董琪如 邱曉濱 王瑩 王澤林 李季 梁綿

(1.天津市海洋氣象重點實驗室，天津 300074； 2.天津市氣象科學(xué)研究所，天津 300074； 3.天津市氣象臺，天津 300074； 4.中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089； 5.山東省氣象局大氣探測技術(shù)保障中心，山東 濟南 250031； 6.陜西省氣象臺，陜西 西安 710014)

引言

臨近預(yù)報指的是對短時間內(nèi)發(fā)生明顯變化的天氣現(xiàn)象的0—2 h高時空分辨率的預(yù)報[1-3]。這些天氣主要包括雷暴、大風(fēng)、暴雨(雪)、冰雹等，具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，發(fā)展變化快、生命史較短等特征，故一直是數(shù)值預(yù)報的難點之一[4-5]。目前主要利用觀測資料不斷同化更新模式的初始場來提高模式預(yù)報效果。但由于常規(guī)觀測資料的時空局限性，不能較好的反映小尺度特征[6]。而多普勒天氣雷達(dá)資料具有極高的時空分布，具備探測中小尺度天氣系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)的信息，在災(zāi)害性天氣的監(jiān)測預(yù)報方面能發(fā)揮很大的作用，故同化雷達(dá)資料已成為提高模式預(yù)報局地對流性系統(tǒng)的主要方法之一[7-9]。但模式預(yù)報能力隨著預(yù)報時效增加而降低[10]，局地強對流系統(tǒng)在區(qū)域數(shù)值預(yù)報模式中的觸發(fā)和發(fā)展也較為困難，長時間更新一次模式初始場并不適合強對流系統(tǒng)的預(yù)報。因此，快速循環(huán)更新同化技術(shù)顯得尤為重要。通過短時間間隔反復(fù)同化雷達(dá)資料，使模式初始場盡可能的包含中小尺度信息，從而提高數(shù)值模式對強對流天氣臨近預(yù)報的準(zhǔn)確率[11-13]。

盛春巖等[14]利用ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及資料同化系統(tǒng)ADAS(ARPS Data Analysis System)對一次華北區(qū)域暴雨進行了預(yù)報試驗，結(jié)果表明使用雷達(dá)資料同化改進模式初始場是提高模式短時預(yù)報的一個非常有效的途徑；楊毅等[15]就一次暴雨分別進行了間接同化雷達(dá)徑向風(fēng)和回波強度資料的試驗研究，結(jié)果表明二者同時同化對提前9 h的降水預(yù)報改進明顯；陳子通等[16]基于GRAPES(Global/Regional Assimilation and PrEdiction System)預(yù)報模式及其三維變分，進行了1個月的滾動預(yù)報，該試驗表明逐時循環(huán)同化初步具備開展短時臨近預(yù)報的能力；陳敏等[17]對雷達(dá)徑向風(fēng)觀測資料進行了快速更新循環(huán)同化，結(jié)果表明雷達(dá)徑向風(fēng)同化明顯提升了汛期內(nèi)強對流天氣的短時預(yù)報性能；王洪等[18]利用GSI(Gridpoint Statistical Interpolation)同化系統(tǒng)及WRF(Weather Research Forecast)模式每30 min 循環(huán)同化雷達(dá)資料對一次特大暴雨進行數(shù)值模擬研究，結(jié)果顯示循環(huán)同化雷達(dá)資料能有效改善短時強降水(0—6 h)預(yù)報；楊麗麗等[19]針對一次暴雨過程進行雷達(dá)循環(huán)同化研究，顯示循環(huán)同化比同化一次效果好。以上研究主要從模式參數(shù)化方案及同化雷達(dá)反射率或徑向風(fēng)等方面進行敏感性試驗，表明雷達(dá)資料同化起了重要作用，可以改善短時預(yù)報效果。但對于雷達(dá)資料同化時機及循環(huán)同化對強對流系統(tǒng)發(fā)展的影響還需要進一步分析。

本文針對2017年7月7日發(fā)生在北京周邊地區(qū)的一次颮線系統(tǒng)，利用WRF模式及其3D-Var(Three-Dimensional Variational assimilation)變分系統(tǒng)開展循環(huán)同化預(yù)報試驗，討論了循環(huán)同化雷達(dá)資料能提高颮線系統(tǒng)的臨近預(yù)報效果；分析了此次颮線系統(tǒng)得以發(fā)展的原因；并探討了循環(huán)同化雷達(dá)資料對動力、熱力場及水凝物的改進效果。

1 資料與方法

1.1 模式介紹及資料來源

本文采用WRF3.9.1模式進行預(yù)報，使用兩重嵌套方案(圖1)。水平方向格點數(shù)分別為341×337、591×498，水平格距為9 km 和3 km，垂直方向51層。系統(tǒng)采用的物理參數(shù)化方案為：新的Thompson 微物理方案、MM5相似理論近地面層方案、Noah 陸面方案、ACM2 PBL行星邊界層方案、Kain-Fritsch積云參數(shù)化方案(d02區(qū)無積云參數(shù)化方案)、RRTM長波方案和Dudhia短波輻射方案。

圖1 模式區(qū)域圖Fig.1 Schematic map of simulation domains

利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的GFS(Global Forecast System)資料作為背景場。2017年7月6日18時(UTC，下同)冷啟積分至00時，隨后每3 h熱啟一次并進行24 h預(yù)報(圖2)。在循環(huán)同化的過程中，兩層區(qū)域均進行了常規(guī)資料同化，但只有內(nèi)層區(qū)域加入了雷達(dá)資料同化。本次試驗重點分析3 km分辨率的d02區(qū)域的結(jié)果[20]。

圖2 同化流程圖Fig.2 Flow chart of data assimilation

1.2 試驗方案設(shè)計

為探討同化雷達(dá)資料的作用，本文使用2017年7月7日00時的預(yù)報場作為3D-Var背景場。將只同化常規(guī)觀測資料的控制試驗(ctl)、00—12時逐3 h循環(huán)同化常規(guī)觀測資料和雷達(dá)資料的試驗(exp_00—exp_12)及00—12時逐3 h只循環(huán)同化常規(guī)觀測資料并于12時加入雷達(dá)資料進行同化的試驗(exp_da)做對比，具體試驗設(shè)置見表1。

表1 試驗方案設(shè)計Table 1 Configuration of sensitivity experiments in this study

同化的觀測資料為船舶(SHIP)、浮標(biāo)(BUOY)、探空(SOUND)和地面報告(SYNOP)，雷達(dá)資料則來自京津冀7部多普勒雷達(dá)(圖3)。其中，5部(北京、天津、石家莊、秦皇島及滄州)為S波段，2部(張北、承德)為C波段。雷達(dá)資料的處理主要利用ADAS中的88d2arps雷達(dá)資料預(yù)處理模塊進行質(zhì)量控制，并轉(zhuǎn)換為WRFDA可讀入的資料格式。WRFDA三維變分同化系統(tǒng)可以直接同化雷達(dá)徑向速度。對于雷達(dá)反射率資料，則并不直接同化，而是同化由反射率反演出的水凝物(雨水、雪水、霰)和估計的濕度。這種方案可以較好的提高數(shù)值模式短時定量降水預(yù)報的能力[21]。由于雷達(dá)觀測具有較高的時空分辨率，故在同化系統(tǒng)中采用了以(U,V)為控制變量的背景誤差協(xié)方差，使雷達(dá)觀測信息能較好的傳遞于模式空間[22]。

圖3 多普勒雷達(dá)分布示意圖Fig.3 Sketch map of Doppler radar sites

2 結(jié)果分析

2.1 天氣概況

2017年7月7日，在河北西北部和北京中北部發(fā)生了一次強颮線過程。該系統(tǒng)剛開始為線狀對流，于7日09時河北北部與內(nèi)蒙古交界處區(qū)域附近初生，隨后移入北京區(qū)域并迅速向東南偏東方向移動，后逐漸發(fā)展為團狀超級單體對流系統(tǒng)(圖略)。12時颮線位于北京與河北交界處(圖4a)，開始進入成熟階段(已為團狀對流系統(tǒng))；圖4b和圖4c表明13—14時颮線處于北京地區(qū)，并逐漸向東移動，此時颮線弓形回波特征明顯，對流活動發(fā)展旺盛；15時(圖4d)颮線組織性變差，弓形狀態(tài)逐漸消失并移入河北地區(qū)，直到8日02時前后到達(dá)渤海并逐漸消散[23]。

組合反射率由ARPS系統(tǒng)中mosaic模塊拼接7部華北雷達(dá)基數(shù)據(jù)獲得，單位為dBz圖4 2017年7月7日12時(a)、13時(b)、14時(c)、15時(d)中國華北地區(qū)雷達(dá)組合反射率拼圖Fig.4 Radar composite reflectivity in northern China at 12:00 (a),13:00 (b),14:00 (c),and 15:00 (d) UTC on July 7,2017

由7日12時500 hPa天氣形勢來看，位于內(nèi)蒙古與蒙古國的交界區(qū)域的冷渦是此次颮線發(fā)生發(fā)展的大尺度影響系統(tǒng)。北京及周邊地區(qū)位于冷渦底部。冷渦緩慢東移南壓，渦后有冷空氣南下；850 hPa河北中部及北京等地西南氣流顯著增強，有強低空急流出現(xiàn)，最大風(fēng)速達(dá)到 18 m·s-1。在以上高低空天氣形勢的配置下，極易觸發(fā)強對流天氣(圖略)。

颮線等對流尺度天氣現(xiàn)象的發(fā)生和大氣層結(jié)不穩(wěn)定有很大關(guān)系。通過北京探空站12時T-logP圖發(fā)現(xiàn)，低層溫度較高、垂直風(fēng)切變較大，為颮線的發(fā)展提供了有力的熱力和動力條件[24-25]。對流有效位能(CAPE)達(dá)到2715.5 J·kg-1，能量已得到充分積累，大氣處于強不穩(wěn)定狀態(tài)。

2.2 背景場與分析場對比

將7組試驗預(yù)報的7日12—15時的雷達(dá)組合反射率與實況(圖4)進行對比，其中ctl、exp_00、exp_03、exp_06均沒有預(yù)報出這次颮線過程，exp_da、exp_09、exp_12均能預(yù)報出對流系統(tǒng)的演變，落區(qū)基本與實況接近，但強度均弱于實況。ctl試驗及exp_09試驗在12—15時均為預(yù)報場，但同時ctl試驗為exp_da試驗的背景場，exp_09試驗為exp_12試驗的背景場。

橙色陰影區(qū)為對流有效位能，單位為J·kg-1；綠色陰影區(qū)為對流抑制有效位能，單位為J·kg-1；紅色粗實線為抬升曲線;藍(lán)色粗實線為溫度廓線；綠色粗實線為露點廓線圖5 2017年7月7日12時北京探空T-logP圖Fig.5 T-logP diagram at Beijing sounding station at 12:00 UTC on July 7,2017

2.2.1 組合反射率

12時，對于exp_09及exp_12試驗，其雷達(dá)回波位置及強度幾乎一致，均在北京西部與河北交界處。與實況位置接近；ctl試驗幾乎不存在回波(圖6i)，而只同化了12時刻雷達(dá)資料的exp_da試驗(圖6m)的雷達(dá)回波位置及大小幾乎與循環(huán)同化試驗exp_12一致。表明即使不進行循環(huán)雷達(dá)資料同化，只在颮線成熟期(12時)進行雷達(dá)資料同化(exp_da)，對颮線系統(tǒng)的雷達(dá)組合反射率背景場也有較好的改善作用。

陰影為反射率，單位為dBz；圖6e、圖6f和圖6h中粗實線為圖8和圖9垂直剖面圖所沿線段圖6 2017年7月7日試驗exp_09的12時(a)、13時(b)、14時(c)、15時(d),exp_12的12時(e)、13時(f)、14時(g)、15時(h),ctl的12時(i)、13時(j)、14時(k)、15時(l),exp_da的12時(m)、13時(n)、14時(o)、15時(p)雷達(dá)組合反射率圖Fig.6 Radar composite reflectivity at 12:00,13:00,14:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in experiments of ctl (a-d),exp_09 (e-h),exp_12 (i-l),and exp_da (m-p)

以上分析可知，12時exp_12及exp_da試驗的同化分析場雷達(dá)組合反射率差異不大，下面具體分析試驗exp_09、exp_12及exp_da在動力、熱力及水凝物方面的改善情況。由于ctl試驗中幾乎不存在雷達(dá)回波，故不再分析。

2.2.2 850 hPa風(fēng)速及渦度

圖7d表明，12時exp_12試驗在北京及周邊地區(qū)大都盛行西南風(fēng)，并有來自內(nèi)蒙古的弱冷空氣于北京西部邊界處匯合，輻合加強的結(jié)果使得該地區(qū)存在較多的中小尺度正負(fù)渦度中心。exp_09試驗(圖7a)則和exp_12試驗差異不大。對于exp_da試驗(圖7g)，風(fēng)向則更偏西，且無來自內(nèi)蒙古的西北風(fēng)。

箭矢為風(fēng)速，單位為m·s-1；陰影為渦度，單位為s-1；紅框為雷達(dá)組合率大值區(qū)圖7 2017年7月7日試驗exp_09的12時(a)、13時(b)、15時(c),exp_12的12時(d)、13時(e)、15時(f),exp_da的12時(g)、13時(h)、15時(i)850 hPa風(fēng)場Fig.7 850 hPa wind fields at 12:00,13:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in experiments of exp_09 (a-c),exp_12 (d-f),and exp_da (g-i)

以上分析可知，只同化12時刻的exp_da試驗在850 hPa風(fēng)場相較exp_12差異較大，使得低層輻合作用較?。欢h(huán)同化試驗exp_09、exp_12中有明顯的正渦度大值區(qū)，輻合作用明顯。表明循環(huán)同化雷達(dá)資料能有效改善低層風(fēng)場。

2.2.3 假相當(dāng)位溫、雷達(dá)反射率因子及風(fēng)速

圖8a、圖8d和圖8g分別為三組試驗于12時沿圖6e中AB線段所作的垂直剖面圖。試驗exp_09和exp_12雷達(dá)反射率因子垂直分布及大小基本相同，颮線的垂直發(fā)展旺盛，回波40 dBz最高延伸至550 hPa高度；風(fēng)速也無明顯差異，兩組試驗在雷達(dá)回波最大處有明顯的下沉氣流，且回波已經(jīng)接地，表明該時刻有降水發(fā)生，降水粒子的拖曳作用以及中層干冷空氣的夾卷加劇了下沉氣流的強度。兩組試驗的區(qū)別主要在假相當(dāng)位溫層的分布上。試驗exp_12低層(700 hPa以下)的假相當(dāng)位溫幾乎比exp_09大12 K，即exp_12試驗低層空氣更加暖濕。試驗exp_12和試驗exp_09中高層假相當(dāng)位溫則差距不大?？v觀整層假相當(dāng)位溫的垂直分布，試驗exp_12低層暖中心最高達(dá)364 K，與600 hPa最大差值達(dá)20 K，對流極不穩(wěn)定，熱力不穩(wěn)定比exp_09試驗更強。北京西部邊界處(115.78°E)位于高能量區(qū)域，配合低層氣流的輻合抬升作用(圖7d)，很容易觸發(fā)強對流。

等值線為雷達(dá)反射率因子，單位為dBz；填色為假相當(dāng)位溫，單位為K；箭矢為(U,10×W)合成風(fēng)，其中U為水平方向的風(fēng)，W為垂直風(fēng)速圖8 2017年7月7日試驗exp_09的12時(a)、13時(b)、15時(c),exp_12的12時(d)、13時(e)、15時(f),試驗exp_da的12時(g)、13時(h)、15時(i)分別沿圖6中AB 、CD及EF假相當(dāng)位溫、雷達(dá)反射率因子及風(fēng)場垂直剖面圖Fig.8 Crossing sections of pseudo-equivalent potential temperature,radar reflectivity factor,and velocity vectors at 12:00,13:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in exp_09 (a-c),exp_12 (d-f),and exp_da (g-i),along the line AB,CD,and EF in Figs.6e-h,respectively

exp_da試驗(圖8g)在北京西部邊界處(115.78°E)的假相當(dāng)位溫分布與exp_12近似，低層暖濕中層干冷；風(fēng)場方面，exp_da試驗在該處的上升運動較小，明顯弱于循環(huán)試驗exp_09及exp_12。通過對風(fēng)場及假相當(dāng)位溫垂直剖面分析表明，在颮線成熟期時刻同化雷達(dá)資料可以有效更新模式背景場的熱力層結(jié)；而通過循環(huán)同化雷達(dá)資料則能對風(fēng)場起修正作用。

2.2.4 水凝物

圖9a、圖9d和圖9g為12時沿圖6e中線段AB所作的水凝物剖面圖。exp_09和exp_12的水凝物分布大致相同。低層則主要以雨水為主，雨水的等值線分布形狀和600 hPa以下雷達(dá)回波垂直分布(圖8a)類似，且混合比數(shù)值較大，達(dá)到1.5 g·kg-1，基本分布在中高層(850—600 hPa)；霰的分布大部分和云水重疊，主要集中于650—500 hPa，混合比最大為1 g·kg-1；云水分布于中層，混合比最大為1.5 g·kg-1；雪水分布在115.96°E以西，混合比含量有2 g·kg-1；云冰在該區(qū)域未體現(xiàn)。

單位為g·kg-1圖9 2017年7月7日試驗exp_09的12時(a)、13時(b)、15時(c),exp_12的12時(d)、13時(e)、15時(f),試驗exp_da12時(g)、13時(h)、15時(i)分別沿圖6中AB 、CD及EF凝物混合比的垂直剖面圖Fig.9 Crossing sections of mixing ratio of hydrometeor at 12:00,13:00,and 15:00 UTC on July 7,2017,predicted in exp_09 (a-c),exp_12 (d-f),and exp_da (g-i),along the line AB,CD,and EF in Figs.6e-h,respectively

ctl試驗中幾乎不存在任何水凝物的分布(圖略)，而同化試驗exp_da的霰、云水、雪水、及雨水的量級與循環(huán)試驗exp_12試驗相差不大，但在115.78°E以東云水及霰的分布范圍較小。通過對水凝物分析表明，在颮線成熟期時刻同化雷達(dá)資料對水凝物有明顯的改善作用；但與循環(huán)同化雷達(dá)資料相比，水凝物分布范圍略偏小。

2.3 數(shù)值預(yù)報結(jié)果

為評估循環(huán)同化與單次同化雷達(dá)資料后模式對颮線系統(tǒng)預(yù)報的影響，本文對13—15時預(yù)報的組合反射率、風(fēng)場、熱力場、雷達(dá)回波垂直剖面、水凝物及3 h降水量進行了對比分析。

2.3.1 組合反射率

由圖6可知，ctl試驗在該時間段內(nèi)均未預(yù)報出此次颮線演變過程，以下不再贅述。exp_12試驗預(yù)報的1—3 h內(nèi)雷達(dá)回波最為接近實況，exp_da次之，exp_09的系統(tǒng)則并未發(fā)展增強。13時，exp_09的對流系統(tǒng)沒有繼續(xù)發(fā)展增強，已不存在45 dBz以上的強回波；試驗exp_12(圖6f)北京中部地區(qū)有東北—西南的弓形回波形成，雖然東北處回波未延伸至河北地區(qū)，但與實況雷達(dá)回波形狀和落區(qū)大致相似，回波強度也較為接近；試驗exp_da(圖6n)強回波落區(qū)基本接近實況。14時，exp_09(圖6c)中系統(tǒng)已經(jīng)很弱；試驗exp_12(圖6g)仍保持著較明顯的弓形特征，回波強度可達(dá)55 dBz左右，系統(tǒng)移速略微快于實況；而exp_da(圖6o)試驗強回波位置則只存在于北京與天津交界處，且范圍很小。15時，exp_09試驗(圖6d)中對流系統(tǒng)則始終處于較弱水平；exp_12試驗(圖6h)預(yù)報的回波位置及強度和實況最為接近；exp_da試驗(圖6p)，在系統(tǒng)前部又激發(fā)出了松散的對流單體，但此后也均逐步減弱消散。16—17時，exp_12還存在較強但范圍較小的雷達(dá)回波，并于18時在渤海地區(qū)消散，這與實況基本一致。而exp_da在17時消散于河北地區(qū)(圖略)。

通過對預(yù)報的雷達(dá)組合反射率對比發(fā)現(xiàn)，若只在12時進行雷達(dá)資料同化(exp_da)，分析場能獲得較好的調(diào)整，與實況更為接近，說明在颮線系統(tǒng)成熟期同化有利于雷達(dá)組合反射率的分析，但只在13時對颮線系統(tǒng)有較好的預(yù)報能力，后續(xù)預(yù)報較差。而循環(huán)同化雷達(dá)資料至12時(颮線成熟)，對颮線系統(tǒng)1—3 h內(nèi)雷達(dá)組合反射率預(yù)報的最好(exp_12)，表明循環(huán)同化雷達(dá)資料能縮短平衡調(diào)整過程(spin-up)的時間，使得熱動力場更加匹配，對颮線系統(tǒng)的后續(xù)發(fā)展預(yù)報效果較好。

2.3.2 850 hPa風(fēng)速及渦度

2017年7月7日13時，來自內(nèi)蒙古的冷空氣繼續(xù)南下，其中以exp_12試驗中西北風(fēng)最強(圖7e紅框內(nèi))。西北干冷空氣與來自西南暖濕氣流于北京中部匯合，對比圖7b、圖7e及圖7h中兩組氣流交匯處，以試驗exp_12正渦度最大值范圍較大，且正渦度大值區(qū)輪廓與弓形回波(圖6f)吻合；15時，正渦度大值區(qū)均移至天津以東。在118°E附近(圖7c、圖7f和圖7i紅框內(nèi))，試驗exp_09及exp_da在該處的風(fēng)向大都以西南風(fēng)為主，而試驗exp_12仍存在西北風(fēng)與西南風(fēng)的輻合，正渦度大值區(qū)范圍較廣，表明該處上升運動較大(圖7f)。

由2.2.2節(jié)分析可知，只同化12時刻雷達(dá)資料的試驗exp_da在初始時刻對西北風(fēng)的預(yù)報就弱于exp_12；而exp_09試驗在12時風(fēng)場雖與exp_12差異不大，但后期對西北氣流的預(yù)報也較弱；而試驗exp_12對西北風(fēng)的預(yù)報較好，致使與西南氣流交匯處存在較強的輻合上升運動，使得雷達(dá)回波的發(fā)展演變與實況更為接近。

2.3.3 假相當(dāng)位溫、雷達(dá)反射率因子及風(fēng)速

13時沿著圖6f雷達(dá)組合反射率最大處CD線段作垂直斜剖面。明顯發(fā)現(xiàn)試驗exp_09和exp_12的假相當(dāng)位溫垂直分布、風(fēng)場及雷達(dá)反射率因子均差距較大(圖8b和圖8e)。在116.56°E附近，exp_12試驗 700 hPa以下存在明顯的能量鋒區(qū)，高溫高濕的假相當(dāng)位溫平流為颮線發(fā)展提供了充足的不穩(wěn)定能量。而試驗exp_09由于不存在明顯的能量鋒區(qū)，假相當(dāng)位溫平流也弱。試驗exp_da(圖8h)的回波旺盛區(qū)域則集中在116.56°E附近，主要是因為中高層上升氣流較強，雷達(dá)回波達(dá)到了50 dBz，且發(fā)展至550 hPa，在116.56°E處也以exp_da預(yù)報的雷達(dá)組合回波更強(圖6n)。在116.62°—116.83°E區(qū)域，試驗exp_09以水平風(fēng)為主，垂直運動較??；而試驗exp_12下沉氣流較強，主要是因為預(yù)報的中低層干冷空氣較強(圖8)，使得冷空氣的夾卷作用明顯變大，從而增強了降水的蒸發(fā)冷卻，因而產(chǎn)生了較強的下沉氣流[26]。同時由于水凝物的相變，會吸收周圍大量的熱量，使得此區(qū)域中低層(600 hPa以下)存在冷中心[27]。強下沉氣流增強了颮線中低層冷空氣外流，再通過強迫抬升使流入的暖濕空氣更強烈的抬升，從而增強對流，表現(xiàn)為40 dBz強回波伸展到300 hPa(116.83°E)，系統(tǒng)發(fā)展旺盛；對于exp_da試驗，由于此處低層干冷空氣較弱(圖8h)，夾卷作用相對較小，下沉氣流較弱，動力抬升作用較小，因此上升氣流明顯弱于exp_12試驗，雷達(dá)回波發(fā)展較弱。

15時沿著圖6h雷達(dá)組合反射率最大處EF線段做垂直剖面。試驗exp_09(圖8c)基本以水平風(fēng)為主，低層空氣較為暖濕，雖然存在熱力不穩(wěn)定條件，但動力條件較差，無法支撐颮線系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)展；117.54°—118.01°E區(qū)域，試驗exp_12(圖8f)假相當(dāng)位溫分布存在2個峰值，主要是因為在此區(qū)域低層的西北風(fēng)明顯(圖7f)，冷暖空氣交匯形成的切變線的輻合抬升，使得暖濕空氣被抬升至450 hPa附近。而試驗exp_da在該處低層西北風(fēng)較弱，抬升作用小，回波發(fā)展弱(圖8i)；在118.01°E以東，exp_12及exp_da的假相當(dāng)位溫分布均呈現(xiàn)2個峰值。處于118.01°—118.03°E之間的峰值以exp_12發(fā)展較為旺盛，40 dBz從地面延伸至中層，主要還是因為后方冷空氣入侵，使前方暖濕氣流被迫抬升，上升氣流變強，系統(tǒng)發(fā)展旺盛；在exp_da試驗中，118.26°E處的上升氣流明顯強于exp_12，回波大值區(qū)(50 dBz)位于中層，而exp_12 試驗50 dBz回波主要位于950—700 hPa，相較于12時、13時回波高度有所降低，且垂直運動變?nèi)?，表明此時刻颮線已進入消散階段。

上述分析表明，中層的干冷空氣進入颮線系統(tǒng)，再配合低層氣流幅合的強抬升作用，是exp_12試驗雷達(dá)回波預(yù)報較好的原因。由2.2.3節(jié)exp_da試驗雖然初始熱力條件較好，但缺乏前期循環(huán)同化雷達(dá)資料的作用，造成環(huán)境風(fēng)場的預(yù)報有一定的差異(相較試驗exp_12)，致使后期颮線系統(tǒng)發(fā)展難以持續(xù)，表明循環(huán)同化雷達(dá)資料在1—3 h內(nèi)對風(fēng)場有較好的修正作用。

2.3.4 水凝物

圖9b、圖9e和圖9h為13時沿圖6f線段CD所作的水凝物剖面圖。對比圖9b和圖9e，試驗exp_09主要存在雪水、霰及云水，除去雪水混合比達(dá)到3 g·kg-1外，其余水凝物混合比大多在1 g·kg-1，分布多集中在116.62°E附近；而試驗exp_12雨水水平分布較廣，垂直分布則集中在低層至600 hPa。霰水平分布和雨水類似，垂直分布則集中于中高層700—350 hPa之間。云水分布垂直分布和霰重疊。雪水則分布于高層，等值線密集，且?guī)缀鹾w研究區(qū)域，最大混合比達(dá)4 g·kg-1。116.83°E處對應(yīng)的雷達(dá)回波發(fā)展旺盛，與此處霰、云冰、云水、雪水分布密集有關(guān)，而這些水凝物的聚集，和強上升氣流密不可分(圖8e)。由圖8h可知，exp_da試驗在116.62°E處有強上升運動，對應(yīng)圖9h，該處中高層存在霰的分布密集區(qū)，雨水也從地面延伸至中層600 hPa，云水混合比含量較小。而116.83°E處以水平風(fēng)為主，所以此區(qū)域幾乎沒有水凝物，雷達(dá)回波值較小。

圖9c、圖9f和圖9i為15時沿圖6h線段CD所作的水凝物剖面圖。圖9c顯示exp_09只在中高層存在雪水，低層幾乎不存在水凝物分布；圖8f表明，exp_12仍存在較強的垂直運動，致使水凝物分布(圖9f)依舊很密集，雪水基本涵蓋整個研究區(qū)域高層，雨水水平分布廣，垂直分布上則從地面延伸至600 hPa，云水含量較小，大多分布在雨水的上方。117.64°E及117.89°E處還存在霰的垂直分布，致使圖8f處對應(yīng)的兩個假相當(dāng)位溫波峰處的雷達(dá)回波較強，回波50 dBz分布與雨水最大混合比3 g·kg-1等值線分布范圍相似；由圖9i可知，exp_da試驗水凝物大多集中在117.89°E以東。雪水仍舊存在于高層，霰存在于對流層，118.38°E處雨水混合比達(dá)到3 g·kg-1，與圖8i雷達(dá)回波50 dBz分布范圍接近。

水凝物的準(zhǔn)確分布對數(shù)值模式精確預(yù)報微物理發(fā)展過程至關(guān)重要[13,18]。由2.2.4節(jié)分析表明，同化雷達(dá)資料對水凝物初始場有一定的改善作用。exp_da試驗在12時的分布與循環(huán)同化雷達(dá)資料的試驗只在水凝物分布范圍上略有差異；至預(yù)報時刻13時、15時，由于動力及熱力條件的不足，exp_09試驗中水凝物的混合比及種類明顯低于試驗exp_da及exp_12；試驗exp_da則由于輻合上升的氣流較小，在116.83°—116.94°E(圖9h)、117.64°—117.89°E(圖9i)中低層幾乎無水凝物的分布。

2.3.5 預(yù)報的3 h降水量

此次颮線過程造成了較大范圍的冰雹、雷暴大風(fēng)及短時強降水。為檢驗不同試驗對降水預(yù)報的影響，對比分析不同試驗7日12—15時3 h累積降水量。從實況降水量看到(圖10a)，降水大值區(qū)主要集中在北京中部及天津北部地區(qū)。對比exp_09(圖10b)、exp_12(圖10c)及exp_da(圖10d)3組試驗，exp_09降水落區(qū)偏小，且降水整體偏弱；試驗exp_12降水預(yù)報則較好，降水分布落區(qū)與實況近似，但降水整體偏強；而exp_da試驗在北京東北部、天津北部等地降水量偏小，主要是該地區(qū)(117.40°—117.64°E)15時上升運動不強(圖8i)，且中低層無水凝物分布(圖9i)；而exp_09試驗在北京中部及天津北部降水量均偏小，主要原因在于13時、15時試驗exp_09上升氣流較小(圖8b和圖8c)，中低層幾乎沒有雨水含量(圖9b和圖9c)。同時，3組試驗在北京西南邊界地帶均出現(xiàn)了不應(yīng)存在的降水大值區(qū)，這屬于雷達(dá)資料同化的固有問題。

圓點大小及顏色為實際站點累積降水，陰影為預(yù)報試驗累積降水圖10 2017年7月7日12—15時實況(a)、exp_09試驗(b)、exp_12試驗(c)和exp_da試驗(d)累積降水量Fig.10 Observed cumulative precipitation (a) from 12:00 to 15:00 on July 7,2017 and that predicted in experiments of exp_09 (b),exp_12 (c),and exp_da (d)

3 結(jié)論與討論

(1)對比試驗exp09、exp_12與exp_da可以發(fā)現(xiàn)，循環(huán)同化對于流場有更好的改進作用。對于這次颮線個例，其水平的輻合和垂直運動都更為明顯，這有助于強對流系統(tǒng)的維持。

(2)相對于流場的作用，在颮線成熟階段單次同化雷達(dá)資料對熱力改進作用更為顯著(exp_da、exp_12與exp_09對比)。通過反射率的同化，改善了模式低層的熱力分布，為對流觸發(fā)和發(fā)展提供了能量。

(3)exp_12試驗對此次颮線的預(yù)報效果較好，主要原因在于該組試驗低層西北冷空氣較強，與西南暖濕氣流交匯輻合，使得抬升作用增強，上升氣流變大，再配合強的熱力不穩(wěn)定條件，使颮線的發(fā)展得以維持。在颮線成熟期時刻同化雷達(dá)資料對水凝物有明顯的改善作用。

(4)通過對3 h累積降水對比分析，試驗exp_09降水落區(qū)范圍及降水強度均偏小；循環(huán)同化試驗exp_12的預(yù)報落區(qū)與實況接近，降水強度偏強；exp_da試驗在部分地帶降水偏弱。

(5)本文采用循環(huán)同化雷達(dá)資料試驗的方案雖然獲得了較為理想的預(yù)報效果，但由于同化系統(tǒng)中采用了統(tǒng)計的靜態(tài)背景誤差協(xié)方差矩陣，在反映小尺度系統(tǒng)誤差上有一定的缺陷，今后將進一步研究流依賴的背景誤差協(xié)方差矩陣的作用；且根據(jù)反射率因子與雨水的非線性關(guān)系所反演出的雨水可能具有一定的偏差，故仍存在部分不足。