掩星探測彎角和折射率同化對數值預報的影響

段華

摘 要：以某臺風為例，采用相應的方式分析掩星探測彎角和折射率同化對數值，明確了掩星探測彎角和折射率同化對臺風的運行路線、臺風的強度、大氣狀況等造成的影響，為臺風預防工作提供了準確的資料，并在一定程度上降低了臺風造成的損失。

關鍵詞：臺風；折射率；彎角；無線電掩星探測

中圖分類號：P457.8 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2017.01.075

在實際的掩星探測彎角和折射率同化對數值預報的影響研究中，掩星探測資料有很多優勢——能夠為數值天氣預報、環境監測、氣候變化等工作的開展提供可靠的數據。通常來說，掩星探測數據的產品都是嚴格按照從低到高的順序有序排列的，依次為彎角、折射率、溫壓濕廓線。本文主要通過對某臺風的定向定量研究、分析，闡述了掩星折射率和彎角資料同化對臺風運行路線、臺風強度等造成的影響。

1 工作原理分析

1.1 GSI同化系統

在實際應用過程中，GIS屬于格點的統計數據插入系統，能夠有效利用整個地球和不同區域變分同化系統，而GIS同化系統本質是NCEP以波譜統計插值為基礎所研究的一種全新的分析系統。隨著社會經濟的不斷發展，GIS系統已經被廣泛應用于各個行業。這是因為應用該系統能夠同化多種不同類型的資料，例如衛星反演資料、衛星輻射資料等。另外，GIS還能有效利用局地觀測算子，從而實現對GPS資料的快速同化。

1.2 折射率局地觀測算子

一般來說，折射率局地觀測算子在應用過程中的數學計算公式為：

NLoc=F1HN（T，p，q）. （1）

式（1）中：NLoc為局地地折射率；HN（T，p，q）為Smith-Weintraub方程，即HN（T，p，q）=77.6 +3.73×105 .

在開展實際工作的過程中，工作人員能有效計算大氣溫度、壓力、水汽分壓等數據，從而得到折射率的輪廓線，并且通過網格點及時將折射率插值到掩星點所在的位置展現出來。

1.3 彎角觀測算子

在實際工作中，彎角觀測算子主要是轉換大氣狀態的變量，使其成為模擬彎角，具體可以表示為：

α=AαFIHN（T，p，q）. （2）

式（2）中：Aα為Abel積分；HN（T，p，q）為Smith-Weintraub方程，即HN（T，p，q）=77.6+3.73×105；FI為模式網格點存在的折射率插值到掩星點的線路。

1.4 測定質量控制

在實際工作中，為了保證同化質量，工作人員應該積極對其進行控制，主要包括最初的質量控制、背景場校驗和相對誤差校驗。只有有效控制這三部分內容，才能保證相關工作開展的有效性。

2 實驗設計過程

在實際研究過程中，實驗主要采用的是中尺度數值預報模式，并且經過研究決定采用非靜力方案。因為實驗的分辨率為30 km，并且不具備嵌套，垂直分層28層，所以，決定采用湯普森冰雹方案。對于長輻射波，決定采用快速輻射傳輸模式，短波決定采用杜德希爾方案。在實驗過程中，采用的同化模式為NCEP業務運行的GSI變分同化系統，并依據實驗狀況設置了2個外循環，每個外循環涵蓋了15個內循環，從而實現了目標函數最小化。同時，在研究過程中，在初始時，背景場數據采用NCEP預報場資料。

本文針對某臺風，將NCEP預報場資料當作初市場，對臺風進行了72 h的預報，折射率同化試驗對同化折射率的相關資料同樣進行了72 h預報，彎角同化試驗對相應的彎角資料及時的進行同化，再進行72 h預報。工作人員對三組數據進行不同的分析，明確了GPS資料同化對氣象各個變量的影響。

3 實驗結果分析

實驗完成以后，工作人員積極采用相關技術制訂不同的臺風模擬分方案，通過相應的比較，采用的3個實驗都能有效模擬臺風路徑。但是，工作人員在同化了掩星資料后，3個實驗臺風路線的模擬十分接近；折射率同化以后，3個實驗臺風轉彎誤差也明顯減小，保證了臺風運行路線的準確性。當臺風在25°N周圍轉彎時，非同化GPS所顯示的資料效果最差。經過折射率和彎角的同化，在相應路徑的模擬能夠有效反映其中存在的問題。在臺風轉彎運動完以后，3個實驗對臺風運行路線的模擬效果都存在較大的誤差，具體結果為：參照實驗對臺風運行路線模擬效果最差，射率同化對臺風運行路線模擬效果次之，彎角同化對臺風運行路線模擬效果最好。

另外，在實驗過程中，工作人員通過對不同時間段路徑誤差的研究和分析，得出的結果是：在進行預報工作之前的18 h，3個實驗的路線一致，18 h后，同化GPS資料所顯示的實驗數據誤差較小，同時，數據的誤差明顯低于不同化的實驗。隨著時間的不斷推進，誤差更加明顯。誤差的具體展現方式是：誤差提高的趨勢為控制試驗大于折射率試驗大于彎角試驗，其中，折射率資料的誤差減少13%，彎角資料路徑誤差為32%.

在預報過程中，工作人員在觀測數據時，臺風中心氣壓為920 hPa，3個實驗氣壓為972 hPa，超出有效范圍。通過對實驗數據的研究和分析發現，GPS掩星資料同化對臺風預報產生的影響比較小，在預報的前2 d，彎角同化能夠提高預報質量。大氣中水汽對臺風的對流發展、起源等都具有較為直接的影響，而GPS掩星資料同化可以為研究人員提供高垂直分辨率、 高精度的濕度和溫度的相關信息，并且還能保證信息的可靠性。由此可知，GPS掩星資料同化能夠有效提高臺風的預報水平。

4 結束語

綜上所述，無線電掩星觀測技術能夠提供準確的信息，保證折射率和彎角資料有效同化，及時預報天氣狀況。在實驗過程中，工作人員應該積極控制數據的準確性，及時研究和分析掩星探測彎角和折射率同化對數值的影響，保證數據的準確性，進而提高天氣預報的質量。

參考文獻

[1]王挺，項杰，寇正，等.掩星折射率和彎角同化對臺風預報影響的對比[J].解放軍理工大學學報（自然科學版），2015（3）：260-265.

[2]趙潤華，李躍春，沈宏彬，等.GPS可降水量與掩星折射率資料同化對暴雨模擬的影響[J].高原山地氣象研究，2013，33（2）：24-29.

[3]趙潤華，董佩明，李躍春，等.GPS可降水量與掩星資料同化對暴雨模擬的影響[G]//第30屆中國氣象學會年會論文集.南京：中國氣象學會，2013.

〔編輯：白潔〕