FY-3A卫星MWHS资料同化及四川盆地暴雨数值模拟分析

张旭煜, 朱克云, 张 杰, 苏 捷

(1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都610225;2.成都军区空军气象中心,四川成都610041;3.中国人民解放军95596部队,陕西户县710301)

0 引言

暴雨灾害是中国严重自然灾害之一,提高暴雨的监测、预测能力成为近几十年来国内学者研究的热点。暴雨研究中最常用的手段和方法之一是利用模式对暴雨天气进行模拟和诊断分析。国内外的大量研究表明,在数值预报模式(NWP)中加入非常规资料能够有效提高数值预报水平[1-4]。目前,国外众多的数值预报研究中心和业务单位都已将多种卫星资料应用到NWP的同化分析系统中,卫星资料已成为所用观测资料的主体[5-6]。Thepaut等[7]通过统计分析各种资料影响,研究得出:相比传统的探空观测资料,加入卫星观测资料对预报准确率的影响更大。Bouttier等[8]研究在欧洲中心中期数值预报模式中,不同来源的观测资料对其模式的影响。结果表明极轨气象卫星TOVS辐射率资料对模式预报水平的影响已经达到或超过传统的探空观测资料。因此,从卫星资料中提取有效的观测信息来优化模式的初始场,可以很大提高数值预报的准确率。国内外不少学者对同化卫星资料也取得了一定的研究成果。English等[9]通过研究表明,NOAA极轨卫星的AMSU微波辐射率资料可以明显减小数值预报误差。Eyer等[10]用1D-Var反演NOAA系列的TOVS辐射率资料,在采用最优插值方法后进行反演同化,结果表明1D-Var反演同化方法可以改进预报质量。Andersson等[11]运用变分方法直接同化卫星辐射率资料,对比结果表明,变分方法直接同化卫星资料的效果优于1D-Var的反演同化的效果。Liu[12]利用WRF模式的三维变分模块直接同化AMSU-A资料,对卡特里娜飓风的预报进行了一些初步试验研究,得到较好的预报效果。张利红等[13]利用GRAPES三维变分同化系统,对AMSU-A/B微波遥感资料进行我国夏季暴雨数值同化试验,结果表明使用AMSU资料,可以更好地改进模拟的暴雨落区及强度。杨引明等[14]利用WRF模式,使用FY-3A微波探测资料对台风“莫拉克”的路径和强度预报开展数值模拟。结果表明,直接同化FY-3A微波资料可更加合理地反映海上台风环流形势以及温湿条件,对预报台风路径效果具有积极的改善作用。郭锐[15]采用三维变分同化系统SSI以及T213L31全球谱模式,将AMSU资料同化进入模式。试验结果表明,同化卫星资料可以改善降水预报,尤其是降水强度得到提高。

目前,前人研究多是利用MM5或者WRF模式同化国外卫星辐射率资料对暴雨进行数值模拟,研究个例大多选取江淮流域的暴雨,而利用中国FY-3A卫星资料还比较少。中国风云三号系列气象卫星的成功发射为中国气象业务及科研提供了大量全球范围的卫星观测资料,同化自己的卫星资料将不受资料数量和区域的限制,对促进卫星应用有重大意义。因此,选用WRF模式及其三维变分同化系统3D-VAR为平台,开展对FY-3A卫星MWHS资料的直接同化试验。以期探讨在中国西部夏季暴雨预报中WRF模式同化MWHS资料的作用,选取2012年07月03日发生在地形复杂的四川地区大暴雨为个例进行研究分析。

1 MWHS资料及个例简介

1.1 MWHS资料介绍

FY-3A极轨卫星搭载微波湿度计(Micro Wave Humidity Sounder,MWHS)主要用以探测大气湿度的垂直分布。设计频率分别为150Hz和183.31GHz,其中150GHz为双极化(水平极化和垂直极化)设计,对地表比辐射率进行观测;183.31GHz分为3个通道,3个通道频率分别为183.31±1、183.31±3和183.31±7GHz,对大气中各层水汽分布特征有不同响应,能获取晴空区、云区和降水区的大气湿度三维分布。MWHS对地扫描采用跨轨扫描,对地扫描张角为53.35°,星下点水平分辨率15公里,共设5个通道,探测器参数技术指标如表1所示,MWHS资料(L1)可在国家卫星中心网站下载。

表1 MWHS通道参数技术指标

1.2 个例简介

2012年07月02日～07月05日,受高原低槽和地面冷空气的共同影响,四川盆地大部及川西高原南部出现暴雨天气过程,绵阳、广元、乐山、遂宁、南充、资阳、巴中、眉山、达州等9市大部、凉山州中北部及内江、雅安、自贡、宜宾等市的部分地方共46个县(市)出现暴雨,其中有16个县(市)降了大暴雨。其中07月03日08时～04日08时,四川地区有28个加密站雨量在100mm以上,其中11个加密站雨量为200mm以上。此次暴雨天气主要是中纬度西风带系统调整过程中形成的转折性天气,受高原低槽前部西南风和副高西北部的东南风合并形成明显的西南急流,西南急流带来的暖湿空气与冷空气在四川盆地相交绥,使此次暴雨过程降雨量大、持续时间长,造成危害较大。

2 模式与模拟方案设计

2.1 模式介绍和参数

使用WRF(V3.3)及其三维变分同化系统WRF-3DVAR[16]。模式采用两层嵌套方案,内外层中心都为30.74°N,103.31°E,水平分辨率分别为15km 和5km,格点数分别为d01(100*117)和d02(244*232),垂直分层27层。物理过程方案设置为:Kain-Fritsch(K-F)积云对流方案、Lin微物理参数方案、RRTM长波辐射方案、RRTMG短波辐射方案,YUS行星边界层方案。使用的观测算子是由ECMWF开发RT TOV10,是用于数值预报中同化卫星资料的快速辐射传输模式,RTTOV可以利用大气温度、湿度、O3、云中液态水垂直廓线以及若干云和表面参数作为输入变量,计算卫星相应通道的辐射率值,模拟NOAA系列极轨卫星、GOES系列静止卫星的TOVS/ATOVS不同通道红外和微波的探测资料。由于WRFDA-3DVAR目前还不支持对中国FY-3卫星资料的直接处理,所以编写了IO接口,可以直接加入FY-3A卫星MWHS资料,图1是WRFDA-3DVAR同化分析流程示意图。

图1 WRFDA-3DVAR同化分析流程示意图

2.2 数值模拟方案设计

为探讨FY-3A卫星MWHS资料与WRF模式的数据融合性,以及研究MWHS资料在四川盆地夏季暴雨数值模拟中的作用,设计了同化MWHS资料的试验(方案A)和控制试验(方案B)。其中方案A从(UTC)07月02日18时积分6小时至07月03日00时,将得到的WRF模式预报场作为背景场,在03日00时加入MWHS资料进行同化,同化窗口为2小时,然后将得到的03日00时相应的分析场作为初始场,最后积分至07月04日00时。方案B从07月02日18时积分6小时至07月03日00时,将得到的WRF模式预报场作为初始场,然后积分至07月04日00时。为了使对比分析结果更加准确,其中方案A同化MWHS资料,方案B不同化MWHS资料,模拟试验的结果差异仅是由是否同化MWHS资料引起。

3 模拟结果分析

3.1 天气形势分析

图2是2012年7月03日08时位势高度图。从500hPa实况(图2a)可以看出,欧亚大陆为两槽一脊的天气形势,在40°N(天山)以北的低槽和东北低涡之间是一高压脊。受高原槽影响,四川盆地处在多槽多波动形势。西太平洋副热带高压西伸北抬到25°N附近,在副高外围与低槽相互作用,有利于水汽的辐合,容易造成降水天气形势。相应在850hPa(图2b),四川盆地存在一低涡,低涡前部西南风和西太平洋西北部的西南风合并形成明显的西南急流,与来自孟加拉湾和南海的水汽汇聚,在四川盆地形成强烈的水汽辐合带,强降水就发生在低涡前部和低空急流的左侧。

图2 2012年07月03日08时形势场

3.2 降水场对比试验分析

此次暴雨过程从07月02日～05日连续3d,在四川盆地中北部出现大范围的强降水。尤其是(北京时)03日08时～04日08时,部分站点的降水量均超过了200mm。为了检验此次同化FY-3A卫星MWHS资料作用,主要选择7月03日降水等实况场与方案A、B的模拟结果进行对比分析。

首先,图3为2012年07月03日～07月04日的24h降水实况和方案A、B模拟的24h降水预报对比。从实况(图3a)可以看出,07月03日08时～07月04日08时的24h降水集中在四川盆地中东部和东北部两块主要降水区和南部小块降水区。在主降水区内,降水量都在150mm以上,最大降水中心区达到227mm。整个降雨带成东北-西南走向,雨带较大。通过方案A(图3b)同化MWHS资料试验模拟结果得出,模式在四川盆地东北部、中部模拟效果明显,南部降水区模拟效果稍微偏差南移,但在降水量级与实况接近。整个降雨带分布也是东北-西南走向,接近实况雨带分布。在降水量级上模式预报的降水中心达到230mm,非常接近实况降水值(227mm),而且在102°E,29°N该点附近几乎完全刻画出实况降水形式。虽然较实况相比,在盆地中东部模拟出降水区稍向西南偏移,但是与方案B控制试验结果相比,方案A明显改善降水场预报。其次,从控制试验方案B(图3c)预报结果可以看出,模式总体模拟的降水雨带偏小,降雨量偏弱,对四川盆地中东部的降水区基本没有预报,却在盆地中部地区104°E,30°N附近模拟出一块范围较大,降水量级达到200mm的虚假降水中心,而且较实况降水相比降水总体量级偏小,最大降水中心只有189mm。可见针对本次试验,同化FY-3A卫星MWHS资料显著增强了模式对降水量级和降水落区的准确性。

图3 2012年07月03日08时～04日08时24h累积降水量(单位:mm)

3.3 物理量模拟分析

因为川西高原平均海拔大于3000米,为了更好地的反映此次降水过程的气象要素场变化,主要分析700hPa高度层要素场。此次降水过程主要受高层槽前辐合影响和低层低涡东移过程中不断发展,干冷空气与暖湿空气的交汇而形成维持。假相当位温(θ se)是表征大气温度、压力、湿度等大气状态综合特征量,其反应了大气中能量的分布。因此,分析同化MWHS资料后对于假相当位温(θ se)的调整作用。由图4(a)可见,同化MWHS资料后,在700hPa上在四川盆地中东部和东北部的两块主降水区出现了+3K的正增量中心,且500hPa(图略)上也是+2K的正增量中心,相比控制试验假相当位温得到的提高。暴雨的产生除了必要的触发机制外,还需要有一个水汽积累的过程,图4(b)给出700hPa上 2012年07月03日08时方案A、B相对湿度差值。由图可以看出,在107°E,32°N和104°E,29°N附近(中东部和东北部主降水区),都出现一个中心增量值达+10%的正增湿中心。可见,模式引入MWHS资料的对中低层湿度场有了显著的调整,在主降水区为大暴雨的发生提供了足够的水汽条件。由图4(c)、4(d)可以看出,在这二者降水区域不稳定能量在此聚集,相对湿度达到95%,有利于发生降水。随着高空槽靠近和低涡东移发展,在两块主降水区,形成了一个干冷区与高湿区交汇密集带,即冷、暖气团交界所形成的锋区,降水出现。

为研究同化MWHS资料对于大气垂直运动的影响,以及分析低涡对暴雨发生的动力作用,图5给出07月03日08时400hPa和700hPa高度层上,方案A相对于方案B的垂直速度增量场和涡度增量场。

由图5(a)、(c)可见,在主降水区和南部次降水区垂直速度增量为-2m·s-1左右,从低层到高层都是整层的上升运动,可以将低层大量的暖湿水汽迅速抬升到对流层高层,凝结降水。由图5(b)、(d)可见,在200hPa出现负涡度增量中心,中心值达到-100*10-6s-1,涡度减小;在此负涡度区下方700hPa高度层上对应强烈的正涡度增量中心,中心值达50*10-6s-1,涡度加强。这种低层正涡度,高层负涡度以及高空辐散区和低层辐合区的垂直配置,有利于促发和维持强烈的上升运动。而暖湿空气辐合抬升,凝结降水释放潜热又进一步加热大气,使得对流垂直运动加强,形成正反馈,对降水的产生和发展有着重要作用。

图4 2012年07月03日08时方案A相对于方案B的700hPa的增量场和方案A700hPa模拟场

图6给出暴雨主要发生时对流层低、中、高层的高度场、风场以及水汽通量图。由图可见,在中东部和东北部两块主降水区上空,受500hPa西南涡前部西南风影响,引导南方暖湿空气在盆地中部和中东部区聚集;700hPa有一东北向的偏北风与偏南风的冷式切变线,降水区正处于该切变的辐合区,而且在850hPa上主降水区存在水气通量极大值区,因此,从低层到高层,从水汽条件到动力条件对主降水区暴雨发生和维持十分有利。

图5 2012年07月03日08时方案A相对于方案B的垂直速度增量场及涡度增量场

图6 2012年07月 03日15时方案 A 高度场(白实线,单位:gpm)、风场(矢量,单位m·s-1)、水汽通量场(阴影区,单位 g·cm-1·hpa-1·s-1)

综合上述分析,模式同化MWHS资料,初始场可以改进湿度场和涡度场,其相应的增量中心基本与实况降水中心位置一致。因此,物理量场的改进使方案A模拟结果在四川盆地中东部、北部两块主降水区的降水落区和降水量级都十分接近实况降水情况。而且,相比控制试验方案B,消除了四川盆地中部的虚假强降水区,在一定程度上为预报员报提供相对准确的参考信息。为了分析研究模式同化MWHS资料对暴雨预报改善可能存在的原因,研究对流层中低层在暴雨发生时的水汽相关分布情况,对方案A模拟700hPa高度层进行水汽通量、风场、相对湿度场进行逐3h积分,进行精细分析。

由图7可见,从07月03日03时,由于模式积分开始时间较短,所以相对湿度大值区不明显,在盆地北部稍有湿区存在。同时盆地中东部存在一切变线,有明显的水汽输送。在06时,四川盆地中部开始出现湿度大于80%的湿度区,而受西南急流影响,盆地南部地区首先出现90%湿度大值区,而且处在水汽通量辐合中心,最大量值达21g·cm-1·hpa-1·s-1,所以南部降水出现时间早于两块主降水区(图略),主降水区(中东部和东北部)逐渐有水汽集聚。在09时,中部湿度区范围扩大,渐南下与南部形成狭长的湿度大值带,东北部开始出现90%湿度区,水汽通量稳定增长,而且在中部和东北部,降水也同时发生。在12时,整个南部地区水汽通量达到最大值,四川盆地由东北至西南呈现一个东北西南向的高湿度区,其分布形式与模式预报的雨区较为一致,在湿度大值区的东北部、中东部至少存在18h的水汽辐合,低空急流源源不断把水汽输送至暴雨区,而实况降水正位于这一地区。自15时到18时,整个暴雨区湿度最大值为95%,水汽通量最大值达到23g·cm-1·hpa-1·s-1,与此同时雨强也达到最强(图8)。在 15 时,除安岳站点(30.07°N,105.21°E)外 ,乐至(30.17°N,105.02°E)、蓬溪(30.77°N,105.7°E)、平昌(31.57°N,107.1°E)3个站点实况降水和模拟降水值相当接近,表明加入MWHS资料确实能较好的反应主降水区的湿度场信息和水汽分布情况,对短时监测和预报极值降水有较好的参考作用。

由此可见,因为MWHS辐射计可以探测大气湿度场垂直分布信息,所以对暴雨区表现出更有利于降水发生的环境条件。WRF模式同化MWHS资料后,相比控制试验增进了模式湿度场和涡度场质量,因此,同化试验预报出的降水落区和降水量级最接近实况降水分布。

图9表示川西高原13个平均海拔高度为3492m站点从07月03日03时-18时逐小时实况降水量和方案A模拟降水量。除峨眉山、德格、白玉、石渠4个站点的实况平均降雨量高于模拟平均降雨量(高出50%),其他八个站点模拟平均降雨量远远高于实况平均降雨量(高出264%)。因此,在特殊地形的川西高原地区,MWHS资料不能十分准确的刻画出大气层的水汽和湿度分布,导致最后模式预报降水与实况相比差距较大。所以对川西高原特殊地形的暴雨模拟研究,还亟待进一步提高,改善卫星资料质量,提高模式的预报能力。

图8 2012年07月03日03时～03日18时4个站点逐小时累计降水量(单位:mm)

图9 2012年07月03日03时～03日18时13个站点(平均海拔高度3492m)逐小时累计降水量(单位:mm)

5 结论与讨论

对发生在2012年07月03日特殊地形下的四川地区暴雨,采用WRF模式和三维变分同化系统3D-VAR,通过自行编写IO接口,对FY-3A卫星MWHS资料直接同化进模式。通过同化试验方案与控制试验模拟对比结果,分析WRF模式直接同化MWHS资料后,对于此次暴雨过程模拟的调整结果,得出以下结论:

(1)WRF模式加入MWHS资料后,相对于控制试验,在降水区出现+3K的正增量中心,改善了降水区假相当位温作用,并增进湿度场和涡度场降水预报信息。在此次个例试验的中东部、东北部主降水区模拟效果明显,降水形式分布和降水量级接近实况值。

(2)对物理量要素场的增量分析表明,同化MWSH资料改善风场和水汽通量场的数值和分布,准确模拟出水汽通量的中心位置,并可以较好的刻画出风场的辐合辐散区域和水汽通量高值中心,对于改善预报降水落区有很好的指示意义。

(3)受川西高原特殊的地形环境影响,同化方案A模拟的降水量与实况降水量相差较大,尚不能十分准确的反映川西高原地区大气层的水汽和湿度分布特征,因此利用同化卫星资料对川西高原地区的降水预报还有待进一步研究。

通过研究说明,中国FY-3A卫星MWHS资料的同化对于提高WRF数值预报模式对局地暴雨过程的预报效果是可行的。由于仅进行了暴雨一个个例的对比试验,因此所得结论具有局限性,应增加不同类型的暴雨个例来进行研究试验,后续工作进一步展开。

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