FY-3双星MWHS资料对江西暴雨的循环同化试验

米 洁, 朱克云, 张 杰

(1.成都信息工程学院大气科学学院高原大气与环境四川省重点实验室,四川成都610225;2.成都军区空军气象中心,四川成都610041)

0 引言

暴雨灾害中国严重自然灾害之一,每年都给国家经济和人民生命财产造成很大损失。因此,提高暴雨的监测、预测能力是国家减灾防灾的急需,也成为近几十年来国内学者研究的热点之一。

国内外的大量研究表明[1-3],在数值预报中加入非常规资料能够有效提高数值预报水平。目前,国外众多的数值预报研究和业务单位都已将多种卫星资料应用到数值预报模式的同化分析系统中,卫星资料已成为所用观测资料的主体。目前,中国也开展了一系列卫星同化的研究工作,取得了一定的研究进展。张利红[4]采用GRAPES-3DVAR同化系统同化AMSU-A/B微波资料,发现AMSU-A资料对温度场改进效果明显,AMSU-B资料对湿度场改进效果明显;单独同化AMSU-B资料比单独同化AMSU-A资料改进效果更明显;同时同化AMSU-A/B资料比只同化其中一种资料的模拟效果好,更好地改善了模拟降水的落区和强度,与实况更加接近。李娟等[5]的研究表明,长期使用卫星资料可以改进大尺度环境场,使暴雨天气过程的直接影响系统与实况更接近;其中,AMSU-A资料对温度场有较明显影响,AMSU-B资料对湿度场的调整也有较大贡献。郭锐[6]使用ATOVS资料对一次淮河流域暴雨进行数值模拟研究,试验表明:长期同化AMSU资料能够改善降水预报,明显改进暴雨中心的模拟位置和强度。剔除AMSU-A地面通道和700hPa通道资料的同化效果优于全部通道资料。李兴武等[7]对ATOVS卫星资料同化试验采用连续循环同化的方法,试验结果表明:同时同化多颗卫星ATOVS资料效果可能不及仅同化一颗卫星ATOVS资料效果,原因可能是把多种卫星资料引入到同化系统的同时也产生了相应的累积误差。刘君等[8]使用AMSU-A/B资料的循环同化试验表明:循环同化方案的各预报要素的相关系数优于单时次同化,可以有效改善降水和台风路径的模拟效果。杨引明等[9]利用FY-3A微波探测资料对台风“莫拉克”开展数值模拟。结果表明,直接同化FY-3A微波资料可更合理地模拟海上台风环流形势及温湿条件,积极改善台风路径预报效果。张旭煜[10]等的研究表明WRF模式同化FY-3A MWHS资料可以提高降水预报的效果。

目前,前人的研究工作[11-15]多是利用国外卫星辐射率资料对暴雨进行数值模拟,对于中国新一代极轨气象卫星——风云三号卫星资料的同化研究却较少,所以同化自己的卫星资料对中国数值模拟具有重要意义。风云三号系列气象卫星为极轨卫星,双星每天提供4次覆盖全球的探测资料。目前大多使用的三维变分同化方法(单时次3DVAR)仅能利用到FY-3A或者FY-3B单颗卫星的一次探测资料,有时甚至没有探测资料可使用,卫星资料使用率低。而通过循环同化方案同化双星多次探测资料可大大提高卫星资料的使用率。但因为循环同化较长时间的卫星资料的研究还比较少,其效果也有待于研究。

为了进一步了解FY-3卫星资料循环同化的模拟效果,以2012年5月11～14日江西暴雨为个例,分析和比较了风云三号卫星MWHS资料单时次同化和循环同化方案对暴雨落区、强度以及湿度场、涡度场的影响,并给出了TS评分结果。

1 MWHS资料及个例介绍

1.1 MWHS资料介绍

风云三号是中国新一代极轨气象卫星,搭载探测大气湿度垂直分布的微波湿度仪(MWHS)与AMSU有非常相似的功能。微波湿度计不受晴空条件限制,共有5个通道,主要在183GHz附近进行观测,可以获取云区、晴空区以及降水区的大气湿度三维分布。探测器通道技术指标如表1。微波湿度计最大扫描角53.35°,地面分辨率15km。

表1 MWHS通道参数技术指标

1.2 个例简介

2012年5月11～14日,江西发生了年内最强的大暴雨降水过程。强降水时段主要集中在12日,这次降水过程时间短、降水量大,多个县市出现30mm/h以上的强降水。11日20时至12日20时期间有31个县市暴雨,13个县市大暴雨。此次降水处于华南前汛期中,在500hPa图上(图略),东亚呈现两脊一槽型,东北大部分地区为高压脊,贝加尔湖为低涡,在内蒙古中部有低槽,日本海东北部为一低值中心。内蒙古低槽槽后的冷空气向南输送,影响中国中东部大部分地区,偏西北路径的冷空气与来自南方的西南暖湿气流交汇,使南方大部分地区出现明显的降水过程,在江西中北部造成强暴雨。

2 模式参数设置及试验方案设计

为检测同化效果,文中设计了4种方案。方案A,不同化卫星资料;方案B,同化单时次FY-3A MWHS资料;方案C,同化单时次FY-3B MWHS资料;方案D,循环同化FY-3A和FY-3B MWHS资料。预报模式采用的是WRF模式,背景场数据来自于NCEP 1°×1°的FNL再分析资料。

方案B的同化时刻为12日00时(UTC,下同),预报24小时。方案C的同化时刻为11日18时,预报36小时。循环同化试验方案D的步骤是,首先用WRF模式从2012年5月11日12时积分6小时到18时,接着以18时的积分结果作为初始场,同化11日18时FY-3B的MWHS资料,同化结束后接着积分6小时到12日00时,完成一次资料同化循环。其后,按照此方法同化12日00时的FY-3A的MWHS资料,即实现了循环同化[16-18],然后从12日00时起报,预报24小时至13日00时结束(图1)。

图1 方案D试验进程示意图

FY-3B和FY-3A分别在18时和00时相继扫描过预报区域,有较多资料可供使用。所以,在不同时次选用风三系列不同卫星的MWHS资料进行循环同化,可以在预报区域内提高气象卫星资料的使用率。

表2 卫星资料同化方案设计

3 试验结果及分析

此次暴雨过程从11～14日连续4天,在江西中北部出现大范围降水,强降水时段主要集中在12日,且为此次降水中间时段,因此,下面进行12日的实况场与方案A、B、C、D的模拟结果的对比分析。

3.1 降水场

图2给出12日08时到13日08时降水实况和同化模拟结果。从实况图上可以看出,降水区域主要集中在江西中北大部地区。其中,有5个100mm以上的暴雨中心,标记降水中心P,O,Q,R,S。图2(a)为24h降水实况图,图2(b),(c),(d),(e)给出方案A,B,C,D方案24h降水模拟图。从整体上看,4种方法都基本模拟出降水的大致分布和走向,但具体来讲,4种方法模拟结果存在暴雨中心位置、强度和降水区范围大小,虚假降水中心等差异。

图2 2012年05月12日08时～13日08时24h累积降水量(单位:mm)

首先分析超过120mm的主要降水中心O,P,Q的模拟结果,方案A(如图2b)成功模拟出降水中心O,降水量级和范围与实况一致,但位置稍偏西,对于降水中心Q的模拟范围偏大且分离成2个降水中心,降水中心P没有成功模拟出,且在西部存在一个超过120mm的虚假降水中心。方案B(图2c)模拟的降水带整体南移,对O,P降水中心的模拟则是合二为一在江西中部有一片范围偏大量级偏高的降水区,对降水中心Q的模拟也是范围偏大,量级偏高。方案C(图2d)对降水区域的模拟也是范围偏大,量级偏高,且未能模拟出降水中心Q,且在南部存在多个超过120mm的虚假降水中心。方案D(图2e)成功的模拟出实况降水的带状分布,与实况降水带形状最为相似,对主降水中心O的模拟较B,C方案相比在量级和范围更接近实况,但是位置偏南;对降水中心P的模拟则是量级和范围偏小,对降水中心Q的模拟则是4种方案中量级,范围和位置的效果最佳,尤其相较方案B,C有较大的提高。对3个主降水中心,方案D相比方案B,C模拟有着较大的改善。其次,次降水中心R,S量级达到100mm,对次降水中心,方案A的模拟效果最差,对降水中心R的模拟量级偏大且西移,且未能成功模拟出降水中心S。方案B,C对R,S有一定的模拟,但是效果均不佳且存在多处虚假降水中心。方案D对R模拟量级偏大且偏东,对S量级则偏小很多。相比方案B,C,消除了南部大面积的虚假降水中心,且对降水中心R,S有一定的模拟。分析各种方案的降水模拟图,方案B,C同化了MWHS资料,降水量明显增加,暴雨中心加强,有一定的改善作用。方案D较仅同化单星MWHS资料的方案B、C,在降水中心的模拟和消除大片虚假降水区域有着进一步的改善。

3.2 要素场模拟诊断分析

同化卫星资料后,调整了包括湿度场、涡度场、风场等要素场,因此,对比分析引入卫星资料前后各要素场的改进效果,是十分必要的。下面通过分析相对湿度、涡度场等,考察MWHS资料对于各个要素的影响大小,最后进行TS评分。

3.2.1 相对湿度增量

图3为2012年5月12日14时B,C,D方案较于A方案的850hPa相对湿度场增量。方案B,C(图3a,b)在江西北部,中部,南部存在正的增湿中心,与模拟的降水中心基本对应,MWHS资料的同化对于低层湿度场起到一定的调整作用。也可以看出,相对湿度中心相对实况降水中心的偏移,也影响到模拟的降水中心的偏移。从图3(c)可以看出,如B、C方案一样,方案D在江西28°N～29°N纬度带上存在正的增湿中心与模拟降水中心基本对应。不同于B,C方案,方案D减少了江西南部实况上没有降水的强增湿区,从而削减了虚假降水中心,与实况降水区更为一致。方案D模拟降水中心P的量级偏小很多,但是相当湿度增量上方案D在降水中心P点有量级达到15%的正增湿中心。在3个方案未能成功模拟出的降水中心S处,各个方案均存在正的增湿中心。可见,湿度的正确刻画并不能一定成功预报一些降水中心。但是加入MWHS资料可以更好的调整相对湿度场,从而使模拟效果更接近实况。而循环同化试验方案D相较单时次同化方案B,C,相对湿度的刻画更接近实况,使得模拟效果也更接近实况。

图3 2012年05月12日14时B,C,D方案相对于A方案的850hPa相对湿度场增量(单位:%)

3.2.2 涡度场增量

图4分别为方案B-方案A,方案C-方案A,方案D-方案A的2012年 5月12日14时850hPa和 300hPa涡度分析场的增量。从图4(a),(d)可知,方案B同化FY-3A的MWHS资料后,对应实况降水P,O,Q(图2a),低层(850hPa)涡度增量图上为负值,即涡度减弱,高层(300hPa)涡度增量图上降水中心P范围为正值,其他为0,即P处涡度增强,其他位置涡度维持原状。低层涡度减小,高层涡度增加或保持不变,这样的高低空配置不利于降水加强,而在主降水带P,O,Q的南侧低层有正涡度增量,高层存在负涡度增量,有利于降水的加强,故方案B模拟的主降水带O,P,Q南移。综合来看,对方案C,实况P处南侧低层涡度增强,高层涡度减弱,使得P处南侧模拟降水量级偏大,R处低层涡度增大,高层不变,模拟降水量增加,更接近实况。在降水S区,低层涡度增量为0,高层涡度增量为负,使S处模拟的降水量略有增加,更接近实况。

图4 2012年05月12日14时涡度增量场(单位:10-6s-1)

从图4(b),(e)可知,对方案D,实况O处低层涡度增强,高层涡度增强,使得O处的模拟降水量变化不大,实况P处低层涡度减少,高层涡度增加,使得P处降水量减小。实况S处低层涡度维持不变,高层涡度减小,模拟的S处降水量略有减小,与实况有差距较大。

综合B,C,D方案的涡度增量场的分析,3种方案对涡度场有相应的调整,也与降水带有很好的对应,尤其是实况中心S处,B,C方案都较A方案在湿度,涡度上有与实况更相应的调整,也有更好的模拟效果。D方案在S处的相对湿度存在正增量中心,但是涡度少有调整,模拟效果不佳。但D方案整体调整与实况有更好的对应。

3.2.3 TS评分

图5 不同方案的TS评分

图5为预报区域12小时和24小时的预报降水TS评分。方案B的预报时间为1118UTC,故分析的12和24 h对应模式的6～18 h和6～30 h,其余方案的预报时间均为0000UTC,分析的12和24 h对应模式的1～12 h和1～24 h。从图中可以看出,对12小时预报来说,单时次同化试验方案B降水评分有着明显的提高,尤其在小雨和中雨的提高效果更为明显。单时次同化试验方案C的降水评分表现不佳,对于控制试验方案A有着明显的下降。循环同化试验方案D的降水评分相比控制试验方案A有着明显的提高,较表现好的单时次同化试验的方案B除在中雨的降水评分有所下降,但差距不大,在其他暴雨量级上均有所提高。对于24小时的预报,单时次同化试验方案B在小雨和暴雨的24小时降水评分有所提高,单时次同化试验方案C在暴雨的24小时降水评分较方案A和方案B有所提高,大雨的评分与方案A,B持平,小雨和中雨的评分有所下降。循环同化试验方案D在各个降水量级的降水评分均有所提高,特别是小雨,中雨和大雨的降水,评分较方案A,B,C有着明显的提升,在暴雨的预报评分上与方案C持平,为4个方案中最高。综合12小时和24小时的各个方案的降水评分分析,循环同化试验方案D的表现最为稳定,在各个降水量级评分上相较控制试验和单时次同化试验有较大的提高。方案B的评分整体优于方案C,这与两个方案同化不同时次卫星资料有关,方案B同化的FY-3A资料探测时间为201205120054UTC,同化时间为 201205120000UTC,在降水中;而方案 C同化的 FY-3B资料探测时间为201205111708UTC,同化时间为201205111800UTC,在降水前。故降水中探测的卫星资料的同化效果更优。横向比较12h和24h的降水评分,12h整体降水评分高于24h的降水评分,故预报效果随预报时间增长而降低。

4 结论与讨论

利用三维变分同化系统WRF-3DVAR,选取了2012年05月11日至14日发生在江西地区的暴雨个例,进行了一系列不同方案的数值模拟的对比试验,包括不同化卫星资料的控制试验,单时次同化单星资料同化试验和循环同化双星资料同化试验。通过分析各个方案的降水场,要素场和TS评分来检验中国风云三号极轨卫星微波湿度探测仪资料对WRF模式预报效果的影响,验证循环同化方案同化卫星资料的可行性,得出以下结论:

(1)WRF模式加入同化FY-3 MWHS资料后,相比控制试验,可以改进预报效果,尤其在降水强度的改进上效果明显。且预报时间短,预报效果则更好。

(2)要素场的增量分析表明,WRF模式中加入MWHS资料可以改进湿度场,涡度场,使模拟降水场与实况降水更加一致;循环同化方案比单时次同化方案能更好地模拟出降水的主要分布情况,尤其是强中心的降水强度。

(3)在WRF-3DVAR中,循环同化方案可以引入更多的MWHS卫星辐射率资料来改善初始场,提高预报的准确性。循环同化方案提高了卫星资料的使用率。

(4)降水发生前探测的卫星资料同化效果不及降水中探测的卫星资料同化效果,这是因为降水中探测的卫星资料可以更精确地探测到影响降水的大气温湿的垂直分布信息,有利于提高降水预报的准确性。

初步探讨了FY-3AB MWHS资料在中国暴雨数值模拟中的作用,采用了江西暴雨个例的对比试验,尽管所得结论不一定具有普适性,但可为选择更多不同时期、不同区域的个例进行同化分析试验提供了方法和借鉴。

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