蘇 捷, 朱克云, 張 杰

(1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都610225;2.成都軍區(qū)空軍氣象中心,四川成都610041;3.中國人民解放軍96115部隊,吉林通化134001)

1 引言

隨著近幾年大氣觀測技術(shù)的逐步提高,衛(wèi)星、雷達等一系列高分辨率的非常規(guī)觀測已在預(yù)報和數(shù)值模擬等方面取得了較為廣泛應(yīng)用,成效顯著,很大程度的彌補了常規(guī)觀測資料時空分布不足的缺點。對于觀測稀疏的海洋以及高原地區(qū),云導(dǎo)風(fēng)資料可以對數(shù)值預(yù)報的初始場做重要補充和改善。

早在20世紀(jì)80年代的美國衛(wèi)星應(yīng)用會議上,Purdom et al.[1]就提出可以通過追蹤衛(wèi)星照片中云的移動和發(fā)展,來觀測分析風(fēng)暴等中尺度系統(tǒng)的發(fā)展和演變。之后隨著新型號衛(wèi)星的發(fā)射及新探測器的出現(xiàn),云導(dǎo)風(fēng)在數(shù)值模擬中的使用和研究也越發(fā)廣泛,John F.Le Marshall et al.[2]通過對比了3種不同的資料同化方法的結(jié)果之后,得出：變分方法能更好的利用高時空分辨率的云導(dǎo)風(fēng)資料中所含的信息。R.C.Bhatia et al.[3]通過在有限區(qū)域模式中同化METEOSAT-5水汽通道的云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù),得出加入云導(dǎo)風(fēng)可以對熱帶氣旋的路徑預(yù)測產(chǎn)生了正效果。B.J.Soden et al.[4]通過在GFDL颶風(fēng)模式中同化GOES-8的云導(dǎo)風(fēng)資料減小了對颶風(fēng)路徑預(yù)報的偏西誤差,得出同化云導(dǎo)風(fēng)可以較好的優(yōu)化初始場,減小預(yù)報誤差。云導(dǎo)風(fēng)對臺風(fēng)路徑的影響在國內(nèi)也有較多的研究和探索,張守峰等[5,6]使用GMS-5衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)資料用最有插值法訂正客觀分析風(fēng)場,發(fā)現(xiàn)新的分析場對臺風(fēng)路徑預(yù)報有明顯改進。王棟梁等[7]通過一系列四維變分同化試驗同化GMS-5水汽和紅外云導(dǎo)風(fēng)資料,結(jié)果表明同化之后對熱帶氣旋路徑預(yù)報有一定改善。莊照榮等[8]通過使用GRAPES同化GMS-5衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)資料對“森拉克”臺風(fēng)做24小時預(yù)報,得到了質(zhì)量更高的風(fēng)壓場和更準(zhǔn)確的預(yù)報路徑。何斌等[9]以同化試驗和無同化控制試驗的檢驗對比,得出云導(dǎo)風(fēng)資料對u,v風(fēng)場的改進主要集中在對流層高層,對中低層的影響不很明顯。我國自FY-2C靜止衛(wèi)星的發(fā)射至退役(現(xiàn)在被FY-2E衛(wèi)星的成功替代),其云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品在數(shù)值模式中的使用大多用于對暴雨的模擬預(yù)報或數(shù)據(jù)的統(tǒng)計處理,而在臺風(fēng)預(yù)報方面并沒有進行太多研究。如李華宏等[10]同化FY-2C云導(dǎo)風(fēng)資料發(fā)現(xiàn)在暴雨區(qū)附近初始風(fēng)場低層的西南氣流明顯加強,能很好地改善24h暴雨預(yù)報的強度和落區(qū)。其他分析[11-13]也證實在暴雨預(yù)報業(yè)務(wù)和科研中,云導(dǎo)風(fēng)資料的使用對提高降水預(yù)報質(zhì)量是一個有效途徑。何志新等[14]在一個個例中同化了一個時次的FY-2C云導(dǎo)風(fēng)資料,得出其對臺風(fēng)的降水預(yù)報有較好改善。

鑒于FY-2C衛(wèi)星退役之后,國內(nèi)對我國云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品研究和應(yīng)用較為少缺,因此以不同于前人的研究思路和方法,對FY-2D導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品進入WRF-3DVAR模塊的同化結(jié)果進行探討,并分析不同通道的產(chǎn)品和不同同化方法對臺風(fēng)預(yù)報的可能產(chǎn)生的影響。

2 云導(dǎo)風(fēng)資料來源及其預(yù)處理

利用靜止氣象衛(wèi)星紅外云圖和水汽圖像資料,追蹤連續(xù)的幾幅云圖上的目標(biāo)云塊(示蹤云)的位移,估計出大氣的運動并利用球面三角公式推算出平均運動矢量,作為該區(qū)域示蹤云所在高度的風(fēng)的近似,這種運動矢量稱為大氣運動矢量(Atmosphere Movtion Vector,AMV),即國內(nèi)所稱的云導(dǎo)風(fēng)(云跡風(fēng))。

所使用的云導(dǎo)風(fēng)資料來自國家衛(wèi)星中心的FY-2D大氣運動矢量產(chǎn)品,其等壓面高度是根據(jù)云塊的環(huán)境溫度推算得出。產(chǎn)品在生成過程中,國家衛(wèi)星中心產(chǎn)品開發(fā)人員首先對接收到的數(shù)據(jù)進行了嚴(yán)格的質(zhì)量檢驗和容錯處理,其后又應(yīng)用雙通道法對矢量高度進行估計,最后再經(jīng)過空間連續(xù)性,時間連續(xù)性,地物剔出等一系列質(zhì)量控制的調(diào)整[15]。因此,本文所用云導(dǎo)風(fēng)資料已經(jīng)通過質(zhì)量檢驗,數(shù)據(jù)真實可用。

FY-2D 云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)的計算范圍從 37°E-137°E,50°N-50°S,即 100°×100°,分辨率為 1°×1°。將下載的2010年10月18日到2010年10月23日的導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)解碼并提取,由于云導(dǎo)風(fēng)是依據(jù)云頂?shù)囊苿哟_立,因此對該時間段內(nèi)所有導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)在高度上的分布情況進行統(tǒng)計,結(jié)果如表1所示。

表1 云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品的高度分布(單位：hPa)

可見云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)云跡風(fēng)垂直分布比較復(fù)雜,且大多不在標(biāo)準(zhǔn)的層次上,并且高層的導(dǎo)風(fēng)資料較多主要集中在500hPa以上,其中紅外通道70%,水汽通道95%,而對于中、低層資料較少,且水汽通道遠少于紅外通道。

為了避免或減小相鄰數(shù)據(jù)間的相關(guān)性,在進行資料的同化之前需要將分布密集的數(shù)據(jù)稀疏化處理。處理方法：把處于標(biāo)準(zhǔn)氣壓層(包括：200hPa,500hPa,700hPa,850hPa)±50hPa范圍的所有數(shù)據(jù)的均值作為該標(biāo)準(zhǔn)氣壓層上的數(shù)據(jù)值。稀疏化處理之后的數(shù)據(jù)分布如圖1所示。

3 試驗的設(shè)計和方法

3.1 臺風(fēng)個例的介紹

1013號超強臺風(fēng)鲇魚是近20年來,巔峰時刻中心氣壓低于890hPa的唯一一個臺風(fēng),“鲇魚”最顯著的特征就是中心附近的風(fēng)力很大,在10月17日晚上21點左右,美軍的探測飛機穿越臺風(fēng)鲇魚的中心進行探測。落海儀器測得890hPa的海平面氣壓,和85m/s的一分鐘平均風(fēng)速。18日凌晨開始,鲇魚進入巔峰狀態(tài),并在18日中午12：25左右,在菲律賓呂宋島伊麗莎白省登陸,這是4年來全世界范圍內(nèi)登陸的最強臺風(fēng)。10月23日12時55分在福建省漳浦縣沿海登陸,登陸時中心附近最大風(fēng)力有13級(38m/s),中心最低氣壓為970hPa,成為2010年西太平洋和南海海域生成的最強臺風(fēng)。

3.2 模式的介紹

所用模式為WRFV3.2,微物理過程采用WSM3方案,對流參數(shù)化方案選擇修改過的Kain-Fritsch方案(能夠較好的同時描述深對流和淺對流過程),試驗中初始場和側(cè)邊界條件選用NCEP 1°×1°預(yù)報資料,每6h更新一次側(cè)邊界條件,模式水平分辨率30km,垂直方向分28層,積分步長為180秒,資料3小時輸出一次,云導(dǎo)風(fēng)資料的同化在每天的00時和12時,同化時間窗口取±3小時。

3.3 試驗的目的和方案

首先,通過對導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)的同化前和同化后的比較,包括對兩種不同通道數(shù)據(jù)同化之后效果的比較,不同同化方案的結(jié)果對比,以及對比分析資料稀疏化處理的效果,探討FY-2D云導(dǎo)風(fēng)產(chǎn)品對臺風(fēng)路徑和物理量場的改善作用。

圖1 稀疏化處理后數(shù)據(jù)分布

其次,以往在WRF模式的應(yīng)用中,模式的向前積分往往只限于48小時以內(nèi),以避免模式中誤差的累積增大,然而如果在進行長時間連續(xù)積分的同時結(jié)合循環(huán)同化,效果會更好還是更差呢,將通過延長積分時間(延長為120小時)來對此進行試驗和探討。

研究設(shè)定了兩個同化方案,4組試驗對比：

同化方案一：初始時刻進行模式的冷啟動,之后采用每12小時一次的同化循環(huán),總共積分120小時。

同化方案二：在方案一基礎(chǔ)上,每積分24小時進行一次冷啟動。

試驗設(shè)計如表2所示：

表2 試驗設(shè)計

4 試驗結(jié)果的對比和分析

4.1 臺風(fēng)路徑的模擬對比

由于云導(dǎo)風(fēng)資料多分布于200-300hPa左右的對流層中上部,低層資料比較稀少,為了更好的比較同化之后的模擬效果,因此所做研究均取模擬后的200hPa高度為研究對象,取200hPa的結(jié)果畫路徑圖,為了區(qū)分圖中不同的試驗結(jié)果,每隔6小時以不同符號進行標(biāo)記,如圖2所示。

圖2 路徑圖：其中實況(實心圓),控制試驗(空心圓),IR1同化(空心方),IR3同化(實心方)

圖2(a)中包含實況,控制試驗,對比試驗1和對比試驗2;圖2(b)中包含實況,控制試驗和對比試驗3;圖2(c)中包含實況,控制試驗和對比試驗4。分別對圖2的(a),(b),(c)進行分析可以分別得出3組結(jié)論。

從圖2(a)中可以看出：(1)沒有進行任何同化的控制試驗所模擬的臺風(fēng)路徑與實況路徑相比,在前50小時二者基本吻合,隨著模擬時間的延長,控制試驗臺風(fēng)中心漸漸向東偏離,并且移速增大,登陸較早。(2)根據(jù)鯰魚臺風(fēng)的實況觀測,臺風(fēng)在19日12點到14點開始北折(即圖中路徑上第7個點),此時對比試驗1和對比試驗2的結(jié)果與實況的偏差開始增大,均明顯偏東,比控制試驗出現(xiàn)明顯偏差的時間偏早。尤其是對比試驗2,負(fù)效果遠大于另外兩組實驗,然而同化了IR1-AMV的對比試驗1在22日00時(即第16個點)以后,臺風(fēng)的路徑相比控制試驗更加貼近于實況,移速也比其他兩組實驗更接近實況,可見同化在此時產(chǎn)生了較明顯的正效果。(3)以模擬48小時為界(即圖中路徑上第9個點),在此時刻之前3條試驗?zāi)M路徑近乎重合,與實況路徑之間的偏離也較小,同化的效果并不能明顯表現(xiàn)出來,而此時刻之后,同化效果開始凸現(xiàn),有正效果的(如IR1-AMV)會使路徑出現(xiàn)回正,減小與實況的偏差,有負(fù)效果的(如IR3-AMV)則會加劇偏差的增大。因此綜上所述：不論是控制試驗還是兩組對比試驗,模擬的臺風(fēng)路徑都存在偏東的誤差;其中加入了同化過程的兩組對比試驗出現(xiàn)明顯東偏的時間要早于控制試驗;從臺風(fēng)的路徑和移速來看,同化IR1-AMV的效果要優(yōu)于同化IR3-AMV的結(jié)果;并且同化效果的凸顯出現(xiàn)在48小時之后。

圖2(b)采用同化方案二,每24小時一次的冷啟動將由圖2(a)得出的同化后臺風(fēng)路徑普遍偏東的現(xiàn)象控制在了一定的范圍內(nèi),使得同化結(jié)果與實況路徑的偏差明顯減小,甚至二者都優(yōu)于控制試驗,幾乎與實況完全擬合,唯一不足之處是每次模式冷啟動時都會出現(xiàn)離群點(即偏離其他點較遠的點)?？梢娛欠襁M行冷啟動對臺風(fēng)路徑的預(yù)報的準(zhǔn)確率有很大影響,且每次冷啟動后的積分時間均較短,因此不能如圖2(a)般很好的反映兩種云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)的優(yōu)劣。

對于沒有經(jīng)過稀疏處理的導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)同化結(jié)果如圖2(c)所示,從圖中可以看出兩次同化的路徑與控制試驗的路徑相差無幾,不同于圖2(a)有明顯的正負(fù)同化效果,從整體上看,圖3同化后的兩條路徑只是在控制試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上有較小的變化,且路徑迂回蜿蜒,不符合臺風(fēng)的實際移動特征,如圖中出現(xiàn)的：北移的臺風(fēng)突然向南折返。出現(xiàn)這種情況,分析其原因主要在于原始資料無規(guī)律的分散在垂直方向的各個高度上(經(jīng)統(tǒng)計：原始云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)中IR1通道處于200hPa的觀測有386個,IR3通道中有562個,而如圖1所示：稀疏后的IR1通道中處于200hPa的觀測有84760個,IR3通道中有75126個),因此稀疏前能用于同化的200hPa的數(shù)據(jù)個數(shù)遠遠小于稀疏后的,使得該區(qū)域在該氣壓層只有幾個格點周圍有觀測值可以同化,使得同化效果不明顯并且影響了整體的平衡性,而造成了路徑回折的現(xiàn)象。

4.2 物理量場的增量分析

由于云導(dǎo)風(fēng)是衛(wèi)星反演的大氣運動矢量,體現(xiàn)的是高空氣流的流動,因此從同化對位勢高度場和風(fēng)場的改善作用進行比較分析。由于增量圖的相減作用,去除模式自身的系統(tǒng)偏差和長時間積分過程中模式誤差的積累,可以更好地比較兩種不同通道的導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)的優(yōu)劣。

圖3 對比試驗1,19日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負(fù),單位：gpm)

圖4 對比試驗2,19日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負(fù),單位：gpm)

圖5 對比試驗1,20日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負(fù),單位：gpm)

圖6 對比試驗2,20日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負(fù),單位：gpm)

圖7 對比試驗1,21日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負(fù),單位：gpm)

圖8 對比試驗2,21日00時200hPa位勢高度增量圖(實線為正,虛線為負(fù),單位：gpm)

圖2-8為對比試驗1和對比試驗2的位勢高度增量圖(同化后減去同化前,各自取3個時次)。由圖可知,不論是同化哪個通道的云導(dǎo)風(fēng)資料,在臺風(fēng)以外的區(qū)域位勢高度的變化均在±10gpm左右,并且隨著積分時間的增長,其變化幅度遠小于臺風(fēng)區(qū)域;且都有兩個強度中心,其中正值中心代表的是同化前的臺風(fēng)中心,負(fù)值中心代表同化后的臺風(fēng)中心,且負(fù)值中心均位于正值中心東面,符合同化后臺風(fēng)中心偏東的結(jié)論。以22日00時(即積分48小時)為界,對比圖3、7和圖4、8,可知：在此時刻之前,兩組試驗的正負(fù)中心位置均為西正東負(fù),中心強度為±40gpm;在此時刻之后的對比試驗1中,正負(fù)中心位置由西東對稱變成了北南對稱,中心強度的增幅為30-40gpm,對比試驗2中的正負(fù)中心位置保持西正東負(fù)不變,正負(fù)中心強度卻增加到了±150gpm,增幅達100gpm以上。因此可以得出,當(dāng)模式連續(xù)積分48小時后,雖然兩個實驗都存在誤差的累積增長,但不論是臺風(fēng)路徑還是中心強度,同化紅外通道導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)的效果都要好于同化水汽通道的數(shù)據(jù)。

在對臺風(fēng)的研究中,臺風(fēng)的移動主要取決于周圍環(huán)境中引導(dǎo)氣流的影響,而高空氣流的旋度和散度也是評測臺風(fēng)的重要因素,因此風(fēng)場的變化對臺風(fēng)預(yù)報有著較大的意義。雖然導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)的高度確定存在誤差,但是對于觀測稀少的洋面,云導(dǎo)風(fēng)可以近似看做高空的實況風(fēng)場,因此從風(fēng)場的增量圖中可以清楚的看出同化之后云導(dǎo)風(fēng)對控制試驗中風(fēng)向和風(fēng)速的改變值。

圖9和圖10所使用的云導(dǎo)風(fēng)均為紅外通道,不同之處在于：前者取自對比試驗1的熱啟動同化,后者取自對比試驗3的冷啟動同化。如圖9,10所示,20日之前,兩組試驗在臺風(fēng)以北區(qū)域都有較強的東風(fēng)分量的增量;20日以后,在臺風(fēng)以西區(qū)域出現(xiàn)較強的南風(fēng)氣流增量,北部東風(fēng)增量減弱。

圖9 對比試驗1的200hPa風(fēng)場增量圖(單位：m/s)

圖10 對比試驗3(IR1-AMV)的200hPa風(fēng)場增量圖(單位：m/s)

此外對比兩組試驗臺風(fēng)區(qū)域的旋度及高空散度可知：熱啟動同化在高空會出現(xiàn)比冷啟動同化更強的氣流輻散增量;冷啟動同化則會反映出較熱啟動同化更加明顯的反氣旋氣流增量?？梢缘贸觯翰徽撌悄姆N同化方法,對環(huán)境風(fēng)場中的引導(dǎo)氣流都有明顯的增強作用;并且都可以反映出臺風(fēng)在移動過程中在不斷減弱,但熱啟動同化表現(xiàn)在氣流散度的改變,冷啟動同化表現(xiàn)在旋度的改變。

5 結(jié)論

打破了以往在區(qū)域模式中進行同化云導(dǎo)風(fēng)和模擬臺風(fēng)時,以控制模式連續(xù)積分的時間(通常為48小時以內(nèi))來減小誤差累積的慣常做法,將積分時間延長至120小時,并且結(jié)合了兩種同化方案：熱循環(huán)同化和冷啟動同化與熱啟動同化交替進行。以此驗證了對云導(dǎo)風(fēng)數(shù)據(jù)進行稀疏處理的必要性,兩種同化方案和兩種通道的導(dǎo)風(fēng)資料的優(yōu)劣。

對云導(dǎo)風(fēng)資料進行垂直方向上的稀疏化,可以有效地增加其在水平面上的數(shù)據(jù)個數(shù),確保大部分格點有觀測可同化,避免同化之后分析場出現(xiàn)明顯的不平衡性(對比試驗4)。雖然連續(xù)積分120小時使得臺風(fēng)的模擬路徑較實況路徑的偏差持續(xù)增大(控制試驗),然而同化了紅外通道云導(dǎo)風(fēng)的模擬路徑卻在積分48小時之后,出現(xiàn)了明顯的正效果(對比試驗1),水汽通道的則為明顯的負(fù)效果(對比試驗2)。而將積分時間限制在48小時之內(nèi),雖然能保證臺風(fēng)模擬路徑最接近于實況,卻無法分辨兩個通道導(dǎo)風(fēng)的質(zhì)量好壞(對比試驗3)。通過對位勢高度增量的分析,不論是對臺風(fēng)的路徑還是中心強度的模擬,紅外通道的導(dǎo)風(fēng)資料都要優(yōu)于水汽通道。從風(fēng)場的增量圖中,對比了熱啟動同化和冷啟動同化,發(fā)現(xiàn)兩種方法都可以較好的反映出臺風(fēng)在移動過程中的不斷衰減,但熱啟動同化表現(xiàn)在氣流散度的改變,冷啟動同化表現(xiàn)在旋度的改變。

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