曹 倩，雷桂蓮，易艷紅，章毅之，劉良玉，彭王敏子

（1. 江西省氣象科學(xué)研究所，江西 南昌 330096；2. 江西省氣象服務(wù)中心，江西 南昌 330096；3. 江西省宜春市氣象局，江西 宜春 336000）

引 言

颮線是我國主要的災(zāi)害性天氣之一，過境時常帶來短時強降水、雷暴、大風(fēng)、冰雹和龍卷等天氣。颮線伴隨的雷暴大風(fēng)是指大氣對流活動導(dǎo)致的地面及近地面強風(fēng)事件，由于其突發(fā)性強、持續(xù)時間短、致災(zāi)性強，往往給人們生命和財產(chǎn)帶來巨大威脅，是短臨預(yù)報的重點和難點。針對伴隨雷暴大風(fēng)的颮線國內(nèi)外已有很多研究［1-9］，這些研究多基于再分析資料、高分辨率觀測資料或者數(shù)值模擬結(jié)果，診斷分析此類颮線的成因、發(fā)展演變特征以及中尺度結(jié)構(gòu)等，而利用觀測資料改進此類颮線數(shù)值模擬效果的相關(guān)研究較少。數(shù)值模擬成功與否很大程度依賴于初始場的準確度及協(xié)調(diào)性，多普勒天氣雷達資料時空分辨率高，能與中尺度數(shù)值模式分辨率相互匹配［10］，因此，開展多普勒雷達觀測資料同化的相關(guān)研究對提升數(shù)值模擬結(jié)果的準確性有重要意義［11-14］。

近年來，針對同化雷達不同資料對各類天氣的數(shù)值模擬診斷效果開展了很多對比工作。部分研究［15-19］表明同化雷達反射率資料對暴雨天氣的模擬效果優(yōu)于同化徑向風(fēng)資料；而蔣宗孝等［20］對福建地區(qū)一次暴雨過程的模擬試驗表明僅同化雷達徑向風(fēng)資料比僅同化雷達反射率資料的TS 評分要提高更多。沈艷秋等［21］對一次颮線過程的模擬試驗發(fā)現(xiàn)，僅同化徑向風(fēng)資料對小雨、中雨預(yù)報效果更好，而僅同化雷達反射率資料對暴雨預(yù)報效果更好，其原因可能是水汽比風(fēng)對暴雨的發(fā)展更重要。陳鋒等［22］對一次龍卷過程的數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)僅同化雷達徑向風(fēng)資料對龍卷的預(yù)報效果改進作用更大，但用相同方法對一次颮線的模擬［23］卻發(fā)現(xiàn)，僅同化雷達反射率因子更能有效改進颮線邊界層特征的模擬，從而改善模式對颮線發(fā)展演變過程的模擬效果。上述研究雖一致表明同化雷達徑向風(fēng)資料能有效改善初始風(fēng)場信息，同化雷達反射率資料能顯著改善初始水汽場，同時同化兩種資料效果最佳。但是，何種觀測資料改進效果更顯著以及這兩種觀測資料改進作用是否穩(wěn)定還有許多不確定性，仍需進一步試驗和探討。

2018 年3 月4 日午后江西省出現(xiàn)一次罕見的颮線天氣過程，其強度強、影響范圍大、致災(zāi)性強，為江西省有氣象記錄以來最強的雷暴大風(fēng)過程。本文選用中尺度模式WRF（weather research and fore?casting）及其3D-Var（three-dimensional data assimila?tion）同化系統(tǒng)，針對這次颮線過程開展同化雷達不同資料的數(shù)值模擬試驗研究，探討同化雷達不同資料對颮線發(fā)展演變過程預(yù)報的影響，并剖析預(yù)報差異原因，以期為此類颮線天氣預(yù)報提供有益借鑒。

1 試驗設(shè)計和方法介紹

1.1 試驗設(shè)計及資料

采用WRF V3.9.1 及其3D-Var 作為預(yù)報模式和資料同化系統(tǒng)。模擬采用雙重嵌套網(wǎng)格，中心位置為114°E，30°N；內(nèi)外層網(wǎng)格數(shù)分別為301×301和391×397，對應(yīng)網(wǎng)格距分別為9 和3 km；垂直方向分為不等距的50 層，模式頂層氣壓50 hPa。兩層網(wǎng)格基本采用相同的物理參數(shù)化方案：Monin-Obukhov 地表方案、WDM6 云微物理方案、Dudhia短波輻射方案、YSU 邊界層方案、Noah 陸面過程方案、RRTM 長波輻射方案。在第一重嵌套中使用Kain-Fritsch 積云對流方案，第二重嵌套中關(guān)閉此方案。

背景場資料為1°×1°的NCEP FNL 資料，每天提供02：00（北京時，下同）、08：00、14：00 和20：00 的4次分析數(shù)據(jù)。初始場和邊界場由FNL 資料通過WPS模塊插值得到。

首先選取2018 年3 月4 日02：00 作為起始時間，內(nèi)外層均采用WRF 模式均做10 h 的spin-up 預(yù)報至12：00；然后設(shè)置4個試驗探究同化雷達不同觀測資料對本次颮線過程預(yù)報的影響，試驗設(shè)計見表1。

表1 試驗設(shè)計Tab.1 Experimental scheme

4 個試驗結(jié)果輸出時間間隔均為60 min，采用第二層網(wǎng)格結(jié)果進行分析。同化使用的背景場誤差協(xié)方差矩陣通過NMC（National Meteorological Center）定義的方法［24］計算而得，即針對2018年3月1—31 日，每天從08：00 和20：00 分別預(yù)報12 h 和24 h，把同一時刻不同時效預(yù)報值之差的統(tǒng)計結(jié)果作為背景場誤差協(xié)方差矩陣。

雷達資料包括江西南昌、宜春、景德鎮(zhèn)、上饒和撫州5部多普勒天氣雷達資料。雷達資料在進入數(shù)值模式前首先通過ARPS 模式中的88d2arps 模塊進行去除距離折疊和地物雜波、速度退模糊等質(zhì)量控制。

文中附圖涉及地圖均基于國家測繪地理信息局標準地圖服務(wù)網(wǎng)站下載的審圖號為GS（2019）3082號的標準地圖制作，底圖無修改。

1.2 同化方法

1.2.1 同化雷達徑向風(fēng)

采用直接同化方式同化雷達徑向風(fēng)，觀測算子［13］表示如下：

式中：Vr（m·s-1）為雷達徑向風(fēng)；u，v，w（m·s-1）為模式三維風(fēng)場；x，y，z為雷達站位置；xi，yi，zi為雷達觀測目標i位置；ri（m）為觀測目標i到雷達的距離；vT（m·s-1）為降水粒子下降末速度；qr（g·kg-1）為雨水混合比；a為修正因子；pˉ（hPa）為氣壓的基本狀態(tài)；P0（hPa）是地面氣壓。

1.2.2 同化雷達反射率

在WRF-3DVar同化系統(tǒng)中，有直接同化雷達反射率［14］和間接同化雷達反射率［25］的方法。直接同化雷達反射率的觀測算子是非線性的，該觀測算子線性化的有效性取決于背景場精度［26］，當(dāng)背景場太干時，觀測算子線性化過程會存在很大誤差［27］。本次個例颮線發(fā)生在中上層異常偏干環(huán)境中［28］，因此采用間接同化雷達反射率方法探討同化效果。

結(jié)合GAO 等［29］提出的分類同化方案和WANG等［25］提出的雷達反射率間接同化方案，將雷達反射率分別反演成雨水、雪和霰粒子的混合比以及由雷達反射率因子估算的水汽作為觀測同化。等效雷達反射率Ze（mm6·m-3）與雨水混合比qr、雪混合比qs、霰混合比qh（g·kg-1）之間的關(guān)系如下：

式中：Z（qr）、Z（qs）、Z（qh）（mm6·m-3）分別為等效雷達反射率因子的雨水分量、雪分量、冰雹分量；ZdB（dBZ）是觀測的雷達反射率因子；ρ（kg·m-3）是空氣密度；Tb（℃）是模式背景場溫度；α在0~1 之間線性變化。給出一個雷達反射率值，通過公式（4）~（8）即可反演出對應(yīng)的雨水、雪和霰粒子的混合比來進行同化。

同化估算水汽［25］的方法：當(dāng)雷達反射率大于給定閾值（設(shè)置為30 dBZ）時，假定云中相對濕度是100%，即此時雷達觀測點的水汽值等于飽和水汽，計算出該點的飽和水汽作為一種觀測資料來同化，觀測算子如下：

式中：qv（g·kg-1）是水汽混合比；rh（%）是相對濕度；qsat（g·kg-1）是水汽飽和比。將其線性化后：

式中：es（hPa）為飽和水汽壓；c1=6.112，c2=17.67，c3=243.5，ε=0.622。將公式（11）和（12）代入（10），并忽略飽和水汽壓隨氣壓擾動分布的極小項，即可得到同化估算水汽的線性觀測算子：

2 天氣概況

2018 年3 月4 日江西中北部出現(xiàn)罕見強颮線天氣，該過程雷暴大風(fēng)的范圍、強度均位居江西有完整氣象記錄以來首位，屬于低層暖平流強迫類強對流天氣［30］。

受此次颮線過程影響，3 月4 日13：00—18：00，江西中北部共60 站發(fā)生8 級以上雷暴大風(fēng)，20 站出現(xiàn)10 級以上陣風(fēng)，廬山、進賢和湖口站陣風(fēng)超過12級，其中樂平市塔山工業(yè)園站16：28 瞬時最大風(fēng)速達40.8 m·s-1（13 級）。由雷達組合反射率拼圖演變發(fā)現(xiàn)，強對流回波在4 日凌晨（圖略）于廣西形成并逐步東移發(fā)展，約12：36，北側(cè)強回波進入江西萍鄉(xiāng)，南側(cè)短颮線前側(cè)有對流單體新生［圖1（a）］；13：12，北側(cè)強颮線與南側(cè)新生對流單體合并，形成水平尺度達200 km 的西北—東南向回波，最強回波超過50 dBZ［圖1（b）］。此后，西北—東南向線狀回波尺度增大并逐漸演變成弓形，14：00 呈現(xiàn)出標準的弓形回波，最大反射率因子超過55 dBZ［圖1（c）］。此時環(huán)境風(fēng)場（圖略）上，850~500 hPa平均氣流為強西南風(fēng)，與回波走向垂直，颮線移速約90 km·h-1，強回波所經(jīng)之處出現(xiàn)大范圍區(qū)域性8~9 級大風(fēng)，局地達10 級。15：00［圖1（d）］，颮線演變成一個水平尺度達300 km 的西北—東南向大弓形。此后，回波維持其尺度和強度繼續(xù)向東北方向移動，江西中北部出現(xiàn)大范圍8~10 級大風(fēng)，局部10~13 級；18：00 颮線移出江西。

圖1 2018年3月4日實況觀測的雷達組合反射率（單位：dBZ）演變（a）12：36，（b）13：12，（c）14：00，（d）15：00Fig.1 Evolution of observed radar composite reflectivity（Unit：dBZ）on March 4，2018（a）12：36 BST，（b）13：12 BST，（c）14：00 BST，（d）15：00 BST

3 預(yù)報結(jié)果對比和檢驗

3.1 地面大風(fēng)

這次颮線過程的罕見特征是8 級以上（大于等于17.2 m·s-1）大風(fēng)覆蓋范圍非常大。圖2為觀測和各試驗預(yù)報的3 月4 日13：00—17：00 江西省8 級以上大風(fēng)分布?？梢钥闯觯R線主要影響江西中北部，有3 個12 級以上（32.7 m·s-1）大風(fēng)中心，均在上饒市鄱陽湖附近區(qū)域，最大風(fēng)速達40.8 m·s-1［圖2（a）］。NODA試驗預(yù)報的大風(fēng)區(qū)域明顯偏離實況，且預(yù)報大風(fēng)范圍偏?。蹐D2（b）］；DAVE 試驗［圖2（d）］8 級以上大風(fēng)范圍預(yù)報較NODA 試驗有明顯改善，在鄱陽湖附近預(yù)報出3 個12 級以上大風(fēng)中心，但范圍和極大值較實況偏?。籇ARF 試驗［圖2（c）］在鄱陽湖附近未預(yù)報出大風(fēng)區(qū)域，但在實況中未出現(xiàn)大風(fēng)的江西中部區(qū)域空報出一片虛假大風(fēng)，該試驗預(yù)報的大風(fēng)相對于NODA 試驗較實況差距更大，僅同化雷達反射率對大風(fēng)預(yù)報起反效果；但聯(lián)合同化雷達反射率與徑向風(fēng)后，模式較準確地再現(xiàn)了大風(fēng)區(qū)域的位置和范圍，出現(xiàn)3 個范圍和位置均與實況接近的12級以上大風(fēng)中心（中心值為38.8 m·s-1）［圖2（e）］?？梢姡煌走_徑向風(fēng)能有效改善地面大風(fēng)預(yù)報；只同化雷達反射率對地面大風(fēng)預(yù)報起反效果；同化雷達反射率時聯(lián)合同化雷達徑向風(fēng)資料后，對地面大風(fēng)預(yù)報效果有明顯改善。

圖2 觀測及各試驗預(yù)報的2018年3月4日13：00—17：00江西省8級以上大風(fēng)（單位：m·s-1）分布（a）觀測，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARVFig.2 The distribution of gale greater than grade 8 observed and forecasted by different experiments in Jiangxi from 13：00 BST to 17：00 BST March 4，2018（Unit：m·s-1）（a）observation，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARV

3.2 雷達組合反射率

圖3是觀測和各試驗預(yù)報的雷達組合反射率。可以看出，實況中颮線由直線型回波逐漸演變成弓形回波并向東北方向移動，颮線后側(cè)有層狀云區(qū)；NODA 試驗預(yù)報出不連續(xù)強回波帶，回波強度總體偏強且颮線后側(cè)未出現(xiàn)層狀云區(qū)；DAVE 試驗較好地預(yù)報出颮線南側(cè)回波帶及其運動趨勢，但北側(cè)強回波帶未預(yù)報出，尤其16：00 北側(cè)強回波帶基本消失；DARF試驗預(yù)報的14：00強回波帶與實況基本一致，但隨著積分時間增加強回波帶移動速度緩慢且颮線前側(cè)出現(xiàn)虛假層狀云區(qū)，預(yù)報結(jié)果與實況有較大偏差；DARV 試驗預(yù)報的強回波帶強度和分布與實況最相近，回波移動方向和速度也與實況較一致，但強度比實況略偏強，層狀云區(qū)范圍比實況偏小。

圖3 2018年3月4日觀測和各試驗預(yù)報的雷達組合反射率（單位：dBZ）Fig.3 Observed and forecasted radar composite reflectivity by different experiments on March 4，2018（Unit：dBZ）

為客觀對比不同雷達資料同化對雷達組合反射率預(yù)報的影響，對預(yù)報的逐小時雷達組合反射率（大于等于40 dBZ）做TS 評分（圖略），結(jié)果顯示NODA 試驗TS 評分僅在0.15左右，說明NODA 試驗未能較好預(yù)報颮線強對流區(qū)的強度和位置；DARF試驗14：00 TS 評分高達0.38，但隨著預(yù)報時間延長評分快速降低，預(yù)報的雷達反射率強度和位置與實況有明顯偏差；DAVE試驗初始時刻評分不如DARF試驗，但TS 評分下降速度慢，15：00 和16：00 TS 評分都比DARF 試驗高，且整個積分時段均高于其他試驗。

綜上所述，僅同化雷達徑向風(fēng)能改善模式對本次颮線雷達組合反射率的預(yù)報；僅同化雷達反射率不能穩(wěn)定改善模式對雷達組合反射率的預(yù)報；當(dāng)聯(lián)合同化雷達反射率與徑向風(fēng)資料后顯著改進了模式對颮線發(fā)展演變過程中雷達組合反射率的預(yù)報效果，此時雷達反射率的同化起到顯著正效果。

3.3 地面降水

圖4為實況和各試驗預(yù)報的2018 年3 月4 日13：00—16：00 的累計降水量。從圖4（a）看出，降水主要分布在贛東北區(qū)域，雨帶呈東北—西南向，最大降水中心位于上饒市鄱陽湖附近區(qū)域，最大降水量38 mm，這次颮線過程降水范圍和強度均不大。NODA試驗［圖4（b）］預(yù)報的強降水中心區(qū)域在景德鎮(zhèn)北部附近，降水范圍較實況偏大，鄱陽湖附近區(qū)域降水量小于30 mm；DAVE 試驗［圖4（d）］預(yù)報較NODA 試驗有明顯改善，鄱陽湖附近區(qū)域出現(xiàn)降水大值區(qū)，但預(yù)報的降水范圍較實況偏大；DARF 試驗［圖4（c）］在高安附近預(yù)報出較大范圍強降水區(qū)，這與其預(yù)報的強對流回波帶移動緩慢相呼應(yīng)，該試驗預(yù)報的降水相對于NODA 試驗較實況差距更大，僅同化雷達反射率對降水預(yù)報起反效果；但是當(dāng)同化雷達反射率時聯(lián)合同化雷達徑向風(fēng)后，準確預(yù)報出降水位置和范圍，但降水強度較實況偏弱［圖4（e）］。

圖4 觀測和各試驗預(yù)報的2018年3月4日13：00—16：00的3 h累計降水量（單位：mm）分布（a）觀測，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARVFig.4 The distribution of 3-hour accumulated rainfall observed and forecasted by different experiments from 13：00 BST to 16：00 BST March 4，2018（Unit：mm）（a）observation，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARV

可見，只同化雷達徑向風(fēng)能部分改善降水預(yù)報；只同化雷達反射率對地面降水預(yù)報起反效果；同化雷達反射率時聯(lián)合同化雷達徑向風(fēng)資料后，雷達反射率的加入能改進模式對地面降水的模擬。

4 預(yù)報差異原因

4.1 初始分析場

4.1.1 雷達回波和水成物分布

圖5為觀測和4 組試驗初始分析場的雷達組合反射率，圖6 為沿圖5 中藍色實線的雷達組合反射率垂直剖面。觀測顯示：4日13：00江西宜春西部出現(xiàn)45 dBZ 以上的颮線強回波帶，反射率因子最大達55 dBZ 以上，颮線后側(cè)出現(xiàn)大范圍層狀云區(qū)［圖5（a）］；從垂直結(jié)構(gòu)看，此次颮線過程強對流系統(tǒng)不深厚，30 dBZ 以上回波從地面僅伸展到550 hPa，但層狀云區(qū)延伸到颮線強對流區(qū)后側(cè)160 km，颮線前側(cè)有新對流單體觸發(fā)新生［圖6（a）］。NODA試驗表現(xiàn)為一條斷裂的強回波帶，未出現(xiàn)層狀云區(qū)［圖5（b）］；強對流系統(tǒng)明顯偏強，30 dBZ 以上回波頂高達300 hPa［圖6（b）］。DARF 試驗明顯訂正了雷達反射率的分布和量級，基本再現(xiàn)了觀測中出現(xiàn)的強對流區(qū)和層狀云區(qū)［圖5（c）、圖6（c）］。DAVE試驗僅對強對流區(qū)的強度進行了調(diào)整，強回波帶依舊不連續(xù)，且層狀云區(qū)范圍很小［圖5（d）、圖6（d）］。DARV 試驗對強對流區(qū)和層狀云區(qū)雷達反射率因子均進行了調(diào)整，并在颮線前側(cè)出現(xiàn)新生單體［圖5（e）、圖6（e）］。

圖5 2018年3月4日13：00觀測及各試驗初始分析場的雷達組合反射率（單位：dBZ）（藍色實線是垂直于颮線的剖面線）（a）觀測，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARVFig.5 The radar composite reflectivity（Unit：dBZ）of observation and initial analysis fields of different experiments at 13：00 BST March 4，2018（The solid blue lines are section lines perpendicular to the squall line）（a）observation，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARV

圖6 2018年3月4日13：00觀測和各試驗初始分析場的雷達反射率（填色區(qū)，單位：dBZ）、霰混合比（黑色等值線，單位：g·kg-1）沿圖5中藍色實線的垂直剖面（黑色點線為0 ℃等溫線。下同）（a）觀測，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARVFig.6 Vertical cross sections of radar composite reflectivity（color shaded，Unit：dBZ）and graupel mixing ratio（black contours，Unit：g·kg-1）of observation and initial analysis fields of different experiments along the blue line in Fig.5 at 13：00 BST March 4，2018（The black dotted line is 0 ℃isotherm. the same as bellow）（a）observation，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARV

對比各試驗初始分析場的水成物垂直分布（圖6、圖7），發(fā)現(xiàn)NODA 試驗在颮線強對流區(qū)對流層中上層，霰粒子垂直分布廣且中心極值大；對流層中下層，雨水垂直分布廣且中心極值大。DAVE試驗對流層中上層霰粒子混合比和對流層中下層雨水混合比較NODA 試驗均明顯減小。DARV 試驗和DARF 試驗?zāi)M的水成物垂直分布較相似，強對流區(qū)對流層上層霰粒子分布范圍小且極值小，這與實況中雷達強回波帶不強相對應(yīng)；雪在強對流區(qū)主要分布在700 hPa 以上，在層狀云區(qū)分布在850~600 hPa，極值出現(xiàn)在強對流區(qū)700 hPa 附近，中心最高達4.5 g·kg-1；雨水主要分布在600 hPa以下，強對流區(qū)雨水垂直分布廣且含量高。不同的是，DARV試驗在颮線前側(cè)900~650 hPa 高度內(nèi)出現(xiàn)雨水分布（約0.2 g·kg-1），這與實況中颮線前側(cè)新生單體對應(yīng)。

圖7 2018年3月4日13：00各試驗初始分析場的雨水（黑色等值線）、雪（填色區(qū)）混合比（單位：g·kg-1）沿圖5中藍色實線的垂直剖面（a）NODA，（b）DARF，（c）DAVE，（d）DARVFig.7 Vertical cross sections of rain water（black contours）and snow（color shaded）mixing ratio（Unit：g·kg-1）of initial analysis fields of different experiments along the blue line in Fig.5 at 13：00 BST March 4，2018（a）NODA，（b）DARF，（c）DAVE，（d）DARV

4.1.2 熱力和動力特征

圖8為2018 年3 月4 日13：00 觀測和各試驗初始分析場宜春多普勒雷達0.5°仰角徑向速度。多普勒雷達利用多普勒效應(yīng)探測徑向風(fēng)，只在降水粒子出現(xiàn)地方才有雷達徑向風(fēng)觀測，因此其缺測范圍較大［圖8（a）］，颮線后側(cè)出現(xiàn)大范圍負速度區(qū)，表明颮線后側(cè)存在明顯的后側(cè)入流急流區(qū)；NODA 試驗也在颮線發(fā)生位置出現(xiàn)負速度區(qū)，但范圍和強度與實況有明顯差別［圖8（b）］；DARF 試驗僅對雷達徑向風(fēng)分布有微弱調(diào)整，對強度改進不明顯［圖8（c）］；DAVE 試驗相對于NODA 試驗有顯著改善，颮線后側(cè)出現(xiàn)大范圍負速度區(qū)，颮線前側(cè)有小范圍正速度區(qū)，模擬出了大范圍后側(cè)入流急流［圖8（d）］；DARV 試驗在聯(lián)合同化雷達反射率和徑向風(fēng)后，初始分析場的雷達徑向風(fēng)強度和范圍均最接近實況［圖8（e）］。

圖8 2018年3月4日13：00觀測和各試驗初始分析場中宜春多普勒雷達0.5o仰角徑向速度（單位：m·s-1）（黑色五角星代表雷達位置）（a）觀測，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARVFig.8 The radial velocity（Unit：m·s-1）on the elevation of 0.5ofrom Yichun Doppler radar and its simulations in initial analysis fields of different experiments at 13：00 BST March 4，2018（The black star is location of the radar station）（a）observation，（b）NODA，（c）DARF，（d）DAVE，（e）DARV

假相當(dāng)位溫（θse）是表征熱力條件的溫濕特征參數(shù)。NODA試驗［圖9（a）］初始分析場中假相當(dāng)位溫等值線較平直，積蓄了較高能量，對強對流天氣發(fā)生發(fā)展有一定作用。DARF 試驗［圖9（b）］相比NODA 試驗有明顯變化，颮線強對流區(qū)113.8°E 處有一條高能舌伸向?qū)α鲗由蠈樱覍α鲗由蠈訉?yīng)正溫度擾動大值區(qū)，這種正溫度擾動在維持對流發(fā)展中起重要作用；颮線后側(cè)近地面形成較大范圍冷池，這由強對流區(qū)和層狀云區(qū)降水形成，有利于在颮線前側(cè)觸發(fā)新對流，使得颮線維持并向前移動。DAVE 試驗較NODA 試驗有較小改變，在颮線前側(cè)模擬出一條伸向550 hPa的高能舌，且颮線后側(cè)形成的冷池強度不強［圖9（c）］。DARV 試驗［圖9（d）］同DARF 試驗相似，但對流層上層存在2 個正溫度擾動大值區(qū)，說明颮線前側(cè)有新對流單體觸發(fā)新生，這更符合實況。

圖9 2018年3月4日13：00各試驗初始分析場的假相當(dāng)位溫（等值線）和擾動位溫（填色區(qū)）沿圖5中藍色實線的垂直剖面（單位：K）（a）NODA，（b）DARF，（c）DAVE，（d）DARVFig.9 Vertical cross sections of pseudo-equivalent potential temperature（contours）and perturbation potential temperature（color shaded）along the blue line in Fig.5 in initial analysis fields of different experiments at 13：00 BST March 4，2018（Unit：K）（a）NODA，（b）DARF，（c）DAVE，（d）DARV

可見，雷達反射率同化是將雷達反射率首先反演成雨水、雪和霰粒子以及由其估算云中水汽后再同化，能夠有效調(diào)整模式初始分析場的水成物場和熱力場，但對動力場調(diào)整微弱；雷達徑向風(fēng)同化是通過三維變分技術(shù)直接調(diào)整初始分析風(fēng)場，對水成物場和熱力場調(diào)整不明顯；聯(lián)合同化雷達反射率和徑向風(fēng)可以綜合調(diào)整初始動力場、水成物和熱力場，初始分析場總體最符合實況。

4.2 模擬的多層風(fēng)場和雷達反射率

環(huán)境風(fēng)場是這次颮線過程產(chǎn)生極端大風(fēng)且移速快的重要原因［27，29］。4 日15：00 颮線發(fā)展成熟，其形狀為標準的西北—東南向大弓形［圖1（d）］，借助該時刻觀測和模擬的200、500 和850 hPa 各層雷達反射率，NODA 試驗?zāi)M的各層風(fēng)場和3 組同化試驗?zāi)M的水平風(fēng)增量場（圖10），分析同化雷達不同資料對多層風(fēng)場和雷達反射率預(yù)報的影響，以探究預(yù)報結(jié)果差異原因。觀測顯示，200、500 和850 hPa 雷達反射率均表現(xiàn)為弓形，850 hPa 高度颮線后側(cè)出現(xiàn)明顯層狀云區(qū)。NODA 試驗?zāi)M的各層雷達反射率都偏強，回波為斷裂的南北兩段回波，其形態(tài)未呈弓形且未模擬出颮線后側(cè)的層狀云區(qū)，各層風(fēng)場均表現(xiàn)為一致的西南氣流。DARF 試驗在850 hPa 上模擬出連續(xù)的西北—東南向直線型強回波帶，颮線前側(cè)出現(xiàn)虛假層狀云區(qū)，但在颮線后側(cè)未模擬出實況中出現(xiàn)的層狀云區(qū)；對流層中上層200 hPa和500 hPa颮線前后均模擬出大范圍層狀云區(qū)，與實況有較大差距，這是因為200 hPa 高度出現(xiàn)輻散的風(fēng)場增量，將對流層低層輸送來的水成物向強回波區(qū)前后輸送，導(dǎo)致颮線前后形成較大范圍層狀云區(qū)。因此，循環(huán)同化雷達反射率后，首先影響大氣水成物場和熱力場，水成物的潛熱釋放加熱對流層上層，導(dǎo)致高層出現(xiàn)虛假輻散風(fēng)場增量，進而在颮線前側(cè)出現(xiàn)虛假層狀云區(qū)。但模擬的低層風(fēng)場偏弱，使得颮線強回波帶移動緩慢且未演變成弓形；同時模擬的中低層后側(cè)入流氣流有所削弱，這是該試驗對地面大風(fēng)預(yù)報起反效果的原因之一。DAVE 試驗相比NODA 試驗在500 hPa 和850 hPa 強回波區(qū)后側(cè)出現(xiàn)西南風(fēng)增量，有利于回波向弓形發(fā)展及改善地面大風(fēng)預(yù)報。相比之下，DARV 試驗同DAVE 試驗在颮線后側(cè)對流層中下層出現(xiàn)明顯后側(cè)入流急流，但對比DARF 試驗颮線前側(cè)對流層上層200 hPa 未出現(xiàn)西南風(fēng)增量。同時同化雷達反射率和徑向風(fēng)后模擬的雷達反射率雖然強度比實況偏強、層狀云區(qū)范圍偏小，但基本模擬出與實況一致的弓形回波；模擬中出現(xiàn)的對流層中低層增強的后側(cè)入流能有效改善地面大風(fēng)模擬效果。

圖10 2018年3月4日15：00觀測和模擬的雷達反射率因子（填色區(qū)，單位：dBZ）和NODA試驗?zāi)M的風(fēng)場（風(fēng)矢，單位：m·s-1），以及DARF、DAVE、DARV同化試驗相對于NODA的風(fēng)場增量（風(fēng)矢，單位：m·s-1）Fig.10 Observed and simulated radar reflectivity factor（color shaded，Unit：dBZ）and wind fields（vectors，Unit：m·s-1）simulated by NODA，wind field increment（vectors，Unit：m·s-1）simulated by DARF and DAVE and DARV compared with NODA at 15：00 BST 4 March，2018

只同化雷達反射率后，熱力場對動力場的反饋作用不真實，對風(fēng)場調(diào)整不符合實際，預(yù)報的雷達組合反射率、地面大風(fēng)和降水與實況有很大偏差；聯(lián)合同化雷達反射率與徑向風(fēng)資料后，對動力、水成物和熱力場調(diào)整更符合實際，隨著預(yù)報時間延長，動力、熱力和水成物場的演變也更符合實際，增強的中低層后側(cè)入流有利于地面大風(fēng)形成及回波演變成弓形，最終預(yù)報的雷達組合反射率、地面大風(fēng)及降水最接近實況。

4.3 模擬的颮線系統(tǒng)邊界層特征

低層風(fēng)垂直切變和冷池是影響颮線發(fā)展、維持及移動的重要邊界層特征［31-32］。選擇500 m 和3500 m高度風(fēng)場近似計算0~3 km風(fēng)垂直切變，并以近地面小時變溫判斷冷池，對比分析同化雷達不同資料對颮線邊界層特征模擬的影響，進一步探討預(yù)報結(jié)果存在差異的可能原因。

圖11是NODA 和3 個同化試驗?zāi)M的逐小時風(fēng)垂直切變。對比實際颮線分布（圖2），NODA試驗?zāi)M的風(fēng)垂直切變未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。DARF 試驗在颮線前側(cè)沒有明顯的風(fēng)垂直切變大值區(qū)；同時伴隨冷池的后向出流，近地面西南氣流被削弱（圖略），颮線后方出現(xiàn)風(fēng)垂直切變大值區(qū)。DAVE 試驗在颮線前50~100 km 處出現(xiàn)風(fēng)垂直切變值大于18 m·s-1區(qū)域，這和許多研究結(jié)論一致［23，31-33］；颮線后方出現(xiàn)風(fēng)垂直切變大值區(qū)，但與DARF 試驗不同的是此時近地面西南風(fēng)依舊較大（圖略），表明颮線后側(cè)出現(xiàn)的風(fēng)垂直切變大值區(qū)源于雷達徑向風(fēng)的同化，同化雷達徑向風(fēng)資料后增大了3 km 高度風(fēng)速，進而使得風(fēng)垂直切變增大。DARV 與DAVE 試驗，颮線前側(cè)和后側(cè)均出現(xiàn)風(fēng)垂直切變大值區(qū)，且近地面層西南風(fēng)較大（圖略）。此外，DAVE 和DARV 試驗中颮線前側(cè)風(fēng)垂直切變方向與颮線走向基本垂直，有利于颮線發(fā)展和移動?？梢?，雷達徑向風(fēng)同化能有效改進模式對颮線前側(cè)風(fēng)垂直切變的模擬，而雷達反射率因子同化不能改善颮線前側(cè)風(fēng)垂直切變分布。

圖11 2018年3月4日各試驗?zāi)M的0~3 km風(fēng)垂直切變矢量（箭頭）和大小(填色區(qū)，單位：m·s-1)逐小時演變Fig.11 The hourly evolution of 0-3 km vertical wind shear vector(arrows)and vertical wind shear speed(color shaded,Unit:m·s-1)simulated by different experiments on March 4,2018

從圖12可以看到，實況中颮線后側(cè)存在明顯冷池，冷池中心強度低于-10 ℃，強冷池的存在是地面大風(fēng)形成的重要原因［7，28，34-35］。NODA 試驗?zāi)M的冷池位置和強度與實況有較大偏差。DARF 試驗?zāi)M的冷池沒有明顯改進，冷池強度較NODA 試驗更弱，這是同化雷達反射率對地面大風(fēng)預(yù)報起明顯反效果的重要原因；DAVE 試驗?zāi)M的冷池在位置和強度上有明顯改進，同化雷達徑向風(fēng)能改善地面大風(fēng)預(yù)報效果。DARV 試驗在聯(lián)合同化雷達反射率與徑向風(fēng)后，模擬的冷池與實況很接近，出現(xiàn)-10 ℃冷池中心；且伴隨強冷池出流（圖略），一方面有利于觸發(fā)新風(fēng)暴單體，另一方面有利于產(chǎn)生罕見地面大風(fēng)?？梢?，同化雷達徑向風(fēng)，通過改變水成物傳輸過程改變水成物分布，進而改進伴隨降水的蒸發(fā)冷卻過程，最終改進近地面冷池的模擬；同化雷達反射率雖然能夠改進初始水成物場和熱力場，但是若沒有真實的動力場配合，隨著積分時間推進，熱力場對動力場的雙向反饋作用不符合實際，最終無法改進模式對地面冷池的模擬；在同化雷達反射率時聯(lián)合同化雷達徑向風(fēng)，模式的動力場、水成物場和熱力場得到綜合調(diào)整，模擬的近地面層冷池最接近實況，進而預(yù)報的地面大風(fēng)與實況相近。

圖12 2018年3月4日觀測和各試驗?zāi)M的小時地面變溫場（單位：℃）Fig.12 Observed and simulated hourly surface variable temperature fields of different experiments on March 4，2018（Unit：℃）

綜上可見，僅同化雷達徑向風(fēng)能部分改進模式對颮線邊界層特征的模擬，僅同化雷達反射率不能改進颮線邊界層特征的模擬；當(dāng)同化雷達反射率時聯(lián)合同化雷達徑向風(fēng)能明顯改善颮線發(fā)展演變過程中邊界層特征的模擬，這也是預(yù)報的雷達組合反射率、地面大風(fēng)及降水效果得到明顯提升的關(guān)鍵因素。

5 結(jié) 論

針對2018 年3月4日發(fā)生在江西的罕見強颮線天氣，利用WRF 中尺度模式及其3D-Var 同化系統(tǒng)，探討不同雷達資料同化對伴隨極端雷暴大風(fēng)颮線模擬的影響。主要結(jié)論如下：

（1）僅同化雷達徑向風(fēng)能有效調(diào)整初始動力場，且間接修正水成物場和熱力場，隨著積分時間增加，動力場和熱力場的雙向反饋較合理，有效改進颮線邊界層特征和各層風(fēng)場等的預(yù)報結(jié)果，同時對流層中低層后側(cè)入流增強，進而改進模式對颮線發(fā)展演變過程中雷達組合反射率、地面大風(fēng)及降水的預(yù)報效果。

（2）僅同化由雷達反射率反演的雨水、雪和霰粒子及由其估算的水汽對初始水成物場和熱力場影響較大，但對動力場調(diào)整微弱，隨著積分時間增加，熱力場對動力場的反饋作用不真實，高層出現(xiàn)虛假輻散風(fēng)場，導(dǎo)致颮線前側(cè)模擬出虛假層狀云區(qū)。只同化雷達反射率因子，不能改進颮線邊界層特征模擬，模擬的地面冷池更弱，對流層中低層后側(cè)入流未得到增強，對颮線發(fā)展演變過程中雷達組合反射率的預(yù)報未能起到穩(wěn)定正效果，尤其對地面大風(fēng)和降水預(yù)報起明顯反效果。

（3）聯(lián)合同化雷達反射率與徑向風(fēng)資料后，綜合修正了初始動力、熱力和水成物場，保證初始物理量場更符合實際，隨著積分時間推進，形成有利于強颮線發(fā)生的垂直風(fēng)切變和三維風(fēng)場結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生與實況非常接近的強冷池。同時同化兩種資料后，模式對颮線發(fā)展演變過程的雷達組合反射率、地面大風(fēng)和降水預(yù)報結(jié)果，相對于僅同化雷達徑向風(fēng)試驗更接近實況，此時雷達反射率的同化起明顯正效果。

單獨同化雷達反射率未能改善本次颮線模擬，但若聯(lián)合同化雷達徑向風(fēng)形成更加符合實況的動力條件與其配合，則同化雷達反射率能顯著改進本次颮線模擬。需要注意的是，本文研究結(jié)論基于一個低層無切變的暖區(qū)颮線，它觸發(fā)于一致的西南急流中，發(fā)生在對流層中層特別干的環(huán)境中，許多強對流指數(shù)都達到同季節(jié)極端情況，鑒于伴隨極端大風(fēng)的颮線發(fā)生機理和初始邊界場準確度不一致，研究結(jié)論還需多個同類個例加以檢驗。