第 34 卷第 3 期 2016 年 6 月 干旱气象 JournalofAridMeteorology Vol.34 No.3 June,2016 王晓丽, 赵桂香, 李芳. 山西一次区域性暴雨过程的 ATOVS 资料同化模拟分析 [J]. 干旱气象,2016,34(3):522-532,[WANGXiaoli,ZHAO Guixiang,LIFang.AnalysingEfectofVariationalDataAsimilationofSateliteRadianceonaRegionalHeavyRaininShanxiProvince[J].Journalof AridMeteorology,2016,34(3):522-532],DOI:10.11755/j.isn.1006-7639(2016)-03-0522 山西一次区域性暴雨过程的 ATOVS 资料同化模拟分析 王晓丽 1, 赵桂香 1 2, 李芳 (1. 山西省气象台, 山西太原 030006;2. 山西省雷电防护监测中心, 山西太原 030002) 摘要 : 为探索卫星资料同化在山西暴雨数值预报中的应用效果, 应用 WRF-3DVar 同化系统同化 ATOVS 资料, 并利用同化后的分析场作为中尺度数值模式的初始场, 对 2013 年 7 月 3 4 日发生在山西南部的一次暴雨天气过程进行数值模拟和对比分析 结果表明 :(1) 直接同化 ATOVS 资料能够很好地改善模式初始场的温度场 湿度场及风场, 主要表现为山西中南部湿度增大 南北温差减小以及对流层中低层西风分量增大, 这样更有利于低层水汽向山西中南部输送 集聚 ;(2) 直接同化 ATOVS 资料后, 模式能够很好地模拟降水发生 发展过程中各个相关物理量的演变, 特别是更好地刻画了大暴雨站点上空湿度和垂直速度的演变过程, 在湿度增大 垂直上升运动加强时刻, 出现短时强降水, 且对于触发短时强降水的切变线的移动发展以及反映短时强降水的对流有效位能和反射率因子也有较好体现 ;(3) 直接同化 ATOVS 资料后模式对强降水落区和量级的预报都有较大改进, 对中雨以上降水量级的预报站点 TS 评分都有明显提高, 空报率和漏报率明显降低 关键词 :ATOVS 资料 ; 变分同化 ; 暴雨 ;TS 评分文章编号 :1006-7639(2016)-03-11-0522 DOI:10.11755/j.isn.1006-7639(2016)-03-0522 中图分类号 :P458.1 + 21.1 文献标识码 :A 引 言 数值预报的准确性主要依赖于模式的初始场, 而初始场的形成又依赖于各种资料的使用, 常规观测资料站点数量有限, 且分布不均匀, 仅使用常规观测资料所得的初始场与实际偏差较大, 进而导致预报的不确定性 卫星资料以其时空分辨率高 覆盖面广等特点被广泛应用 近年来, 国内外已有很多致力于卫星资料同化等方面的应用研究 [1-12] 闵 [13] 爱荣等分析 2005 年 7 月 9 10 日发生在湖北西部 河南南部的一次大暴雨过程, 发现直接同化 ATOVS 辐射率资料能够有效改善模式初始场的温度场和湿度场分布, 能够更好地模拟暴雨发生的落 [8] 区 强度及时段 张羽等用 WRF-VAR 系统同化 ATOVS 资料, 对中国区域进行连续一个月的同化 模拟试验, 结果显示同化 ATOVS 资料能够改善模式中高层位势高度及温度场, 对降水的预报效果也有 [14] 所改善 李兴武等采用循环同化方法同化 ATOVS 资料, 并分析同化结果对台风模拟的影响, 认为同化 ATOVS 资料后, 模式对台风强度 路径的 [15] 模拟结果都有所改善 闵锦忠等应用 WRF- EnSRF 同化系统同化 ATOVS 资料, 指出同化 ATOVS 资料后模式对暴雨强度 落区模拟有了明显改善 山西地形复杂, 暴雨分布极不均匀, 预报难度很大, 经常造成对外服务的被动 本文以 2013 年 7 月 3 4 日发生在山西南部的暴雨过程为例, 应用 WRFDA 中的三维变分同化系统直接同化 ATOVS 资料, 设计不同的试验方案, 分析同化 ATOVS 资料对模式初始场的改善效果, 以及对暴雨落区和强度 收稿日期 :2015-08-19; 改回日期 :2015-10-31 基金项目 : 国家自然科学基金项目 黄河中游地区突发性大暴雨 MCC 结构特征研究 (41475050) 和山西省青年课题 直接同化 ATOVS 辐射率资料对山西暴雨预报的影响 (SXKQNTQ20147856) 共同资助作者简介 : 王晓丽 (1986-), 女, 硕士, 助理工程师, 主要从事数值预报及资料同化研究工作.E-mail:wangxiaoli1217@126.com 通讯作者 : 赵桂香 (1965-), 女, 硕士, 正研级高工, 主要从事灾害天气的数值诊断和技术方法研究.E-mail:liyun0123@126.com
第 3 期 王晓丽等 : 山西一次区域性暴雨过程的 ATOVS 资料同化模拟分析 523 等预报的影响, 为更好利用模式产品 改进暴雨预报效果及提高服务的针对性提供一定参考 1 降水特征 环流背景以及主要影响系统演变 1.1 降水特征 2013 年 7 月 3 4 日, 山西中南部地区出现大范围强降水天气过程, 降水主要集中在 3 日午后到 4 日中午,3 日 06:00 4 日 06:00( 世界时, 下同 )24 h 降水量为 0.5~126.5mm( 图 1), 其中有 20 站降水量 50mm,2 站降水量 >100mm( 绛县 110.3 mm, 阳城 126.5mm), 暴雨区主要位于山西南部偏 图 1 2013 年 7 月 3 日 06:00 4 日 06:00 24h 累计降水量 ( 单位 :mm) ( A B 分别代表阳城 绛县 ) Fig.1 Distributionofobserved24haccumulatedprecipitation (Unit:mm)from06:00UTC3to06:00UTC4July2013 (thepositionmarkedthetriangleaandbrepresent YangchengandJiangxian,respectively) 东地区 此次过程降水强度大 持续时间长 影响范围大, 多站出现短时强降水及雷暴等强对流天气 分析逐小时降水变化可发现, 强降水主要集中在 3 日 15:00 4 日 00:00, 表现出典型的中尺度特征 图 2 给出大暴雨站点绛县和阳城的逐小时降水量变化, 可以看出, 绛县降水呈双峰型,3 日 07:00 11:00 和 3 日 16:00 4 日 00:00 出现 2 次雨峰, 其中最大雨强出现在 3 日 18:00, 为 54.6mm h -1, 其余时段雨强均 <20mm h -1 ; 阳城在 3 日 08:00 20:00 和 23:00 均出现雨强 >20mm h -1 的短时强降水, 最大雨强为 25.6mm h -1, 出现在 3 日 20:00 1.2 环流背景及主要影响系统演变此次降水过程是 500hPa 高原槽 副热带高压以及低层切变线共同影响产生的 7 月 3 日 00:00 ( 图略 ),500hPa 亚洲中高纬为一宽广的低压系统, 西风带多短波槽活动, 副高呈东西向带状分布, 西伸脊点达 110 E, 外围 588dagpm 线已北抬至湖北与河南交界, 高原槽初步形成, 山西南部受高原槽前和副高边缘弱西南气流控制 随着短波槽携带的冷空气不断南下, 高原槽不断加深发展并东移,3 日 12:00( 图 3a) 槽线位于西北地区东部, 槽前西南气流加强,700hPa 相对湿度达到 90% 左右, 空气已接近饱和, 同时副高撤退 受以上系统共同影响, 山西中南部持续出现降水 对应低层,3 日 00:00,700hPa( 图 3b) 河套地区存在一条暖式切变线, 且切变线南侧的偏南气流中存在一条明显的水汽通道, 主水汽通道东侧存在较强的偏西南气流, 将水汽不断向山西输送, 对应 850hPa( 图略 ) 风场切变不明显 ;3 日 12:00700hPa 图 2 2013 年 7 月 3 日 06:00 4 日 06:00 绛县 阳城逐小时降水量变化 Fig.2 TheevolutionofobservedhourlyprecipitationatJiangxianand Yangchengstationsfrom06:00UTC3to06:00UTC4July2013
524 干旱气象 34 卷 ( 图 3c) 河套西部偏北气流显著增强, 在西北地区东部形成一条明显的冷式切变线, 位于河套地区的暖式切变线略有南压, 风场切变明显增强, 山西中南部受切变线影响, 河套到山西中南部水汽通量散度均表现为辐合, 切变线南侧暖区辐合较强 ;850hPa( 图 3d) 风场上西北地区东部出现一条冷式切变线, 山 西南部出现暖式切变线, 且位于 700hPa 暖式切变线的南侧, 中低层系统表现为前倾结构, 水汽通量辐合中心位于切变线附近, 山西南部的辐合中心强度达到 50 10-6 g (hpa cm 2 s) -1, 暴雨 大暴雨出现在 700hPa 与 850hPa 切变线之间更靠近 850hPa 切变线一侧且风场辐合和水汽辐合最强的区域 图 3 2013 年 7 月 3 日 12:00500hPa 高度场 ( 实线, 单位 :dagpm) 及 700hPa 相对湿度场 ( 阴影, 单位 :%)(a), 3 日 00:00700hPa 风场和水汽通量 ( 阴影, 单位 :g (hpa cm s) -1 )(b),3 日 12:00700hPa(c) 850hPa(d) 风场和水汽通量散度 ( 阴影, 单位 :10-6 g (hpa cm 2 s) -1 ) Fig.3 Thegeopotentialheight(solidlines,Unit:dagpm)on500hPaandrelativehumidity(theshaded,Unit:%) on700hpaat12:00utc3(a),windfieldandwatervaporflux(theshaded,unit:g (hpa cm s) -1 ) on700hpaat00:00utc3july(b),windfieldandwatervaporfluxdivergence(theshaded, Unit:10-6 g (hpa cm 2 s) -1 )on700hpa(c)and850hpa(d)at12:00utc3july2013 2 同化试验及结果分析 2.1 ATOVS 资料 ATOVS(Advanced TIROS OperationalVertical Sounder) 由 3 个仪器 40 个通道组成, 分别为高分辨率红外探测器 3/4 型 (HIRS3/4) 微波温度探测器 (AMSU-A) 及微波湿度探测器 (AMSU-B), 主要用于垂直探测大气的温度和湿度分布 由于降水系统中云的覆盖率很高, 而 HIRS 资料受云影响很大, 加入同化系统后往往会使得系统对亮温的模拟变差, 所以本试验不采用该仪器所探测到的资料 由于峰值能量权重贡献高度在近地面的通道资料受地表影响较大, 因此主要选择进入同化的资料为 AMSU-A 的 5 6 7 8 9 通道资料和 AMSU-B 的 3 4 5 通道资料 2.2 试验方案设计中尺度模式为 WRF3.3.1 及其三维变分同化系统 WRF-3DVar 模拟采用双重嵌套( 图略 ), 水平
第 3 期 王晓丽等 : 山西一次区域性暴雨过程的 ATOVS 资料同化模拟分析 525 分辨率分别为 45km 和 15km, 格点数分别为 110 105 和 130 130 模式参数化设计如表 1 所示 为充分考察同化 ATOVS 资料对改进山西暴雨预报的效果, 试验共设计 3 组方案 ( 表 2), 同化时间窗为前后 3h 方案 1 以 WRF 模式 7 月 2 日 12:00 的 12h 预报场作为初始场进行积分, 而方案 2 方案 3 将其作为同化的初猜场, 分别同化常规观测资料 常规观测资料及卫星资料, 以变分同化后得到的场作为初始场进行积分 表 1 模式参数化方案设置 Tab.1 Parameterizationscheme 项目名称 项目选择方案 垂直分层 52 层 (eta 层 ) 微物理过程方案 WSM3 短波辐射方案 Goddardshortwave 长波辐射方案 RRTM 辐散物理方案时间间隔 10min 边界层方案 MYJ 近地面层方案 Etasimilarity 积云参数化方案 Grel-Devebyiensemble 积云参数化方案时间间隔 5min 陆面过程方案 Noah 2.3 试验结果对比 2.3.1 降水模拟结果本次降水过程出现 3 个强降水中心, 分别位于阳城 ( 大暴雨 ) 绛县 ( 大暴雨 ) 安泽 ( 暴雨 ) 图 4 给出 3 组方案模拟的 24h 降水量分布, 对比图 1 发现,3 组试验都模拟出了发生在山西中南部的强降水过程, 但大暴雨中心与实况存在一定差异 与其他 2 组试验相比, 方案 3 所模拟的降水分布与实况最为接近 方案 1 对小雨 中雨的落区及范围模拟与实况基本接近, 对大雨及以上量级降水模拟位置偏西偏北, 且在临汾地区存在一大暴雨中心, 该大暴雨中心与实况有偏差 ; 方案 2 对晋城 临汾 运城交界处的大雨模拟范围偏大, 在临汾西部也模拟出一大暴雨中心, 但范围有所减小, 位置较方案 1 更靠近安泽 ; 方案 3 对大雨及以上量级降水落区模拟更接近实况, 大暴雨中心范围减小, 更接近于安泽, 尤其是模拟出了长治 临汾 晋城交界附近的暴雨, 对于这一范围的暴雨, 前 2 组试验均没有表现出来 表 3 给出阳城 绛县和安泽 3 个站点 3 组方案所模拟的 24h 雨量值, 可以看到对于阳城 绛县的大暴雨,3 组试验模拟量级均偏小, 但方案 3 的降水量较前 2 组试验均有明显增加 ; 安泽的 24h 实际降水量为 95.2mm, 方案 3 所模拟的降水量为 72.6mm, 表 2 试验方案设计 Tab.2 Testschemedesign 方案编号 同化资料 积分时间 方案 1 无 3 日 00:00 4 日 18:00 方案 2 常规观测资料 3 日 00:00 4 日 18:00 方案 3 常规观测资料 +AMSU-A/B 资料 3 日 00:00 4 日 18:00 图 4 3 组试验模拟的 2013 年 7 月 3 日 06:00 4 日 06:00 累计降水量分布 ( 单位 :mm) (a) 方案 1,(b) 方案 2,(c) 方案 3 Fig.4 Distributionofaccumulatedprecipitationfrom06:00UTC3to06:00UTC4 July2013simulatedbythescheme1(a),scheme2(b)andscheme3(c)(Unit:mm)
526 干旱气象 34 卷 表 3 3 组方案模拟的 7 月 3 日 06:00 4 日 06:00 阳城 绛县和安泽 24h 降水量 ( 单位 :mm) Tab.3 TheaccumulatedprecipitationatYangcheng, JiangxianandAnzefrom06:00UTC3to06:00UTC4 Julysimulatedbythreeschemes(Unit:mm) 站点站点经纬度方案 1 方案 2 方案 3 阳城 (35.48 N 112.4 E) 25.9 28.3 28.8 绛县 (35.52 N 111.57 E) 17.2 23.1 25.1 安泽 (36.17 N 112.25 E) 60.5 65.9 72.6 与实况更为接近 可见, 方案 3 对降水的模拟效果最好, 模拟的雨区范围与强度都有明显改善 另外, 此次降水还表现出降水强度大的特点, 在多个站点出现了短时强降水天气, 选取潞城 襄垣 壶关为例, 分析 3 组试验对逐小时降水量的模拟效果 ( 图 5) 方案 1 和方案 2 所模拟出的逐小时降水量都比较小, 方案 3 则较好地模拟出短时强降水天气, 尤其是壶关的最大雨强与实况非常接近 其中潞城 24h 降水量为 83.7mm, 最大雨强为 35.1mm h -1, 最大雨强对总降水量的贡献率接近 42%, 方案 1 方案 2 所模拟的降水强度均 <5mm h -1, 而方案 3 所模拟的最大降水强度达到 12.2mm h -1 ; 襄垣的实况最大降水强度达到 21mm h -1, 方案 1 最大降水强度仅为 1.6mm h -1, 方案 2 为 6.4mm h -1, 方案 3 为 9.4mm h -1, 显然, 方案 3 模拟结果最好 ; 壶关 24h 实况降水量为 51.9mm, 最大雨强为 17.4mm h -1, 方案 3 优于前 2 组方案, 其模拟的最大雨强为 15.5mm h -1,24h 降水量为 41.2 mm, 与实况最接近 另外,3 组方案模拟的强降水出现时间段均较实况略晚, 这主要是模式系统误差所引起的, 这部分误差仍需要更多的模拟统计分析来订正去除 综上所述, 同化 ATOVS 资料后, 模式对强降水的模拟效果有明显的改善 2.3.2 初始场增量对比分析同化常规观测资料及 ATOVS 资料后的增量场发现, 山西境内对流层各层的水平风速 温度 湿度均有较大改变 山西地形复杂, 气象要素局地变化明显, 而随着城市化发展, 基本气象站观测要素的代表性越来越差 与仅同化常规观测资料相比, 同化 ATOVS 资料后, 从对流层低层到高层, 山西地区的混合比变化都比较明显, 主要表现为中南部湿度有所增加, 而北部地区的湿度略有减小 :500hPa 山西大部分地区湿度表现为增大, 南部水汽混合比增量中心位于临汾 运城地区, 中心值达 1.0 10-4 图 5 模式模拟的 2013 年 7 月 3 日 06:00 4 日 06:00 潞城 襄垣和壶关站雨强时间序列 Fig.5 Theevolutionofsimulatedhourlyprecipitation intensityatlucheng,xiangyuanandhuguanstations from06:00utc3to06:00utc4july2013 kg kg -1, 西北部偏西地区表现为减少 偏东地区表现为增加 ( 图 6a);700hPa 水汽混合比增量在南北地区表现为不同变化, 山西北部表现为减小, 中南部表现为增加, 且增加幅度较大, 最大中心位于阳城附近, 增值为 3.5 10-4 kg kg -1 ( 图 6b);800hPa 湿度仍然表现出山西北部减小 南部增加的现象, 晋城南部的增量更为显著, 水汽混合比增量 >1.5 10-4 kg kg -1 ( 图 6c) 对流层中低层温度场变化也明显, 山西偏西北部的温度在对流层低层增量较大, 南部地区温度的调整主要表现为降温, 减小了南北温差 ( 图略 )
第 3 期 王晓丽等 : 山西一次区域性暴雨过程的 ATOVS 资料同化模拟分析 527 图 6 2013 年 7 月 3 日 00:00500hPa(a) 700hPa(b) 和 800hPa(c) 方案 3 与方案 2 模拟的水汽混合比之差 ( 单位 :10-4 kg kg -1 ) Fig.6 Thesimulatedwatervapormixingratiodiferenceon500hPa(a),700hPa(b)and 800hPa(c)betweenthescheme1andscheme2at00:00UTC3July2013(Unit:10-4 kg kg -1 ) 分析西风增量场发现, 对流层高层 低层的偏西风分量都有所增大, 这样更有利于低层水汽从西南暖湿地区向山西南部输送, 使得模式模拟的大到暴雨的区域向西移动, 与实况更为接近 山西境内 200hPa 的西风增量均表现为正增量, 增量中心位于晋东南地区, 中心值 >10 10-2 m s -1 ( 图 7a); 500hPa 西风增量在山西东部表现为正增量, 西部表现为负增量, 使得 500hPa 的风速辐散加强 ( 图 7b); 700hPa 西风增量均表现为正增量, 正增量中心位于忻州 吕梁的偏东地区, 最大中心为 6 10-2 m s -1 ( 图 7c);800hPa 西风增量 ( 图略 ) 也均表现为正增量, 在吕梁 临汾地区的相对增量较大, 该地区西风增量均 >4 10-2 m s -1 南风增量在对流层低层明显, 增量的大值区主 要位于山西偏西地区 200hPa 陕西中部的增量较明显, 最大中心达到 20 10-2 m s -1 ( 图 8a);500 hpa 与 700hPa 南风增量均为负增加, 但 500hPa 的负增量绝对值表现为北大南小 ( 图 8b),700hPa 则表现为西南部较大, 加大了该层的水汽输送 ( 图 8c);800hPa 南风都有所加强, 陕西南部有一南风正增量中心, 在山西南部的南风增量却不是很明显 另外在山西北中部偏西地区 内蒙古中部也存在一南风增量大值中心, 该地区南风的增加增大了北部偏西地区的辐散, 使得该地区的虚假降水减弱 ( 图 8d) 综上所述, 直接变分同化 ATOVS 资料后模式初始湿度场 温度场 风场都有较大的改变, 尤其对山西西部及东南部的调整最为明显 图 7 2013 年 7 月 3 日 00:00200hPa(a) 500hPa(b) 和 700hPa(c) 方案 3 与方案 2 模拟的 U 分量之差 ( 单位 :10-2 m s -1 ) Fig.7 ThesimulatedUcomponentdiferenceon200hPa(a),500hPa(b)and700hPa(c) betweenthescheme2andscheme3at00:00utc3july2013(unit:10-2 m s -1 )
528 干旱气象 34 卷 图 8 2013 年 7 月 3 日 00:00200hPa(a) 500hPa(b) 700hPa(c) 和 800hPa(d) 方案 3 与方案 2 模拟的 V 分量之差 ( 单位 :10-2 m s -1 ) Fig.8 ThesimulatedVcomponentdiferenceon200hPa(a),500hPa(b),700hPa(c) and800hpa(d)betweenthescheme2andscheme3at00:00utc3july2013(unit:10-2 m s -1 ) 2.3.3 要素场和物理量场模拟结果 2.3.3.1 大暴雨站单站特征图 9 给出绛县单站垂直方向上相对湿度 垂直速度的时间序列 可以看出, 仅同化常规观测资料对相对湿度场的改变不大, 但对垂直速度的改变比较明显,3 日 08:00 左右绛县出现较强降水, 与方案 1 相比, 方案 2 在这一时间段内垂直上升运动加强, 上升运动中心位于 700hPa 附近, 最大上升速度达到 0.1m s -1 ;3 日 21:00 左右绛县出现第二次雨峰, 此时段内方案 2 在 800~200hPa 表现为一致的上升运动, 而方案 1 却表现为下沉运动 与方案 1 和方案 2 相比, 方案 3 在降水较强的时间段内对流 图 9 3 组方案模拟的 2013 年 7 月 3 日 06:00 4 日 00:00 绛县上空整层相对湿度 ( 阴影, 单位 :%) 垂直速度 ( 等值线, 单位 :m s -1 ) 的时间序列 (a) 方案 1,(b) 方案 2,(c) 方案 3 Fig.9 Timeseriesofrelativehumidity(theshaded,Unit:%)andverticalvelocity(contours,Unit:m s -1 )over Jiangxianstationfrom06:00UTC3to00:00UTC4Julysimulatedbythescheme1(a),scheme2(b)andscheme3(c)
第 3 期 王晓丽等 : 山西一次区域性暴雨过程的 ATOVS 资料同化模拟分析 529 层中低层相对湿度和垂直速度均变化明显 3 日 08:00 左右, 方案 2 对第一次雨峰出现的条件描述已经与实况十分接近, 所以此时间段内方案 3 改进不明显,3 日 21:00 左右, 绛县 500hPa 以下相对湿度增加明显, 对流层中低层相对湿度达到 85% 以上, 垂直上升运动延伸到 200hPa 以上, 垂直上升运动中心分别出现在 650hPa 和 350hPa 高度附近, 最大上升速度达到 0.15m s -1, 较方案 2 明显增加, 对应以上 2 个时段, 绛县均出现较强降水, 其中第二个时间段内绛县还出现了 >20mm h -1 的短时强降水 3 日 21:00 后绛县上空整层转为下沉运动, 对流层低层转为偏西风 ( 图略 ), 降水趋于减弱结束 图 10 给出阳城站垂直方向上相对湿度 垂直速度的时间序列, 可明显看出, 在强降水发生的 2 个时间段, 与前 2 组方案相比, 方案 3 对相对湿度场和速度场的模拟效果更好 3 日 12:00 4 日 00:00, 方案 2 和方案 3 对流层中层 500~600hPa 之间的相对湿度较方案 1 明显增加, 但方案 3 较方案 2 表现更明显, 尤其是降水较强时间段内方案 3 低层的相对湿度也有所增加, 使得强降水时间段内低层相对湿度达到 70% 以上, 湿层加厚且低层空气饱和度加大 另外, 与方案 2 相比, 方案 3 在 3 日 08:00 左右 对流层整层为上升运动, 相对湿度 85% 的湿层略有加厚, 对应该时间段阳城站出现 >20.0mm h -1 的短时强降水 ;3 日 19:00 4 日 00:00 为阳城强降水发生的第二个时间段, 与前 2 个方案相比, 方案 3 所模拟的湿层相对较厚, 且对流层低层大部分时间段内相对湿度在 55% 以上,3 日 22:00 低层相对湿度增大,3 日 16:00 和 20:00 左右, 方案 3 在对流层中低层表现为较强的垂直上升运动, 更好地解释了该时间段内出现 >20mm h -1 的短时强降水 3 日 21:00 后对流层低层西南风的偏西分量加大 ( 图略 ), 降水趋于减弱结束 2.3.3.2 低层风场和混合比图 11 为 3 组试验模拟的 2013 年 7 月 4 日 02:00700hPa 风场和水汽混合比的分布, 可以看出, 前 2 组试验模拟的风场气旋性辐合中心位于山西中南部与陕西交界, 而方案 3 模拟的中心位于山西东南部长治 晋城地区附近, 与实况更为接近 与前 2 组试验相比, 方案 3 在山西北中部的水汽混合比明显减小, 而南部的水汽混合比略有增加, 该时刻绛县 阳城附近风的辐合表现更加明显, 山西东南部南风加强, 使得长治 晋城地区的切变线略有北抬, 之后再不断南压, 触发了晋城地区的短时强降水天 图 10 3 组方案模拟的 2013 年 7 月 3 日 06:00 4 日 00:00 阳城上空整层相对湿度 ( 阴影, 单位 :%) 垂直速度 ( 等值线, 单位 :m s -1 ) 的时间序列 (a) 方案 1,(b) 方案 2,(c) 方案 3 Fig.10 Timeseriesofrelativehumidity(theshaded,Unit:%)andverticalvelocity(contours,Unit:m s -1 )over Yangchengstationfrom06:00UTC3to00:00UTC4Julysimulatedbythescheme1(a),scheme2(b)andscheme3(c)
530 干旱气象 34 卷 图 11 3 组方案模拟的 7 月 4 日 02:00700hPa 风场及水汽混合比 ( 阴影, 单位 :kg kg -1 ) (a) 方案 1,(b) 方案 2,(c) 方案 3 Fig.11 The700hPawindfieldandwatervapormixingratio(theshaded,Unit:kg kg -1 ) at02:00utc4julysimulatedbythescheme1(a),scheme2(b)andscheme3(c) 气 位于山西中南部影响山西南部水汽输送的西南风偏西分量加大, 将偏西通道中的水汽向山西南部及偏东地区输送, 受西南风偏西分量加大的影响, 山西东南部的水汽含量也在不断增大, 为持续的强降水提供了充足的水汽条件 2.3.3.3 对流有效位能 (CAPE) 3 组试验模拟的各个时刻 CAPE 的大值区均位于山西中南部, 且不断南压 ( 图 12), 相比之下, 方案 3 的 CAPE 值大小及变化与强降水发生的时间及位置对应最好 3 日 18:00CAPE 的大值中心位于临汾 长治 晋城交界, 方案 3 在长治 晋城地区的 CAPE 大值区表现为范围大 中心强的特点, 最大中心位于绛县附近, 中心强度值 2100J kg -1 之后, 随着不稳定能量的释放及偏西风的输送,CAPE 的大值区向东南方向移动, 方案 1 和方案 2 在山西南部的中心值略微偏北, 而方案 3 在 3 日 22:00 模拟的山西东南部 CAPE 大值中心则位于阳城和晋城交界, 位置较前 2 组方案均偏南, 反映了绛县 阳城 3 日 21:00 左右出现的短时强降水的能量条件 之后随着系统的移动和不稳定能量的释放,CAPE 大值区基本移出山西 2.3.3.4 组合反射率因子图 13 给出 3 组试验模拟的 7 月 4 日 02:00 的 组合反射率因子, 可以看出,3 组试验都模拟出 40 dbz 的组合反射率因子区域, 与该时间段所模拟的短时强降水相对应, 但与其他 2 组方案相比, 方案 3 对强组合反射率因子位置的模拟更为准确 方案 1 所模拟的强组合反射率因子主要位于临汾 长治 晋中交界一带, 呈块状分布, 最大强度 50dBZ, 方案 2 模拟的强组合反射率因子位置有所东移, 且基本呈带状分布, 中心值仍位于临汾 长治 晋中交界地区, 方案 3 的强组合反射率因子则位于长治 晋城地区, 呈椭圆状, 中心值 50dBZ, 而 35dBZ 的组合反射率因子主要反映强对流性降水粒子的特征, 这是该时间左右长治 晋城地区出现 >20mm h -1 的短时强降水天气的重要体现 综上所述, 同化 AMSU-A 与 AMSU-B 资料后, 模式对暴雨发生所需要的较强的上升运动 强的水汽输送和辐合以及不稳定能量等 3 个条件都有明显改进, 对短时强降水等强对流天气的落区及组合反射率因子的强度模拟也有较大改善 与其他 2 组试验相比, 方案 3 对此次暴雨过程的模拟结果更接近实况, 说明同化 AMSU-A/B 资料后较好地调整了模式的初始场, 同化结果对数值模拟起到了正效应
第 3 期 王晓丽等 : 山西一次区域性暴雨过程的 ATOVS 资料同化模拟分析 531 图 12 方案 1( 左 ), 方案 2( 中 ) 及方案 3( 右 ) 模拟的 7 月 3 日 18:00( 上 ) 和 22:00( 下 )CAPE 值 ( 单位 :J kg -1 ) Fig.12 DistributionsofCAPEat18:00UTC(thetop)and22:00UTC(thebotom)3July simulatedbythescheme1(theleft),scheme2(themiddle)andscheme3(theright)(unit:j kg -1 ) 图 13 3 组方案模拟的 2013 年 7 月 4 日 02:00 组合反射率因子 ( 单位 :dbz) (a) 方案 1,(b) 方案 2,(c) 方案 3 Fig.13 Thecompositereflectivityfactor(Unit:dBZ)at02:00UTC4Julysimulated bythescheme1(a),scheme2(b)andscheme3(c) 2.4 站点分级降水的 TS 评分为更客观地检验各试验方案对降水的预报效果, 表 4 给出山西区域 109 站 24h 累计分级降水的 TS 评分, 可以看出方案 3 对中雨及以上量级降水的模拟效果明显好于其他 2 组试验 仅同化常规观测资料对降水预报效果的改善不明显, 对 0.1mm 25mm 和 50mm 的降水量, TS 评分有正效应, 但改善结果均未超过 2%, 对 0.1mm 和 50mm 降水的空报率也有 <1% 的改进 同化 ATOVS 资料后, 方案 3 对中雨以上量级降水的 TS 评分明显提高, 比方案 1 提高了 15%, 空报率显著降低, 降低值达到 6.1%, 漏报率变化不明显 ; 对大雨以上量级降水的模拟效果改善更加明显, TS 评分 空报率 漏报率都有较大程度的改进, 其中 TS 评分比方案 1 提高 15.6%, 比方案 2 提高 13.9%, 空报率比方案 1 降低 11.9%, 比方案 2 降
532 干旱气象 34 卷 低 14.3%, 漏报率比方案 1 降低 19.8%, 比方案 2 降低 14.6%; 当降水量 50mm 时, 方案 3 大幅降低了模式的空报率和漏报率,TS 评分显著提高,TS 评分比方案 1 和方案 2 分别提高 10.8% 和 10.5%, 空报率分别降低 32% 和 31.3%, 而漏报率均降低 10% 表 4 各个试验方案的模拟结果评分 Tab.4 TheTSscoresforthreeschemessimulationresults 降水分级 TS 评分 方案 1 方案 2 方案 3 空报率 方案 1 方案 2 方案 3 漏报率 方案 1 方案 2 方案 3 0.1mm 70.80% 71.60% 70.10% 29.20% 28.40% 29.90% 0 0 0 10mm 60% 57.10% 75% 30% 31% 23.90% 19.20% 23.10% 19% 25mm 30% 31.70% 45.60% 50% 52.40% 38.10% 56.40% 51.20% 36.60% 50mm 4.60% 4.90% 15.40% 92% 91.30% 60% 90% 90% 80% 3 结论与讨论 (1) 与方案 1 相比, 方案 2 对此次暴雨过程的模拟有所改善, 降水的落区也与实际较为接近 但由于常规观测资料分辨率较低, 同化后的模式初始场仍存在较大偏差, 使得模式模拟的此次过程范围仍然偏西偏北, 而且小雨的空报率较高 直接同化 ATOVS 资料后 ( 方案 3), 模式初始温度场 湿度场 风场都有较大改善, 对暴雨发生发展过程及强降雨的落区 强度的模拟效果都有明显改善 (2) 同化 ATOVS 资料后, 模式更好地模拟出了暴雨发生的动力 热力 水汽条件, 尤其是对对流层低层湿度场演变过程的改进更为显著, 对与短时强降水相对应的组合反射率因子的位置及强度也有所改进 山西南部较强的不稳定能量的演变和触发是此次暴雨过程关注的核心 (3)TS 评分显示, 同化 ATOVS 资料后, 模式对中雨及以上量级降水预报的站点 TS 评分显著提高, 尤其是对于暴雨以上量级的降水, 空报率和漏报率显著降低 此次暴雨过程的主要影响系统是 500hPa 高原槽 副热带高压以及低层切变线, 方案 3 对低层切变线的模拟与实况更为吻合, 而且很好地改善了预报效果, 但由于山西暴雨局地性较强, 受地形影响明显, 在现有的地形资料基础上, 这种正效应是否持续稳定, 仍需做大量的模拟试验来分析验证 参考文献 [1]DerberJC,WuW S.TheuseofTOVScloud-clearedradiancesin thencepssianalysissystem[j].monwearev,1998,126(8): 2287-2299. [2]FrankHR,GeoggeDM,AlanEL.Asimilationofsateliteimager dataandsurfaceobservationstoimproveanalysisofcirculations forcedbycloudshadingcontrasts[j].monwearev,2000,128 (2):434-448. [3] 潘宁, 董超华, 张文健, 等. 变分同化及卫星资料同化 [J]. 气象科技,2001,29(2):29-36. [4] 薛纪善. 我国西北高原地区数值预报的几个科学问题 [J]. 干旱气象,2005,23(1):68-71. [5]OkamotoK,KazumoriM,OwadaH.TheAsimilationofATOVS RadiancesintheJMA GlobalAnalysisSystem[J].MeteorolSoc Jpn,2005,83(2):201-217. [6] 张利红, 沈桐立, 王洪利.AMSU 资料变分同化及在暴雨数值模拟中的应用研究 [J]. 高原气象,2007,26(5):1004-1012. [7] 郭锐, 张国平, 李泽椿. 对于一次川渝暴雨的 ATOVS 资料同化数值模拟 [J]. 大气科学,2010,33(5):615-623. [8] 张羽, 潘晓滨, 曹春新, 等. 基于 WRF-VAR 的卫星资料同化分析检验试验 [J]. 干旱气象,2011,29(1):48-54. [9] 张亚洲, 邓文彬, 赵文斌. 台风暴雨数值预报中 ATOVS 资料的变分同化试验 [J]. 气象与减灾研究,2012,35(3):8-17. [10] 李冉, 高山红, 王永明. 直接同化卫星辐射数据的黄海海雾数值试验研究 [J]. 中国海洋大学学报,2012,42(3):10-20. [11] 王晓丽, 鲍艳松. 风云三号卫星微波温度资料偏差订正及同化试验研究 [D]. 南京 : 南京信息工程大学,2013. [12] 刘贝, 卢绍宗, 钱钰坤, 等.ATOVS 亮温资料同化在台风数值模拟中的应用 [J]. 热带海洋学报,2014,33(1):44-53. [13] 闵爱荣, 廖移山, 王晓芳, 等.ATOVS 资料的变分同化对一次暴雨过程预报的影响分析 [J]. 热带气象学报,2009,25(3):314-320. [14] 李兴武, 董海萍, 郭卫东, 等.ATOVS 不同卫星资料在台风模拟中的同化实验研究 [J]. 热带气象学报,2012,28(2):157-166. [15] 闵锦忠, 孔莹, 杨春, 等. 卫星辐射率资料 EnSRF 同化及暴雨模拟应用 [J]. 大气科学学报,2012,35(3):272-281. [16] 郭锐, 李泽椿, 张国平.ATOVS 资料在淮河暴雨预报中的同化应用研究 [J]. 气象,2010,36(2):1-12. ( 下转至 546 页 )
546 干旱气象 34 卷 AnalysisofTerrainTriggeringDuringaFailurePredictedStrongConvective WeatherProcesinMountainRegionofMiddleShandong HANGuoyong 1,LILanlan 2,JINGTao 1, ZHAOMinfen 1,SONGZhongling 1 (1.ZiboMeteorologicalBureauofShandongProvince,Zibo255000,China; 2.ShandongMeteorologicalServiceCenter,Ji nan250031,china) Abstract:Byusingconventionalobservationdataandhighdensityregionalobservationstationsdata,radarechoesandsimulationre sultsfromthewrfmodel,ananalysisaboutalocalstrongconvectiveweathercausedbyweakcoldairinmountainousareaofthemid dleshandongwasdone.theresultsshowthattheweatherprocesoccuredundertheconditionofunstableatmosphericstateandthe troughon500hpawasweak,andtheinfluenceofteraininmountainousareacouldn tbeignoredontriggeringandstrengtheningthe strongconvection.thelocalconvectionwastriggeredeasilyatthenorthwestboundaryofmountainousarea,themiddlescalelowpres surecenterandmaximumtemperaturegradientarea.thesimulationresultsofthewrfmodelshowthattheconvergencecausedbythe flowaroundtheterainwasfavorableforconvectionstrengthening,andtheverticalcirculationexcitedbywindwardslopewasthemain reasonoftheconvectiondevelopment.undertheweakenvironmentfield,whentheconvectionwastriggered,thestrongradarecho woulddevelopandstrengthenalongthehigh-energyzoneoftheground. Keywords:localconvection;teraintriggering; underlyingsurfaceenergy 櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡櫡 ( 上接第 532 页 ) AnalysingEfectofVariationalDataAsimilationofSatelite RadianceonaRegionalHeavyRaininShanxiProvince WANGXiaoli 1,ZHAOGuixiang 1,LIFang 2 (1.ShanxiMeteorologicalStation,Taiyuan030006,China;2.LightningProtection andmonitoringcenterofshanxiprovince,taiyuan030002,china) Abstract:AregionalheavyrainoccuredinthesouthernShanxiduring3-4July2013.Inordertostudytheapplicationefectofsatel litedataasimilationontheoperationalnumericalweatherforecastmodelinshanxi,theasimilationwithandwithoutatovssatelite radiancedatabyusingwrf-3dvarwereexperimentedandcompared.theresultareasfolows:(1)theanalysisfieldobtainedby directasimilationoftheatovssateliteradiancecouldimprovetemperature,humidityandwindfieldsoftheinitialfieldofpredic tion,themainperformancewasincreasinghumidityinthecentralandsouthernofshanxianddecreasingtemperaturediferencebetween thesouthernandnorthernshanxi,increasingthewesterlycomponentofthemiddleandlowertroposphere,whichwasmoreconduciveto low-levelmoisturetransportationandgatheringtothecentralandsouthernshanxi.(2)theasimilationexperimentwasbeterinde scriptionofevolutionofphysicalquantitiesduringthisprecipitationproces,especialyfortheevolutionofhumidityandverticalveloci tyovertheheavyrainstormstations.theshort-timestrongrainfaloccuredinthemomentthathumidityincreasedandverticalupward movementstrengthened,themovementanddevelopmentoftheshearlineasatriggerofshort-timestrongrainfal,convectiveavailable potentialenergyandreflectivityfactorhadbeenbeterreflected.whatismore,thelocationandintensityoftheheavyrainhadbeen improvedobviously,thetsscoreofmoderaterainorabovehadincreasedsignificantly,andfalsealarm rateandfalsenegativerate weredecreased. Keywords:ATOVSdata;variationaldataasimilation;aheavyrainproces;TSscore