賴安偉 馬鶴翟 崔春光 康兆萍 王志斌 杜牧云 肖艷姣 王 玨

中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所暴雨監(jiān)測(cè)預(yù)警湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430205

提 要： 針對(duì)2020年5月4日發(fā)生在江南的一次颮線過(guò)程，在逐15 min快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，探討了利用3DVAR方法同化雷達(dá)徑向風(fēng)、反射率和反演觀測(cè)對(duì)短時(shí)降水、大風(fēng)和冰雹等災(zāi)害天氣的預(yù)報(bào)影響，同時(shí)研究了不同冷啟動(dòng)時(shí)刻對(duì)降水預(yù)報(bào)的影響。結(jié)果表明：冷啟動(dòng)時(shí)刻同化反演水汽和云內(nèi)溫度觀測(cè)，觀測(cè)強(qiáng)回波區(qū)的水汽和降水回波區(qū)內(nèi)位溫增量為正。隨著循環(huán)次數(shù)的增加，背景場(chǎng)中虛假對(duì)流區(qū)的水汽減弱，對(duì)流被抑制；正的溫度增量主要集中在觀測(cè)回波大于背景模擬回波區(qū)，其增幅明顯減小。相對(duì)于只同化雷達(dá)資料試驗(yàn)，同化“偽觀測(cè)”資料能明顯改善0～3 h內(nèi)的雷達(dá)組合反射率和降水預(yù)報(bào)， 2～5 km上升螺旋度路徑與大風(fēng)、冰雹災(zāi)害位置更接近；對(duì)0～6 h的1 h累計(jì)降水量在1、5和10 mm等級(jí)的FSS評(píng)分改善明顯，隨著循環(huán)同化次數(shù)增多，改進(jìn)效果先明顯增加，6～8 h左右改進(jìn)效果達(dá)到頂峰，隨后FSS評(píng)分相對(duì)雷達(dá)同化試驗(yàn)有所下降。在12時(shí)(世界時(shí))更新背景場(chǎng)后，相對(duì)于05時(shí)冷啟動(dòng)明顯提高降水FSS評(píng)分，且同化“偽觀測(cè)”資料的積極貢獻(xiàn)預(yù)報(bào)時(shí)效更長(zhǎng)。

引 言

由于常規(guī)觀測(cè)網(wǎng)不能為對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式初始化提供精細(xì)的觀測(cè)資料，而雷達(dá)探測(cè)資料具有高時(shí)空分辨率特征，是一種應(yīng)用于對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)同化系統(tǒng)的理想觀測(cè)資料。近幾十年，國(guó)內(nèi)外科學(xué)家利用雷達(dá)資料初始化對(duì)流尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式開展了大量的研究。主要方法包括：物理初始化技術(shù)(Yang et al,2006)和復(fù)雜云分析方法(Albers et al,1996；Zhang，1999；Ducrocq et al,2000；朱立娟等，2017；顧春利等，2018)、 三維/四維變分同化方法(Sun and Crook，1997;1998；Gao et al,1999;2004；Hu et al,2006a;2006b；Xiao et al,2007；Sun and Wang，2013；Wang，2013a;2013b；Wattrelot et al,2014；陳明軒等，2016；陳鋒等，2020)、集合卡爾曼濾波(Zhang et al,2004；Tong and Xue，2005；Yussouf and Stensrud，2010；Dowell et al,2011；Johnson et al,2015)，以及變分與集合相結(jié)合的混合資料同化方法(Wang et al，2013c;2019；Gao and Stensrud，2014；Gao et al，2016；Shen et al，2016；Wang and Wang，2017)。以上研究表明，在對(duì)流尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式中同化多普勒雷達(dá)資料，有利于改進(jìn)強(qiáng)對(duì)流天氣分析和短期(≤6 h)預(yù)報(bào)。

雷達(dá)反射率直接反映了與降水有關(guān)的水凝物信息，與水凝物變量之間是非線性關(guān)系。但同化雷達(dá)反射率仍然面臨許多挑戰(zhàn)。早期，云分析是一種十分有效的雷達(dá)反射率同化方法。在ARPS(Advanced Regional Prediction System)復(fù)雜云分析系統(tǒng)中(Zhang，1999；Hu et al,2006a；Schenkman et al,2011)開發(fā)了一種算法，可以實(shí)現(xiàn)水汽和云內(nèi)溫度的調(diào)整。Hu et al(2006a)和Schenkman et al(2011)利用3DVAR同化方法分析雷達(dá)徑向風(fēng)和云分析系統(tǒng)同化雷達(dá)反射率，結(jié)果顯示該方法對(duì)短期強(qiáng)風(fēng)暴，包含龍卷和冰雹等的超級(jí)單體有一定的預(yù)報(bào)能力。最近幾年，科學(xué)家們也發(fā)展了其他的方法，同化從云或者降水觀測(cè)中反演的水汽以改進(jìn)模式預(yù)報(bào)能力。Caumont et al(2010)和Wattrelot et al(2014)在法國(guó)氣象局開發(fā)的中尺度模式中實(shí)施了一種1D+3DVAR 同化雷達(dá)反射率的方法。利用雷達(dá)反射率觀測(cè)，基于貝葉斯反演技術(shù)獲得相對(duì)濕度廓線作為“偽觀測(cè)”或者“反演觀測(cè)”。在云分辨率尺度的數(shù)值模式開展了3DVAR同化反演相對(duì)濕度的研究。結(jié)果表明，同化“偽觀測(cè)”能顯著提高降水短時(shí)預(yù)報(bào)。張誠(chéng)忠等(2012)基于雷達(dá)反射率因子反演降水率，以線性化的大尺度凝結(jié)方案和簡(jiǎn)化的對(duì)流參數(shù)化方案為降水的觀測(cè)算子，建立大氣濕度一維變分同化系統(tǒng)獲得水汽廓線，將水汽廓線通過(guò)3DVAR方法初始化GRAPES模式，從而提高降水預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。最近，張誠(chéng)忠等(2019)利用與Caumont et al(2010)相同的貝葉斯反演技術(shù)，基于雷達(dá)反射率反演出大氣相對(duì)濕度，并引入3DVAR系統(tǒng)進(jìn)行同化分析，批量試驗(yàn)表明反演相對(duì)濕度同化能提高0～4 h 內(nèi)1 h累計(jì)降水在1 mm和5 mm等級(jí)降水的TS評(píng)分。Wang et al(2013a)基于WRF的同化系統(tǒng)(WRFDA)，設(shè)計(jì)了利用雷達(dá)反射率估計(jì)云內(nèi)水汽和云水的方案，并將反演的觀測(cè)同化到WRF模式中。結(jié)果表明，同化反演水汽對(duì)夏季強(qiáng)對(duì)流事件的短時(shí)降水預(yù)報(bào)具有顯著的正貢獻(xiàn)。范水勇等(2013)將該方法應(yīng)用到北京市氣象局業(yè)務(wù)運(yùn)行的快速更新同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，4次強(qiáng)降水同化試驗(yàn)結(jié)果表明，同化雷達(dá)反射率資料能極大提高短時(shí)降水預(yù)報(bào)效果，其正預(yù)報(bào)可延伸至6 h左右。該方法基本假設(shè)與ARPS云分析方案類似，即當(dāng)雷達(dá)反射率大于某個(gè)閾值，假設(shè)云內(nèi)飽和。

在云分析或者其他方法中，當(dāng)觀測(cè)雷達(dá)反射率因子大于某個(gè)閾值時(shí)，假定區(qū)域內(nèi)的水汽處于飽和狀態(tài)，其相對(duì)濕度被調(diào)整為100%。這種處理存在的問題是，加入過(guò)多的水汽或凝結(jié)潛熱，導(dǎo)致降水等要素預(yù)報(bào)高估，與反射率有關(guān)的大部分變量存在過(guò)量估計(jì)和正的偏差，導(dǎo)致預(yù)報(bào)誤差快速增長(zhǎng)。在高頻率的次小時(shí)(5～15 min)快速更新循環(huán)同化中，不斷加入的水汽迅速導(dǎo)致對(duì)流的強(qiáng)度和覆蓋范圍比實(shí)際觀測(cè)過(guò)量預(yù)報(bào)，經(jīng)過(guò)幾個(gè)云分析循環(huán)分析后，預(yù)報(bào)性能顯著下降(Schenkman et al,2011；Fierro et al,2016)。除此之外，云分析方法采用的經(jīng)驗(yàn)算法存在很多不確定性，使得云分析在對(duì)流尺度天氣數(shù)值預(yù)報(bào)中應(yīng)用具有一定的局限性(Gao and Stensrud,2012)。

3DVAR方法直接同化雷達(dá)反射率時(shí)主要更新初始場(chǎng)中的水凝物相關(guān)變量，而對(duì)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展至關(guān)重要的水汽和位溫?cái)_動(dòng)等信息無(wú)法被改變或者改變很弱，導(dǎo)致許多情況下預(yù)報(bào)效果不好(Ge et al,2013)。在過(guò)去的幾年中，F(xiàn)ierro et al(2014；2015；2016)基于3DVAR方法發(fā)展了“偽水汽”技術(shù)，同化地基閃電和靜止衛(wèi)星閃電觀測(cè)來(lái)提高龍卷等強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)水平。Carlin et al(2017)提出一種由雙極化差分反射率(ZDR)識(shí)別深濕對(duì)流柱的方法，通過(guò)ARPS復(fù)雜云分析方案中對(duì)流方案計(jì)算云內(nèi)水汽和調(diào)整云內(nèi)溫度。針對(duì)兩個(gè)超級(jí)單體風(fēng)暴實(shí)例，開展了ZDR“偽水汽”觀測(cè)同化試驗(yàn)。結(jié)果表明，與雷達(dá)反射率因子觀測(cè)相比，1 h短時(shí)臨近預(yù)報(bào)風(fēng)暴傳播速度和移動(dòng)路徑更為合理，能減弱控制試驗(yàn)中風(fēng)暴向北移動(dòng)的位置偏差。同化ZDR試驗(yàn)的分析場(chǎng)對(duì)流核中的上升氣流更為連貫，虛假對(duì)流更少。與3DVAR同化閃電資料(Fierro et al，2014)和差分反射率ZDR(Carlin et al，2017)方法相似，Lai et al(2019)利用雷達(dá)反射率計(jì)算的垂直積分液態(tài)水含量(VIL；Greene and Clark，1972)，分離對(duì)流降水與層狀降水并識(shí)別對(duì)流區(qū)域(Zhang and Qi，2010)，假設(shè)飽和深對(duì)流柱內(nèi)水汽飽和，由背景場(chǎng)信息反演“偽水汽”。針對(duì)兩次龍卷天氣過(guò)程，基于3DVAR方法開展了雷達(dá)徑向風(fēng)、雷達(dá)反射率和“偽水汽”等觀測(cè)資料同化研究。結(jié)果表明，同化“偽水汽”后的對(duì)流系統(tǒng)路徑與龍卷發(fā)生位置具有更好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，提高了0～3 h內(nèi)20、30、40 dBz的ETS定量評(píng)分。Lai et al(2020)基于VIL的對(duì)流云/層狀云分離算法，在對(duì)流降水區(qū)內(nèi)，采用濕絕熱溫度初始化方案(Hu et al，2006a；Carlin et al，2017)，而在層狀降水區(qū)，采用凝結(jié)潛熱加熱方案(Albers et al, 1996; Zhang, 1999)形成一種新的溫度調(diào)整方案，并以此獲得“偽溫度”觀測(cè)。針對(duì)兩個(gè)梅雨鋒暴雨個(gè)例，開展了“偽水汽”“偽云內(nèi)溫度”同化方案的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明，在同化雷達(dá)徑向風(fēng)、反射率、“偽水汽”同時(shí)引入新的融合溫度方案對(duì)0～3 h的降水改進(jìn)效果最為明顯。

從Lai et al (2019；2020)的研究表明，同化“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”對(duì)提高致龍卷強(qiáng)對(duì)流、梅雨鋒強(qiáng)降水等多個(gè)天氣個(gè)例的預(yù)報(bào)能力都有正的貢獻(xiàn)。該方法在颮線等大風(fēng)、冰雹天氣是否適用呢？此外，Lai et al(2019；2020)循環(huán)同化周期為3～4 h，那么更長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)同化過(guò)程(6～12 h) 同化“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”是否能夠持續(xù)改善對(duì)流的預(yù)報(bào)呢？因此，本文基于前期的研究成果，針對(duì)2020年5月4日發(fā)生在我國(guó)江南地區(qū)伴隨有大范圍大風(fēng)、冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水等天氣現(xiàn)象的一次颮線天氣過(guò)程，基于千米級(jí)逐15 min高頻率的更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，開展了雷達(dá)資料、雷達(dá)反射率反演水汽和云內(nèi)溫度資料的對(duì)比同化研究，以探究雷達(dá)反射率“偽觀測(cè)”方法是否適用于颮線強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。同時(shí)探討了在快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)中，長(zhǎng)時(shí)間的循環(huán)同化“偽觀測(cè)”是否具有持續(xù)的正貢獻(xiàn)，為業(yè)務(wù)應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)參考。

1 同化方法

1.1 3DVAR 同化系統(tǒng)

3DVAR同化系統(tǒng)是由美國(guó)俄克拉何馬大學(xué)強(qiáng)風(fēng)暴中心發(fā)展的適合于對(duì)流尺度的雷達(dá)資料同化系統(tǒng)(Gao et al，1999；2004；Hu et al，2006a；2006b)，隨后由NOAA強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(NSSL)升級(jí)與發(fā)展(Gao and Stensrud，2012；Gao et al，2013；傅承浩等，2018；Wang et al，2019)。目前該同化系統(tǒng)可以初始化ARPS模式和WRF模式。其代價(jià)函數(shù)可寫為下列形式:

(1)

式中：代價(jià)函數(shù)由三項(xiàng)構(gòu)成，其中右邊第一項(xiàng)為分析場(chǎng)與背景場(chǎng)之間的距離，xb為背景場(chǎng)，x為分析變量。分析變量包括了風(fēng)場(chǎng)的3個(gè)分量(u，v，w)、位溫(θ)、氣壓(p)、水汽混合比(qv)、雨水混合比(qr)、雪混合比(qs)和冰雹混合比(qh)。B為背景場(chǎng)誤差協(xié)方差矩陣，R為觀測(cè)誤差協(xié)方差矩陣，B和R不包括變量間的交叉相關(guān)，B中空間相關(guān)利用遞歸濾波技術(shù)實(shí)現(xiàn)(Purser et al，2003a；2003b)。第二項(xiàng)為觀測(cè)項(xiàng)，代表分析場(chǎng)與觀測(cè)向量之間的距離。H為觀測(cè)算子，其將模式變量映射為觀測(cè)變量。同化雷達(dá)徑向風(fēng)和雷達(dá)反射率的觀測(cè)算子下文簡(jiǎn)單介紹，詳見參考文獻(xiàn)(Gao et al, 1999；2013；傅承浩等，2018)。第三項(xiàng)可以是包含質(zhì)量連續(xù)性方程和數(shù)值模式方程在內(nèi)的弱約束項(xiàng)。

(2)

式中：u、v、w為大氣三維風(fēng)場(chǎng)，vr為雷達(dá)徑向速度，r是觀測(cè)點(diǎn)到雷達(dá)位置的距離，h為雷達(dá)觀測(cè)點(diǎn)離地球表面的高度，s為雷達(dá)射線投影到地面上的距離，φ為雷達(dá)觀測(cè)點(diǎn)的方位角。

在早期的ARPS 3DVAR變分同化系統(tǒng)中，不能直接同化反射率，而是利用云分析方法來(lái)同化(Hu et al,2006a；2006b)。Gao and Stensrud(2012)在3DVAR系統(tǒng)中增加水凝物變量(主要包括雨、雪、冰雹等)為控制變量，并設(shè)計(jì)一個(gè)利用背景場(chǎng)溫度實(shí)現(xiàn)水凝物分類的雷達(dá)反射率觀測(cè)算子，在變分框架下發(fā)展了直接同化雷達(dá)反射率的方法。雷達(dá)反射率的觀測(cè)算子是包括了qr、qs和qh三者的總貢獻(xiàn)，其表達(dá)式為：

Ze=Z(qr)+Z(qs)+Z(qh)

(3)

其中雨水的貢獻(xiàn)可表示為(Smith et al，1975)：

Z(qr)=3.63×109(ρqr)1.75

(4)

如果氣溫低于0℃，干雪的貢獻(xiàn)為：

Z(qs)=9.80×108(ρqs)1.75

(5)

如果氣溫高于0℃，濕雪的貢獻(xiàn)為：

Z(qs)=4.26×1011(ρqs)1.75

(6)

根據(jù)Lin et al(1983)和Gilmore et al(2004)的研究，冰雹的貢獻(xiàn)為：

Z(qh)=4.33×1010(ρqh)1.75

(7)

因子方程取對(duì)數(shù)擴(kuò)大十倍，即為反射率因子。

ZdBz=10log10Ze

(8)

Gao and Stensrud(2012)利用背景溫度對(duì)模式的水凝物進(jìn)行分類，式(3)可寫為：

(9)

式中：Ze為雷達(dá)反射率；Tb為背景場(chǎng)溫度，用于降水粒子分類；α是在-5～5℃線性變換的系數(shù)，其在-5℃時(shí)值為0，在5℃時(shí)值為1。

1.2 雷達(dá)反射率“偽觀測(cè)”同化方法

大量研究表明水汽條件對(duì)對(duì)流尺度系統(tǒng)的發(fā)展至關(guān)重要。而高分辨率的溫度、濕度觀測(cè)十分稀少，在3DVAR同化系統(tǒng)中同化雷達(dá)資料時(shí)水凝物間未考慮交叉相關(guān)，導(dǎo)致同化回波只能改善水凝物，而無(wú)法改善對(duì)對(duì)流發(fā)展與維持至關(guān)重要的溫度和水汽場(chǎng)，使得模式中的對(duì)流不能快速發(fā)展，存在spin-up問題。Lai et al(2019)針對(duì)該問題，發(fā)展了一種“偽水汽”反演算法，在直接同化雷達(dá)資料的基礎(chǔ)上，同化“偽水汽”以提高強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)的0～3 h預(yù)報(bào)能力。該方案基于地基雷達(dá)反射率觀測(cè)及其反演的VIL分離深對(duì)流降水區(qū)和層狀降水區(qū)(Zhang and Qi，2010)，當(dāng)VIL大于某個(gè)閾值(默認(rèn)6.5 kg·m-2)即為對(duì)流降水，否則為層云降水。針對(duì)濕深對(duì)流區(qū)，假設(shè)水汽是飽和狀態(tài)(RH=100%)，根據(jù)背景場(chǎng)的溫度和氣壓等變量估計(jì)飽和水汽壓對(duì)應(yīng)的水汽含量，生成“偽水汽”觀測(cè)。此外如果背景場(chǎng)中存在虛假對(duì)流，則降低虛假對(duì)流區(qū)的相對(duì)濕度以抑制或減弱背景場(chǎng)中的虛假對(duì)流。應(yīng)用包括三個(gè)步驟：(1)利用經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后的中國(guó)新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)CINRAD的基數(shù)據(jù)，將雷達(dá)反射率插值到三維模式格點(diǎn)；(2)基于三維模式格點(diǎn)信息，反演“偽水汽”；(3)將“偽水汽”作為觀測(cè)，利用ARPS 3DVAR方法與雷達(dá)等觀測(cè)一起同化。由于“偽水汽”觀測(cè)資料存在幾個(gè)不確定性，如背景場(chǎng)的溫度和氣壓誤差導(dǎo)致的不確定性；云區(qū)可能存在未飽和條件；對(duì)流傾斜發(fā)展等。因此，其觀測(cè)誤差取為3 g·kg-1(Fierro et al，2016；Lai et al，2019)。

在Lai et al(2019)中，并未考慮云內(nèi)溫度調(diào)整。Lai et al(2020)提出了充分利用ARPS復(fù)雜云分析系統(tǒng)中對(duì)云內(nèi)溫度的調(diào)整方法的優(yōu)勢(shì)，考慮層云降水與對(duì)流降水區(qū)內(nèi)溫度加熱廓線不同(Huaman and Schumacher，2018)，基于VIL的對(duì)流云/層狀云分離算法，在對(duì)流降水區(qū)內(nèi)，采用濕絕熱溫度初始化方案，而在層狀降水區(qū)，采用凝結(jié)潛熱加熱方案，形成一種新的溫度調(diào)整方案而獲得“偽溫度”觀測(cè)。利用3DVAR同化云內(nèi)偽溫度觀測(cè)，相對(duì)于直接采用云分析方案，可以通過(guò)給定觀測(cè)誤差反映溫度調(diào)整中的不確定性，使得分析結(jié)構(gòu)更為合理。與“偽水汽”類似，云內(nèi)溫度觀測(cè)的不確定性主要來(lái)源于：背景場(chǎng)中溫度、氣壓等的不確定性，云分析中雷達(dá)反射率與水凝物的診斷方程的不確定性，以及由于對(duì)流云與層狀云分離算法帶來(lái)的不確定性等。云內(nèi)的溫度觀測(cè)十分稀少，且對(duì)其準(zhǔn)確測(cè)量也十分的困難，因而誤差的確定十分困難，經(jīng)過(guò)測(cè)試，將其觀測(cè)誤差設(shè)置為3.5 K。

2 武漢快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)介紹

為了提高災(zāi)害性天氣短時(shí)預(yù)報(bào)能力，2019年中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所建立了千米級(jí)高分辨率的快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱WHRUC)。該系統(tǒng)水平分辨率為1.5 km，分析更新頻率為15 min，預(yù)報(bào)更新頻率為1 h，預(yù)報(bào)時(shí)效為12 h。主要包括觀測(cè)資料預(yù)處理模塊、模式前處理模塊WPS4.0、資料同化模塊ARPS 3DVAR、模式模塊WRF V3.7.1(Skamarock et al, 2008)和模式后處理模塊UPP4.0。系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。模式區(qū)域中心位于31°N、112.3°E，水平格點(diǎn)數(shù)為801×701，垂直方向?yàn)?1層，積分時(shí)間步長(zhǎng)為10 s。其主要物理過(guò)程有Thompson顯式微物理方案(Thompson et al, 2008)、YSU邊界層方案(Hong, 2010)、RRTM 長(zhǎng)波輻射方案(Mlawer et al, 1997)、Dudhia短波輻射方案(Dudhia, 1989)，無(wú)積云參數(shù)化方案(表1)。系統(tǒng)分別在每日05:15和17:15(世界時(shí)，下同)冷啟動(dòng)，其初始場(chǎng)和邊界條件由3 km水平分辨率的華中區(qū)域快速更新同化系統(tǒng)或者NCEP GFS 最新的前6 h或者12 h預(yù)報(bào)場(chǎng)提供，每次預(yù)報(bào)啟動(dòng)更新模式的側(cè)邊界條件。系統(tǒng)可提供逐15 min 的實(shí)時(shí)分析場(chǎng)，并在整點(diǎn)提供逐15 min間隔的0～12 h預(yù)報(bào)場(chǎng)。

表1 武漢快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)參數(shù)特征Table 1 The main physical processes in the WHRUC system

同化的觀測(cè)資料主要包括地面、飛機(jī)報(bào)、探空等常規(guī)資料和中國(guó)新一代天氣雷達(dá)組網(wǎng)的雷達(dá)基數(shù)據(jù)，其中常規(guī)資料同化間隔為1 h，雷達(dá)徑向風(fēng)和反射率因子同化間隔為15 min。在常規(guī)觀測(cè)資料處理方面，首先將原始GTS報(bào)文數(shù)據(jù)解碼為L(zhǎng)ittle_r格式。然后使用WRFDA系統(tǒng)中的obsproc程序?qū)崿F(xiàn)極值檢查、一致性檢查、重復(fù)數(shù)據(jù)剔除、時(shí)間窗口和模式區(qū)域觀測(cè)資料篩選等質(zhì)量控制。最后，將質(zhì)量控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為ARPS同化數(shù)據(jù)格式。在雷達(dá)資料處理方面，采用兩步質(zhì)量控制。第一步，利用中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所開發(fā)的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)子系統(tǒng)中的質(zhì)量控制算法，針對(duì)SA、SB、SC、CC、CD波段雷達(dá)資料進(jìn)行了質(zhì)量控制，主要包括速度退模糊、地物雜波、超折射、奇異值糾正、非氣象回波等質(zhì)量控制(肖艷姣等，2012；2016；吳濤等，2013)；統(tǒng)一庫(kù)長(zhǎng)等參數(shù)，并將雷達(dá)基數(shù)據(jù)統(tǒng)一輸出為SA型號(hào)雷達(dá)格式。第二步，使用ARPS 3DVAR系統(tǒng)自帶的質(zhì)量控制算法(Gao et al, 2013)再進(jìn)行一次質(zhì)量控制。

3 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 個(gè)例介紹

2020年5月4日，受高空低槽東移影響，在重慶、湖北、湖南和江西等地自西向東發(fā)生大范圍的冰雹、大風(fēng)和短時(shí)強(qiáng)降水等強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程(圖1)。本次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程具有發(fā)生范圍廣、強(qiáng)對(duì)流天氣類型多等特點(diǎn)。短時(shí)強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在湖南北部、湖北東南部和安徽等地，上述大部分地區(qū)均出現(xiàn)了大于20 mm·h-1的強(qiáng)降水，部分站點(diǎn)的降水強(qiáng)度甚至超過(guò)了80 mm·h-1。大風(fēng)天氣多出現(xiàn)在湖南中北部，大部分地區(qū)極大風(fēng)速超過(guò)17 m·s-1，局部地區(qū)甚至超過(guò)了25 m·s-1。本次過(guò)程還給湖北、湖南、江西等地帶來(lái)冰雹天氣，冰雹直徑多在5～10 mm。雷暴天氣范圍最為廣泛，覆蓋了長(zhǎng)江中游和江南北部的廣大區(qū)域。

圖1 2020年5月4日00時(shí)至5日00時(shí)強(qiáng)對(duì)流天氣累積監(jiān)測(cè)結(jié)果(中央氣象臺(tái)天氣業(yè)務(wù)內(nèi)網(wǎng))Fig.1 Severe convective weather monitoring in China from 00 UTC 4 to 00 UTC 5 May 2020(The picture is from the NWC)

為了進(jìn)一步分析本次過(guò)程的環(huán)流背景，圖2a和2b分別給出了5月4日00時(shí)和12時(shí)的500 hPa高度場(chǎng)疊加850 hPa相對(duì)濕度和850 hPa風(fēng)場(chǎng)。從圖中可以看出，5月4日亞洲中緯度呈兩槽一脊形勢(shì)，巴爾喀什湖和日本海各存在一個(gè)低槽，蒙古西部地區(qū)有一高壓脊，脊前槽后的高空西北氣流引導(dǎo)低層干冷空氣逐漸向我國(guó)南方移動(dòng)，至12時(shí)，在850 hPa 風(fēng)場(chǎng)上蒙古至我國(guó)華北可見一反氣旋環(huán)流，其底部偏東風(fēng)已抵達(dá)黃河以南地區(qū)，表明冷空氣正在南下，并將與南來(lái)的西南氣流輻合于長(zhǎng)江流域。在中低緯度，副熱帶高壓橫亙于西北太平洋至孟加拉灣地區(qū)，南支槽活動(dòng)較為活躍，在高原東側(cè)有一短波槽東移，引導(dǎo)低層低渦和切變線的東移發(fā)展，至12時(shí)長(zhǎng)江流域和江南地區(qū)850 hPa相對(duì)濕度明顯升高。由此可見，這樣的環(huán)流配置為江南地區(qū)的降水、強(qiáng)對(duì)流提供了有利的熱力、動(dòng)力和水汽條件。圖2c,2d分別給出了5月4日00時(shí)的湖南懷化站和12時(shí)的湖南長(zhǎng)沙探空站的T-logp圖。從溫度和露點(diǎn)線的演變來(lái)看，00—12時(shí)，中低層的溫度露點(diǎn)差明顯減小，表明大氣中水汽含量的增加，而在對(duì)流層上層(400～300 hPa)則仍存在一個(gè)干層，且12時(shí)的長(zhǎng)沙探空站850 hPa以上存在深厚的不穩(wěn)定層結(jié)，表明江南北部地區(qū)大氣呈“上干冷、下暖濕”特征，這對(duì)于雷暴大風(fēng)的發(fā)生比較有利。此外，12時(shí)的風(fēng)廓線表明對(duì)流層中層存在西風(fēng)急流，使得垂直風(fēng)切變明顯增強(qiáng)，這是強(qiáng)對(duì)流天氣發(fā)生的另一有利條件。

圖2 2020年5月4日00時(shí)(a)和12時(shí)(b)ERA-Interim再分析形勢(shì)場(chǎng)，(c)00時(shí)的湖南懷化站和(d)12時(shí)的湖南長(zhǎng)沙站探空斜T-logp圖(圖2a和2b中黑線為500 hPa位勢(shì)高度，等值線間隔為40 gpm，陰影為850 hPa相對(duì)濕度；風(fēng)羽為850 hPa水平風(fēng)場(chǎng)；圖2a中黑色圓點(diǎn)為探空站的位置)Fig.2 ERA-Interim reanalysis data at 00 UTC (a) and 12 UTC (b) 4 May， and the skew T-logp diagrams for Huaihua Station at 00 UTC (c) and Changsha Station at 12 UTC (d) 4 May 2020 (In Figs.2a, 2b, black line is for geopotential height at 500 hPa, contour interval is 40 gpm, shaded area is for relative humidity, wind barb is for horizontal wind at 850 hPa；the two black dots in Fig.2a stand for the locations of Huaihua and Changsha sounding stations)

從觀測(cè)的雷達(dá)組合反射率因子演變圖來(lái)看(圖3)，此次對(duì)流從重慶開始發(fā)展，一開始為分散性對(duì)流，在12時(shí)(圖3c)對(duì)流增強(qiáng)變得有組織化；隨著低渦切變線東移南壓，15時(shí)湖南中部颮線特征明顯并快速向東移動(dòng)，由于前期降水形成的地面冷池和低渦后部冷空氣與南部的暖濕氣流相互作用，切變線的南側(cè)不斷形成新的β中尺度回波帶；18時(shí)系統(tǒng)快速移動(dòng)至江西與湖南交界處，在湖北省大別山南側(cè)對(duì)流也逐漸增強(qiáng)，15—21時(shí)颮線發(fā)展最為旺盛(圖3d,3e,3f)。

圖3 2020年5月4日06時(shí)(a)、09時(shí)(b)、12時(shí)(c)、15時(shí)(d)、18時(shí)(e)和21時(shí)(f)觀測(cè)雷達(dá)組合反射率因子拼圖Fig.3 Radar reflectivity mosaic images at 06 UTC (a), 09 UTC (b), 12 UTC (c), 15 UTC (d), 18 UTC (e) and 21 UTC (f) 4 May 2020

3.2 數(shù)值試驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)2020年5月4日這次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，基于武漢RUC，開展了雷達(dá)資料及雷達(dá)反射率因子“偽觀測(cè)”資料同化研究。為了減少模式南邊界的影響，對(duì)比試驗(yàn)?zāi)Ｊ街行南鄬?duì)于業(yè)務(wù)試驗(yàn)系統(tǒng)向南移動(dòng)2°，至29°N、112.3°E，其他物理過(guò)程與WHRUC相同(表1)，模式區(qū)域設(shè)置見圖4。

圖4 模式區(qū)域及同化雷達(dá)分布[白色方框?yàn)槟Ｊ椒e分區(qū)域，黑點(diǎn)為雷達(dá)站觀測(cè)點(diǎn)，紅色圓圈為雷達(dá)最大覆蓋范圍(230 km)，共計(jì)29部雷達(dá)用于同化試驗(yàn)]Fig.4 The model domain and locations of the radar stations[White box indicates the model domain, black dots represent locations of radar stations and maximum range (230 km) of each radar is shown by red circle, 29 radars are used for the data assimilation experiments]

從此次天氣演變過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，過(guò)程初期，分散性局地強(qiáng)對(duì)流開始在模式區(qū)域西側(cè)出現(xiàn)，隨后逐漸發(fā)展增強(qiáng)變?yōu)榇蠓秶㈤L(zhǎng)歷時(shí)颮線過(guò)程。首先，為了考察雷達(dá)反射率“偽觀測(cè)”同化方法對(duì)強(qiáng)對(duì)流預(yù)報(bào)的影響，設(shè)計(jì)了雷達(dá)資料和“偽觀測(cè)”資料的同化敏感性試驗(yàn)，分別是雷達(dá)資料同化試驗(yàn)(Radar)和“偽觀測(cè)”資料同化試驗(yàn)(RadPO)。其中Radar 試驗(yàn)利用3DVAR方法直接同化雷達(dá)徑向風(fēng)和反射率因子，RadPO試驗(yàn)是在Radar的基礎(chǔ)上同化了“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”觀測(cè)(表2)。該組試驗(yàn)從05時(shí)冷啟動(dòng)，逐15 min循環(huán)同化至18時(shí)，并且在06—18時(shí)中的每個(gè)整點(diǎn)預(yù)報(bào)12 h。進(jìn)一步，為了考察循環(huán)同化時(shí)長(zhǎng)和不同的冷啟動(dòng)時(shí)間對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)影響，設(shè)計(jì)了第二組同化對(duì)比試驗(yàn)，冷啟動(dòng)時(shí)間為12時(shí)，分別為雷達(dá)同化試驗(yàn)Radar12和“偽觀測(cè)”同化試驗(yàn)RadPO12(表2)。兩組同化試驗(yàn)，使用2020年5月4日00時(shí)和12時(shí)NCEP GFS預(yù)報(bào)的0～36 h的3 h間隔預(yù)報(bào)場(chǎng)作為背景場(chǎng)和邊界條件。其中05時(shí)冷啟動(dòng)的背景場(chǎng)為00時(shí)預(yù)報(bào)的3～6 h時(shí)間插值。12時(shí)冷啟動(dòng)的背景為12時(shí)NCEP GFS的0 h分析場(chǎng)。

表2 同化試驗(yàn)設(shè)計(jì)Table 2 The acronyms and descriptions of the simulation experiments

4 結(jié)果分析

4.1 分析場(chǎng)

首先分析同化“偽觀測(cè)”資料(“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”)后水汽和位溫的增量水平分布。圖5是2020年5月4日05、06、12和18時(shí)觀測(cè)組合反射率因子、同化試驗(yàn)RadPO背景場(chǎng)模擬組合反射率因子、RadPO試驗(yàn)地面以上3 km處水汽增量和位溫增量。從圖5可以看出，05時(shí)在重慶、四川東部有局地的對(duì)流單體存在，此時(shí)模式冷啟動(dòng)，背景場(chǎng)中無(wú)水凝物信息，模擬雷達(dá)回波為缺測(cè)。同化“偽觀測(cè)”后，主要有正的水汽增量和溫度增量。水汽增量的水平位置與觀測(cè)強(qiáng)回波對(duì)應(yīng)，范圍較小。而溫度增量范圍與大于20 dBz的組合反射率相一致，比水汽增量范圍大。這是因?yàn)?，此刻“偽水汽”觀測(cè)僅在深對(duì)流區(qū)獲得，而“偽云內(nèi)溫度”在對(duì)流區(qū)和層狀區(qū)兩部分都有反演。循環(huán)同化1 h后，重慶中部對(duì)流單體有所發(fā)展，背景場(chǎng)中的回波在重慶中部與觀測(cè)接近，相對(duì)觀測(cè)偏弱。此時(shí)水汽增量出現(xiàn)正負(fù)分布形態(tài)，其最大(小)為2.5 g·kg-1(-1.6 g·kg-1)，這是背景場(chǎng)模擬對(duì)流與觀測(cè)對(duì)流有細(xì)微的位置偏差導(dǎo)致的，同時(shí)背景場(chǎng)中出現(xiàn)了虛假對(duì)流，“偽水汽”算法為了抑制對(duì)流，存在負(fù)的水汽增量，符合我們預(yù)期的結(jié)果。至12時(shí)，背景場(chǎng)模擬回波與觀測(cè)比較相似，但是在湖南中部和江西中部存在虛假對(duì)流，并且湖南北部的對(duì)流單體強(qiáng)度和范圍比實(shí)況大水汽增量主要以負(fù)增量為主，其最大(小)為7.1 g·kg-1(-2.6 g·kg-1)，但在新生強(qiáng)對(duì)流區(qū)域(如河南西南部)，出現(xiàn)較大的正水汽增量。通過(guò)引入“偽水汽”觀測(cè)，對(duì)背景場(chǎng)中不存在或強(qiáng)度較弱而觀測(cè)較強(qiáng)的對(duì)流系統(tǒng)有正水汽增量，而在虛假對(duì)流區(qū)有負(fù)水汽增量。溫度增量主要以正值為主，3 km高度最大值為0.7 K。循環(huán)13 h 后至18時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)背景場(chǎng)的回波空間分布形態(tài)與觀測(cè)十分接近，但是颮線強(qiáng)回波的位置相對(duì)于觀測(cè)移動(dòng)略快而偏東，在湖南中部層狀回波比觀測(cè)弱(圖5m，5n)。此時(shí)水汽增量在背景強(qiáng)回波區(qū)為較大的負(fù)值，觀測(cè)強(qiáng)回波區(qū)為正值，其最大(小)為5.6 g·kg-1(-2.5 g·kg-1)，此時(shí)對(duì)應(yīng)正的溫度增量在層狀回波區(qū)。背景場(chǎng)模擬對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)的速度快于觀測(cè)，導(dǎo)致對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)前方為負(fù)的水汽增量，而移動(dòng)后方為正的水汽增量。循環(huán)同化過(guò)程中，新生對(duì)流單體區(qū)域有正的水汽增量和正的溫度增量，同化雷達(dá)資料、“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”后，明顯改進(jìn)了對(duì)流的預(yù)報(bào)。但是模擬的回波強(qiáng)度較觀測(cè)略強(qiáng)，背景場(chǎng)中的虛假對(duì)流也逐漸的增多。通過(guò)減少水汽，不能快速地抑制背景場(chǎng)中所有的虛假對(duì)流，應(yīng)該考慮其他方法。

圖5 2020年5月4日05時(shí)(a～d)、06時(shí)(e～h)、12時(shí)(i～l)和18時(shí)(m～p)觀測(cè)組合反射率因子(a, e, i, m)，同化試驗(yàn)RadPO背景場(chǎng)模擬組合反射率因子(b, f, j, n)，RadPO試驗(yàn)地面以上3 km處水汽增量(c, g, k, o)和位溫增量(d, h, l, p)Fig.5 The observed composite radar reflectivity (a, e, i, m), background simulation composite reflectivity (b, f, j, n), analysis increments of water vapor (c, g, k, o), and analysis increments of potertial temperature (d, h, l, p) for RadPO at 3 km, 05 UTC (a-d), 06 UTC (e-h), 12 UTC (i-l) and 18 UTC (m-p) 4 May 2020, respectively

接下來(lái)對(duì)同化試驗(yàn)RadPO在12時(shí)和18時(shí)垂直方向上環(huán)流特征、水汽增量和溫度增量進(jìn)行分析(圖6)。從垂直環(huán)流場(chǎng)來(lái)，12時(shí)觀測(cè)強(qiáng)回波區(qū)的后部有較強(qiáng)的上升氣流，在前部低層有較強(qiáng)的入流，有利于低層暖濕氣流輸送到對(duì)流區(qū)，而在觀測(cè)的層狀云區(qū)有較強(qiáng)的下沉運(yùn)動(dòng)(圖6a)。從同化雷達(dá)徑向風(fēng)后三維風(fēng)場(chǎng)的增量來(lái)看，在對(duì)流區(qū)和后部層狀降水區(qū)都有較強(qiáng)的正的垂直速度增量，上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，在對(duì)流前部層狀降水回波區(qū)有較強(qiáng)的負(fù)的垂直速度，加強(qiáng)了云砧的下沉，下沉運(yùn)動(dòng)一直延伸到模式底層(圖6b)。18時(shí)颮線已經(jīng)發(fā)展旺盛，從沿颮線頂點(diǎn)的垂直剖面可以看到，此時(shí)的垂直剖面具有標(biāo)準(zhǔn)的颮線結(jié)構(gòu)，存在明顯的逆時(shí)針垂直環(huán)流特征，層狀云區(qū)的下沉入流侵入對(duì)流核區(qū)，伴隨有對(duì)流尺度的下沉，推動(dòng)陣風(fēng)鋒向前移動(dòng)，同化雷達(dá)徑向風(fēng)增加了鋒前前部入流的風(fēng)速(圖6c，6d)。從水汽增量場(chǎng)的垂直分布來(lái)看，在12時(shí)，觀測(cè)回波的高度超過(guò)15 km，背景場(chǎng)模擬回波在觀測(cè)回波區(qū)偏弱，20 dBz的伸展高度較觀測(cè)低3～4 km，在對(duì)流前方存在虛假的對(duì)流，其最強(qiáng)回波超過(guò)40 dBz。因此，同化“偽水汽”后在觀測(cè)回波與背景場(chǎng)差異較大的區(qū)域有正的水汽增量，在虛假對(duì)流區(qū)有負(fù)的水汽增量。水汽增量主要集中在10 km以下，數(shù)值從低層向高層逐漸減弱(圖6a)。18時(shí)的水汽增量與12時(shí)類似，背景場(chǎng)模擬的對(duì)流快于觀測(cè)，導(dǎo)致颮線前方有負(fù)水汽增量，颮線后側(cè)有正的水汽增量(圖6c)。從溫度增量來(lái)看，12時(shí)和18時(shí)溫度增量主要出現(xiàn)在對(duì)流上部，由于溫度增量是由水凝物的增量通過(guò)凝結(jié)潛熱進(jìn)行調(diào)整的，而模式模擬的回波在110.96°E附近的伸展高度明顯小于觀測(cè)雷達(dá)回波，因此，通過(guò)雷達(dá)反射率獲得正的水凝物貢獻(xiàn)，其位溫的增量大值中心也位于12～15 km，這個(gè)極值中心高度和強(qiáng)度與Huang et al(2018)通過(guò)潛熱Nudging方法的結(jié)果類似。盡管存在虛假的雷達(dá)回波，當(dāng)水凝物增量為負(fù)時(shí)，本溫度方案中未調(diào)整云內(nèi)溫度。

圖6 2020年5月4日12時(shí)(a，b)和18時(shí)(c，d)同化試驗(yàn)RadPO分別沿圖5i中AB直線和圖5 m中CD直線的(a,c)水汽增量(陰影)和uv-w垂直環(huán)流(風(fēng)矢量)垂直剖面，(b,d)位溫增量(陰影)和uv-w風(fēng)場(chǎng)增量(風(fēng)矢量)的垂直剖面(圖6a和6c中紅色和藍(lán)色等值線分別代表觀測(cè)雷達(dá)和背景場(chǎng)模擬雷達(dá)的反射率，單位：dBz；uv為水平風(fēng)沿剖面的合成風(fēng))Fig.6 The vertical cross-section of the increment of water vapor (shaded) and uv-w vertical circulation (vector) (a, c), the increment of potential temperature (shaded) and the increment of three-dimensional wind (vector) (b, d) along line AB in Fig.5i at 12 UTC (a, b) and along line CD in Fig.5m 18 UTC (c, d) for RadPO experiment(The red and blue lines in Figs.6a, 6c represent the observed and simulated reflectivity, respectively， unit: dBz)

4.2 降水預(yù)報(bào)

為了評(píng)估同化雷達(dá)反射率因子的“偽觀測(cè)”對(duì)降水預(yù)報(bào)的影響，首先，比較分析09時(shí)預(yù)報(bào)的0～3 h兩個(gè)同化試驗(yàn)?zāi)M回波與觀測(cè)回波(圖7)。09—12時(shí)觀測(cè)回波表明對(duì)流逐漸增強(qiáng)，并且12時(shí)在湘西北形成線狀對(duì)流，其前部不斷有新生對(duì)流產(chǎn)生(圖7j)。09時(shí)分析時(shí)刻，兩個(gè)同化試驗(yàn)的分析回波與觀測(cè)較為一致，但Radar同化試驗(yàn)在湖南和江西存在多個(gè)虛假的對(duì)流單體，而RadPO試驗(yàn)該處的回波很弱(圖7a～7c)。1～3 h雷達(dá)反射率預(yù)報(bào)可以發(fā)現(xiàn)，同化“偽觀測(cè)”資料明顯有利于西部的對(duì)流的組織化，同時(shí)抑制了湖南和江西虛假對(duì)流。10—11時(shí)，分散性對(duì)流組織化為線狀對(duì)流，Radar和RadPO模擬的對(duì)流也發(fā)展為線狀對(duì)流，且RadPO與實(shí)況更為接近，但是位置較實(shí)況偏西偏北。從09時(shí)預(yù)報(bào)的0～3 h組合反射率來(lái)看，兩組同化試驗(yàn)對(duì)西部的對(duì)流具有很好的預(yù)報(bào)能力，RadPO具有改進(jìn)效果。

圖7 2020年5月4日09—12時(shí)逐時(shí)觀測(cè)組合反射率因子(a,d,g,j)、同化試驗(yàn)Radar(b,e,h,k)和RadPO(c,f,i,l)09時(shí)預(yù)報(bào)的0～3 h組合反射率因子(a～c)分析時(shí)刻(09時(shí))， (d～f)1 h預(yù)報(bào)(10時(shí))， (g～i)2 h預(yù)報(bào)(11時(shí))， (j～l)3 h預(yù)報(bào)(12時(shí))Fig.7 Horizontal distributions of observed composite reflectivity (a, d, g, j), and corresponding analyses and forecasts from Radar (b, e, h, k) and RadPO (c, f, i, l) for 0-3 h forecasts beginning at 09 UTC 4 May 2020(a-c) analysis moment at 09 UTC, (d-f) 1 h forecast at 10 UTC, (g-i) 2 h forecast at 11 UTC, (j-l) 3 h forecast at 12 UTC

對(duì)比16時(shí)兩組同化試驗(yàn)的模擬回波預(yù)報(bào)結(jié)果。

從16—19時(shí)觀測(cè)回波看(圖8a,8d,8g,8j)，16時(shí)對(duì)流進(jìn)一步增強(qiáng)，在湖南中部形成颮線，在3 h內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)急速增強(qiáng)，至19時(shí)，湖北東北的分散對(duì)流也組織化，并與南部的颮線合為一個(gè)更大范圍的線狀對(duì)流，在江西境內(nèi)具有明顯的弓形回波特征。在湖南的中部存在兩條對(duì)流雨帶，從兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)比來(lái)看，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的發(fā)展增強(qiáng)過(guò)程模擬較好。同化“偽觀測(cè)”資料后，其分析時(shí)刻在湖北中東部的回波更強(qiáng)，1～3 h的預(yù)報(bào)顯示，在湖北東部的回波與觀測(cè)更接近，而Radar則為漏報(bào)。對(duì)流的強(qiáng)颮線段，RadPO試驗(yàn)?zāi)M的結(jié)構(gòu)明顯優(yōu)于Radar試驗(yàn)(圖8)。

圖8 同圖7，但為2020年5月4日16—19時(shí)Fig.8 Same as Fig.8, but for 16-19 UTC 4 May 2020

上文定性分析了同化“偽水汽”對(duì)0～3 h 內(nèi)雷達(dá)回波預(yù)報(bào)的改善作用。下文對(duì)不同時(shí)刻預(yù)報(bào)的0～3 h累計(jì)降水量進(jìn)行對(duì)比分析(圖9)。為了消除模式側(cè)邊界對(duì)降水模擬的影響，只對(duì)子域(25°～33°N、107°～117°E)內(nèi)的累計(jì)降水量進(jìn)行評(píng)價(jià)。降水觀測(cè)是由國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)中心提供的逐時(shí)格點(diǎn)降水融合產(chǎn)品 (http:∥data.cma.cn/data/detail/dataCode/SEVP_CLI_CHN_MERGE_CMP_PRE_HOUR_GRID_0.10.html)，其分辨率為0.1°×0.1°(Shen et al，2014)。在評(píng)估時(shí)，將模擬降水插值到0.1°×0.1°分辨率的觀測(cè)降水格點(diǎn)。3 h累計(jì)觀測(cè)降水表明，降水首先出現(xiàn)在重慶，隨著時(shí)間推移逐漸向東南移動(dòng)，強(qiáng)度不斷增強(qiáng)、影響范圍逐漸變大。18—21時(shí)雨帶移動(dòng)到江西和湖北的東部，3 h累計(jì)最強(qiáng)降水超過(guò)50 mm(圖9m)。同化試驗(yàn)Radar和RadPO在06時(shí)預(yù)報(bào)的0～3 h累計(jì)降水差異不明顯。09時(shí)，同化“偽觀測(cè)”資料抑制湖南和江西的虛假降水，同時(shí)改善了重慶、鄂西南和湘西北的降水，但較實(shí)況偏強(qiáng)，此時(shí)RadPO 0～3 h預(yù)報(bào)降水優(yōu)于Radar。12時(shí)，RadPO試驗(yàn)相對(duì)于Radar仍然減弱了湖南和江西的虛假降水，但此時(shí)兩個(gè)同化試驗(yàn)在洞庭湖附近都預(yù)報(bào)了一個(gè)較強(qiáng)的虛假降水中心。至15時(shí)，Radar試驗(yàn)在湖南的東北部降水強(qiáng)度和落區(qū)明顯優(yōu)于RadPO，而在湖北的東部降水漏報(bào)。RadPO和Radar試驗(yàn)對(duì)湖南中部降水的預(yù)報(bào)與實(shí)況十分吻合，但是均對(duì)湖南東北部降水有所低估，且對(duì)湖北東部降水的預(yù)報(bào)比實(shí)況偏西偏南。18時(shí)預(yù)報(bào)的0～3 h降水兩個(gè)試驗(yàn)對(duì)實(shí)況都有較好的預(yù)報(bào)能力，RadPO整體更與實(shí)況接近，Radar對(duì)江西北部的強(qiáng)降水模擬較好，RadPO對(duì)湖北的東南部降水模擬更好，但均對(duì)江漢平原降水存在高估現(xiàn)象。整體來(lái)看，兩個(gè)同化試驗(yàn)對(duì)0～3 h內(nèi)的累計(jì)降水具有較好模擬能力，同化“偽觀測(cè)”資料有利于新生對(duì)流發(fā)展，同時(shí)能抑制虛假對(duì)流，可改善降水預(yù)報(bào)。隨著循環(huán)同化次數(shù)增加，有利于降水預(yù)報(bào)，但系統(tǒng)移動(dòng)速度較實(shí)況略為偏快。

圖9 2020年5月4日06時(shí)(a～c)、09時(shí)(d～f)、12時(shí)(g～i)、15時(shí)(j～l)和18時(shí)(m～o)未來(lái)0～3 h觀測(cè)累計(jì)降水(a,d,g,j,m)與同化試驗(yàn)Radar(b,e,h,k,h)和RadPO(c,f,i,l,o)對(duì)應(yīng)模擬的0～3 h累計(jì)降水(陰影)Fig.9 Plots of observed 3 h accumulated precipitation (shaded) (a, d, g, j, m) and corresponding simulated precipitation of Radar (b, e, h, k, n) and RadPO (c, f, i, l, o) start from 06 UTC (a-c), 09 UTC (d-f), 12 UTC (g-i), 15 UTC (j-l) and 18 UTC (m-o) 4 May 2020

定量評(píng)估各整點(diǎn)預(yù)報(bào)的0～12 h內(nèi)的1 h累計(jì)降水的分?jǐn)?shù)技巧評(píng)分(Fractions Skill Score，F(xiàn)SS；Roberts and Lean，2008)。圖10是同化試驗(yàn)Radar在06—18時(shí)整點(diǎn)預(yù)報(bào)的0～12 h內(nèi)1 h累計(jì)降水在1、5和10 mm等級(jí)鄰域半徑為20 km的FSS評(píng)分及二者FSS評(píng)分差。不難發(fā)現(xiàn)：總體來(lái)說(shuō)，06—12時(shí)Radar同化試驗(yàn)隨著系統(tǒng)逐漸增強(qiáng)，F(xiàn)SS評(píng)分逐漸增大，越臨近預(yù)報(bào)降水FSS評(píng)分越高；RadPO試驗(yàn)相對(duì)于Radar，在1 mm和5 mm等級(jí)上，明顯提高了0～6 h內(nèi)的FSS評(píng)分，而在10 mm等級(jí)上，提高了0～3 h內(nèi)的FSS值。同化“偽觀測(cè)”資料后，06—11時(shí)預(yù)報(bào)的0～6 h內(nèi)降水改進(jìn)明顯；RadPO試驗(yàn)隨著循環(huán)同化次數(shù)的增多，12—15時(shí)預(yù)報(bào)的3～12 h內(nèi)降水定量評(píng)分相較于Radar試驗(yàn)變差，可能原因是在12—15時(shí)系統(tǒng)從分散性對(duì)流向組織化發(fā)展過(guò)程中的模式模擬較差，RadPO試驗(yàn)移動(dòng)過(guò)快，導(dǎo)致了空?qǐng)?bào)和漏報(bào)。

圖10 2020年5月4日同化試驗(yàn)在06—18時(shí)整點(diǎn)預(yù)報(bào)的0～12 h內(nèi)1 h累計(jì)降水在1 mm(a，b)、5 mm(c，d)和10 mm(e，f)等級(jí)的FSS評(píng)分(陰影,半徑為20 km)(a，c，e)Radar，(b,d,f)RadPO-RadarFig.10 Fraction skill score (shaded) of 20 km radius for the 12 h forecasts calculated from 1 h accumulated precipitation for Radar and RadPO at 1 mm (a, b), 5 mm (c, d) and 10 mm (e, f) thresholds on 4 May 2020(a， c， e) Radar, (b, d, f) RadPO-Radar(The forecasts are released at each hour from 06 UTC to 18 UTC in both experiments)

4.3 災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)

由于此次天氣過(guò)程發(fā)生了大范圍的冰雹、大風(fēng)等災(zāi)害性天氣，而模式模擬的上升螺旋度參數(shù)能夠部分表征強(qiáng)對(duì)流天氣(Kain et al,2008;Lai et al,2019)。因此分析模式預(yù)報(bào)的0～3 h內(nèi)2～5 km上升螺旋度(UH)移動(dòng)路徑與大風(fēng)和冰雹災(zāi)害的位置關(guān)系。將15 min間隔預(yù)報(bào)的UH畫到一起形成移動(dòng)路徑圖(圖11)。從06時(shí)預(yù)報(bào)的2～5 km的UH來(lái)看，由于強(qiáng)對(duì)流引起的冰雹與大風(fēng)主要發(fā)生在重慶，兩個(gè)同化試驗(yàn)預(yù)報(bào)的UH對(duì)重慶南部和湖北西部的大風(fēng)與冰雹具有指示作用，特別是冰雹指示性更強(qiáng)。此時(shí)刻“偽觀測(cè)”資料同化RadPO改進(jìn)不明顯(圖略)。循環(huán)同化至09時(shí)，RadPO同化試驗(yàn)明顯改善了重慶、湖北西部和湖南西部的大風(fēng)和冰雹落區(qū)預(yù)報(bào)，同時(shí)RadPO也減弱虛假對(duì)流區(qū)的UH，其結(jié)果與預(yù)報(bào)的雷達(dá)回波相一致(圖11a,11b)。16時(shí)也有類似的結(jié)論(圖11c,11d)，同化試驗(yàn)RadPO預(yù)報(bào)的UH路徑與災(zāi)害報(bào)告的位置更為接近，對(duì)大風(fēng)、冰雹的預(yù)報(bào)具有一定的指示作用。

圖11 2020年5月4日09時(shí)(a,b)和16時(shí)(c,d)同化試驗(yàn)Radar(a,c)和RadPO(b,d)預(yù)報(bào)的0～3 h 2～5 km上升螺旋度(陰影)路徑(綠色菱形為冰雹；藍(lán)色三角形為國(guó)家站災(zāi)害大風(fēng)，風(fēng)速>17 m·s-1)Fig.11 2-5 km updraft helicity tracks (shaded) of Radar (a, c) and RadPO (b, d) for 0-3 h forecasts beginning at 09 UTC (a， b) and 16 UTC (c， d) 4 May 2020(Green rhomburses and blue triangles represent the hail and damaging wind >17 m·s-1 events, respectively)

4.4 不同冷啟動(dòng)降水預(yù)報(bào)分析

從上文分析可見，隨著循環(huán)同化次數(shù)的增多，雷達(dá)資料同化試驗(yàn)Radar預(yù)報(bào)的1 h定量降水逐漸改善。而“偽觀測(cè)”資料同化試驗(yàn)RadPO在12—15時(shí)出現(xiàn)預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)Radar試驗(yàn)變差的現(xiàn)象。因此為了考察不同循環(huán)同化時(shí)次對(duì)預(yù)報(bào)影響，設(shè)計(jì)了Radar12和RadPO12試驗(yàn)，從12時(shí)冷啟動(dòng)，以考察背景場(chǎng)引起的預(yù)報(bào)差異。

從1 h累計(jì)降水的FSS評(píng)分來(lái)看(圖10和圖12)，12—17時(shí)內(nèi)Radar12 1 h 累積降水在1、5和10 mm閾值FSS評(píng)分高于Radar試驗(yàn)，說(shuō)明更新的背景場(chǎng)對(duì)降水改進(jìn)更為明顯。從有、無(wú)“偽觀測(cè)”資料同化的對(duì)比來(lái)看，在不同的冷啟動(dòng)時(shí)間試驗(yàn)表明，同化“偽觀測(cè)”都能明顯提高0～2 h的FSS評(píng)分。RadPO相對(duì)Radar在12—15時(shí)，3～12 h的FSS評(píng)分變差(圖10b，10d，10f)。而RadPO12相對(duì)Radar12，除在12時(shí)冷啟動(dòng)時(shí)，F(xiàn)SS評(píng)分在各個(gè)量級(jí)都有提高(圖12b,12d,12f)。

圖12 同圖10，但為Radar12(a,c,e)和RadPO12(b,d,f)在12—18時(shí)Fig.12 Same as Fig.10, but for Radar12 (a, c, e) and RadPO12 (b, d, f) from 12 UTC to 18 UTC 4 May 2020

兩組不同冷啟動(dòng)試驗(yàn)表明，同化“偽觀測(cè)”資料都能提高降水的FSS評(píng)分。12時(shí)冷啟動(dòng)試驗(yàn)(Radar12和RadPO12)的評(píng)分高于05時(shí)冷啟動(dòng)試驗(yàn)，且同化“偽水汽”的改進(jìn)作用循環(huán)同化時(shí)間更長(zhǎng)。由于本系統(tǒng)的邊界條件是實(shí)時(shí)更新，05時(shí)和12時(shí)冷啟動(dòng)試驗(yàn)使用相同的邊界條件，邊界條件的影響可以忽略，差異主要來(lái)源于背景場(chǎng)和循環(huán)同化過(guò)程中的誤差累積。更新背景場(chǎng)對(duì)雷達(dá)資料未能覆蓋區(qū)域分析場(chǎng)質(zhì)量有所改善，對(duì)整個(gè)雨帶模式改善明顯，在后續(xù)研究中，將考慮同化更多的常規(guī)觀測(cè)資料和衛(wèi)星數(shù)據(jù)以改善背景場(chǎng)，提高6～12 h預(yù)報(bào)效果，同時(shí)也考慮將現(xiàn)有每日2次的冷啟動(dòng)運(yùn)行，改為3～4次帶有partial cycle功能的冷啟動(dòng)方式，以提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力。

5 結(jié)論與討論

基于3DVAR方法同化雷達(dá)反射率時(shí)無(wú)法改善模式背景場(chǎng)中的水汽和熱力變量，模式存在spin-up問題。本文利用雷達(dá)反射率的反演水汽和云內(nèi)溫度(“偽觀測(cè)”)方法，在逐15 min、1.5 km水平分辨率的快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，開展了同化雷達(dá)徑向風(fēng)、反射率和“偽觀測(cè)”資料的研究。針對(duì)2020年5月4日江南地區(qū)一次颮線強(qiáng)對(duì)流個(gè)例，進(jìn)行了有、無(wú)“偽觀測(cè)”同化對(duì)比試驗(yàn)，分析了該方法對(duì)降水、大風(fēng)和冰雹等災(zāi)害天氣的預(yù)報(bào)影響。主要結(jié)論如下：

(1)冷啟動(dòng)時(shí)，同化“偽水汽”和“偽云內(nèi)溫度”，能明顯增加觀測(cè)回波區(qū)域的水汽和位溫。隨著循環(huán)次數(shù)增加，正的水汽增量主要位于新生對(duì)流回波區(qū)，有利對(duì)流發(fā)展，負(fù)的水汽增量位于背景場(chǎng)中虛假對(duì)流區(qū)，而抑制虛假對(duì)流；同時(shí)溫度增量主要集中在觀測(cè)回波大于背景模擬回波區(qū)，其增幅明顯減小。

(2)不同冷啟動(dòng)時(shí)刻的“偽觀測(cè)”同化試驗(yàn)結(jié)果都表明，同化“偽觀測(cè)”明顯改善0～3 h內(nèi)的雷達(dá)回波和降水預(yù)報(bào)，模擬的2～5 km上升螺旋度與大風(fēng)、冰雹災(zāi)害位置更接近； 0～6 h的1 h累計(jì)降水量在1、5和10 mm等級(jí)的FSS評(píng)分有所改善，可提高降水預(yù)報(bào)能力。但隨著循環(huán)同化“偽觀測(cè)”資料的次數(shù)增多，改進(jìn)效果先明顯增加，6～8 h左右改進(jìn)效果達(dá)到頂峰，隨后FSS評(píng)分相對(duì)雷達(dá)同化試驗(yàn)有所下降。

(3)更新背景場(chǎng)后的Radar12試驗(yàn)優(yōu)于Radar，越臨近預(yù)報(bào)結(jié)果越好。同化“偽觀測(cè)”資料都能提高降水的FSS評(píng)分。12時(shí)冷啟動(dòng)試驗(yàn)(Radar12和RadPO12)的評(píng)分高于05時(shí)冷啟動(dòng)試驗(yàn)，且同化“偽水汽”的改進(jìn)作用循環(huán)同化時(shí)間更長(zhǎng)。

由于在當(dāng)前水汽抑制過(guò)程中，觀測(cè)的深對(duì)流與模擬對(duì)流只允許1.5 km的位置偏差，二者細(xì)微的位置偏差會(huì)產(chǎn)生較大的正負(fù)水汽增量分布，可能不利于模擬孤立或者線狀對(duì)流?！皞斡^測(cè)”資料不斷地加入，導(dǎo)致模擬對(duì)流系統(tǒng)移動(dòng)快于觀測(cè)，隨著循環(huán)同化次數(shù)增多，“偽水汽”在模擬的對(duì)流中抑制的水汽越來(lái)越多，導(dǎo)致對(duì)流發(fā)展受到影響，使得模擬的颮線強(qiáng)度減弱，反而不利于模擬。因此，在下一步的研究中，應(yīng)該考慮背景場(chǎng)與觀測(cè)對(duì)流存在一定的位移偏差(如領(lǐng)域半徑為5～10 km)，以改進(jìn)水汽反演的準(zhǔn)確性。05時(shí)和12時(shí)兩組冷啟動(dòng)試驗(yàn)差異的原因主要來(lái)源于背景場(chǎng)，因此，更新背景場(chǎng)對(duì)雷達(dá)資料未能覆蓋區(qū)域分析場(chǎng)質(zhì)量有所改善，對(duì)整個(gè)雨帶模式改善明顯，在后續(xù)的研究中，將考慮同化更多的常規(guī)觀測(cè)資料和衛(wèi)星數(shù)據(jù)以改善背景場(chǎng)，提高6～12 h降水預(yù)報(bào)水平，同時(shí)考慮將現(xiàn)有每日2次的冷啟動(dòng)運(yùn)行方式，改為3～4次帶有partial cycle功能的冷啟動(dòng)方式，以提高對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力。此外，本文工作只評(píng)估了一個(gè)天氣個(gè)例，后續(xù)還需要評(píng)估更多的實(shí)例以及在業(yè)務(wù)系統(tǒng)中的應(yīng)用情況。

致謝：本工作得到了美國(guó)強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室資料同化專家郜吉東研究員的悉心指導(dǎo)，武漢中心氣象臺(tái)王珊珊高級(jí)工程師提供了部分大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害數(shù)據(jù)，中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所何鄧新在論文修改方面給予了幫助，在此一并表示感謝。