风廓线雷达资料在降水数值预报中的应用探讨

李妙英, 杨 璐, 周志敏, 万 蓉

(1.中国气象局武汉暴雨研究所暴雨监测预警湖北省重点实验室,湖北武汉430074;2.解放军理工大学气象海洋学院,江苏南京211101;3.南京信息工程大学,江苏南京210044)

0 引言

湖北省地处东亚季风区,夏季受西风带天气系统和热带季风系统的影响,强降水频繁,持续性或突发性的强降水常常会带来严重的洪涝灾害。研究表明,强降水事件主要与中尺度对流系统有关[1-2]。目前,常规无线电探空仪资料没有足够的时空分辨率研究此类尺度对流系统,这导致对强风暴降水的认识还不十分清楚。随着中尺度数值模式的日臻完善和广泛使用,对于各种天气现象特别是强降水进行模拟和诊断已经成为当前的常用手段。而在中尺度数值预报中,中尺度系统的初值信息获取和分析至关重要,初值的好坏直接影响数值预报的质量,是提高中尺度数值预报准确率的关键之一[3]。

风廓线雷达与常规大气探测设备相比,具有连续无人值守、全天候监测及可提供低层大气三维风场和温度廓线的特性。布设风廓线雷达一方面能加密现有大气探测网站,较好弥补常规气象网站在监测中小尺度天气系统时空分辨过粗的不足;另一方面,通过应用资料同化技术,可为数值预报系统提供包含更丰富的局地中、小尺度气象信息的模式初始场。近年来,随着风廓线雷达在气象部门的推广和普及,及因其具有很高的时间和空间分辨[4],可以很直观的显示大气流场的水平分布和垂直结构,气象学者对利用风廓线雷达资料分析中小尺度系统的连续变化过程做了大量的研究工作。张柽柽等[5]利用边界层风廓线雷达提供的风场资料,针对发生在南京的一次大暴雨过程,对低空急流与强降水之间关系的详细分析,指出低空急流脉动及其向地面的扩展程度对短时强降水有一定的指示作用。刘淑媛等[6]通过对照分析风廓线雷达资料逐小时平均风场与雨量之间的关系,揭示了对流层存在的中尺度现象及低空急流的脉动与强降水发生过程在时间上有很好的配合。张京英等[7]针对山东的一次具有明显的中小尺度系统影响特征的暴雨过程进行分析,发现雷达风廓线资料可以很直观的反映出降水过程中的风场变化特征,并指出暴雨的产生主要由低空急流的下传及增强所引起。另外国内外学者对风廓线雷达资料在模式中的应用做了许多研究:Ying Hwa Kuo等[8]利用布网的风廓线资料进行了短期数值天气预报可行性的分析,并对模式预报的敏感性进行了试验;Ying Hwa Kuo和Yong Run Guo等[9]利用Nudging方法把美国风廓线雷达网所获得的观测资料同化到模式中作12小时的提前预报,发现把风场资料同化到模式中比同化温度场更为有效。Ying Hwa Kuo等[10]利用MM5的四维变分技术成功地把风廓线雷达资料、每小时降水资料、地面露点和GPS水汽资料同化到模式中,很好地模拟了大气湿度的垂直结构和降水的分布及总量。张胜军等[11]将“中国登陆台风外场科学试验”中得到的风廓线仪探测资料通过站点nudging技术同化到模式中,并分析对风场及降水数值模拟结果的影响。张勇等[12]对单点的风廓线雷达资料同化及其在模式中的应用进行了初步研究。李华宏等[13]使用VAD方法反演雷达风廓线并处理成标准的探空资料进行了变分同化试验,结果表明同化风廓线资料有助于改善数值模式的初始场,对降水预报也有不同程度的改善。

采用美国NCAR研究开发的新一代中尺度预报模式(WRF)及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),实现对湖北省咸宁市通山站风廓线雷达资料的间接同化。通过对2010年6月7日发生在咸宁市的一次由于低空急流引起的强降水过程的各项预报进行对比试验,检验和评估风廓线雷达资料的同化对改进数值模式初始场及其数值预报能力的影响及作用。具体在两个方面进行验证:首先对同化和未同化的初始场进行对比;其次,将同化风廓线雷达资料得到的结果与实况、未同化的模拟结果进行对比。

1 雨情概况及大尺度环流背景

1.1 雨情概况

根据湖北省地面气象观测网提供的实测降水资料2010年6月7～9日湖北省大部普降中到大雨。6月7日12时(为世界时,下同)850hPa天气图如图1所示,在西南地区有一浅槽发展,700hPa有配合槽线和850hPa高空图上有西南低涡生成,从低涡中心向东沿河南、郑州形成了切变线,其以南西南气流发展旺盛,整个湖北地区处于西南暖湿气流中,850hPa西南气流的最大风速达到16ms-1,水汽源源不断向这些地区输送,低涡切变线为这次降水提供了必需的动力条件。

在该气象条件下,6月7日09时～21时,咸宁市区累计降水量达到27.3mm,通山县为25.4mm,赤壁县为23.9mm,崇阳县为22.2mm,金沙县为 27.4mm,通城县为16.4mm,如图2所示,其中点P(114.52°E,29.6°N)为通山站所在位置(因数据的原因,降水实况图与预报场图在区域范围上有差异)。

图1 6月7日12时850hPa天气图

图2 6月7日09时～21时湖北省自动站累积降水实况图

2 模式参数简介

采用的数值预报模式是新一代非静力平衡、高分辨率、科研和业务预报统一的中尺度预报和资料同化模式[14](WRF-V3.2.1版本),水平方向采用Arakawa-C坐标,垂直方向选用质量坐标(Eulerian mass coordinate),它是在 σ坐标的基础上建立的,即地面为1,模式顶为0。该次模拟,微物理采用Lin方案,边界层采用YSU方案、长波辐射采用RRTM方案、短波辐射采用Dudhia方案,积云对流化采用浅对流的Kain-Fritsch(new Eta)。模拟区域中心设置为114.52°E,29.6°N(图2中P点)。模式的初始条件和侧边界条件均采用NCEP每6h一次的全球再分析资料。试验中模式采用双重嵌套网格。外层D1区的水平分辨率为15km,格点数为51×51,垂直分层27层。内层D2区的水平分辨率为5km,格点数为70×70,垂直分层27层。模式采用热启动方式,积分时间为7日07时至7日21时,预报时间为7日09时至7日21时。

3 数值模拟试验及结果分析

3.1 试验方案

为了比较分析同化风廓线雷达资料对初始场的改变及经过同化处理的初始场对数值模拟结果的影响。设计了一组对比试验:

试验一:未加入风廓线雷达资料,把模拟结果与实况形势进行比较。目的是验证WFR中尺度模式对此次过程的模拟能力。

试验二:在内层D2区域同化7日07时至09时3个时次的通山站整点风廓线雷达资料。将同化后的初始场和模拟结果与未同化风廓线雷达资料的模拟结果进行比较。目的是验证风廓线雷达资料对改善模式的模拟能力,以及在降水预报中的作用。

3.2 同化初始场分析

3.2.1 风廓线雷达站点风速、风向及相对湿度的对比分析

图3给出了通山站(114.52°E,29.6°N)风速、风向及相对湿度廓线在同化前后的分布情况。从图中可见,同化风廓线雷达资料对风速、风向及相对湿度廓线都有明显的调整。同化前,低空没有出现急流,同化后,低空1.5km左右明显出现一个风速的大值区,最大风速达到16ms-1,和实测数据对应较好。从图3(b)可以看出,在800～850hPa高度层内,风向为200°～250°,即为西南风,中层为偏西风,高层为西北风,风向随高度顺时针旋转,可能存在暖平流。相比较而言,同化后低层风向的模拟结果与实况更加接近。另外,同化风场资料,相应地会引起质量场和气压场的调整,从而引起湿度场的调整。图3(c),同化后的相对湿度,在2km以下有增加,且在2km左右开始达到饱和,饱和层相比同化前更加深厚。这说明西南低空急流使水汽源源不断向这些地区输送,更利于降水发生。

图3 2010年6月7日09时廓线分布图

3.2.2 流场对比分析

图4给出了以通山站为中心一定范围内的流场分布。同化前流场变化平缓,风向随高度顺转,500hPa总体为西南风,气流平直。700hPa高度通山附近及其南侧也主要为西南风,通山北侧变为偏南风,存在较弱的气旋性弯曲。850hPa主要为偏南风。同化后的初始流场发生明显改变,保持风向随高度顺转的趋势不变,雷达站点附近出现明显波动,且主要在雷达站的下风方向,距离雷达站越近变化越明显。700hPa、850hPa雷达站下风方向产生了很大的气旋性弯曲。同化对风速的分布也有影响,雷达站附近的风速梯度加大,700hPa在东南侧出现超过14ms-1的低空急流,表明同化后低空急流增强,西南风急流带向东北方向伸展。850hPa情况类似。这说明同化风廓线雷达风场资料后初始场的精细程度增加,分辨率提高。

图4 2010年6月7日09时通山站流场分布,阴影表示风速(ms-1)

3.3 数值模拟结果分析

3.3.1 降水量分析

图5给出了2010年6月7日09时至21时试验一和试验二12小时累积降水量,以及试验二和试验一相比的12小时累积降水量增量。与实况相比,试验一和试验二都没能把位于(113.6°E,30.0°N)和(114.8°E,29.4°N)附近的雨区模拟出来,且模拟结果比实况都偏小,但试验二的结果与实况相对接近。另外,试验一(图5a)中降雨的一个极值位于雷达站(P点)的东南方,试验二(图5b)的一个极值位于雷达站的东北方,且雷达站点的降雨量试验二比试验一的大。从试验结果看,加入了西南低空急流后对雷达站点下风方向的模拟结果改善效果比较明显,其他方向上随着相距雷达站距离的增加改善效果减弱(图5c)。

图5 2010年6月7日09～21时的累积雨量图(单位:mm)

总之,同化了风廓线雷达风场资料后,WRF模式对降水落区的预报能力有所改善,特别是实况强降水区域附近降水量级预报也得到了明显的提高。但在有些模拟区域内模拟的降水量比实况有所偏低,有些区域模拟结果又偏大。但总体说,同化资料对降水的预报有一定的改善。

3.3.2 涡度场和散度场的分析

图6给出了09时试验一和试验二的涡度散度经向垂直剖面图。从图6(a)可以看出,在试验区域低空正涡度最大值为10×10-4s-1,对应散度图6(c)中的辐合中心值为-10×10-4s-1,200hPa高度存在负涡度中心(强度为-5×10-4s-1)。经过风廓线资料的同化后,低层正涡度范围明显扩大,其强中心增大到30×10-4s-1,辐合区的层次也得到明显增厚,而且强度加强(图6d中700hPa以下为辐合区,中心散度达到-30×10-4s-1)。400hPa负涡度中心增强到-10×10-4s-1,对应的强辐散中心达到20×10-4s-1。这说明风廓线雷达资料的同化改善了低层的水汽输送,提高了中尺度数值模式对于低层辐合、中高层辐散的模拟能力。

图6 2010年6月7日09时经过114.5°E的涡度、散度经向垂直剖面图(单位:10-4s-1)

图7 2010年6月7日12时700hPa水汽通量场(单位:gs-1hPa-1cm-1)

3.3.3 水汽输送分析

水汽通量为单位时间内通过垂直于风向单位面积的水汽量。模式积分12h,对输出的700hPa水汽通量场和风场(如图7所示)进行比较发现,试验一和试验二中,水汽通量在通山地区对应为大值区,且同化后水汽通量值增大,尤其是在雷达站的下风方向增大明显。试验一和试验二两种试验方案下,通山上空均维持西南风,将上游的水汽输送到本地,为降水创造有利条件。

4 结论

采用美国NCAR研究开发的新一代中尺度预报模式(WRF)及其三维变分同化系统(WRF-3DVAR),实现了对湖北省咸宁市通山站风廓线雷达资料的间接同化,并对发生在2010年6月7日09时至21时湖北省咸宁地区的一次由于低空急流引起的强降雨过程进行了模拟分析,检验和评估了风廓线雷达资料的同化对改进数值模式初始场及其降水数值预报能力的影响及作用。初始场分析结果表明,同化后风廓线雷达资料对站点的风速、风向、湿度场及其周围的流场均有明显的改善。从模拟结果可以看出,同化后在降水量、降水强度、涡度散度分布和水汽输送等方面都有较好的改善,暴雨预报的能力有提高。

虽然在该次试验过程中降水量和降水强度与实况有着较好的一致性,但预报结果在整体雨型、强中心雨量区上仍存在一定的偏差。偏差的大小与距离风廓线雷达站的远近有关,与选取的个例也有一定关系。今后需要对同化多个站风廓线雷达资料进行研究,并耦合多种探测资料,以进一步探讨同化风廓线雷达资料对于模式描述中小尺度强对流天气的不同影响。相信在不久的将来,随着风廓线雷达布网的进一步推进,有更多、更密的风场资料可以应用到中尺度模式中,将会大大提高数值模式的预报能力。

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