际工作的过程中，工作人员能有效计算大气温度、压力、水汽分压等数据，从而得到折射率的轮廓线，并且通过网格点及时将折射率插值到掩星点所在的位置展现出来。

1.3 弯角观测算子

在实际工作中，弯角观测算子主要是转换大气状态的变量，使其成为模拟弯角，具体可以表示为：

α=AαFIHN（T，p，q）. （2）

式（2）中：Aα为Abel积分；HN（T，p，q）为Smith-Weintraub方程，即HN（T，p，q）=77.6+3.73×105；FI为模式网格点存在的折射率插值到掩星点的线路。

1.4 测定质量控制

在实际工作中，为了保证同化质量，工作人员应该积极对其进行控制，主要包括最初的质量控制、背景场校验和相对误差校验。只有有效控制这三部分内容，才能保证相关工作开展的有效性。

2 实验设计过程

在实际研究过程中，实验主要采用的是中尺度数值预报模式，并且经过研究决定采用非静力方案。因为实验的分辨率为30 km，并且不具备嵌套，垂直分层28层，所以，决定采用汤普森冰雹方案。对于长辐射波，决定采用快速辐射传输模式，短波决定采用杜德希尔方案。在实验过程中，采用的同化模式为NCEP业务运行的GSI变分同化系统，并依据实验状况设置了2个外循环，每个外循环涵盖了15个内循环，从而实现了目标函数最小化。同时，在研究过程中，在初始时，背景场数据采用NCEP预报场资料。

本文针对某台风，将NCEP预报场资料当作初市场，对台风进行了72 h的预报，折射率同化试验对同化折射率的相关资料同样进行了72 h预报，弯角同化试验对相应的弯角资料及时的进行同化，再进行72 h预报。工作人员对三组数据进行不同的分析，明确了GPS资料同化对气象各个变量的影响。

3 实验结果分析

实验完成以后，工作人员积极采用相关技术制订不同的台风模拟分方案，通过相应的比较，采用的3个实验都能有效模拟台风路径。但是，工作人员在同化了掩星资料后，3个实验台风路线的模拟十分接近；折射率同化以后，3个实验台风转弯误差也明显减小，保证了台风运行路线的准确性。当台风在25°N周围转弯时，非同化GPS所显示的资料效果最差。经过折射率和弯角的同化，在相应路径的模拟能够有效反映其中存在的问题。在台风转弯运动完以后，3个实验对台风运行路线的模拟效果都存在较大的误差，具体结果为：参照实验对台风运行路线模拟效果最差，射率同化对台风运行路线模拟效果次之，弯角同化对台风运行路线模拟效果最好。

另外，在实验过程中，工作人员通过对不同时间段路径误差的研究和分析，得出的结果是：在进行预报工作之前的18 h，3个实验的路线一致，18 h后，同化GPS资料所显示的实验数据误差较小，同时，数据的误差明显低于不同化的实验。随着时间的不断推进，误差更加明显。误差的具體展现方式是：误差提高的趋势为控制试验大于折射率试验大于弯角试验，其中，折射率资料的误差减少13%，弯角资料路径误差为32%.

在预报过程中，工作人员在观测数据时，台风中心气压为920 hPa，3个实验气压为972 hPa，超出有效范围。通过对实验数据的研究和分析发现，GPS掩星资料同化对台风预报产生的影响比较小，在预报的前2 d，弯角同化能够提高预报质量。大气中水汽对台风的对流发展、起源等都具有较为直接的影响，而GPS掩星资料同化可以为研究人员提供高垂直分辨率、 高精度的湿度和温度的相关信息，并且还能保证信息的可靠性。由此可知，GPS掩星资料同化能够有效提高台风的预报水平。

4 结束语

综上所述，无线电掩星观测技术能够提供准确的信息，保证折射率和弯角资料有效同化，及时预报天气状况。在实验过程中，工作人员应该积极控制数据的准确性，及时研究和分析掩星探测弯角和折射率同化对数值的影响，保证数据的准确性，进而提高天气预报的质量。

参考文献

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〔编辑：白洁〕