一次温带气旋的同化试验

朱 业，翟国庆，刘 瑞，徐慧燕，苏 涛

（1.浙江大学 地球科学系，浙江 杭州310027；2.浙江省海洋监测预报中心，浙江 杭州 310007）

0 引言

温带气旋在浙江沿海生成后，在其东移入海过程中，往往会迅速发展，其产生的瞬时大风和大浪给海上航行和作业船只的安全带来严重威胁。由温带气旋造成的船只灾难事故每年都有发生，特别是近年来，随着经济发展和海上航运、渔业捕捞的需求，浙江省的在编渔船已经达到3万余艘，这对海洋灾害预警报水平提出了新的更高要求，迫使我们需要进一步提高对影响浙江的温带气旋的预报准确性。

WRF中尺度模式目前已被广泛用于海上大风的数值模拟预报，模拟结果较大地依赖于初始场条件［1］，这需要在第一猜值场的基础上同化可信的实况资料。通常情况下，模式使用的客观分析和测站同化资料主要来源于常规的地面和探空观测资料，但是这些观测站多集中在陆地上，海面上常规观测站点分布匮乏，这将直接影响到气旋入海后的客观分析，也不能提供一个较好的中尺度模式模拟的初始场。为弥补海面常规资料的不足，有必要用卫星遥感数据等非常规资料作为补充。

云迹风资料是数值天气预报的非常规观测资料之一，具有较好的适用性以及较高时空分辨率，可以恢复部分被大尺度场过滤掉的中尺度信息。很多学者已经开始对云迹风资料进行统计分析及个例研究［2－3］。国内外各种数值模拟实验都证明加入云迹风资料的同化试验确实能有效地改善数值模式中各要素预报的准确度［4－7］。

本文采用 WRF 3.0中尺度模式及其自带的WRFVAR同化模块对一次典型的影响浙江海域的温带气旋入海过程进行了3个试验的模拟，包括试验一（不同化任何资料）、试验二（将未经质量控制的云迹风资料全部放入模式同化）和试验三（将经质量控制以后的云迹风资料放入模式同化），通过对高度场和风场等的模拟，并与实况对比，以期为提高影响浙江海域的温带气旋预报的准确率提供一定参考。

1 资料来源

研究过程采用了以下几种资料：（1）美国国家环境预报中心（National Center for Environmental Prediction，简称NCEP）的再分析格点场资料，用于提供模式初始场（同化试验中该资料作为第一猜值场）；（2）国家卫星气象中心风云卫星遥感数据服务网提供的风云二号（FY－2C）云迹风资料（CDW，水汽和红外两个通道）、总云量资料（CTA，用于云迹风资料不同通道选择）；（3）日本再分析资料（Janpan Reanalysis Data，简称JRD），作为实况资料对云迹风资料进行质量控制；（4）国家海洋局布设的海洋站和浮标站的平均风速、海平面气压等实况数据资料，用于对比试验模拟结果。

2 试验设计

2.1 温带气旋个例介绍

本文对2009年11月9日至11日（世界时）的一次温带气旋过程进行了模拟。该温带气旋在入海过程中，强度变化不大，最低气压998hPa，但移动较快，达到45km／h，且与冷空气配合，出现大风、大浪过程。浙江沿海嵊山海洋站，在本次过程中出现了25.8m／s（10级）偏北风，最低气压998.2hPa，最大有效波高3.5m；舟外浮标站，实测出现了5.4m的最大有效波高，该浮标最大波高达7.7m。

该温带气旋过程还造成了严重的海上沉船事故：11月10日16时左右，“浙岱渔11275”渔船在32°11″N，124°07″E因洋面风浪过大，船体发生倾斜，随后沉没，船上15名船员全部落水，其中11名船员被赶来的船只救起，其余4人失踪。

2.2 模拟方案

模拟过程采用WRF两重嵌套，第一重格距为30km，第二重格距为10km；第一重格点数为120×100，第二重格点数为175×190；垂直分层31层；模拟中心选取30°N，120.74°E，两重嵌套区域设置如图1所示。模拟过程中采用如下物理方案：LIN et al［8］提出的微物理方案，RRTM长波辐射方案［9］，DUDHIA［10］提出的短波辐射方案，YSU边界层方案［11］和Betts－Miller－Janjic 积云对流参数化方案［12－13］。

模拟时间为2009年11月9日01时至11月11日00时，积分48h。温带气旋的初始场使用NCEP再分析资料，每日4个时次，分别是00时、06时、12时和18时。

为了探讨加入云迹风资料的同化试验对改进模拟的结果是否有效，设计试验方案如下：试验一，不同化任何资料，直接进行模拟；试验二，仅同化云迹风资料，以试验一的初始场作为同化试验的初始场，每12h加入未经任何处理的云迹风资料，同时更新边界和侧边界条件；试验三，依然以试验一的初始场为初始条件，每12h用日本再分析资料（JRD）对云迹风资料进行质量控制，同时更新边界和侧边界条件。

2.3 云迹风资料质量控制

云迹风资料带有中尺度的信息，对模拟缺少海上资料的区域很有帮助，然而云迹风资料在反演上还存在着一定的缺陷，如图像处理、计算、识别和高度匹配等环节都有可能出现误差和错误，对其进行质量控制很有必要［14］。考虑到云迹风资料本身的特点以及WRF模式运行的需要，对云迹风资料的处理主要集中在以下3个部分：高度匹配、通道选择以及质量控制。

2.3.1 高度匹配

质量控制方案采用WRF非静力、全可压数值预报模式以及三维变分同化系统（WRF 3D－Var），云迹风资料在进入模式之前经过三维变分同化系统的测站数据同化模块（OBSPROC）处理，为了模拟运行结果可以更好地反映风场的垂直分布特征，同时避免同化时高度匹配过程中出现二次误差，高度匹配采用就近内插到OBSPROC模块默认定义的标准等压面上。

2.3.2 通道选择

云迹风含水汽和红外两个通道，红外通道云迹风不适合晴空区，而水汽通道云迹风只能得到上层大气的运动状况。在进行同化试验时为了更好地反映实际大气的运动情况，选择使用FY－2C卫星总云量（CTA）进行通道选择。CTA值介于0～100，表示云量的百分比，若该点附近为云区（CTA值≥70），则选择红外通道；若该点附近为晴空区（CTA值＜70）则选择水汽通道，这样能较为真实地反映大气的特征。

2.3.3 质量控制

采用以下技术方法作为控制高层云迹风资料质量变化方案：首先，将获得的云迹风原始资料内插到网格点上，与获得的实况再分析场以相同的网格点进行差值分析，即进行格点数据匹配。第二步，将所有格点的风速和风向与实况进行比对，如果云迹风资料与实况再分析资料两者一致，即转入模式中作为初始场的补充；如果两者存在一定差异，则需要进行下一步工作。第三步，对云迹风资料的风速和风向分别进行误差控制。设定云迹风与实况再分析风场资料的偏差角度为1个经验值，这个经验值取求算出的偏差值的平均数。如果云迹风矢量与实况再分析风场的风向偏差在这个经验值以内，认为其风矢量可信，否则剔除该网格点资料。经过风向控制后，求算云迹风数据与实况再分析场数据的全风速差，并再分别求算U分量风场和V风量风场的格点差，如果结果在获得经验数据内，表示数据可用，否则该资料剔除。

3 试验结果比较

将3个模拟试验与JRD实况资料对比，主要针对海平面气压，850、700和500hPa位势高度场和风场。并将经质量控制的云迹风同化试验即试验三模拟得到的海平面气压和平均风速插值到海洋站和浮标站点上与实况对比检验。

3.1 高度场和风场的对比分析

11月10日00时海平面气压和风场对比分析：

在对海平面气压的模拟中（图2），试验一模拟出的气旋中心比实况偏南（图2b）；试验二的气旋中心偏西（图2c 试验三气旋中心的强度和位置都与实况吻合（图2d）。另外，在对地面风场的模拟中，试验一和试验二均未能模拟出气旋北部风速大于16m／s的大风区，而试验三模拟出了该大风区，与实况较为吻合。

11月10日00时850hPa位势高度场和风场对比分析：

在850hPa位势高度场和风场的实况图中，杭州湾出海口出现了140dagpm的闭合等高线，浙江附近海域出现16m／s以上的大风（图3a）；试验一未模拟出140dagpm等高线，模拟出的144dagpm等高线和大风范围都较实况小（图3b）；试验二同样未模拟出140dagpm等高线，大风区域有一定改进，但不够理想（图3c）；试验三成功模拟出了140dagpm等高线，且位置和大小与实况相符，144dagpm等高线的范围也比前2个试验有较大改进，并且在浙江附近海域模拟出了大片的大风区，与实况较吻合（图3d）。

700 hPa位势高度场和风场的模拟结果与850hPa类似，与实况对比，试验三模拟的位势高度场和风场优于其它2个试验（图略）。

11月10日06时500hPa位势高度场和风场对比分析：

500hPa位势高度场和风场的实况图中568dagpm等高线底部处于浙江北部，浙江、福建沿海至日本九州为大片的风速超过20m／s的大风区，部分区域超过25m／s（图4a）；试验一中568dagpm等高线位于江苏以北，浙江沿海没有模拟出大风区，与实况不符（图4b）；试验二中568dagpm等高线底部位于江苏南部，浙江和福建沿海模拟出了大风区域，但范围没有实况的范围大，相对于试验一，试验结果得到了很大的改进（图4c）；试验三中568dagpm等高线底部位于浙江北部，与实况完全符合，浙江和福建沿海至日本九州模拟出了大片的大风区，与实况最为吻合（图4d）。

通过3个试验对海平面气压，850、700和500 hPa位势高度场和风场模拟结果与实况资料对比分析可知：试验一的模拟结果最不理想，试验二的模拟结果有较大的改进，试验三的模拟结果最接近实况。这说明云迹风资料对于位势高度场和风场的数值模拟影响明显，且同化经过质量控制的云迹风资料在一定程度上确实能够提高数值模拟的准确性。

图2 2009年11月10日00时海平面气压和风场（积分24h）Fig.2 Sea level pressure and wind field on 00∶00UTC 10Nov.2009（simulated for 24hours）

图3 2009年11月10日00时850hPa位势高度场和风场（积分24h）Fig.3 850hPa geopotential height and wind field on 00∶00UTC 10Nov.2009（simulated for 24hours）

图4 2009年11月10日06时500hPa位势高度场和风场（积分30h）Fig.4 500hPa geopotential height and wind field on 06∶00UTC 10Nov.2009（simulated for 30hours）

3.2 与海洋站实况资料的对比分析

3.1 中将模式模拟的位势高度场和风场与实况进行对比，定性得出试验三在一定程度上较好地模拟了该次温带气旋的发展。本节通过与海洋站实况资料对比进一步定量检验经质量控制后的云迹风同化试验的模拟准确性。将试验三得到的风场与海平面气压模拟结果插值到浙江沿海9个海洋站和2个浮标站，风速取海平面以上10m高度的风速。采用各站点2009年11月9日01时至11日00时，48个时次的模拟试验结果与实况进行相关分析，各站点的模拟结果与实况的相关系数如表1所示，风速的相关系数为0.47～0.75，在a＝0.01的水平下显著；海平面气压的同化试验结果与实况的相关系数达到0.79～0.92，相关性非常好，体现了试验三对温带气旋过程模拟的准确性。

图5和图6为部分站点的风速、海平面气压试验结果与实况对比图。通过比较分析，进一步证明经质量控制的云迹风同化试验得到的海洋站和浮标站的风速和海平面气压的变化趋势与实况都较吻合。

表1 模拟试验结果与实况资料的相关系数Tab.1 Correlation coefficients about the simulated experiment results and observed

图5 2009年11月9日01时—11日00时风速模拟试验结果与实况的逐时对比图Fig.5 Comparison of the simulated experiment results with those of observed for the wind speed from 01∶00UTC 9 Nov.to 00∶00UTC 11Nov.2009

图6 2009年11月9日01时—11日00时海平面气压模拟试验结果与实况的逐时对比图Fig.6 Comparison of the simulated experiment results with those of observed for the sea level pressure from 01∶00UTC 9Nov.to 00∶00UTC 11Nov.2009

4 结论

本文采用WRF 3.0数值预报模式及其自带的WRFVAR同化模块对2009年11月的一次影响浙江海域的温带气旋过程进行了模拟试验。通过模拟的海平面气压，850、700和500hPa位势高度场和风场与实况对比分析可知，直接用再分析场资料作为初始场积分模拟试验结果与实况差别最大；将未经质量控制的云迹风资料加入初始场的同化试验模拟结果有了一定改进；将经质量控制的的云迹风资料加入初始场的同化试验在3个试验中模拟结果最好，从定性的角度来讲试验三比较准确地模拟出此次温带气旋入海过程中的重要特征。将经质量控制的云迹风同化试验结果插值到海洋站和浮标站的坐标上，与实况资料进行定量对比分析，进一步证明试验三的模拟结果能较准确地模拟实际风速和气压的变化情况。说明将经过合理处理的云迹风资料加入模式后对于温带气旋过程的模拟有一定的积极作用，可为今后影响浙江海域的温带气旋预报中使用云迹风资料来提高预报准确度提供参考。

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