多普勒雷达在飑线系统资料同化及灾害性天气监测预报中的应用

2021-09-25史华湘张卫民李少英

三峡生态环境监测 2021年3期

史华湘，余意，张卫民，李少英

（国防科技大学计算机学院，长沙 410073）

飑线、台风、龙卷等中小尺度强对流系统，通常形成强风、短时强降水、冰雹等剧烈天气，具有较为严重的灾害性[1-2]。2015年6月1日晚，从南京驶往重庆的客船“东方之星”轮，在长江中游湖北省荆州市监利段水域发生翻沉，442人遇难，共涉及保险金额9 252万元。经国务院调查组调查认定，这次翻沉事件是一起由突发罕见的强对流天气——飑线伴有下击暴流，带来的强风暴雨袭击导致的特别重大灾难性事件。由于这类强对流系统具有空间尺度小、生命期短、变化迅速等特点，数值预报模式对其难以做出准确的预报[3]。多普勒雷达可以有效地探测飑线这种中小尺度天气系统的内部组织结构和外部环境场[4]。使用三维变分资料同化系统有效同化多普勒天气雷达观测资料，合理有效地提取雷达观测数据中丰富的中小尺度信息，可以为数值预报模式提供准确初始场，对改善飑线系统的发展机制和结构特征的预报分析具有重要意义[5-6]。

Xiao等[7]利用WRF（the weather research and forecasting model）三维变分同化系统（WRF_3DVAR），直接同化多部雷达的径向速度和反射率资料，改善了模式的初始场。Hu等[8]利用ARPS（advanced regional prediction）模式同化模拟暴雨过程，设置不同的同化参数对比实验，发现快速间歇性循环同化对初始场改进效果更加明显。Wang等[9]改进WRF_3DVAR方案，采用间接同化雷达反射率因子方案模拟北京夏天四次大暴雨过程，研究发现短时预报技巧提高7 h。顾建峰[10]设置了一系列对飑线、台风、中尺度暴雨等个例的WRF_3DVAR同化实验，联合雷达径向速度、雷达反射率，结果表明联合同化能提取更多的有效信息，模拟结果更准确。闵锦忠等[11]针对江苏一次飑线过程进行不同尺度化因子优化调整及同化频率的敏感性实验，发现同化实验相对于控制实验，初始场都得到了不同程度改善，雷达反射率因子和短时降水的预报得到有效提高，并且同化频率越高，改进效果越明显。邵建军等[12]利用WRF模式及其3DVAR同化系统研究了不同同化间隔对模拟暴雨过程的影响，发现同化雷达资料能使初始场的水汽场、水平风场、垂直速度的分布得到有效调整；除温度场外，同化频次越高对初始场的影响越大。

对于飑线的发生发展条件和组织结构特征的诊断分析，目前已有很多的研究成果。张哲等[13]利用WRF模式研究总结了华北飑线的中尺度特征，分析表明在成熟阶段气压场呈“低高低”的不对称结构分布，水汽在层状云区接近饱和，在尾流低压区具有“洋葱型”探空结构，以及后方入流在尾流低压区之后产生中层干区等。缪子青等[14]认为强低空垂直风切变和“上干下湿”的水汽垂直分布有利于强飑线的产生。李娜等[15]认为一定的对流抑制能、特定的环境风场垂直切变、低层风场的辐合和水平涡度转化为垂直涡度都有利于对流单体的新生。曹倩等[16]分析了在弱的风垂直切变环境中，强不稳定能量为其提供强热力抬升条件，也能触发对流单体的新生和发展。

以上研究工作很好地探索了雷达资料同化在中小尺度模式中的应用以及总结了飑线系统组织结构特征，一定程度上提高了中小尺度模式的预报能力和飑线的业务预报水平，但这些改进仍然无法满足业务运行对飑线这种强对流系统预报的要求。因此，本文针对2016年6月21—22日（世界时，下同）江苏地区一次典型飑线过程，利用WRF中尺度模式及其三维变分WRF_3DVAR同化系统，研究直接同化雷达反射率因子和径向速度对数值模拟典型飑线过程的影响。然后，利用较为准确的模拟结果，诊断分析本次飑线的发展机制和结构特征，为飑线天气的业务预报和科学研究进行有效探索。

1 飑线系统概述和数据介绍

2016年6月21日，一次强飑线系统过境江苏地区。江苏中南部生成东西两个强对流中心，西部中心位于江苏和安徽交界处，东部中心位于江苏南通地区。然后，东西两边的对流单体之间有对流单体新生，与两边的对流单体相连，并形成东西走向的线状强雷达回波带。在21日22时至22日0时，飑线强烈发展，对流旺盛，组织化程度不断增强，逐步形成弓形线状回波，回波强度、雨区范围逐步增大。此后飑线强度逐渐减弱，层状云回波区范围先增大后减小，于22日4时左右在江苏南部消失，共历时8 h。飑线自西北向东南发展，先后影响安徽江苏中南部地区。此次飑线具有明显的短时降水偏强，风速偏大，持续时间较短等特点；伴随短时暴雨、阵性大风和冰雹等天气现象，具有较强的突发性、迅速性和破坏性，为当地工农业和日常生活带来重大影响。当时江淮流域正值历史罕见的强梅雨时期，持续的梅雨天气，再加上河道淤泥的堆积，使得淮河流域水位高涨，此次飑线过程的短时强降水更是加重了江淮流域的洪涝险情灾情，给当地带来了严重的生命和财产损失。因此，准确及时地预报江淮流域梅雨时期的飑线等短时强降水过程，对于该地区的防洪抗旱、抢险救灾等具有重大的现实意义。

本次同化实验所使用资料来自南京站点（32.20°N，118.70°E） S波段多普勒雷达，包括2016年6月21日20—21时的雷达探测。该雷达以6 min/次的频率进行连续体扫，其径向速度的距离库长为250 m，反射率因子的距离库长为1 000 m。本文设置WRF模式的水平网格距为5 km。该雷达资料具有高时间、空间分辨率特征，能有效地捕捉飑线系统的中小尺度信息。

2 实验方案设计

WRF模式是新一代中尺度数值天气预报系统，应用于大气研究和业务预报，适用于几十米到几千千米尺度的气象研究。本文应用WRF-ARW（ad⁃vanced research WRF）动力框架。ARW是完全可压的、非静力平衡模式。该模式采用追随地形的垂直坐标系，水平网格为Arakawa-C网格，时间积分方案为三阶Runge-Kutta方案，空间离散化采用2-6阶方案，可应用于理想和实际数据的数值模拟。

本文采用WRFV 3.7模式及其3DVAR同化系统，模拟区域如图1所示。采用单层模拟，模拟区域中心坐标为（32.04°N，118.46°E)，东西-南北向的水平格点数分别为200和180（WE×NS），水平格距为5 km，垂直方向分为28层，模式层顶气压为100 hPa，时间积分步长为30 s。物理参数化方案设置：云微物理过程使用WSM3方案[17]，长波辐射为RRTM方案[18]，短波辐射为Dudhia方案[19]，边界层过程采用YSU方案[20]，陆面过程为Noah方案[21]，并指定陆面模式土壤层数为4，近面地层过程使用Monin-Obukhov方案，由于模拟分辨率较高，不采用积云对流方案。

图1 模拟区域：安徽、江苏Fig.1 Simulation area:Anhui Province and Jiangsu Province

如图2所示，模拟实验由控制实验（CTL）和同化实验（VAR）两部分组成。控制实验不同化任何观测资料，模式的初始条件和边界条件来自美国国家环境预报中心（National Centers for Envi⁃ronmental Prediction，NCEP） 1°×1°再分析资料。同化实验同化雷达资料，由同化分析场作为模拟初始场。飑线的主要生命期为2016年6月21日20时至22日4时（UTC），因此，控制实验的模拟时间窗为21日12时到22日6时，共18个小时，该时段包含了这次飑线的整个发展过程。同化实验采用热启动，首先做8小时的初始化，使模式达到动力平衡。然后采用循环同化雷达资料，同化时间窗为20—21时，同化频率为每30 min同化一次。最后以21时同化分析场作为预报初始场，做10 h的确定性预报。同化实验包含了飑线的整个发展演变过程。

图2 实验流程图Fig.2 Experimental flow chart

3 模拟初始场的对比分析

同化雷达资料是为了提取高时空分辨率的雷达观测数据中的有效天气信息，使初始场更加接近实际天气情况，而良好的初始场有助于提高预报效果。因此，有必要分析同化雷达资料对模式初始物理量场的调整。

3.1 水平风场和温度场增量分析

图3描述了最后一次同化（6月21日21时）850、700、500、200 hPa气压层上风场和温度场的增量分布。

图3 2016年6月21日21时（UTC）各气压层（850、700、500、200 hPa）水平风场增量（单位：m/s，矢量箭头）和温度场增量（单位：K，阴影）Fig.3 The increment of horizontal wind(unit:m/s,vector arrow)and the increment of temperature(unit:K,shadow)in each pres⁃sure layer(850 hPa,700 hPa,500 hPa,200 hPa)on June 21,2016 21:00 UTC

从水平风场增量来看，在850 hPa、700 hPa层，同化雷达资料后，本次飑线发生地区以北有东北风增量，飑线发生区以南有东南风增量。该风场增量分布，有利于加强该地区底层风场的辐合和水平风切变，为垂直运动的发展和对流单体的新生提供合理的动力条件；在500 hPa和200 hPa层，风场为辐散型增量，其中500 hPa较小，200 hPa较大，表明高层风场有增强辐散的趋势。风场这种底层加强辐合、高层加强辐散的调整有利于加强气流的垂直上升运动。

从温度场增量来看，在飑线发生区中高层都为正的温度增量，量值为2～4 K，这可能是因为21时飑线已处于发展阶段，已经有降水产生，暖湿气流上升释放凝结潜热，加热对流区域上层的大气，因而同化雷达反射率资料探测的大气温度较高，导致分析场相较于背景场有正的温度增量。其中200 hPa正增量区较小但是数值较大，对应着雷达回波较强的单体区域，这表明此处可能会有较强的深对流产生。通过以上分析可以看出，同化雷达资料能使飑线发生区高中低层的风场和温度场都得到显著调整，即同化雷达资料有效影响了模拟区域的初始水平风场和温度场，表明同化过程是有效的。

3.2 垂直速度和水汽混合比增量分析

强对流天气的产生伴随着强烈的垂直运动和充足的水汽供应。下面将沿着飑线发生区中心做径向和纬向的垂直剖面图，研究同化雷达资料对飑线系统初始场中垂直速度和水汽条件的调整。多普勒雷达观测的水汽变量是由观测算子反演雷达反射率因子获得，在对流较强的强回波区探测的水汽多，在对流较弱的弱回波区探测的水汽少。从水汽混合比增量的分布来看（图4），在大致的飑线发生区（31.5°N～33.0°N，117.5°E～121.5°E）水汽混合比增量有正有负，表明同化雷达资料在一定程度上调整了对流强度不一区域上的水汽条件，有效的调整可以减少对流发生区域过干或过湿现象，有利于减小模式错报漏报或者模拟雨强偏大偏小。水汽混合比正的最大增量可达7 g/kg，负的最大增量可达-5.5 g/kg，说明同化雷达资料对模拟的初始水汽场有显著的影响。

图4 2016年6月21日21时垂直速度增量和水汽混合比增量沿32.04°N和118.46°E的垂直剖面图Fig.4 Vertical section of vertical velocity increment and water vapor mixing ratio increment along 32.04°N and 118.46°E at 21:00 on June 21,2016

从增量分布来看，500 hPa以下的调整尤其显著，这一方面是因为实际水汽垂直分布也是底层多、高层少，另一方面则可能与雷达体扫仰角较小时，雷达探测到的有效数据较多有关，因为越往高层雷达探测的有效数据的时空分辨率会越低，相对而言底层的初始场刻画更为细致。

从垂直速度增量的分布来看，在飑线发生区的中高层，垂直速度有较大的正负增量，而其他区域都很小。在117.4°E～121.6°E（图4 a），其底层垂直风场调整较小，基本为正增量，中高层调整较大，正增量量值可达12 m/s、负增量为-4 m/s。这是因为21时飑线正处于新生发展阶段，对流区域基本为不断增强的上升运动，而较低层垂直速度本身较小，导致底层垂直速度正增量值较小。

中高层由于不稳定能量释放的差异，即深对流区能量释放多，垂直速度大，导致高层垂直速度正负增量值较大，且差异明显。在32°N附近中高层（图4 b），有较大正垂直速度增量，量值可达8 m/s，对应着较大的水汽增量正值区（量值达4 g/kg）。其两侧为负垂直速度增量，对应着较小的水汽增量。正垂直速度增量增强了背景场中较弱的上升运动，负垂直速度增量减弱了虚假的上升运动。对应的正水汽增量在上升运动区增强水汽供应，对应的负水汽增量在下沉运动区减少水汽供应。综上所述，同化雷达资料能有效调整中小尺度对流系统的中高层垂直运动和中低层的水汽条件变化。

4 模拟结果分析

4.1 雷达反射率因子

前文通过对同化实验动力场和热力场的增量进行分析，了解到直接同化雷达径向速度和反射率资料可以有效调整初始场中的风场、温度场和水汽条件，使得更多的中小尺度信息得以描述。为了进一步检验WRF_3DVAR系统同化雷达资料对模拟飑线过程有无改进效果，我们将实际观测的、同化实验模拟的、控制实验模拟的雷达反射率进行比较（图5）。

由实际观测图5（a）-（c）可以看出，21时江苏省南部有东西两个强回波中心，之后两中心之间有对流单体新生，到22时对流单体连接在一起，形成具有线状结构的雷达回波带。此时，飑线组织化程度增强，其长度可达500多千米，宽度只有30多千米，线状回波特征明显，最大强度可达55 dBZ。之后飑线缓慢地向东南发展，前部的强回波区逐渐减弱为层状云回波区，其前有新的对流单体不断生成，因此飑线不断向东南发展，回波区范围也不断扩大。

比较同化实验模拟的对应时刻的雷达反射率图[图5（d）—（f）]，可以明显看出，同化实验在21时模拟出了三个较小的雷达回波中心，其左右两边的小回波区与实际相符，但是中间多了一个回波区，这可能是因为模式模拟的飑线过程快于实际情况，已经模拟出来了中间新生成的回波区。对比实际观测图，在21—22时，中间区域有对流单体新生，再与左右两个强回波区相连形成线状回波。22时、23时模拟的雷达回波在回波强度和回波位置上都与实况较为接近。只是模拟的回波强度略微偏大，23时模拟的飑线东部回波区范围较大、强度较强。这可能是因为模式采用的分辨率较高（5 km），模拟的回波强度数值较大。而实际观测站点比较稀疏，将观测数据插值到网格点上时，数值变小。还需要注意的是，同化实验在安徽东南部虚假地模拟出一个不断向东发展最终并入飑线主体的小回波区，而实际该地是一个不断减弱东移的小回波区，这与实际情况不相符。

图5 2016年6月21日21时、22时、23时的雷达回波反射率分布图Fig.5 The distribution map of radar reflectivity on 21:00,22:00 and 23:00,June 21,2016

观察飑线的发展过程，可以明显看出飑线前部为对流云回波区、后部为宽广的强度较弱的层状云回波区，因此本次飑线为典型的尾部层状云型飑线。虽然同化实验模拟的回波强度偏强，但是也明显地模拟出本次飑线尾部层状云型的回波特征。另外，同化实验也准确地模拟出了与观测一致的飑线的发展过程，即在对流发生区，先有独立的强对流单体生成，然后对流单体相遇合并，组织化程度增强，形成一串的强对流单体群，对流单体之间相互作用而形成飑线。而对于控制实验，明显没有准确模拟出飑线的线状回波特征和发展过程。在江苏南部预报的强对流落区、回波组织形态等，与实际情况不符合，为虚假的回波信息。对于江苏中南部的强回波带，控制实验并没有模拟出来。

通过上述比较，同化实验对于飑线雷达回波的模拟更贴近实际情况。

4.2 短时降水预报

图6表示实际观测的、同化实验模拟的、控制实验模拟的6月21日21时—22日00时逐小时降水分布。从观测的逐小时降水量图6（a）—（c）可以看出，飑线发展过程的雨带呈东西走向，21—22时主要降水中心在江苏的南京附近，其雨带较宽，小时雨量大约为30 mm，还有一个强降水中心在南通附近，其强雨带范围不大，小时雨量也可达30 mm。22—23时，雨带缓慢东移，强降水中心移至镇江和南通附近，最大小时降水量可达50 mm。控制实验模拟的小时降水量偏小，最大降水量不足25 mm，模拟的雨带位置在江苏省南部，与实际雨带分布完全不符合，并没有模拟出本次强降水过程雨带分布特征。

图6 2016年6月21日21时—22日00时逐小时降水量图Fig.6 The precipitation from 21:00 on June 21,2016 to 00:00 on June 22,2016

相对而言，同化实验在飑线发展期模拟的逐小时降水分布明显优于控制实验，大致模拟出了本次强降水过程呈东西分布的雨带特征，与观测结果较为接近。同化模拟的整体雨带的强降水中心与观测相比偏东，这可能是因为模式模拟的飑线过程稍快于实际，而飑线是自西向东发展的，因此，造成强降水中心的东移。同化实验预报的小时降水量和降水范围比实际观测偏大。这可能是实测的常规观测仪器观测降水的分辨率较低，模拟的分辨率较高（5 km），导致模拟结果偏大[17]；也可能由于飑线降水局地性、突发性强，地面稀疏的站点观测数据，插值到网格点后不一定能准确反映实际情况[11]。

总的来说，同化实验比控制实验能更好地模拟出本次飑线降水过程，其模拟的雨带分布、雨强大小更加切合实际。这表明同化雷达资料有效地改进了模式初始场，提高了预报飑线降水的技巧水平。

通过对雷达反射率和短期降水的对比分析，同化实验较好地模拟出了本次飑线的发展演变过程和组织结构特征。究其原因，一方面，控制实验的初始场比较粗糙，对于飑线这种小尺度、变化快的物理量场不能有效地捕捉，进而无法做出准确预报。另一方面，对于同化实验，其初始场由于观测算子引入有效的观测信息而得以改善，观测信息能更合理地描述飑线的初始条件，从而提高了模拟效果。