何鄧新 賴安偉， 康兆萍 孫玉婷 張 文 李 蘭 孫 晨

1 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 2 武漢區(qū)域氣候中心，武漢 430074

提 要： 為了更好地應(yīng)用閃電觀測(cè)資料，在華中區(qū)域快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)中引入適用于本地的閃電定位資料與代理回波特征的轉(zhuǎn)換關(guān)系，并開(kāi)展了相應(yīng)的同化應(yīng)用研究。針對(duì)2015年6月1日發(fā)生在湖北監(jiān)利的一次強(qiáng)降水過(guò)程，開(kāi)展了利用新、舊閃電-代理回波的對(duì)比同化試驗(yàn)，重點(diǎn)分析了引入新的閃電-代理回波轉(zhuǎn)換關(guān)系對(duì)模式計(jì)算的雷達(dá)反射率、云微物理變量和降水預(yù)報(bào)的影響，并與直接同化雷達(dá)反射率進(jìn)行對(duì)比。數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果表明：新的閃電-代理回波關(guān)系較好地捕捉到強(qiáng)降水信號(hào)，通過(guò)調(diào)整初始時(shí)刻云水、雨水、云冰、云雪、霰等微物理量，尤其是提高了初始時(shí)刻雨水、云水的含量，達(dá)到調(diào)整降水預(yù)報(bào)的目的；對(duì)比降水結(jié)果可以得到在使用新的閃電-雷達(dá)回波關(guān)系后，能夠有效降低漏報(bào)率，并且模式在短時(shí)間尺度可以響應(yīng)出與實(shí)況更為接近的降水預(yù)報(bào)，提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率，取得了與直接同化雷達(dá)反射率相似的結(jié)果。

引 言

強(qiáng)對(duì)流天氣因其具有突發(fā)性強(qiáng)、空間尺度小、生命史短、易致災(zāi)等特點(diǎn)，是目前數(shù)值預(yù)報(bào)的難點(diǎn)。數(shù)值天氣預(yù)報(bào)水平取決于模式本身和模式的初始場(chǎng)質(zhì)量。目前，數(shù)值模式的動(dòng)力框架和物理過(guò)程已趨于完善，如何提高初始場(chǎng)質(zhì)量是提高預(yù)報(bào)水平的關(guān)鍵。為了提高數(shù)值模式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力，進(jìn)行較短時(shí)間間隔的高頻資料同化，從而使模式初始場(chǎng)中盡可能多地包含有效對(duì)流信息顯得十分必要(俞小鼎等，2012；陳葆德等,2013；鄭永光等，2015)。快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)是通過(guò)高頻次的資料同化吸收最新的觀測(cè)信息，不斷更新模式背景場(chǎng)，形成更準(zhǔn)確的初始場(chǎng)并進(jìn)行短時(shí)臨近預(yù)報(bào)(陳葆德等，2013)。近些年我國(guó)也開(kāi)展了快速更新同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的研制和業(yè)務(wù)化應(yīng)用(陳子通等，2010；范水勇等, 2009；郝民等，2011)，然而與國(guó)際先進(jìn)水平相比，無(wú)論是多種高頻觀測(cè)資料的應(yīng)用還是同化系統(tǒng)與模式的發(fā)展，都有較大差距(陳葆德等，2013)。其中，由于欠缺對(duì)新型觀測(cè)資料引入及其同化應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)導(dǎo)致的模式初值質(zhì)量不高，是制約我國(guó)強(qiáng)對(duì)流天氣的數(shù)值模式預(yù)報(bào)水平的重要因素之一(陳子通等，2010)。

閃電是對(duì)流性天氣中經(jīng)常伴有的大氣電現(xiàn)象，對(duì)對(duì)流性天氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其演變有重要指示作用(陶祖鈺和趙昕奕，1993；易笑園等，2017；周康輝等，2021；孫萌宇等，2020)。隨著閃電探測(cè)技術(shù)的更新?lián)Q代，中國(guó)閃電探測(cè)實(shí)現(xiàn)了由單一地基低頻閃電定位網(wǎng)向地基、天基雙網(wǎng)探測(cè)覆蓋。閃電資料具有空間分辨率高、長(zhǎng)距離覆蓋、地形影響小、可實(shí)現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控、早期預(yù)警、預(yù)報(bào)強(qiáng)對(duì)流天氣，尤其是可以用來(lái)彌補(bǔ)雷達(dá)站遠(yuǎn)距離無(wú)覆蓋區(qū)、地形遮擋區(qū)域和頂部的觀測(cè)縫隙(曹冬杰，2016；Biagi et al，2007；郄秀書等，2014)。因此，研究如何將閃電觀測(cè)資料同化入快速更新同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)中，改善數(shù)值模式初始場(chǎng)，改進(jìn)模式的啟動(dòng)預(yù)熱(spin-up)問(wèn)題(Turpeinen et al，1990；陳葆德等，2013)，彌補(bǔ)雷達(dá)觀測(cè)資料的不足，以提高數(shù)值模式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣的模擬和預(yù)報(bào)能力，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。

目前，同化雷達(dá)反射率的主要方法是變分法和集合卡爾曼濾波，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)方法，如云分析或物理初始化。由于閃電資料不能直接應(yīng)用于模式中，在同化之前需要將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，目前已經(jīng)有許多這方面的研究，主要有以下幾種方式：(1)閃電資料與相對(duì)濕度建立聯(lián)系進(jìn)行同化(Zhang et al，2017)。Papadopoulos et al(2009)根據(jù)閃電強(qiáng)度將模式的濕度廓線改進(jìn)為經(jīng)驗(yàn)廓線，用此經(jīng)驗(yàn)廓線通過(guò)積云對(duì)流參數(shù)化方案計(jì)算模式的潛熱加熱率，使模式初始場(chǎng)中的溫、濕條件與環(huán)境背景場(chǎng)趨于協(xié)調(diào)，明顯提高了對(duì)流降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，并在提高局地暴雨預(yù)報(bào)方面具有一定的潛力。(2)將閃電與對(duì)流性降水建立關(guān)系，閃電資料反演為降水，然后同化反演降水(Manobianco et al，1994；李萬(wàn)彪等，2008)。Pessi and Businger(2009)使用閃電與對(duì)流性降水關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，將模擬區(qū)域的閃電頻率按時(shí)間積分步長(zhǎng)轉(zhuǎn)換為降水率，根據(jù)得到的降水率用潛熱張弛逼近法來(lái)調(diào)整模式的垂直潛熱廓線。(3)基于閃電頻數(shù)與冰相粒子含量之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，進(jìn)行閃電資料同化(Qie et al，2014；陳志雄等，2017)。(4)將閃電資料與垂直速度建立聯(lián)系(Xiao et al，2021)。Wang et al(2020)利用動(dòng)力逼近方法，同化閃電資料反演得到的垂直速度，達(dá)到調(diào)整對(duì)流云中的動(dòng)力場(chǎng)的目的，從而改善對(duì)颮線過(guò)程中降水尤其是強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)效果。(5)將閃電資料轉(zhuǎn)化為雷達(dá)代理回波，以彌補(bǔ)雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的限制(Wang et al，2014；徐國(guó)強(qiáng)等，2020)。

華中區(qū)域快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)基于RAP(rapid refresh)和HRRR(high-resolution rapid refresh)搭建，RAP/HRRR的格點(diǎn)統(tǒng)計(jì)插值(gridpoint statistical interpolation,GSI)同化系統(tǒng)將閃電資料與雷達(dá)回波建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，通過(guò)云分析技術(shù)，間接同化閃電資料(Benjamin et al，2006)。Yang et al(2015)評(píng)估了在WRF-GSI系統(tǒng)中，同化閃電代理回波和同化雷達(dá)反射率對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果，結(jié)果表明，同化閃電資料在中尺度數(shù)值模式中具有出色的精細(xì)化預(yù)報(bào)能力。閃電活動(dòng)與強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生關(guān)系密切，但受到地理特征、氣候背景、天氣型、中尺度環(huán)流的影響(Smith et al，2005； Rudlosky and Fuelberg，2011，張義軍等，2008；王娟和諶蕓，2015)。Sheridan et al(1997)研究了美國(guó)中南部地區(qū)4—9月地閃和地面降水的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)不同區(qū)域兩者的相關(guān)系數(shù)存在差異。鄭棟等(2012)利用閃電定位資料和氣象臺(tái)站雨量觀測(cè)資料，分析地閃活動(dòng)與降水的相關(guān)關(guān)系，發(fā)現(xiàn)我國(guó)由南向北的區(qū)域兩者相關(guān)性逐漸增強(qiáng)。王學(xué)良等(2010)指出，不同地表類型，對(duì)地閃產(chǎn)生也有影響，比如多巖石地區(qū)，土壤電阻率較大，不利于云地間閃電發(fā)生。閃電資料與雷達(dá)回波經(jīng)驗(yàn)關(guān)系在不同的地域具有差異，為了更好地同化華中區(qū)域的地基閃電資料，孫玉婷等(2019)利用SWAN雷達(dá)三維拼圖產(chǎn)品和閃電定位資料，分析華中地區(qū)閃電活動(dòng)與雷達(dá)回波特征的關(guān)系，建立了山區(qū)和平原的閃電代理回波(lightning-proxy reflectivity)擬合公式。在山區(qū)與平原兩種地形條件下，閃電頻數(shù)與垂直柱最大雷達(dá)回波均存在較好的近似倒“L”型指數(shù)曲線擬合關(guān)系，兩者均高于RAP/HRRR同化系統(tǒng)GSI中原線性、非線性經(jīng)驗(yàn)曲線，經(jīng)檢驗(yàn)，倒“L”型曲線閃電代理回波與閃電高頻區(qū)、實(shí)測(cè)強(qiáng)回波區(qū)一致。

在這一工作的基礎(chǔ)上，本文基于華中區(qū)域快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)，選擇適用于平原地區(qū)的倒“L”型曲線擬合關(guān)系，將轉(zhuǎn)換得到的閃電代理回波進(jìn)行同化應(yīng)用，針對(duì)2015年6月1日長(zhǎng)江中游地區(qū)的一次強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程，開(kāi)展了閃電資料同化試驗(yàn)，評(píng)估同化新的擬合關(guān)系獲得的閃電代理回波對(duì)模式降水的影響，以改進(jìn)模式預(yù)報(bào)。

1 方法介紹

1.1 閃電資料介紹及其同化方法

2015年6月1日在長(zhǎng)江中游地區(qū)突發(fā)了一次強(qiáng)降水天氣過(guò)程，該過(guò)程中颮線伴有下?lián)舯┝鲙?lái)的強(qiáng)風(fēng)暴雨襲擊導(dǎo)致了“東方之星”特別重大災(zāi)難性事件。強(qiáng)對(duì)流伴隨有強(qiáng)烈的閃電活動(dòng)(鄭永光等，2016)，湖北省閃電定位觀測(cè)網(wǎng)很好地觀測(cè)到這一次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程。

首先對(duì)強(qiáng)對(duì)流發(fā)生區(qū)內(nèi)，閃電發(fā)生頻次、最大閃電密度與回波強(qiáng)度及強(qiáng)回波(≥40 dBz)面積的關(guān)系進(jìn)行初步分析。其中，閃電資料來(lái)自于湖北省活動(dòng)目錄拓?fù)鋱D(active divectory topology diagrammer，ADTD)閃電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)(成勤等，2011；馮建偉等，2018)。雷達(dá)資料為中國(guó)氣象局組織研制的SWAN系統(tǒng)所提供的雷達(dá)三維組網(wǎng)反射率因子拼圖數(shù)據(jù)。

2015年6月1日，閃電活動(dòng)主要集中在江漢平原南部，頻繁活動(dòng)時(shí)段為1日19時(shí)至2日06時(shí)(北京時(shí)，下同；圖1)。其中20—23時(shí)，閃電頻次陡增(圖1b)，高頻中心向東南方向移動(dòng)(圖2a～2c)。與其變化一致，雷達(dá)回波在20時(shí)前結(jié)構(gòu)松散、強(qiáng)度弱，位于江漢平原中部(圖略)，而之后零散的對(duì)流回波逐漸合并發(fā)展為颮線結(jié)構(gòu)，以約40 km·h-1的速度向東略偏南方向移動(dòng)(圖2d)。根據(jù)圖2b和2d，可發(fā)現(xiàn)閃電的空間分布范圍和≥40 dBz的強(qiáng)回波區(qū)重合，與已有相關(guān)研究結(jié)果一致(楊超等，2009)，而且其中閃電高密度格點(diǎn)(4～8次·km-2·h-1)落在50～55 dBz強(qiáng)回波覆蓋范圍內(nèi)。

圖1 2015年6月(a)1日湖北區(qū)域內(nèi)的閃電密度分布(單位：次·km-2)和 (b)1—3日逐小時(shí)湖北區(qū)域內(nèi)的閃電頻次變化(圖1a中括號(hào)內(nèi)數(shù)字為該時(shí)段內(nèi)每平方千米不同頻次閃電個(gè)數(shù)，下同)Fig.1 (a) Lightning ground stroke density (unit: times·km-2) on 1 June 2015 and (b) time series of hourly lightning stroke frequency in 1-3 June 2015 over Hubei Region(In Fig.1a, the numbers in parentheses are the lightning stroke density of different frequency， the same below)

圖2 2015年6月1日(a)20時(shí)，(b)21時(shí)，(c)22時(shí)湖北區(qū)域閃電密度(單位：次·km-2)及(d)21時(shí)湖北區(qū)域雷達(dá)最大回波水平分布(矩形框表示強(qiáng)對(duì)流區(qū))Fig.2 Lightning ground stroke density (unit: times·km-2) at (a) 20:00 BT, (b) 21:00 BT, (c) 22:00 BT and (d) observed column maximum reflectivity over Hubei Region at 21:00 BT 1 June 2015(The rctangular box indicates area of severe convection in Fig.2d)

將湖北省閃電密度，根據(jù)GSI同化系統(tǒng)中的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系轉(zhuǎn)換為三維代理回波，利用潛熱加熱納近方法進(jìn)行同化。GSI系統(tǒng)中提供的關(guān)系是美國(guó)強(qiáng)風(fēng)暴實(shí)驗(yàn)室(National Severe Storms Laboratory,NSSL)1 km精度的全美國(guó)回波拼圖產(chǎn)品擬合出單位格點(diǎn)內(nèi)的閃電個(gè)數(shù)和最大回波強(qiáng)度之間的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，并根據(jù)線性關(guān)系模擬出三維代理回波強(qiáng)度，具體如下：給定RUC 網(wǎng)格(13.545 km)中的閃電頻數(shù)(LGT)與相應(yīng)格點(diǎn)上柱內(nèi)最大回波反射率(REFL)的關(guān)系為REFL=min[40, 15+2.5×LGT](Weygandt et al，2008)。該關(guān)系式為簡(jiǎn)單的線性假設(shè)，而GSI還給定了非線性的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系：REFL=30.751+0.719×LGT-0.0097×LGT2。孫玉婷等(2019)利用2014—2018年SWAN雷達(dá)三維拼圖產(chǎn)品和閃電定位資料，分析華中地區(qū)閃電活動(dòng)與雷達(dá)回波特征的關(guān)系，并建立適用于當(dāng)?shù)氐纳絽^(qū)和平原的閃電代理回波(lightning-proxy reflectivity) 擬合公式分別為:REFL=exp(3.897-0.657/LGT)和REFL=exp(3.894-0.412/LGT)。本文主要應(yīng)用了平原的閃電代理回波擬合經(jīng)驗(yàn)，將地閃資料應(yīng)用于2015年6月1日強(qiáng)降水天氣過(guò)程的數(shù)值模擬中，以檢驗(yàn)本地化的閃電-代理回波關(guān)系對(duì)云微物理變量和預(yù)報(bào)的影響。

圖3給出了GSI中的閃電-代理回波的非線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和孫玉婷等(2019)給出的新的平原區(qū)統(tǒng)計(jì)關(guān)系，可以看出，在GSI統(tǒng)計(jì)關(guān)系中，代理回波強(qiáng)度隨著閃電頻次的增大而持續(xù)增大，增長(zhǎng)率雖然有所減小，但較不顯著，而在新的統(tǒng)計(jì)關(guān)系中，閃電頻次在小于10次的區(qū)間內(nèi)，回波強(qiáng)度增大較快，在閃電頻次大于10次之后，回波強(qiáng)度曲線變化趨于平穩(wěn)，增長(zhǎng)緩慢，基本處于水平狀態(tài)，無(wú)明顯增長(zhǎng)。而總體來(lái)看，新的閃電-代理回波關(guān)系在相同的閃電頻次下，有著更強(qiáng)的代理回波。

圖3 閃電頻次與回波強(qiáng)度的本地化的統(tǒng)計(jì)關(guān)系與 GSI 中經(jīng)驗(yàn)關(guān)系Fig.3 The new statistical relationship between LGT and REFL and the preliminary relationship in GSI

圖4給出2015年6月1日20時(shí)和21時(shí)利用GSI的非線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系和新的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，將同化時(shí)刻40 min內(nèi)(前30 min至后10 min )湖北省閃電密度轉(zhuǎn)為代理回波的結(jié)果。從圖4可見(jiàn)，代理回波與閃電密度有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，代理回波主要分布在三個(gè)區(qū)域、分別為鄂西南，江漢平原和鄂東南。代理回波的最小值為30 dBz，最大值為40～45 dBz。21時(shí)的代理回波強(qiáng)度大于20時(shí)，且集中在湖北監(jiān)利附近。而相較于GSI中的非線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，新的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系獲得了相似的代理回波落區(qū)，但強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，最小值為35 dBz，最大值為45～50 dBz。

圖4 GSI中經(jīng)驗(yàn)關(guān)系(a，c)與新的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(b，d)轉(zhuǎn)化得到的2015年6月1日(a，b)20時(shí)和(c，d)21時(shí)最大代理回波Fig.4 Comparison of column maximum lightning-proxy reflectivity calculated by the GSI relationship (a, c) and new relationship (b, d) at 20:00 BT (a, b) and 21：00 BT (c, d) 1 June 2015

1.2 模式系統(tǒng)介紹

本文使用的模式為中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所的快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)(Wuhan High-Resolution Rapid Refresh，WHHRRR)。以廣泛使用的中尺度數(shù)值天氣模式(Weather Research and Forecast Model，WRF)為基礎(chǔ)，并采用國(guó)際先進(jìn)的混合資料同化系統(tǒng)GSI進(jìn)行資料同化。WHHRRR逐小時(shí)同化雷達(dá)資料，進(jìn)行常規(guī)和非常規(guī)觀測(cè)，并作出對(duì)未來(lái)0～12 h的預(yù)報(bào)?？赏邥r(shí)空分辨率的雷達(dá)資料(每10～15 min間隔)，以達(dá)到對(duì)模式中的云水和雨水的正確初始化，從而提高短時(shí)臨近強(qiáng)對(duì)流天氣的預(yù)報(bào)能力。WHHRRR系統(tǒng)針對(duì)雷達(dá)的高時(shí)空分辨率反射率資料，還引進(jìn)了NOAA的潛熱加熱納近方案，每10～15 min同化最新的雷達(dá)反射率資料。研究區(qū)域?yàn)?8°～41°N、96°～126°E，水平分辨率為3 km，格點(diǎn)數(shù)為901×802，參數(shù)化方案包括Thompson微物理方案、RRTM短波和長(zhǎng)波輻射方案，unified Noah陸面過(guò)程方案，參數(shù)設(shè)置詳見(jiàn)杜牧云等(2019)。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)上文對(duì)2015年6月1日閃電資料的分析，發(fā)現(xiàn)6月1日閃電主要集中在20—23時(shí)。本研究的主要目的為考察采用不同閃電-代理回波關(guān)系的資料同化對(duì)降水的影響，因此，試驗(yàn)主要選取同化20—21時(shí)的閃電資料。此外，由于閃電資料轉(zhuǎn)化為雷達(dá)三維的代理回波后，本質(zhì)上閃電也就變成了雷達(dá)資料，為了考察同化閃電代理回波在多大程度上可以替代真實(shí)回波，以便彌補(bǔ)雷達(dá)資料缺失的情況，因此本文設(shè)計(jì)了四組對(duì)比試驗(yàn)(詳見(jiàn)表1)。根據(jù)大量的研究表明，若初始場(chǎng)中動(dòng)力場(chǎng)不準(zhǔn)確，同化雷達(dá)反射率后對(duì)降水預(yù)報(bào)影響較少，因此基于3DVAR方法同化20時(shí)的雷達(dá)徑向風(fēng)改進(jìn)初始場(chǎng)的風(fēng)場(chǎng)，作為控制試驗(yàn)(CTRL)。在控制試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分別以兩種不同的代理回波關(guān)系進(jìn)行同化試驗(yàn)，以及以真實(shí)的雷達(dá)回波進(jìn)行的一組同化對(duì)比試驗(yàn)。針對(duì)兩種閃電-代理回波關(guān)系，設(shè)計(jì)的兩組不同閃電-代理回波關(guān)系對(duì)比試驗(yàn)，均采用潛熱加熱納近方法，利用云分析技術(shù)，在20:00的初始場(chǎng)，將20:15、20:30、20:45、21:00四個(gè)時(shí)次(每個(gè)時(shí)次前30 min至后10 min)的代理回波轉(zhuǎn)換潛熱，變成溫度傾向，均勻加入到0～1 h的模式預(yù)報(bào)積分中，以改善對(duì)流預(yù)報(bào)。一組試驗(yàn)采用GSI中的非線性經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，記為TEST1，另一組則采用新的本地化的閃電-代理回波經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，記為TEST2。第四組試驗(yàn)在20—21時(shí)之間每隔15 min同化一次真實(shí)雷達(dá)回波，和TEST1、TEST2其他設(shè)置相同，記為TEST3。

表1 閃電資料同化試驗(yàn)設(shè)計(jì)表Table 1 Experimental schemes of ligtning data assimilation

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 雷達(dá)反射率

為了考察模式閃電-代理回波同化效果，圖5給出了模式21時(shí)觀測(cè)和各組試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)最大回波。各組試驗(yàn)?zāi)M雷達(dá)回波與實(shí)況相比落區(qū)有一定的差異，強(qiáng)回波區(qū)相較于實(shí)況偏小，颮線位置預(yù)報(bào)強(qiáng)度明顯偏小。CTRL試驗(yàn)的雷達(dá)反射率在湖北中北部地區(qū)有較為明顯的大值區(qū)，在湖北監(jiān)利附近有明顯的漏報(bào)，沒(méi)有明顯的東北—西南向的回波帶，TEST1與CTRL試驗(yàn)的雷達(dá)反射率相比，回波范圍變大，向南部延伸，強(qiáng)度減弱，回波較弱，在颮線位置也出現(xiàn)漏報(bào)，預(yù)報(bào)效果較差；對(duì)比TEST2與觀測(cè)實(shí)況可以看到，采用新的閃電-回波關(guān)系同化試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)回波在監(jiān)利附近有強(qiáng)回波區(qū)，相較于TEST1，與實(shí)測(cè)雷達(dá)反射率更接近，范圍和強(qiáng)度有明顯增大，對(duì)監(jiān)利地區(qū)的強(qiáng)回波帶的預(yù)報(bào)有一定的反映。與直接同化雷達(dá)回波的TEST3相比，強(qiáng)回波帶的位置接近，強(qiáng)度偏強(qiáng)。

圖5 2015年6月1日21時(shí)(a)觀測(cè)，(b)CTRL，(c)TEST1，(d)TEST2，(e)TEST3雷達(dá)反射率(藍(lán)色圓點(diǎn)為沉船位置;黑色虛線為沉船位置經(jīng)度)Fig.5 Radar reflectivity at 21 BT 1 June 2015(a) OBS， (b) CTRL， (c) TEST1， (d) TEST2， (e) TEST3(The blue dots indicate the wreck location; the black dotted line is longitude of wreck location)

圖6為沿沉船所在位置(圖5中藍(lán)色圓點(diǎn))經(jīng)線(圖5中黑色虛線)所做的雷達(dá)反射率垂直剖面，由此可見(jiàn)，在29.0°～33.1°N 的對(duì)流區(qū)內(nèi)，強(qiáng)對(duì)流區(qū)在30°N附近，也即沉船位置附近，大于20 dBz的回波區(qū)域在29.6°～30.6°N，回波頂達(dá)到18 km以上(圖6a)。CTRL試驗(yàn)在距離沉船位置最近的對(duì)流核位于31°N附近，范圍較窄，此外，在32°N處存在另外一條對(duì)流核，強(qiáng)度較弱，最大值不超過(guò)40 dBz，回波頂接近10 km(圖6b)。TEST1的回波區(qū)域?yàn)?0.2°～33.1°N，在30.2°～33.1°N回波較強(qiáng)，最大值接近40 dBz，位于32.1°N處，相較于控制試驗(yàn)，回波強(qiáng)度和位置沒(méi)有明顯改善，且對(duì)流高度偏低，最高達(dá)到8 km(圖6c)。TEST2對(duì)雷達(dá)反射率的模擬有較大改善，在30°N處，存在一個(gè)強(qiáng)對(duì)流核，強(qiáng)度和位置與觀測(cè)較為接近，對(duì)流高度略低，最高達(dá)8 km，此外，30.5°～33.5°N計(jì)算得到的雷達(dá)反射率寬度和實(shí)況接近，強(qiáng)度偏強(qiáng)。與TEST3相比，回波位置和強(qiáng)度均較為相似，TEST2在沉船位置的強(qiáng)回波柱強(qiáng)度更強(qiáng)，與實(shí)況更為接近(圖6d，6e)。

圖6 2015年6月1日21時(shí)沿112.904 4°E(即圖5中經(jīng)度，下同)的雷達(dá)反射率垂直剖面(a)OBS，(b)CTRL，(c)TEST1，(d)TEST2，(e)TEST3Fig.6 Height-latitude cross-sections of radar reflectivity along 112.904 4°E longitude of wreck location in Fig.5 at 21：00 BT 1 June 2015(a)OBS， (b) CTRL， (c) TEST1， (d) TEST2， (e) TEST3

綜合來(lái)看，本地化的閃電-回波關(guān)系能夠較好地捕捉到強(qiáng)降水信號(hào)，對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)有更好的指示作用。

3.2 溫度增量分析

潛熱加熱牛頓連續(xù)松弛逼近(納近)是將雷達(dá)反射率反演算出水凝物含量，利用凝結(jié)潛熱釋放獲得加熱率，采用納近的方法，在模式積分過(guò)程中逐步改變溫度(增加溫度傾向)，同時(shí)利用模式積分動(dòng)力約束過(guò)程，影響風(fēng)場(chǎng)等其他相關(guān)變量，改善對(duì)流預(yù)報(bào)。圖7給出6月1日21時(shí)TEST1、TEST2和TEST3模擬得到的溫度相較于控制試驗(yàn)的增量沿112.904 4°E(沉船位置經(jīng)度)經(jīng)度-高度的垂直剖面。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于控制試驗(yàn)，TEST1和TEST2試驗(yàn)在30°N附近的強(qiáng)對(duì)流區(qū)，5 km以下有正的溫度增量(圖7a，7b)，TEST2的增量較為顯著，大于TEST1，兩者差值(圖7d)最大可達(dá)1.9℃。在強(qiáng)對(duì)流區(qū)域有較大的正的溫度增量，中低層的加熱，垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于對(duì)流的發(fā)展。TEST2的溫度增量和TEST3的溫度增量有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系，TEST2的溫度增量數(shù)值略大于TEST3。

圖7 2015年6月1日21沿112.904 4°E的溫度增量垂直剖面(a)TEST1-CTRL，(b)TEST2-CTRL，(c)TEST3-CTRL，(d)TEST2-TEST1Fig.7 Height-latitude cross-sections of temperature increment along 112.904 4°E at 21 BT 1 June 2015(a) TEST1-CTRL， (b) TEST2-CTRL， (c) TEST3-CTRL， (d) TEST2-TEST1

3.3 云微物理量對(duì)比

通過(guò)潛熱加熱納近可以得到初始時(shí)刻云微物理量場(chǎng)的分布信息，各組試驗(yàn)的云中微物理量的變化能反映出初始時(shí)刻云微物理量的差別。

圖8從上至下依次是沿著112.9044°E經(jīng)線作垂直剖面后云水、雨水、云冰、云雪和霰含量的垂直分布。明顯看到，控制試驗(yàn)的剖面上云水(圖8a)和雨水(圖8e)含量較少，加入閃電-代理回波在一定程度提高了模式初始時(shí)刻的云水和雨水含量(圖8b，8c，8f，8g)。云水主要分布于1～8 km，在對(duì)流旺盛區(qū)域，云頂旺盛發(fā)展，云水物質(zhì)也隨云團(tuán)被帶入到對(duì)流層中上層，TEST1、TEST2和TEST3差異不明顯(圖8d，8h)。TEST1中同化閃電代理回波對(duì)雨水生成的貢獻(xiàn)不太明顯；而TEST2在同化閃電代理回波后，主要在對(duì)流層中低層對(duì)雨水物質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，其中30°N附近(沉船位置附近)的5 km近地面層雨水含量增加較為明顯，最大調(diào)整達(dá)到1.1 g·kg-1以上。和直接同化雷達(dá)回波的TEST3相比，TEST2獲得了更大的雨水增量?？傮w來(lái)看，相較于控制試驗(yàn)，三組試驗(yàn)的云水和雨水含量增長(zhǎng)區(qū)域與強(qiáng)對(duì)流發(fā)生區(qū)域較為一致，同時(shí)云頂高度也略有增加。

圖8 2015年6月1日21時(shí)(a～d)云水,(e～h)雨水,(i～l)云冰,(m～p)云雪,(q～t)霰混合比沿112.904 4°E的高度-緯度垂直剖面(a,e,i,m,q)CTRL,(b,f,j,n,r)TEST1,(c,g,k,o,s)TEST2,(d,h,l,p,t)TEST3Fig.8 Height-latitude cross-sections of mixing ratio for (a-d) cloud water, (e-h) rain water, (i-l) cloud ice, (m-p) cloud snow and (q-t) graupel along 112.904 4°E at 21:00 BT 1 June 2015(a, e, i, m, q) CTRL, (b, f, j, n, r) TEST1, (c, g, k, o, s) TEST2, (d, h, l, p, t) TEST3

四組試驗(yàn)中云冰的含量均較小(圖8i～8l)，均未超過(guò)0.03 g·kg-1，主要分布在30°N附近的9～15 km，在TEST1中，云冰含量減小了，最大值在0.02 g·kg-1，厚度也略有減小，TEST2中云冰含量相較于控制試驗(yàn)和TEST1有一定的增大，寬度也有一定的增大，且與TEST3較為接近。

控制試驗(yàn)中云雪(圖8m)和霰(圖8q)的含量均較小，且均小于TEST1、TEST2和TEST3(圖8n～8p，8r～8t)，主要分布在30.0°～32.8°N，雪主要分布在4～11 km，霰則主要分布在4～7 km。和云冰相似，在TEST1、TEST2和TEST3試驗(yàn)中，雪和霰的含量相較于控制試驗(yàn)均有一定的增大，TEST1的增加幅度較小，TEST2的增大最為明顯，尤其是在30°N處。

3.4 模擬降水結(jié)果對(duì)比

同化由閃電密度轉(zhuǎn)換的代理回波，在強(qiáng)回波區(qū)域內(nèi)，能夠改善背景場(chǎng)中的水凝物，云水、雨水、云冰、雪和霰等微物理量均有不同程度的增大。采用潛熱加熱納近同化技術(shù)，在強(qiáng)對(duì)流區(qū)域(也即大的代理回波區(qū)域)有較大的正的溫度增量，中低層加熱增強(qiáng)，垂直上升運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，有利于對(duì)流的發(fā)展。為研究各組試驗(yàn)的模擬降水情況，分別制作了1 h(圖9)和3 h(圖10)的降水分布。從圖9給出的6月1日21—22時(shí)的1 h累計(jì)降水可以看出，降水雨帶主要呈東北—西南走向，降水中心主要在湖南湖北交界和湖北中部區(qū)域，1 h降水量達(dá)到25 mm以上，21時(shí)在監(jiān)利附近1 h降水達(dá)到了50 mm以上，模式向后預(yù)報(bào)1 h后，CTRL中，在模式只同化雷達(dá)徑向風(fēng)情況下，降水強(qiáng)度和空間分布均與實(shí)況降水存在較大區(qū)別，降水中心位置明顯偏北，且強(qiáng)度偏弱存在非常明顯的空?qǐng)?bào)和漏報(bào)；兩組同化閃電-代理回波和直接同化雷達(dá)回波的試驗(yàn)在降水強(qiáng)度上，較實(shí)況降水量級(jí)偏小，在空間分布上，相較于控制試驗(yàn)，對(duì)監(jiān)利及其附近的強(qiáng)降水區(qū)有一定的反應(yīng)，TEST1的預(yù)報(bào)強(qiáng)度和范圍偏小，位置偏東北。TEST2和TEST1試驗(yàn)相比，降水強(qiáng)度增大較為明顯，且落區(qū)也有一定的南移，與實(shí)況更為接近，和TEST3相比，降水落區(qū)和強(qiáng)度接近。

圖9 2015年6月1日21—22時(shí)1 h累計(jì)降水量分布(a)OBS,(b)CTRL,(c)TEST1,(d)TEST2,(e)GEST3Fig.9 The 1 h accumulated precipitation amount distribution from 21:00 BT to 22:00 BT 1 June 2015(a) OBS, (b) CTRL, (c) TEST1, (d) TEST2, (e) GEST3

圖10給出了6月1日22時(shí)至2日02時(shí)的3 h累計(jì)降水影響。從觀測(cè)來(lái)看，在以監(jiān)利為中心的湖北和湖南交界處存在降水中心，控制試驗(yàn)中，降水雨帶呈東北—西南向，中心落區(qū)沒(méi)有落在監(jiān)利附近，而是明顯向東北偏移，預(yù)報(bào)強(qiáng)度和范圍偏大；TEST1、TEST2和TEST3對(duì)降水落區(qū)均有一定的修正作用，與控制試驗(yàn)相比，對(duì)發(fā)生在以監(jiān)利為中心的強(qiáng)降水區(qū)域，向南有所調(diào)整，與實(shí)況降水較為吻合，且強(qiáng)度接近，降低了漏報(bào)率。TEST2與TEST1在降水落區(qū)上較為接近，有一定的向南調(diào)整，更接近實(shí)況，降水中心強(qiáng)度預(yù)報(bào)增大，與TEST3降水落區(qū)、范圍和強(qiáng)度較為接近。同化閃電-代理回波的兩種方案，對(duì)降水預(yù)報(bào)有較為明顯的改進(jìn)。

圖10 同圖9，但為1日22時(shí)至2日02時(shí)3 h累計(jì)降水量分布Fig.10 Same as Fig.9, but for the 3 h accumulated precipitation amount distribution from 22：00 BT 1 to 02：00 BT 2 June

3.5 ETS評(píng)分

為了定量評(píng)估四組試驗(yàn)的預(yù)報(bào)效果，圖11給出了按照小時(shí)降水量≥ 0.1 mm，≥ 1 mm，≥ 2 mm，≥ 5 mm，≥10 mm，≥20 mm六個(gè)不同量級(jí)對(duì)四組試驗(yàn)6月1日21時(shí)至2日02時(shí)的逐小時(shí)降水的ETS評(píng)分的結(jié)果?？梢钥吹?，對(duì)于22時(shí)的1 h降水，相較于控制試驗(yàn)，TEST1、TEST2和TEST3的ETS評(píng)分在不同的降水量級(jí)均有較為明顯的提高，隨著預(yù)報(bào)時(shí)效的延長(zhǎng)，三組同化試驗(yàn)的ETS評(píng)分在大部分時(shí)次相較于控制試驗(yàn)有一定的改進(jìn)。三組試驗(yàn)中，TEST2對(duì)ETS評(píng)分的改進(jìn)作用優(yōu)于TEST1，均略差于TEST3。

圖11 2015年6月1日21時(shí)至2日02時(shí)不同降水量級(jí)逐小時(shí)降水ETS評(píng)分(a)≥ 0.1 mm,(b)≥ 1 mm,(c)≥ 2 mm,(d)≥ 5 mm,(e)≥ 10 mm,(f)≥ 20 mmFig.11 The ETS of the forecast hourly precipitation in different precipitation grads for CTRL, TEST1, TEST2 and TEST3 from 21：00 BT 1 to 02：00 BT 2 June 2015(a) ≥ 0.1 mm, (b) ≥ 1 mm, (c) ≥ 2 mm, (d) ≥ 5 mm, (e) ≥ 10 mm, (f) ≥ 20 mm

4 結(jié)論與討論

閃電對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣具有指示作用，獲得本地化的經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)關(guān)系將閃電密度資料轉(zhuǎn)為代理三維雷達(dá)反射率，對(duì)提高閃電的利用效率至關(guān)重要。利用潛熱加熱納近方法同化代理回波，針對(duì)2015年6月1日發(fā)生在長(zhǎng)江中游地區(qū)的強(qiáng)降水過(guò)程，共設(shè)計(jì)了四組試驗(yàn)，開(kāi)展了閃電資料同化對(duì)比試驗(yàn)，比較本地化的閃電-代理回波關(guān)系(孫玉婷等，2019)與GSI閃電-代理回波關(guān)系的優(yōu)劣，并與直接同化雷達(dá)反射率的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。初步得到以下結(jié)論：

(1)由閃電密度轉(zhuǎn)換為三維代理回波，能夠較為準(zhǔn)確地反映實(shí)際觀測(cè)回波信息，起到對(duì)雷達(dá)反射率觀測(cè)很好的補(bǔ)充作用。對(duì)其進(jìn)行同化，獲得了和直接同化雷達(dá)回波相似的結(jié)果。閃電是強(qiáng)對(duì)流活動(dòng)的產(chǎn)物，其轉(zhuǎn)換的雷達(dá)回波更多是代表強(qiáng)對(duì)流區(qū)域附近的信息，并不能全部代替雷達(dá)回波。

(2)新的閃電-代理回波關(guān)系相較于GSI閃電-代理回波關(guān)系，在20—21時(shí)采用潛熱加熱納近同化閃電代理回波之后，有利于對(duì)流的發(fā)展與維持，降水區(qū)雷達(dá)反射率明顯增大，云水、雨水、云冰、雪和霰含量增多，降水也有一定的增強(qiáng)，降水預(yù)報(bào)效果相較于GSI閃電-代理回波關(guān)系，有一定的提高，和直接同化雷達(dá)反射率的預(yù)報(bào)效果較為接近。

(3)通過(guò)代理回波引入的潛熱加熱，使得模式產(chǎn)生對(duì)流并且可以維持與發(fā)展，通過(guò)模式的調(diào)整，不僅可以改進(jìn)觀測(cè)資料所在位置的預(yù)報(bào)，而且還能調(diào)整其他區(qū)域的降水(如湖北西北部的降水空?qǐng)?bào)現(xiàn)象減輕)。采用潛熱加熱納近可以彌補(bǔ)云分析的問(wèn)題，但是在納近過(guò)程中，潛熱加熱的強(qiáng)度如何設(shè)定，是否因個(gè)例不同而不同，需要進(jìn)一步研究。閃電資料同化方法之一是將閃電轉(zhuǎn)化為代理水汽(Fierro et al，2016； Liu et al，2020)，如何將潛熱加熱與水汽相結(jié)合，將是下一步開(kāi)展的研究工作。此外，在閃電資料和雷達(dá)反射率都有觀測(cè)的情況下，目前是優(yōu)先考慮雷達(dá)觀測(cè)的反射率，使用閃電資料彌補(bǔ)雷達(dá)未觀測(cè)的區(qū)域。這種做法部分損失了閃電資料強(qiáng)對(duì)流指示器的作用，如何最優(yōu)結(jié)合這兩種資料，需要采用不同的方法進(jìn)行研究。