同化MWHS-2/FY-3C 資料對一次西南渦暴雨數值模擬的影響研究

蔣璐西 ,陳科藝 ,王璐思 ,李德友

（1.高原與盆地暴雨旱澇災害四川省重點實驗室，成都 610072；2.四川省資陽市氣象局，資陽 641300；3.成都信息工程大學大氣科學學院，成都 610225；4.四川省廣元市氣象局，廣元 628017）

引言

西南低渦是造成我國西南地區及其下游大范圍暴雨等災害性天氣的重要天氣系統之一，是在青藏高原特殊地形與大氣環流相互作用下，形成于700hPa或850hPa 等壓面上具有氣旋式環流的α 中尺度閉合系統[1]。四川盆地及與高原毗鄰的周邊地形復雜，氣候獨特，而高原山區常規觀測資料數量少，時空分辨率低，致使氣象工作者們在對西南渦暴雨天氣過程和西南低渦結構特征的早期研究中認識較為有限。隨著數值預報和氣象探測手段的不斷發展，高分辨率數值模式和多種常規、非常規氣象觀測資料被越來越多地應用在西南渦暴雨天氣過程的診斷分析和數值模擬方面。高篤鳴等[2]在WRF 模式中同化業務探空資料和西南渦加密觀測資料，改善了研究個例中模式對降水和低渦路徑的模擬。程曉龍等[3]利用西南區域數值模式結合全國汛期高空加密觀測資料對一次西南渦暴雨過程進行了數值模擬，研究表明同化加密觀測資料能夠改善模式降水預報和初值場，對西南渦的模擬表現更佳。由于常規的高空加密觀測資料獲取難度大且站點數量有限，衛星觀測資料在所有同化資料中仍占據著極大的比例。2008 年5 月中國發射了第一顆風云三號氣象衛星，標志著第二代氣象衛星觀測資料應用研究的開始。風云三號（FY-3）極軌氣象衛星搭載的微波濕度計探測儀主要用于探測大氣的垂直分層和水汽含量等空間資料，對數值天氣預報初始場的改善十分重要。Chen 等[4]和Lawrence等[5]利用歐洲中期天氣預報中心ECMWF 的資料同化系統先后對風云三號A、B 星微波濕度計觀測資料（MWHS）、C 星（MWHS-2）的數據質量可靠性進行了同化研究，研究均證明該數據質量可靠。基于這些研究，ECMWF 分別于2014 年9 月和2016 年4 月正式業務化風云三號B、C 星的微波濕度計資料。蔣璐西等[6]直接同化了風云三號B 星和C 星的微波濕度計觀測資料，對2018 年7 月一次四川盆地區域性暴雨過程進行了模擬對比試驗，試驗結果驗證了同化風云三號系列衛星的微波濕度計觀測資料對四川盆地暴雨數值預報有一定的業務應用價值。范嬌等[7]采用風云三號C 星微波濕度計資料對兩次西南渦暴雨過程進行同化研究，結果表明，通過循環同化MWHS-2 資料能夠有效提高中高層溫度、相對濕度和風場的預報，在一定程度上改善降水預報，預報效果比單時次同化試驗更好。目前，大量研究通過利用常規和非常規觀測資料[8?10]、結合模式進行同化應用[11]、使用不同模式[12?15]以及優化模式參數化方案[16]等方法對西南渦降水及其低渦發展機制進行深入分析，不斷豐富了對四川盆地暴雨及西南渦演變的認識，也提升了數值預報業務水平。

為了進一步評估同化風云三號C 星微波濕度計觀測資料對西南渦暴雨過程數值預報結果的影響，本文利用WRF 模式及WRFDA 同化系統，循環同化風云三號微波濕度計資料（MWHS-2），對2019 年6 月4日四川西南渦暴雨天氣過程進行數值模擬試驗，檢驗其同化后對西南渦的路徑模擬及降水預報的改善效果，并利用模擬所得的高分辨率數值產品分析此次過程中西南渦動力、熱力等演變特征，以期加深對西南渦暴雨的認識。

1 數據與個例

1.1 數據來源

采用歐洲中期天氣預報中心1 日4 次的ERA-interim 0.75°× 0.75°全球再分析資料和國家站常規探空觀測資料對暴雨天氣過程進行環流背景分析，降水實況分析采用四川地區常規地面氣象觀測站的降水實況資料。WRF 中尺度模式采用NCEP/NCAR 1°× 1°再分析資料作為模式的驅動場和邊界條件，同化試驗中使用的MWHS-2/FY-3C（風云三號C 星微波濕度計）觀測資料來源國家衛星氣象中心官方網站（http://www.nsmc.org.cn/NSMC/Home/Index.html），選取的資料同化探測通道為183GHz 系列通道，此通道分別探測400hPa、500hPa、600hPa、700hPa、800hPa 的大氣水汽信息，用于改善模式初始場。

1.2 個例簡介

2019 年6 月4 日12 時～5 日12 時（本文均為世界時）受高空低值系統和西南渦共同影響，在四川盆地中部、北部、東北部出現了大雨到暴雨，局部地區大暴雨。最大雨量出現在華鎣山市天池鎮為141.9mm，最大小時降雨量出現在內江市鳳鳴鎮為88.9mm（圖1a）。

圖1 2019 年6 月4 日12 時～5 日12 時（a）累計降水實況空間分布（單位：mm）和（b）數值模擬區域位置

由6 月4 日500hPa 環流形勢（圖略）可知：亞歐中高緯地區高度場呈“兩槽一脊”型分布，青藏高原上有小槽東移并不斷加深，引導冷空氣南下影響四川；西太平洋副熱帶高壓呈東西帶狀，有利于高原低槽的快速東移，其外圍強盛的西南低空急流將來自孟加拉灣、南海的水汽和能量向盆地暴雨區輸送，與進入盆地的冷空氣交匯觸發強降水；到4 日18 時低層700hPa在盆地西北部有低渦生成，在東移的過程中維持并不斷加深，同時850hPa 在盆地中部也有低渦形成，以東北路徑移出盆地，后期隨著西太副高北段南落，致使兩低渦移動加快，盆地內降水很快結束。

2 同化試驗設計

研究使用的模式為中尺度高分辨率數值模式WRF(Weather Research and Forcasting Model)及其同化系統WRFDA (WRFData Assimilationsystem)，其 中WRF 版本為3.7，初邊界條件采用NCEP/NCAR 的1°×1°FNL(Final Operational Global Analysis)資料，垂直分層為32 層，模式分辨率為10km（模擬區域見圖1b），格點數168 × 266 個，時間積分步長為60s，控制和同化試驗起報時間為2019 年6 月3 日12 時，預報時效為72h，輸出資料時間分辨率3h。其中同化試驗在控制試驗基礎上循環同化三個不同時刻覆蓋四川全境的MWHS-2/FY-3C 觀測資料(圖略），第一次同化分析時刻設置為3 日12 時，同化窗區設置為分析時刻前后3h，選取的背景場是WRF 模式從3 日06 時起報所得到的3 日12 時預報結果，同化后得到12 時分析場，并以此作為初始場進行12h 模式預報；根據MWHS-2/FY-3C 觀測資料時間，每12h 進行一次同化，選取的背景場由上一次同化后模式預報結果提供，其它試驗參數設計與控制試驗一致。WRF 模式參數化方案的配置為：長波輻射選取RRTM 方案，短波輻射選取Dudhia 方案，積云對流選取 K-F 方案，近地面層選取Momin 方案，陸面過程選取 Noah 方案，邊界層選取YSU 方案，微物理參數化選取WSM3 方案。

同化試驗中使用歐洲中期數值預報中心ECMWF 開發的輻射傳輸模式RTTOV11，只同化晴空觀測去除云雨影響的資料。系統中偏差訂正模塊的采用變分偏差訂正方法，同化所使用的微波濕度計資料質量均通過偏差訂正檢驗（圖略）。

3 數值試驗結果對比

3.1 降水與初值結果分析

實況顯示本次降水天氣過程的主雨區位于四川盆地中東部以及重慶西部，暴雨量級主要出現在盆地中部和廣安，雨區連續并呈西南-東北帶狀分布，局部出現超過100mm 的極端降水。由數值試驗模擬的降水分布（圖2）可以看出：控制試驗在盆地北部和東部模擬出大范圍的暴雨量級降水，盆地中部以中到大雨量級為主；同化MWHS-2/FY-3C 資料后，降水落區較控制試驗結果在盆地中部、重慶西部雨區范圍有所擴大，對盆地西北部暴雨量級的虛報區域也有明顯的改善，量級上更接近于實況，并且在盆地東北部局部模擬出大暴雨量級的降水。可見，同化MWHS-2/FY-3C資料后能對盆地中東部降水預報有正面影響。

圖2 控制試驗（a）、同化試驗（b）模擬6 月4 日12 時～5 日12 時累計降水分布（單位：mm）

將同化試驗中第三次同化時刻（4 日12 時）低層相對濕度場與控制試驗進行對比分析。由相對濕度增量場（圖3）可知，相比于控制試驗而言，同化后盆地內中低層相對濕度都為正增量，其中600hPa 和850hPa 上在盆地西北部、中部和東北部正增量達到了20%～30%，盆地東部存在一個最大值為50% 的正增量中心，表明同化MWHS-2 觀測資料后能夠對模式中盆地降水區域的水汽信息有正面調整，有利于對該區域降水預報的改善。

圖3 4 日12 時同化時刻600hPa（a）、800hPa（b）相對濕度增量（同化后減同化前，單位：%）

3.2 西南渦演變與模擬

本次過程中，700hPa 和850hPa 西南渦是影響盆地降水的主要系統，其在四川盆地內的影響時段主要是4 日18 時～5 日03 時。因此，將兩組數值模擬試驗中西南渦的模擬情況與實況進行對比分析，以驗證同化MWHS-2 觀測資料后模式對低渦的模擬效果的改善。

實況顯示4 日18 時700hPa 上盆地西北部有氣旋性閉合中心開始形成，沿偏東路徑（經綿陽-廣元-達州）移動并于5 日06 時移出四川境內；850hPa 輻合中心于4 日18 時出現在盆地中部（安岳）與重慶交界處，以東北路徑（資陽-廣安-達州）移出四川。兩組數值試驗模擬出的兩層低渦初生位置與實況相比均偏東偏北，但通過循環同化MWHS-2 觀測資料后，初生位置較同化前均更接近實況，低渦中心風場輻合有所增強，出現時間也與實況一致，改善明顯（圖4）。對比兩層低渦的移動路徑，實況上700hPa 低渦以偏東路徑東移，850hPa 上為東北移向，盆地內兩低渦位置無耦合移速較快，移動過程中逐漸接近，最終在重慶境內消亡。而兩組數值試驗對低渦路徑的模擬較實況均有一定差距，其中控制試驗700hPa 低渦在5 日00時后快速向東北方向移動與實況位置差距加大。在引入MWHS-2 觀測資料后，700hPa 低渦東北移動路徑明顯調整為東移路徑，與實況更加接近；850hPa 模擬低渦在盆地東部轉向調整為沿偏東路徑移出四川，盆地內低渦活動路徑調整不明顯。

圖4 “2019.6.4”過程實況（空心圓標注）、同化模擬試驗（實心圓標注）低渦移動路徑（棕色為700hPa，紅色為850hPa）、控制模擬試驗（實心矩形）低渦移動路徑（棕色為700hPa，紅色為850hPa）

通過分析低渦中心位勢高度的變化，發現東移過程中低渦中心強度始終維持，兩組數值試驗中700hPa低渦中心位勢高度在305～306dagpm，850hPa 低渦中心位勢高度在141～142dagpm，均比實況中心偏強（圖略）。

4 低渦暴雨機制和物理量特征

通過以上對比分析可知，同化試驗對于700hPa西南渦的模擬與實際情況更為接近，因此選取同化試驗結果對700hPa 西南渦的結構特征進一步分析。由于西南渦4 日18 時在700hPa 初生，21 時發展成熟，以18 時和21 時研究西南渦初生、成熟階段的動力和熱力場特征（圖5）。如圖5a、c 所示，4 日18 時低渦中心上方（600～200hPa）和低渦東側均為一致的上升運動，中心值在1～2m/s；低層（800～600hPa）出現輻合中心，輻合中心上空600～400hPa 為輻散層，高低空配置對低渦的發展十分有利；105°～106°E 上空表現為一個正渦度柱，在400hPa 和600hPa 上分別存在一個正渦度大值中心，整層的正渦度柱隨高度向東傾斜，表現出高層正渦度中心超前于低層的垂直結構特征；700hPa 上低渦位置存在一個348K 的高值區，呈“暖心”結構，低渦中心下方900～800hPa 等假相當位溫線密集，垂直和水平梯度較大，低層冷暖空氣對比明顯。如圖5b、d 所示，4 日21 時低渦發展到成熟階段，低渦中心整層垂直上升運動范圍增大，速度大值為3m/s，正渦度中心已延伸至500～600hPa，中心最值已達到120×10-5s-1，正渦度柱仍然隨高度向東傾斜發展，700hPa 低渦中心已發展到40×10-5s-1，兩中心較初生階段有所接近；低渦中心東側600～300hPa 為輻散層，輻散層下方對應低層輻合區在垂直方向上已加深至900hPa；暖心結構已發展到400hPa，低層900hPa 表現出有明顯的冷空氣入侵。進一步分析相對渦度的時間演變可知：4 日15 時 在105°～106°E 為10×10-5s-1弱的正渦度中心，風場上出現氣旋式彎曲（圖略）；18時正渦度區擴大并向東移動，對應風場上出現完整的氣旋式環流，中心值也已經增長到30×10-5s-1（圖5c）；隨后東移的過程中正渦度中心仍不斷增強并維持，對應700hPa 低渦成熟期（圖5d）；到5 日03 時，低渦已經移出四川，中心正渦度達到了60×10-5s-1（圖略）。

圖5 4 日18 時（左）和21 時（右）沿31.5°N（a、b）假相當位溫（等值線，單位：K）、垂直速度（填色，單位：m/s）以及（c、d）相對渦度（單位：10?5s?1）垂直剖面

綜上所述，700hPa 西南渦的初生和成熟階段均維持對流層低層輻合和假相當位溫的暖心結構，正渦度柱在初生階段隨高度向東傾斜和高層正渦度中心強度的快速增加十分有利于低層低渦的發展。

分析低層風場與過去3h 累計降水空間分布（圖6）可知，本次降水前期700hPa 上西南急流不斷將孟加拉灣的水汽輸送進盆地，850hPa 南風急流軸上中心風速也超過14m/s。由于風向輻合及地形的作用，低層水汽在切變線及龍門山一帶產生輻合，對應此時刻強降水的產生（圖略）。4 日18 時，低層水汽輻合區集中在盆地中部到北部，700hPa 和850hPa 水汽輻合中心大值均超過了4×10-5kg·s-1·m-2，水汽輻合區與強降水區仍有很好的對應關系。隨著低渦向東移動，冷空氣進入盆地并快速南壓，盆地西北部和中部的水汽通道很快被北部冷空氣切斷，水汽輻合中心和強降水區均迅速東移。上述分析表明，水汽通量的輻合區對強降水帶的移動有很好的指示意義，強降水主要出現在700hPa 低渦東南側偏南氣流氣旋性曲率最大值區與850hPa 低渦切變南側的重疊位置。

圖6 同化試驗模擬的不同時次低層風場與過去3h 累計降水量空間分布（a.4 日18 時，b.4 日21 時；黑色流線表示850hPa 流場；紅色圓點表示850hPa 低渦位置；棕色圓點表示700hPa 低渦位置；填色表示降水，單位：mm）；4 日18 時不同層次風場與水汽通量散度空間分布（c.700hPa，d.850hPa；箭頭表示風矢；填色表示水汽通量散度，單位：10-5kg·s-1·m-2）

5 結論

本文利用WRF 模式及WRFDA 同化系統，循環同化風云三號微波濕度計資料（MWHS-2），對2019年6 月4 日四川西南渦暴雨天氣過程進行了數值模擬試驗，得到以下結論：

(1) WRF 模式成功預報出本次暴雨天氣過程，而通過循環同化MWHS-2 觀測資料后對模式初始場盆地中東部的相對濕度有明顯的調整，能夠對模擬的降水結果產生正面影響。對雙層低渦在四川盆地內的模擬也具有一定的改善，其中最明顯的是改善了700hPa低渦模擬路徑與實況路徑的差距，以及控制試驗中850hPa 西南渦在盆地東部打轉的虛假路線。

(2) 過程中700hPa 西南渦初生、成熟階段都維持著低層輻合和相當位溫的暖心結構，正渦度柱在初生階段隨高度向東傾斜和高層正渦度中心強度的快速增加有利于低層低渦的發展；在低渦發展成熟階段，上升運動、正渦度柱以及低層輻合區都有明顯的增強，有利于低渦在移動中的穩定維持。

(3) 降水前期低層水汽通道暢通，盆地西北部至盆地中部為水汽輻合中心；隨著低渦向東移動，冷空氣進入盆地快速南壓，盆地西北部和中部的水汽通道很快被北部冷空氣切斷，水汽輻合中心和強降水區都迅速東移。整個過程中水汽輻合區與強降水區有很好的對應關系，強降水主要出現在700hPa 低渦東南側偏南氣流氣旋性曲率最大值區與850hPa 低渦切變南側的重疊位置。