时间加密探空观测对分析和预报质量的敏感性研究

原榕,何佩仪,马旭林,郭启云

摘要 探空观测是气象资料同化中最基本的常规观测资料，对同化分析和预报的有效改善具有重要作用。由于现有探空观测站的空间分辨率较低，分布不均匀，且每日仅有两次观测，数量偏少，限制了其分析场对中小尺度大气状态的准确再现能力。自我国L波段雷达-数字探空仪更新换代以来，探空观测具备了获取每日4次、垂直分辨为秒级和分钟级的大气廓线资料。本文利用WRF中尺度数值模式，通过06时（世界时，下同）加密探空资料和12时常规探空资料的有效同化，研究分析了时间加密探空观测资料对同化分析和预报质量的敏感性影响。结果表明：同化06时的时间加密探空资料的午后暴雨预报质量优于12时常规探空观测。具体而言，同化06时的时间加密探空资料预报的大雨和暴雨的预报技巧高于12时常规探空资料;位势高度、温度和风场等预报场的均方根误差在高层的改进效果更加明显;06时的时间加密探空资料的同化对高层的高空急流和低层的水汽通量散度的预报质量贡献更大。批量试验进一步证实了有效同化时间加密探空资料对分析和数值预报效果改进的积极意义。

关键词 数值模拟;资料同化;探空资料;加密观测;敏感性分析

资料同化是改善数值预报模式初值质量的重要途径，有效同化多种观测资料是资料同化的关键。相对于只能提供较粗垂直分辨率的大气温度、湿度结构的卫星遥感间接观测而言，常规探空观测由于质量稳定可靠、能够给出完整的准确描述大气三维结构信息而成为陆地获取的极重要的信息来源（Faccani et al.，2009;马旭林等，2017a），在诊断大气垂直结构、分析其变化以及开展各种气象研究中不可或缺（Durre and Yin，2008），为数值预报同化系统中最为基础的资料之一。我国气象学者也证明了常规探空资料在同化和数值预报中的重要性。在对北京一次特大暴雨过程的同化试验研究中，张朝林等（2005）评估了各种气象观测资料在同化和预报效果中的作用，指出在三维变分同化方案中，对改进预报效果影响最大的资料之一是常规探空资料。基于GRAPES同化预报系统对不同来源的常规探空资料的同化分析效果研究表明，同化探空资料层数越多，对背景场的改善愈明显（马旭林等，2017b）。另外，高分辨率探空资料也可以提供对流层和平流层低层的动力学特征（Hamilton and Vincent，1995）。de la Torre et al.（1997）对对流层和平流层低层温度廓线的分析也强调了高垂直分辨率探空资料的重要性。同时，高垂直分辨率的探空观测资料也是研究边界层顶高度的基本资料（Basha and Ratnam，2009）。

随着高空探测技术的进步，高垂直分辨率探空数据的获取成为现实。我国高空观测网中L波段雷达-数字探空仪可以提供秒级和分钟级的多时次的高垂直分辨率探空资料，且具有较高的观测质量（郭启云等，2020）。近年來，郝民等（2014）将L波段秒级和分钟级资料插值到GRAPES模式面的同化试验结果显示，L波段高垂直分辨率秒级探空资料对数值模式初值和预报效果有积极作用。姚爽等（2015）采用廓线和逐点方式同化L波段分钟探空资料，也有效增加了观测在分析场中的权重，一定程度上改善了模式初值质量和大量级降水的预报性能。同时，对低空逆温特征也有较好效果（夏敏洁等，2017）。黄燕燕等（2011）利用逐时同化预报系统比较了同化加密探空和常规探空资料与仅同化常规探空资料对分析场和预报效果的差异，表明同化加密探空资料可使分析场各层次水汽、大气环流形势与实况更接近，暴雨预报的雨区和降水量级也与实况更接近。有无06时（世界时，下同）加密探空观测的对比试验也显示，同化加密探空资料能够较大程度地改善模式初始场质量并提高中雨和大雨的预报准确率，尤其对午后热雷雨及大风天气的预报有显著的指导作用（胡端英等，2015）。徐同等（2016）利用基于WRF和ADAS分析同化系统比较同化06时加密探空观测资料前后模式预报结果的差异，也表明同化加密探空资料对模式初始时刻的位势高度、温度、风速均有正贡献，并对强降水及天气形势场均有不同程度的改进。

诸多研究都表明，高分辨率探空资料对数值天气预报质量的改善有明显效果，但针对L波段高分辨率探空数据的同化研究相对有限。另外，国际上常规探空观测的标准时次是00时和12时，而我国中小尺度强对流天气过程多发生于午后和凌晨。显然，常规探空观测资料对我国中小尺度天气系统的数值预报初始场质量的提高具有时间上的不利影响。

目前，我国正在进行观测系统配置方案的优化调整。为了准确认识探空观测时次对我国数值预报质量的影响，充分发挥探空观测对数值预报质量的有效贡献，先后开展了时间加密探空观测试验，获取了06时和18时两个时次的加密探空观测资料。本文基于时间加密探空观测资料，利用WRF中尺度数值预报模式和同化系统开展数值试验，重点研究分析06时的时间加密探空资料对我国数值预报质量敏感性影响，为常规探空观测系统的时间配置方案提供参考依据。

1 数值试验方案与资料

为对比06时加密探空资料与12时常规探空资料对变分同化和预报结果的影响，以2013年6月6—9日区域性暴雨过程进行个例分析，试验方案如表1。选取2013年6月1—30日连续30 d的时间加密探空观测资料与常规探空资料，利用WRF DA同化系统分别同化和72 h预报，同化系统和预报模式的参数和物理过程、参数化方案等设置完全一致。试验采用WRF模式和WRFDA同化系统的版本为Ver 3.7.1，预报模式采用三层嵌套，模式水平分辨率分别为27、9、3 km，垂直方向37层。模式物理过程均使用WSM 5 class方案，前两层模拟区域的积云参数化方案为Kain-Fritsch方案，长波辐射采用RRTM方案，短波辐射用Dudhia方案。

时间加密探空观测资料为中国气象局气象探测中心于2013年6月每日06时实施的加密观测，观测站点的空间分布与常规探空观测一致，实况降水资料为CMORPH小时降水融合产品。同化系统的背景场与数值预报模式的侧边界条件均为GFS的全球预报场，其水平分辨率为1°×1°。试验的检验资料为欧洲中尺度天气预报中心（ECMWF）的ERA-Interim高分辨再分析资料，空间分辨率为0.25°×0.25°。需要说明的是，两组试验的同化分析时刻与预报起报时间均相差6 h。

2 时间加密探空对暴雨分析预报的敏感性

2013年6月6—7日暴雨天气形式的发生发展过程中，高空短波槽东移加深，低层西南涡东移发展，且高低空急流耦合。6日下午为强降水阶段，傍晚至夜间降水减弱，其后强降水又进一步间断性发生。该次暴雨过程的主要影响系统为对流层低层的低涡和输送高温高湿水汽的强西南气流，以及高空急流。

2.1 加密探空对分析质量的影响

图1是FCST06和FCST12试验的850 hPa溫度和纬向风的分析场及其与再分析资料的偏差。由图1可以看出，FCST06试验的温度（图1a）和纬向风（图1c）分析场与再分析资料的偏差空间尺度较小，更多地体现了中小尺度天气系统的特征。而FCST12试验（图1b、1d）的相应偏差场则更多表现为大中尺度天气系统的特征。这主要是由于该次暴雨过程主要发生在午后至傍晚阶段，06时中小尺度天气系统正发展至强盛阶段。此时，如果预报模式的初始场中包含更加合理的中小尺度天气系统信息，显然更有利于模式准确预报该中小尺度天气过程;而12时处于中小尺度天气过程较弱阶段，FCST12试验分析场（相当于模式初始场）的中小尺度天气信息偏弱，因此偏差场以大中尺度信息为主。

由于06时的加密探空与12时常规探空资料的站点相同，资料也基本一致，理论上分别同化这两个时刻的探空资料后的分析场质量应该相当。但是，由于FCST06的观测时刻更接近于中小尺度天气系统发生发展的时间，其对中小尺度天气系统的描述更加准确，也更加有利于模式预报中中小尺度天气系统合理的发生发展，从而改善了预报模式对中小尺度天气系统的预报准确性。因此，对于午后发生的中小尺度天气系统为主的暴雨过程，同化06时的时间加密探空观测资料对后期的预报质量具有更大的正贡献。

2.2 降水预报分析

从6月6日12时—7日12时的实况和24 h预报累积降水（图2）可以看出，由自动站资料与CMORPH小时降水融合的0.25°×0.25°分辨率的实况累积降水的雨区呈东西走向的带状分布，暴雨落区主要分布在湖北东部、安徽和江苏南部、江西和浙江北部，大暴雨级别的降水主要分布在安徽南部（图2a）。尽管FCST06（图2b）与FCST12（图2c）试验的降水预报结果与实况相比都存在差异，但从整体上看，前者的24 h预报累积降水质量优于后者，尤其FCST06试验的暴雨落区预报比FCST12试验明显更接近实况。从降水落区看，FCST06试验的暴雨和大暴雨量级的落区预报技巧也明显高于FCST12试验。总之，同化了更接近暴雨发生时刻的时间加密探空观测资料，预报模式的初始场质量得到了一定程度的改善，其降水预报质量也得到相应提高。

6月7日12时24 h预报的累积降水评分显示，FCST06对整个模式区域的24 h大雨和暴雨的TS评分高于FCST12，其中大雨和暴雨量级的预报技巧分别提高了1.24%和3.29%，而小雨的TS评分则与FCST12接近（图3a）;对于ETS评分（图3b）和TSS评分（图3c），FCST06试验同样表现出优势，24 h大雨和暴雨预报的ETS和TSS评分均高于FCST12试验，其中大雨和暴雨量级的ETS评分预报技巧分别提高1.03%和3.29%，TTS评分技巧分别提高3.05%和4.45%。这说明同化06时加密探空资料，即使延长了6 h预报时效的情况下，其降水量级和落区预报的质量依然优于FCST12试验。可见，在06时实施探空观测并有效同化具有丰富垂直信息的秒级探空资料，对午后强降水的数值模式预报能力的提升有明显正效果，尤其暴雨量级的降水预报。

2.3 中小尺度系统的预报效果

降水强度和落区预报的准确性很大程度上取决于数值模式的大气物理变量的预报质量。时间加密探空资料的同化对午后降水预报具有良好的改进，其预报物理量也应该具有合理的响应。由前文可知，决定该次暴雨过程的主要影响系统是对流层低层的低涡系统和输送高温高湿水汽的强西南气流以及高空急流区（图4a）。显然，这些主要影响系统的预报质量直接影响降水的预报效果。

由两组试验的位势高度、风速、温度的预报场和相应的高分辨率再分析场及其差异（图4）可知，FCST06试验的850 hPa风场和中尺度低涡系统的预报（图4b）相对于FCST12试验（图4c）更为准确，尽管前者的低涡中心位置略偏西。FCST06试验基本更好地再现了这次强降水过程的低空急流、低涡的强度和整体位置等主要中小尺度影响系统;而FCST12试验模拟出的低空急流位置略偏西、低涡强度明显偏弱，这直接影响了暴雨强度和落区预报的质量。

200 hPa高空风场预报显示，FCST06试验与再分析场的偏差明显小于FCST12试验，其高空主要影响系统即高空急流略偏强，但总体上与再分析场更为接近;而FCST12预报的高空急流则明显偏弱，位置偏东，导致暴雨强度和落区较实况偏差更大。这表明06时加密探空资料的有效同化，对流层低层中小尺度主要天气影响系统的预报质量更高，也更有利于改善降水预报的量级和落区预报技巧。

图5为最大降水强度时刻的再分析资料与两组试验预报的水汽通量和水汽通量散度及其偏差。对照再分析资料（图5a），两组试验预报的低层水汽通量的强度和位置与实况基本接近，但FCST12的水汽通量带略偏西，FCST06试验的质量相对更高;FCST06（图5b）、FCST12试验（图5c）与再分析场的850 hPa的水汽通量散度偏差主要出现在低涡附近。由于FCST06试验的中尺度低涡和低空西南急流的位置预报相对更为准确，其水汽通量散度的空间分布也更为合理;而FCST12试验的低涡位置偏北，使得低涡位置出现一个较大的水汽通量散度偏差带。因此，尽管FCST06试验的预报长度相对FCST12长6 h，但其水汽通量散度的分布比FCST12试验依然更好。这也进一步反映了同化06时加密探空资料对低涡周边水汽通量和水汽通量散度都有较好的正效果。

3 批量数值试验分析

3.1 分析质量的影响效果

根据时间加密探空资料的时段，利用WRFDA 3DVAR同化系统开展了2013年6月1—30日连续30 d的加密探空资料和常规探空资料的连续模拟试验。试验方案与个例试验相同，并将同化时间加密探空资料和常规探空资料的批量试验依然分别称为FCST06和FCST12试验。

两组批量试验500 hPa分析场的均方根误差（图6）显示，无论温度、位势高度还是相對湿度，在30 d的试验期内，FCST06试验的06时分析场均方根误差大多数情况下都小于FCST12试验的12时分析场，尤其是相对湿度的优势更为显著。具体来看，同化时间加密探空资料的FCST06试验，除个别时刻外，其温度分析场的均方根误差基本上都优于同化常规探空观测资料的FCST12试验，而位势高度分析场的优势虽然较小，但还是呈现出一定的改善效果;相对湿度分析场的均方根误差基本呈一致性改善。这主要得益于FCST06试验有效同化了距离暴雨发生时间相对较近的加密探空资料，其分析场更加接近实际大气，特别是低涡、低空急流等关键中小尺度天气系统，使得低空急流携带的高温高湿的水汽合理地输送到中小尺度天气系统发生发展的区域。需要指出的是，6月5日的FCST06试验的温度、位势高度与相对湿度分析场的均方根误差改善的异常显著，但这种异常改善还难以确定仅仅是同化加密探空资料而引起，也可能与当天的中小尺度天气系统的异常发展有直接关系。

3.2 对预报效果的影响

图7为2013年6月1—30日两组试验的30 d内对流层低层、中层和高层的24 h预报的位势高度、温度和风场均方根误差。相对于FCST12试验（虚线），同化时间加密探空观测资料的FCST06试验（实线）的24 h预报质量具有一定提高，但不同层次、不同预报物理量的改善并不一致。对流层低层、中层和高层位势高度的预报误差均有不同程度的减小，平均误差分别约为10、11和15 hPa，低层和高层改善较明显，中层的改善程度为最小。另一方面，低层和中层的预报误差相对稳定，而高层的预报误差在整个试验周期内的变化幅度略大（图7a）。

FCST06试验的对流层低层和高层的温度24 h预报质量较FCST12试验明显改善，其预报误差分别约为0.7、0.8 ℃，明显小于FCST12试验的预报误差，但二者对流层中层的预报误差基本相当（图7b）。对于风场而言，FCST06试验的对流层低层纬向风（图7c）和径向风（图7d）的预报误差在大部分试验期内具有较明显的减小，中层和高层风场的预报误差二者基本相当。结合前文分析可知，低空急流和低涡系统的强度和位置预报质量较FCST12试验更为合理是对流层低层风场预报质量提高的主要原因。

从两组试验的24 h预报场质量的整体分析，06时的时间加密探空观测比12时观测更加接近于中小尺度天气系统发生发展的阶段，其观测资料的有效同化能够较好地改善分析场（或预报模式初始场）质量，从而进一步改善了天气系统的预报技巧。因此，06时加密探空观测对于午后强降水天气系统的数值预报具有较明显的正贡献，也进一步表明同化分析质量对观测资料时效的敏感性。

4 结论和讨论

探空观测是气象资料同化中最基本的常规观测资料，对同化分析和预报的有效改善具有重要作用。但目前业务探空观测站的空间分辨率低，每日仅有两次观测而数量偏少，且分布不均匀，在一定程度上限制了其分析场对中小尺度大气状态的准确再现能力。通过06时加密探空资料和12时常规探空资料的有效同化，研究分析了时间加密探空观测资料对同化分析和预报质量的敏感性影响。个例试验和批量试验结果均表明：时间加密探空观测资料的有效同化能够明显减小分析误差，改善分析场对中小尺度天气系统的再现能力，从而进一步提高我国午后暴雨天气过程的中小尺度天气系统的预报质量，改善暴雨预报的降水强度、落区等的预报技巧。尽管06时探空观测对于午后强降水天气系统的不同层次、不同物理变量的改善不尽相同，但整体上看，该时次的探空观测对中尺度数值预报质量具有较明显的正贡献。因此，为了进一步改善我国中小尺度数值预报的分析和预报质量，有必要充分研究和开展与我国天气系统发生发展更加吻合的时间加密探空观测试验。

由于受加密观测资料的时间及其长度的限制，文中仅开展了2013年6月的天气个例和30 d连续试验，虽然试验结果反映了06时加密探空观测对我国午后天气过程的数值预报具有良好的正贡献，但其广泛适用性仍需要更长时间的探空观测资料和更加深入的研究分析。随着我国常规探空观测频次和空间分辨率的改善以及资料同化和数值预报模式性能的持续提高，中小尺度天气数值预报的质量应愈加准确。

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Study on sensitivity of intensive temporal radiosonde observations to analysis and forecast quality

YUAN Rong1，HE Peiyi1，2，MA Xulin1，GUO Qiyun3

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Southwest Regional Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation Administration of China，Chengdu 610202;

3Meteorological Observation Center of CMA，Beijing100081，China

The radiosonde data is the most basic routine observation data in meteorological data assimilation and plays an important role in the effective improvement of assimilation analysis and forecast.Due to the low spatial resolution and uneven distribution of the existing radiosonde stations，only two observations per day and the small quantity，the accurate reproduction ability of their analysis field to the small and medium-sized atmospheric state is limited.After the L-band radar-digital radiosonde in our country has been updated，the radiosonde observation could obtain the atmospheric profile data 4 times a day with second-level and minute-level vertical resolution.In this paper，the WRF mesoscale numerical model is used to analyzethe sensitivity of intensive temporal radiosonde observationdata to the assimilation analysis and forecast quality through the effective assimilation of 06 UTC intensive radiosonde data and 12 UTC conventional radiosonde data.The results show that：the quality of afternoon rainstorm forecast by assimilating 06 UTC intensive radiosonde data is better than that of 12 UTC conventional radiosonde data.To be specific，the forecast skill of heavy rain and rainstorm by assimilating 06 UTC intensive radiosonde data are more accurate than by assimilating 12 UTC conventional radiosonde data.The root mean square error of prediction fields such as geopotential height，temperature and wind field is more effective at higher levels.The assimilation of the intensive radiosonde data at 06 UTC contributes more to the forecast quality of upper-level jet stream and lower-level water vapor flux divergence.Batch tests further confirm that assimilating 06 UTC intensive radiosonde data is of positive significance for both analysis fields and numerical forecasting.

numerical simulation;data assimilation;radiosonde data;intensive temporal observations;sensitivity analysis

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200219012

（責任编辑：袁东敏）