時間加密探空觀測對分析和預報質量的敏感性研究

原榕,何佩儀,馬旭林,郭啟云

摘要 探空觀測是氣象資料同化中最基本的常規觀測資料，對同化分析和預報的有效改善具有重要作用。由于現有探空觀測站的空間分辨率較低，分布不均勻，且每日僅有兩次觀測，數量偏少，限制了其分析場對中小尺度大氣狀態的準確再現能力。自我國L波段雷達-數字探空儀更新換代以來，探空觀測具備了獲取每日4次、垂直分辨為秒級和分鐘級的大氣廓線資料。本文利用WRF中尺度數值模式，通過06時（世界時，下同）加密探空資料和12時常規探空資料的有效同化，研究分析了時間加密探空觀測資料對同化分析和預報質量的敏感性影響。結果表明：同化06時的時間加密探空資料的午后暴雨預報質量優于12時常規探空觀測。具體而言，同化06時的時間加密探空資料預報的大雨和暴雨的預報技巧高于12時常規探空資料;位勢高度、溫度和風場等預報場的均方根誤差在高層的改進效果更加明顯;06時的時間加密探空資料的同化對高層的高空急流和低層的水汽通量散度的預報質量貢獻更大。批量試驗進一步證實了有效同化時間加密探空資料對分析和數值預報效果改進的積極意義。

關鍵詞 數值模擬;資料同化;探空資料;加密觀測;敏感性分析

資料同化是改善數值預報模式初值質量的重要途徑，有效同化多種觀測資料是資料同化的關鍵。相對于只能提供較粗垂直分辨率的大氣溫度、濕度結構的衛星遙感間接觀測而言，常規探空觀測由于質量穩定可靠、能夠給出完整的準確描述大氣三維結構信息而成為陸地獲取的極重要的信息來源（Faccani et al.，2009;馬旭林等，2017a），在診斷大氣垂直結構、分析其變化以及開展各種氣象研究中不可或缺（Durre and Yin，2008），為數值預報同化系統中最為基礎的資料之一。我國氣象學者也證明了常規探空資料在同化和數值預報中的重要性。在對北京一次特大暴雨過程的同化試驗研究中，張朝林等（2005）評估了各種氣象觀測資料在同化和預報效果中的作用，指出在三維變分同化方案中，對改進預報效果影響最大的資料之一是常規探空資料?；贕RAPES同化預報系統對不同來源的常規探空資料的同化分析效果研究表明，同化探空資料層數越多，對背景場的改善愈明顯（馬旭林等，2017b）。另外，高分辨率探空資料也可以提供對流層和平流層低層的動力學特征（Hamilton and Vincent，1995）。de la Torre et al.（1997）對對流層和平流層低層溫度廓線的分析也強調了高垂直分辨率探空資料的重要性。同時，高垂直分辨率的探空觀測資料也是研究邊界層頂高度的基本資料（Basha and Ratnam，2009）。

隨著高空探測技術的進步，高垂直分辨率探空數據的獲取成為現實。我國高空觀測網中L波段雷達-數字探空儀可以提供秒級和分鐘級的多時次的高垂直分辨率探空資料，且具有較高的觀測質量（郭啟云等，2020）。近年來，郝民等（2014）將L波段秒級和分鐘級資料插值到GRAPES模式面的同化試驗結果顯示，L波段高垂直分辨率秒級探空資料對數值模式初值和預報效果有積極作用。姚爽等（2015）采用廓線和逐點方式同化L波段分鐘探空資料，也有效增加了觀測在分析場中的權重，一定程度上改善了模式初值質量和大量級降水的預報性能。同時，對低空逆溫特征也有較好效果（夏敏潔等，2017）。黃燕燕等（2011）利用逐時同化預報系統比較了同化加密探空和常規探空資料與僅同化常規探空資料對分析場和預報效果的差異，表明同化加密探空資料可使分析場各層次水汽、大氣環流形勢與實況更接近，暴雨預報的雨區和降水量級也與實況更接近。有無06時（世界時，下同）加密探空觀測的對比試驗也顯示，同化加密探空資料能夠較大程度地改善模式初始場質量并提高中雨和大雨的預報準確率，尤其對午后熱雷雨及大風天氣的預報有顯著的指導作用（胡端英等，2015）。徐同等（2016）利用基于WRF和ADAS分析同化系統比較同化06時加密探空觀測資料前后模式預報結果的差異，也表明同化加密探空資料對模式初始時刻的位勢高度、溫度、風速均有正貢獻，并對強降水及天氣形勢場均有不同程度的改進。

諸多研究都表明，高分辨率探空資料對數值天氣預報質量的改善有明顯效果，但針對L波段高分辨率探空數據的同化研究相對有限。另外，國際上常規探空觀測的標準時次是00時和12時，而我國中小尺度強對流天氣過程多發生于午后和凌晨。顯然，常規探空觀測資料對我國中小尺度天氣系統的數值預報初始場質量的提高具有時間上的不利影響。

目前，我國正在進行觀測系統配置方案的優化調整。為了準確認識探空觀測時次對我國數值預報質量的影響，充分發揮探空觀測對數值預報質量的有效貢獻，先后開展了時間加密探空觀測試驗，獲取了06時和18時兩個時次的加密探空觀測資料。本文基于時間加密探空觀測資料，利用WRF中尺度數值預報模式和同化系統開展數值試驗，重點研究分析06時的時間加密探空資料對我國數值預報質量敏感性影響，為常規探空觀測系統的時間配置方案提供參考依據。

1 數值試驗方案與資料

為對比06時加密探空資料與12時常規探空資料對變分同化和預報結果的影響，以2013年6月6—9日區域性暴雨過程進行個例分析，試驗方案如表1。選取2013年6月1—30日連續30 d的時間加密探空觀測資料與常規探空資料，利用WRF DA同化系統分別同化和72 h預報，同化系統和預報模式的參數和物理過程、參數化方案等設置完全一致。試驗采用WRF模式和WRFDA同化系統的版本為Ver 3.7.1，預報模式采用三層嵌套，模式水平分辨率分別為27、9、3 km，垂直方向37層。模式物理過程均使用WSM 5 class方案，前兩層模擬區域的積云參數化方案為Kain-Fritsch方案，長波輻射采用RRTM方案，短波輻射用Dudhia方案。

時間加密探空觀測資料為中國氣象局氣象探測中心于2013年6月每日06時實施的加密觀測，觀測站點的空間分布與常規探空觀測一致，實況降水資料為CMORPH小時降水融合產品。同化系統的背景場與數值預報模式的側邊界條件均為GFS的全球預報場，其水平分辨率為1°×1°。試驗的檢驗資料為歐洲中尺度天氣預報中心（ECMWF）的ERA-Interim高分辨再分析資料，空間分辨率為0.25°×0.25°。需要說明的是，兩組試驗的同化分析時刻與預報起報時間均相差6 h。

2 時間加密探空對暴雨分析預報的敏感性

2013年6月6—7日暴雨天氣形式的發生發展過程中，高空短波槽東移加深，低層西南渦東移發展，且高低空急流耦合。6日下午為強降水階段，傍晚至夜間降水減弱，其后強降水又進一步間斷性發生。該次暴雨過程的主要影響系統為對流層低層的低渦和輸送高溫高濕水汽的強西南氣流，以及高空急流。

2.1 加密探空對分析質量的影響

圖1是FCST06和FCST12試驗的850 hPa溫度和緯向風的分析場及其與再分析資料的偏差。由圖1可以看出，FCST06試驗的溫度（圖1a）和緯向風（圖1c）分析場與再分析資料的偏差空間尺度較小，更多地體現了中小尺度天氣系統的特征。而FCST12試驗（圖1b、1d）的相應偏差場則更多表現為大中尺度天氣系統的特征。這主要是由于該次暴雨過程主要發生在午后至傍晚階段，06時中小尺度天氣系統正發展至強盛階段。此時，如果預報模式的初始場中包含更加合理的中小尺度天氣系統信息，顯然更有利于模式準確預報該中小尺度天氣過程;而12時處于中小尺度天氣過程較弱階段，FCST12試驗分析場（相當于模式初始場）的中小尺度天氣信息偏弱，因此偏差場以大中尺度信息為主。

由于06時的加密探空與12時常規探空資料的站點相同，資料也基本一致，理論上分別同化這兩個時刻的探空資料后的分析場質量應該相當。但是，由于FCST06的觀測時刻更接近于中小尺度天氣系統發生發展的時間，其對中小尺度天氣系統的描述更加準確，也更加有利于模式預報中中小尺度天氣系統合理的發生發展，從而改善了預報模式對中小尺度天氣系統的預報準確性。因此，對于午后發生的中小尺度天氣系統為主的暴雨過程，同化06時的時間加密探空觀測資料對后期的預報質量具有更大的正貢獻。

2.2 降水預報分析

從6月6日12時—7日12時的實況和24 h預報累積降水（圖2）可以看出，由自動站資料與CMORPH小時降水融合的0.25°×0.25°分辨率的實況累積降水的雨區呈東西走向的帶狀分布，暴雨落區主要分布在湖北東部、安徽和江蘇南部、江西和浙江北部，大暴雨級別的降水主要分布在安徽南部（圖2a）。盡管FCST06（圖2b）與FCST12（圖2c）試驗的降水預報結果與實況相比都存在差異，但從整體上看，前者的24 h預報累積降水質量優于后者，尤其FCST06試驗的暴雨落區預報比FCST12試驗明顯更接近實況。從降水落區看，FCST06試驗的暴雨和大暴雨量級的落區預報技巧也明顯高于FCST12試驗?？傊烁咏┯臧l生時刻的時間加密探空觀測資料，預報模式的初始場質量得到了一定程度的改善，其降水預報質量也得到相應提高。

6月7日12時24 h預報的累積降水評分顯示，FCST06對整個模式區域的24 h大雨和暴雨的TS評分高于FCST12，其中大雨和暴雨量級的預報技巧分別提高了1.24%和3.29%，而小雨的TS評分則與FCST12接近（圖3a）;對于ETS評分（圖3b）和TSS評分（圖3c），FCST06試驗同樣表現出優勢，24 h大雨和暴雨預報的ETS和TSS評分均高于FCST12試驗，其中大雨和暴雨量級的ETS評分預報技巧分別提高1.03%和3.29%，TTS評分技巧分別提高3.05%和4.45%。這說明同化06時加密探空資料，即使延長了6 h預報時效的情況下，其降水量級和落區預報的質量依然優于FCST12試驗?？梢姡?6時實施探空觀測并有效同化具有豐富垂直信息的秒級探空資料，對午后強降水的數值模式預報能力的提升有明顯正效果，尤其暴雨量級的降水預報。

2.3 中小尺度系統的預報效果

降水強度和落區預報的準確性很大程度上取決于數值模式的大氣物理變量的預報質量。時間加密探空資料的同化對午后降水預報具有良好的改進，其預報物理量也應該具有合理的響應。由前文可知，決定該次暴雨過程的主要影響系統是對流層低層的低渦系統和輸送高溫高濕水汽的強西南氣流以及高空急流區（圖4a）。顯然，這些主要影響系統的預報質量直接影響降水的預報效果。

由兩組試驗的位勢高度、風速、溫度的預報場和相應的高分辨率再分析場及其差異（圖4）可知，FCST06試驗的850 hPa風場和中尺度低渦系統的預報（圖4b）相對于FCST12試驗（圖4c）更為準確，盡管前者的低渦中心位置略偏西。FCST06試驗基本更好地再現了這次強降水過程的低空急流、低渦的強度和整體位置等主要中小尺度影響系統;而FCST12試驗模擬出的低空急流位置略偏西、低渦強度明顯偏弱，這直接影響了暴雨強度和落區預報的質量。

200 hPa高空風場預報顯示，FCST06試驗與再分析場的偏差明顯小于FCST12試驗，其高空主要影響系統即高空急流略偏強，但總體上與再分析場更為接近;而FCST12預報的高空急流則明顯偏弱，位置偏東，導致暴雨強度和落區較實況偏差更大。這表明06時加密探空資料的有效同化，對流層低層中小尺度主要天氣影響系統的預報質量更高，也更有利于改善降水預報的量級和落區預報技巧。

圖5為最大降水強度時刻的再分析資料與兩組試驗預報的水汽通量和水汽通量散度及其偏差。對照再分析資料（圖5a），兩組試驗預報的低層水汽通量的強度和位置與實況基本接近，但FCST12的水汽通量帶略偏西，FCST06試驗的質量相對更高;FCST06（圖5b）、FCST12試驗（圖5c）與再分析場的850 hPa的水汽通量散度偏差主要出現在低渦附近。由于FCST06試驗的中尺度低渦和低空西南急流的位置預報相對更為準確，其水汽通量散度的空間分布也更為合理;而FCST12試驗的低渦位置偏北，使得低渦位置出現一個較大的水汽通量散度偏差帶。因此，盡管FCST06試驗的預報長度相對FCST12長6 h，但其水汽通量散度的分布比FCST12試驗依然更好。這也進一步反映了同化06時加密探空資料對低渦周邊水汽通量和水汽通量散度都有較好的正效果。

3 批量數值試驗分析

3.1 分析質量的影響效果

根據時間加密探空資料的時段，利用WRFDA 3DVAR同化系統開展了2013年6月1—30日連續30 d的加密探空資料和常規探空資料的連續模擬試驗。試驗方案與個例試驗相同，并將同化時間加密探空資料和常規探空資料的批量試驗依然分別稱為FCST06和FCST12試驗。

兩組批量試驗500 hPa分析場的均方根誤差（圖6）顯示，無論溫度、位勢高度還是相對濕度，在30 d的試驗期內，FCST06試驗的06時分析場均方根誤差大多數情況下都小于FCST12試驗的12時分析場，尤其是相對濕度的優勢更為顯著。具體來看，同化時間加密探空資料的FCST06試驗，除個別時刻外，其溫度分析場的均方根誤差基本上都優于同化常規探空觀測資料的FCST12試驗，而位勢高度分析場的優勢雖然較小，但還是呈現出一定的改善效果;相對濕度分析場的均方根誤差基本呈一致性改善。這主要得益于FCST06試驗有效同化了距離暴雨發生時間相對較近的加密探空資料，其分析場更加接近實際大氣，特別是低渦、低空急流等關鍵中小尺度天氣系統，使得低空急流攜帶的高溫高濕的水汽合理地輸送到中小尺度天氣系統發生發展的區域。需要指出的是，6月5日的FCST06試驗的溫度、位勢高度與相對濕度分析場的均方根誤差改善的異常顯著，但這種異常改善還難以確定僅僅是同化加密探空資料而引起，也可能與當天的中小尺度天氣系統的異常發展有直接關系。

3.2 對預報效果的影響

圖7為2013年6月1—30日兩組試驗的30 d內對流層低層、中層和高層的24 h預報的位勢高度、溫度和風場均方根誤差。相對于FCST12試驗（虛線），同化時間加密探空觀測資料的FCST06試驗（實線）的24 h預報質量具有一定提高，但不同層次、不同預報物理量的改善并不一致。對流層低層、中層和高層位勢高度的預報誤差均有不同程度的減小，平均誤差分別約為10、11和15 hPa，低層和高層改善較明顯，中層的改善程度為最小。另一方面，低層和中層的預報誤差相對穩定，而高層的預報誤差在整個試驗周期內的變化幅度略大（圖7a）。

FCST06試驗的對流層低層和高層的溫度24 h預報質量較FCST12試驗明顯改善，其預報誤差分別約為0.7、0.8 ℃，明顯小于FCST12試驗的預報誤差，但二者對流層中層的預報誤差基本相當（圖7b）。對于風場而言，FCST06試驗的對流層低層緯向風（圖7c）和徑向風（圖7d）的預報誤差在大部分試驗期內具有較明顯的減小，中層和高層風場的預報誤差二者基本相當。結合前文分析可知，低空急流和低渦系統的強度和位置預報質量較FCST12試驗更為合理是對流層低層風場預報質量提高的主要原因。

從兩組試驗的24 h預報場質量的整體分析，06時的時間加密探空觀測比12時觀測更加接近于中小尺度天氣系統發生發展的階段，其觀測資料的有效同化能夠較好地改善分析場（或預報模式初始場）質量，從而進一步改善了天氣系統的預報技巧。因此，06時加密探空觀測對于午后強降水天氣系統的數值預報具有較明顯的正貢獻，也進一步表明同化分析質量對觀測資料時效的敏感性。

4 結論和討論

探空觀測是氣象資料同化中最基本的常規觀測資料，對同化分析和預報的有效改善具有重要作用。但目前業務探空觀測站的空間分辨率低，每日僅有兩次觀測而數量偏少，且分布不均勻，在一定程度上限制了其分析場對中小尺度大氣狀態的準確再現能力。通過06時加密探空資料和12時常規探空資料的有效同化，研究分析了時間加密探空觀測資料對同化分析和預報質量的敏感性影響。個例試驗和批量試驗結果均表明：時間加密探空觀測資料的有效同化能夠明顯減小分析誤差，改善分析場對中小尺度天氣系統的再現能力，從而進一步提高我國午后暴雨天氣過程的中小尺度天氣系統的預報質量，改善暴雨預報的降水強度、落區等的預報技巧。盡管06時探空觀測對于午后強降水天氣系統的不同層次、不同物理變量的改善不盡相同，但整體上看，該時次的探空觀測對中尺度數值預報質量具有較明顯的正貢獻。因此，為了進一步改善我國中小尺度數值預報的分析和預報質量，有必要充分研究和開展與我國天氣系統發生發展更加吻合的時間加密探空觀測試驗。

由于受加密觀測資料的時間及其長度的限制，文中僅開展了2013年6月的天氣個例和30 d連續試驗，雖然試驗結果反映了06時加密探空觀測對我國午后天氣過程的數值預報具有良好的正貢獻，但其廣泛適用性仍需要更長時間的探空觀測資料和更加深入的研究分析。隨著我國常規探空觀測頻次和空間分辨率的改善以及資料同化和數值預報模式性能的持續提高，中小尺度天氣數值預報的質量應愈加準確。

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Study on sensitivity of intensive temporal radiosonde observations to analysis and forecast quality

YUAN Rong1，HE Peiyi1，2，MA Xulin1，GUO Qiyun3

1Key Laboratory of Meteorological Disaster，Ministry of Education （KLME），Nanjing University of Information Science & Technology，Nanjing 210044，China;

2Southwest Regional Air Traffic Management Bureau of Civil Aviation Administration of China，Chengdu 610202;

3Meteorological Observation Center of CMA，Beijing100081，China

The radiosonde data is the most basic routine observation data in meteorological data assimilation and plays an important role in the effective improvement of assimilation analysis and forecast.Due to the low spatial resolution and uneven distribution of the existing radiosonde stations，only two observations per day and the small quantity，the accurate reproduction ability of their analysis field to the small and medium-sized atmospheric state is limited.After the L-band radar-digital radiosonde in our country has been updated，the radiosonde observation could obtain the atmospheric profile data 4 times a day with second-level and minute-level vertical resolution.In this paper，the WRF mesoscale numerical model is used to analyzethe sensitivity of intensive temporal radiosonde observationdata to the assimilation analysis and forecast quality through the effective assimilation of 06 UTC intensive radiosonde data and 12 UTC conventional radiosonde data.The results show that：the quality of afternoon rainstorm forecast by assimilating 06 UTC intensive radiosonde data is better than that of 12 UTC conventional radiosonde data.To be specific，the forecast skill of heavy rain and rainstorm by assimilating 06 UTC intensive radiosonde data are more accurate than by assimilating 12 UTC conventional radiosonde data.The root mean square error of prediction fields such as geopotential height，temperature and wind field is more effective at higher levels.The assimilation of the intensive radiosonde data at 06 UTC contributes more to the forecast quality of upper-level jet stream and lower-level water vapor flux divergence.Batch tests further confirm that assimilating 06 UTC intensive radiosonde data is of positive significance for both analysis fields and numerical forecasting.

numerical simulation;data assimilation;radiosonde data;intensive temporal observations;sensitivity analysis

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20200219012

（責任編輯：袁東敏）