同化MWHS-2/FY-3C 资料对一次西南涡暴雨数值模拟的影响研究

蒋璐西 ,陈科艺 ,王璐思 ,李德友

（1.高原与盆地暴雨旱涝灾害四川省重点实验室，成都 610072；2.四川省资阳市气象局，资阳 641300；3.成都信息工程大学大气科学学院，成都 610225；4.四川省广元市气象局，广元 628017）

引言

西南低涡是造成我国西南地区及其下游大范围暴雨等灾害性天气的重要天气系统之一，是在青藏高原特殊地形与大气环流相互作用下，形成于700hPa或850hPa 等压面上具有气旋式环流的α 中尺度闭合系统[1]。四川盆地及与高原毗邻的周边地形复杂，气候独特，而高原山区常规观测资料数量少，时空分辨率低，致使气象工作者们在对西南涡暴雨天气过程和西南低涡结构特征的早期研究中认识较为有限。随着数值预报和气象探测手段的不断发展，高分辨率数值模式和多种常规、非常规气象观测资料被越来越多地应用在西南涡暴雨天气过程的诊断分析和数值模拟方面。高笃鸣等[2]在WRF 模式中同化业务探空资料和西南涡加密观测资料，改善了研究个例中模式对降水和低涡路径的模拟。程晓龙等[3]利用西南区域数值模式结合全国汛期高空加密观测资料对一次西南涡暴雨过程进行了数值模拟，研究表明同化加密观测资料能够改善模式降水预报和初值场，对西南涡的模拟表现更佳。由于常规的高空加密观测资料获取难度大且站点数量有限，卫星观测资料在所有同化资料中仍占据着极大的比例。2008 年5 月中国发射了第一颗风云三号气象卫星，标志着第二代气象卫星观测资料应用研究的开始。风云三号（FY-3）极轨气象卫星搭载的微波湿度计探测仪主要用于探测大气的垂直分层和水汽含量等空间资料，对数值天气预报初始场的改善十分重要。Chen 等[4]和Lawrence等[5]利用欧洲中期天气预报中心ECMWF 的资料同化系统先后对风云三号A、B 星微波湿度计观测资料（MWHS）、C 星（MWHS-2）的数据质量可靠性进行了同化研究，研究均证明该数据质量可靠。基于这些研究，ECMWF 分别于2014 年9 月和2016 年4 月正式业务化风云三号B、C 星的微波湿度计资料。蒋璐西等[6]直接同化了风云三号B 星和C 星的微波湿度计观测资料，对2018 年7 月一次四川盆地区域性暴雨过程进行了模拟对比试验，试验结果验证了同化风云三号系列卫星的微波湿度计观测资料对四川盆地暴雨数值预报有一定的业务应用价值。范娇等[7]采用风云三号C 星微波湿度计资料对两次西南涡暴雨过程进行同化研究，结果表明，通过循环同化MWHS-2 资料能够有效提高中高层温度、相对湿度和风场的预报，在一定程度上改善降水预报，预报效果比单时次同化试验更好。目前，大量研究通过利用常规和非常规观测资料[8−10]、结合模式进行同化应用[11]、使用不同模式[12−15]以及优化模式参数化方案[16]等方法对西南涡降水及其低涡发展机制进行深入分析，不断丰富了对四川盆地暴雨及西南涡演变的认识，也提升了数值预报业务水平。

为了进一步评估同化风云三号C 星微波湿度计观测资料对西南涡暴雨过程数值预报结果的影响，本文利用WRF 模式及WRFDA 同化系统，循环同化风云三号微波湿度计资料（MWHS-2），对2019 年6 月4日四川西南涡暴雨天气过程进行数值模拟试验，检验其同化后对西南涡的路径模拟及降水预报的改善效果，并利用模拟所得的高分辨率数值产品分析此次过程中西南涡动力、热力等演变特征，以期加深对西南涡暴雨的认识。

1 数据与个例

1.1 数据来源

采用欧洲中期天气预报中心1 日4 次的ERA-interim 0.75°× 0.75°全球再分析资料和国家站常规探空观测资料对暴雨天气过程进行环流背景分析，降水实况分析采用四川地区常规地面气象观测站的降水实况资料。WRF 中尺度模式采用NCEP/NCAR 1°× 1°再分析资料作为模式的驱动场和边界条件，同化试验中使用的MWHS-2/FY-3C（风云三号C 星微波湿度计）观测资料来源国家卫星气象中心官方网站（http://www.nsmc.org.cn/NSMC/Home/Index.html），选取的资料同化探测通道为183GHz 系列通道，此通道分别探测400hPa、500hPa、600hPa、700hPa、800hPa 的大气水汽信息，用于改善模式初始场。

1.2 个例简介

2019 年6 月4 日12 时～5 日12 时（本文均为世界时）受高空低值系统和西南涡共同影响，在四川盆地中部、北部、东北部出现了大雨到暴雨，局部地区大暴雨。最大雨量出现在华蓥山市天池镇为141.9mm，最大小时降雨量出现在内江市凤鸣镇为88.9mm（图1a）。

图1 2019 年6 月4 日12 时～5 日12 时（a）累计降水实况空间分布（单位：mm）和（b）数值模拟区域位置

由6 月4 日500hPa 环流形势（图略）可知：亚欧中高纬地区高度场呈“两槽一脊”型分布，青藏高原上有小槽东移并不断加深，引导冷空气南下影响四川；西太平洋副热带高压呈东西带状，有利于高原低槽的快速东移，其外围强盛的西南低空急流将来自孟加拉湾、南海的水汽和能量向盆地暴雨区输送，与进入盆地的冷空气交汇触发强降水；到4 日18 时低层700hPa在盆地西北部有低涡生成，在东移的过程中维持并不断加深，同时850hPa 在盆地中部也有低涡形成，以东北路径移出盆地，后期随着西太副高北段南落，致使两低涡移动加快，盆地内降水很快结束。

2 同化试验设计

研究使用的模式为中尺度高分辨率数值模式WRF(Weather Research and Forcasting Model)及其同化系统WRFDA (WRFData Assimilationsystem)，其 中WRF 版本为3.7，初边界条件采用NCEP/NCAR 的1°×1°FNL(Final Operational Global Analysis)资料，垂直分层为32 层，模式分辨率为10km（模拟区域见图1b），格点数168 × 266 个，时间积分步长为60s，控制和同化试验起报时间为2019 年6 月3 日12 时，预报时效为72h，输出资料时间分辨率3h。其中同化试验在控制试验基础上循环同化三个不同时刻覆盖四川全境的MWHS-2/FY-3C 观测资料(图略），第一次同化分析时刻设置为3 日12 时，同化窗区设置为分析时刻前后3h，选取的背景场是WRF 模式从3 日06 时起报所得到的3 日12 时预报结果，同化后得到12 时分析场，并以此作为初始场进行12h 模式预报；根据MWHS-2/FY-3C 观测资料时间，每12h 进行一次同化，选取的背景场由上一次同化后模式预报结果提供，其它试验参数设计与控制试验一致。WRF 模式参数化方案的配置为：长波辐射选取RRTM 方案，短波辐射选取Dudhia 方案，积云对流选取 K-F 方案，近地面层选取Momin 方案，陆面过程选取 Noah 方案，边界层选取YSU 方案，微物理参数化选取WSM3 方案。

同化试验中使用欧洲中期数值预报中心ECMWF 开发的辐射传输模式RTTOV11，只同化晴空观测去除云雨影响的资料。系统中偏差订正模块的采用变分偏差订正方法，同化所使用的微波湿度计资料质量均通过偏差订正检验（图略）。

3 数值试验结果对比

3.1 降水与初值结果分析

实况显示本次降水天气过程的主雨区位于四川盆地中东部以及重庆西部，暴雨量级主要出现在盆地中部和广安，雨区连续并呈西南-东北带状分布，局部出现超过100mm 的极端降水。由数值试验模拟的降水分布（图2）可以看出：控制试验在盆地北部和东部模拟出大范围的暴雨量级降水，盆地中部以中到大雨量级为主；同化MWHS-2/FY-3C 资料后，降水落区较控制试验结果在盆地中部、重庆西部雨区范围有所扩大，对盆地西北部暴雨量级的虚报区域也有明显的改善，量级上更接近于实况，并且在盆地东北部局部模拟出大暴雨量级的降水。可见，同化MWHS-2/FY-3C资料后能对盆地中东部降水预报有正面影响。

图2 控制试验（a）、同化试验（b）模拟6 月4 日12 时～5 日12 时累计降水分布（单位：mm）

将同化试验中第三次同化时刻（4 日12 时）低层相对湿度场与控制试验进行对比分析。由相对湿度增量场（图3）可知，相比于控制试验而言，同化后盆地内中低层相对湿度都为正增量，其中600hPa 和850hPa 上在盆地西北部、中部和东北部正增量达到了20%～30%，盆地东部存在一个最大值为50% 的正增量中心，表明同化MWHS-2 观测资料后能够对模式中盆地降水区域的水汽信息有正面调整，有利于对该区域降水预报的改善。

图3 4 日12 时同化时刻600hPa（a）、800hPa（b）相对湿度增量（同化后减同化前，单位：%）

3.2 西南涡演变与模拟

本次过程中，700hPa 和850hPa 西南涡是影响盆地降水的主要系统，其在四川盆地内的影响时段主要是4 日18 时～5 日03 时。因此，将两组数值模拟试验中西南涡的模拟情况与实况进行对比分析，以验证同化MWHS-2 观测资料后模式对低涡的模拟效果的改善。

实况显示4 日18 时700hPa 上盆地西北部有气旋性闭合中心开始形成，沿偏东路径（经绵阳-广元-达州）移动并于5 日06 时移出四川境内；850hPa 辐合中心于4 日18 时出现在盆地中部（安岳）与重庆交界处，以东北路径（资阳-广安-达州）移出四川。两组数值试验模拟出的两层低涡初生位置与实况相比均偏东偏北，但通过循环同化MWHS-2 观测资料后，初生位置较同化前均更接近实况，低涡中心风场辐合有所增强，出现时间也与实况一致，改善明显（图4）。对比两层低涡的移动路径，实况上700hPa 低涡以偏东路径东移，850hPa 上为东北移向，盆地内两低涡位置无耦合移速较快，移动过程中逐渐接近，最终在重庆境内消亡。而两组数值试验对低涡路径的模拟较实况均有一定差距，其中控制试验700hPa 低涡在5 日00时后快速向东北方向移动与实况位置差距加大。在引入MWHS-2 观测资料后，700hPa 低涡东北移动路径明显调整为东移路径，与实况更加接近；850hPa 模拟低涡在盆地东部转向调整为沿偏东路径移出四川，盆地内低涡活动路径调整不明显。

图4 “2019.6.4”过程实况（空心圆标注）、同化模拟试验（实心圆标注）低涡移动路径（棕色为700hPa，红色为850hPa）、控制模拟试验（实心矩形）低涡移动路径（棕色为700hPa，红色为850hPa）

通过分析低涡中心位势高度的变化，发现东移过程中低涡中心强度始终维持，两组数值试验中700hPa低涡中心位势高度在305～306dagpm，850hPa 低涡中心位势高度在141～142dagpm，均比实况中心偏强（图略）。

4 低涡暴雨机制和物理量特征

通过以上对比分析可知，同化试验对于700hPa西南涡的模拟与实际情况更为接近，因此选取同化试验结果对700hPa 西南涡的结构特征进一步分析。由于西南涡4 日18 时在700hPa 初生，21 时发展成熟，以18 时和21 时研究西南涡初生、成熟阶段的动力和热力场特征（图5）。如图5a、c 所示，4 日18 时低涡中心上方（600～200hPa）和低涡东侧均为一致的上升运动，中心值在1～2m/s；低层（800～600hPa）出现辐合中心，辐合中心上空600～400hPa 为辐散层，高低空配置对低涡的发展十分有利；105°～106°E 上空表现为一个正涡度柱，在400hPa 和600hPa 上分别存在一个正涡度大值中心，整层的正涡度柱随高度向东倾斜，表现出高层正涡度中心超前于低层的垂直结构特征；700hPa 上低涡位置存在一个348K 的高值区，呈“暖心”结构，低涡中心下方900～800hPa 等假相当位温线密集，垂直和水平梯度较大，低层冷暖空气对比明显。如图5b、d 所示，4 日21 时低涡发展到成熟阶段，低涡中心整层垂直上升运动范围增大，速度大值为3m/s，正涡度中心已延伸至500～600hPa，中心最值已达到120×10-5s-1，正涡度柱仍然随高度向东倾斜发展，700hPa 低涡中心已发展到40×10-5s-1，两中心较初生阶段有所接近；低涡中心东侧600～300hPa 为辐散层，辐散层下方对应低层辐合区在垂直方向上已加深至900hPa；暖心结构已发展到400hPa，低层900hPa 表现出有明显的冷空气入侵。进一步分析相对涡度的时间演变可知：4 日15 时 在105°～106°E 为10×10-5s-1弱的正涡度中心，风场上出现气旋式弯曲（图略）；18时正涡度区扩大并向东移动，对应风场上出现完整的气旋式环流，中心值也已经增长到30×10-5s-1（图5c）；随后东移的过程中正涡度中心仍不断增强并维持，对应700hPa 低涡成熟期（图5d）；到5 日03 时，低涡已经移出四川，中心正涡度达到了60×10-5s-1（图略）。

图5 4 日18 时（左）和21 时（右）沿31.5°N（a、b）假相当位温（等值线，单位：K）、垂直速度（填色，单位：m/s）以及（c、d）相对涡度（单位：10−5s−1）垂直剖面

综上所述，700hPa 西南涡的初生和成熟阶段均维持对流层低层辐合和假相当位温的暖心结构，正涡度柱在初生阶段随高度向东倾斜和高层正涡度中心强度的快速增加十分有利于低层低涡的发展。

分析低层风场与过去3h 累计降水空间分布（图6）可知，本次降水前期700hPa 上西南急流不断将孟加拉湾的水汽输送进盆地，850hPa 南风急流轴上中心风速也超过14m/s。由于风向辐合及地形的作用，低层水汽在切变线及龙门山一带产生辐合，对应此时刻强降水的产生（图略）。4 日18 时，低层水汽辐合区集中在盆地中部到北部，700hPa 和850hPa 水汽辐合中心大值均超过了4×10-5kg·s-1·m-2，水汽辐合区与强降水区仍有很好的对应关系。随着低涡向东移动，冷空气进入盆地并快速南压，盆地西北部和中部的水汽通道很快被北部冷空气切断，水汽辐合中心和强降水区均迅速东移。上述分析表明，水汽通量的辐合区对强降水带的移动有很好的指示意义，强降水主要出现在700hPa 低涡东南侧偏南气流气旋性曲率最大值区与850hPa 低涡切变南侧的重叠位置。

图6 同化试验模拟的不同时次低层风场与过去3h 累计降水量空间分布（a.4 日18 时，b.4 日21 时；黑色流线表示850hPa 流场；红色圆点表示850hPa 低涡位置；棕色圆点表示700hPa 低涡位置；填色表示降水，单位：mm）；4 日18 时不同层次风场与水汽通量散度空间分布（c.700hPa，d.850hPa；箭头表示风矢；填色表示水汽通量散度，单位：10-5kg·s-1·m-2）

5 结论

本文利用WRF 模式及WRFDA 同化系统，循环同化风云三号微波湿度计资料（MWHS-2），对2019年6 月4 日四川西南涡暴雨天气过程进行了数值模拟试验，得到以下结论：

(1) WRF 模式成功预报出本次暴雨天气过程，而通过循环同化MWHS-2 观测资料后对模式初始场盆地中东部的相对湿度有明显的调整，能够对模拟的降水结果产生正面影响。对双层低涡在四川盆地内的模拟也具有一定的改善，其中最明显的是改善了700hPa低涡模拟路径与实况路径的差距，以及控制试验中850hPa 西南涡在盆地东部打转的虚假路线。

(2) 过程中700hPa 西南涡初生、成熟阶段都维持着低层辐合和相当位温的暖心结构，正涡度柱在初生阶段随高度向东倾斜和高层正涡度中心强度的快速增加有利于低层低涡的发展；在低涡发展成熟阶段，上升运动、正涡度柱以及低层辐合区都有明显的增强，有利于低涡在移动中的稳定维持。

(3) 降水前期低层水汽通道畅通，盆地西北部至盆地中部为水汽辐合中心；随着低涡向东移动，冷空气进入盆地快速南压，盆地西北部和中部的水汽通道很快被北部冷空气切断，水汽辐合中心和强降水区都迅速东移。整个过程中水汽辐合区与强降水区有很好的对应关系，强降水主要出现在700hPa 低涡东南侧偏南气流气旋性曲率最大值区与850hPa 低涡切变南侧的重叠位置。