淮河流域一次暴雨過程的衛(wèi)星資料同化試驗(yàn)

陳光舟 婁珊珊 葉金印 張春莉

防汛與抗旱

淮河流域一次暴雨過程的衛(wèi)星資料同化試驗(yàn)

陳光舟 婁珊珊 葉金印 張春莉

一、中尺度數(shù)值模式和同化資料介紹

1.WR F模式介紹

本文采用的 WRF（Weather Research&Forecasting）模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）、國家大氣海洋局（NOAA）的預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室（FSL）、國家大氣環(huán)境研究中心（NCEP）和俄克拉荷馬大學(xué)的風(fēng)暴分析和預(yù)報(bào)中心（CAPS）等多單位聯(lián)合研制和發(fā)展的新一代中尺度預(yù)報(bào)和資料同化模式。該模式提供了一個(gè)研究和業(yè)務(wù)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的通用框架，既適用于1～10km分辨率的模擬，又可用于較低分辨率的業(yè)務(wù)天氣預(yù)報(bào)、區(qū)域氣候預(yù)報(bào)、空氣質(zhì)量模擬和理想化的動(dòng)力學(xué)研究。

本文使用WRF模式三維變分同化方法對(duì)衛(wèi)星AMSU-A和AMSU-B微波輻射率資料進(jìn)行直接同化試驗(yàn)，并將使用衛(wèi)星資料的同化試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果與未使用衛(wèi)星資料的控制試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析檢驗(yàn)。

2.衛(wèi)星資料介紹

本文使用的衛(wèi)星資料是第五代NOAA衛(wèi)星（NOAA-KLM）攜帶的垂直探測(cè)器（ATOVS）微波探測(cè)單元A型（AMSU-A）和B型（AMSU-B）微波輻射率資料。

二、面雨量計(jì)算方法

面雨量（流域平均降雨量）是指一次降雨過程中，整個(gè)流域面上的平均累計(jì)降雨量。最常用的推求方法有算術(shù)平均法、泰森多邊形法和繪制等雨量線法。本文采用泰森多邊形法，首先計(jì)算流域各站的時(shí)段降雨量，然后根據(jù)每個(gè)雨量站所占流域面積權(quán)重，采用加權(quán)法對(duì)流域各雨量站的時(shí)段降雨量進(jìn)行疊加求得。流域平均降雨量的計(jì)算公式為：

式中：ωi為流域內(nèi)各雨量站權(quán)重，無量綱；Pi為流域內(nèi)各雨量站的時(shí)段降雨量，mm；n為流域內(nèi)雨量站的個(gè)數(shù)，無量綱。

本文根據(jù)淮河流域集水區(qū),將流域劃分為15個(gè)子單元分別計(jì)算面雨量（圖1）。

三、暴雨個(gè)例描述

2013年7月4～7日，東北冷渦東移，冷渦后部有冷空氣補(bǔ)充南下，副高穩(wěn)定少變，中低層有切變線由黃淮北部逐漸南壓至江淮地區(qū)，且有西風(fēng)急流配合，受其共同影響，流域自北向南出現(xiàn)較強(qiáng)降水過程。

四、分析與檢驗(yàn)

選取主要降水時(shí)間段2013年7月4日08時(shí)～7月5日08時(shí)，對(duì) AMSU-A和AMSU-B衛(wèi)星資料進(jìn)行直接同化，分析和檢驗(yàn)同化試驗(yàn)相對(duì)控制試驗(yàn)的強(qiáng)降水落區(qū)以及降雨量（面雨量）的模擬結(jié)果。

1.檢驗(yàn)方法

采用TS和ETS評(píng)分2個(gè)檢驗(yàn)量對(duì)降雨量模擬效果進(jìn)行檢驗(yàn)。ETS稱為公平TS評(píng)分，ETS＞0時(shí)，為有技巧模擬；ETS≤0時(shí)，為無技巧模擬；ETS=1時(shí)為最佳模擬。由于公平TS評(píng)分對(duì)空?qǐng)?bào)和漏報(bào)情形都有懲罰，ETS評(píng)分會(huì)顯著低于TS評(píng)分。

將 24 h降雨量分小雨（0.1～9.9mm）、中雨（10.0～24.9mm）、大雨（25.0～49.9mm）、暴雨（>=50.0mm）4個(gè)量級(jí)，對(duì)降雨量模擬結(jié)果分量級(jí)進(jìn)行TS 和ETS評(píng)分。計(jì)算公式如下：

圖1 淮河流域15個(gè)子單元?jiǎng)澐謭D

式中：Na表示模擬命中站數(shù)；Nb表示空?qǐng)?bào)站數(shù)；Nc表示漏報(bào)站數(shù)；Nd表示實(shí)況和模擬都未出現(xiàn)降水的站數(shù)。

2.強(qiáng)降水落區(qū)模擬分析

2013年7月4日08時(shí)至5日08時(shí)，淮河流域大部分地區(qū)出現(xiàn)了降水過程。其中，暴雨區(qū)位于南四湖及沂沭泗部分地區(qū)，大暴雨在沂河和沭河下游地區(qū)（圖2a）。控制試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)的模擬較降水實(shí)況明顯偏大，大暴雨落區(qū)位置較降水實(shí)況偏北（圖2b）；同化AMSU-A和AMSU-B衛(wèi)星資料后，對(duì)暴雨落區(qū)范圍的模擬效果優(yōu)于控制試驗(yàn)，更接近降水實(shí)況，但對(duì)大暴雨落區(qū)的模擬無明顯改進(jìn)（圖2c,d）。

3.不同量級(jí)降水模擬分析

表1為同化試驗(yàn)與控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M的24h降水TS和ETS評(píng)分。AMSU-A同化試驗(yàn)TS評(píng)分高于AMSU-B同化試驗(yàn)，暴雨以下量級(jí)的同化試驗(yàn)TS評(píng)分相對(duì)于控制試驗(yàn)均無正效果；在暴雨量級(jí)，同化試驗(yàn)比控制試驗(yàn)有所改善。各降水量級(jí)的同化試驗(yàn)ETS評(píng)分與控制試驗(yàn)均為非負(fù)值，為有技巧模擬；在中雨和大雨量級(jí)，同化試驗(yàn)ETS評(píng)分低于控制試驗(yàn)；但在小雨和暴雨量級(jí)，同化試驗(yàn)評(píng)分優(yōu)于控制試驗(yàn)，且AMSU-A同化試驗(yàn)評(píng)分高于AMSU-B同化試驗(yàn)。

表1 同化試驗(yàn)與控制實(shí)驗(yàn)?zāi)M的24h降水TS評(píng)分和ETS評(píng)分（量級(jí)單位：mm）

表2 淮河流域15片同化試驗(yàn)、控制試驗(yàn)?zāi)M面雨量與實(shí)況對(duì)比表(單位：mm)

圖2 2013年7月4日08時(shí)～7月5日08時(shí)降水圖

4.面雨量模擬分析

同化試驗(yàn)對(duì)流域15個(gè)子單元（片）的面雨量模擬普遍小于控制試驗(yàn)，與實(shí)況更為接近（表2）。大坡嶺至息縣片以及息縣至王家壩片面雨量實(shí)況均為1mm，兩種同化試驗(yàn)?zāi)M面雨量為0，控制試驗(yàn)?zāi)M面雨量異常偏大，分別為20mm與21mm。南四湖片面雨量實(shí)況為49mm，AMSU-A、AMSU-B同化試驗(yàn)以及控制試驗(yàn)?zāi)M面雨量均接近面雨量實(shí)況，分別為62mm、60mm和61mm。同化衛(wèi)星資料后，數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)流域面雨量模擬效果有所改善。

五、結(jié)論

利用WRF模式三維變分同化系統(tǒng)，對(duì)淮河流域一次暴雨過程進(jìn)行直接同化衛(wèi)星AMSU微波輻射率資料模擬試驗(yàn)，分析同化衛(wèi)星資料后對(duì)強(qiáng)降水落區(qū)和降雨量（面雨量）模擬效果。

（1）衛(wèi)星資料同化試驗(yàn)對(duì)暴雨及大暴雨落區(qū)范圍的模擬比控制試驗(yàn)更接近降水實(shí)況，同化試驗(yàn)較控制試驗(yàn)?zāi)M的暴雨及大暴雨落區(qū)范圍變小。

（2）同化衛(wèi)星資料后，在暴雨量級(jí)同化試驗(yàn)TS評(píng)分及ETS評(píng)分相對(duì)控制試驗(yàn)明顯改善，其中AMSU-A同化試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果好于AMSU-B同化試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果。

（3）同化試驗(yàn)對(duì)流域15個(gè)子單元面雨量的模擬結(jié)果比控制試驗(yàn)偏小，但更接近于降雨實(shí)況

（作者單位：安徽省氣象臺(tái)230031）