NPP_ATMS亮温资料同化在台风数值模拟中的应用

石艳军+单海滨+张月维+胡民达

【摘 要】选取2016年台风 “海马”和“鲇鱼”临近登陆过程作为试验个例，在WRF模式基础上，采用控制试验与同化NPP_ATMS亮温资料对台风进行72h數值模拟，在台风路径、中心最低气压和中心最大风速三个方面对比实况分析了其模拟效果，试验结果表明：WRF模式对台风“海马”和“鲇鱼”的路径模拟效果非常好，尤其是前48h，但两个台风模拟输出的时间点都明显偏快，在强度模拟上也有参考价值。同化NPP_ATMS亮温资料后在路径上，除了个别点作用不明显外，大部分时间点都有一定的正作用。在中心气压和中心风速上影响较小，但有影响的时间点也均为正作用。

【关键词】WRF模式；三维变分同化；台风；NPP_ATMS亮温资料；数值模拟

中图分类号： P732.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2017）23-0006-002

【Abstract】This article indicates the numerical model WRF simulates the typhoon named “haima” and “nianyu” happened in 2016 for example.Two kinds of initialization schemes and 72-hour simulation are performed and NPP_ATMS brightness temperature data is ingested into the WRF model.The simulation results are analyzed in contrast to the observation path of typhoon， the lowest central air pressure and the highest central wind speed.Results suggest effects that WRF model simulates the paths of typhoon named“haima” and “nianyu” are very well， especially in the first 48 hours. Though output time points in simulation of the two typhoons move obviously faster，it is with reference value to intension simulation as well. Despite of few time points with unobvious effects， majority number of points are positive effects.Influence on central air pressure and wind speed are small but the time points with influence areinfluenced positively.

【Key words】WRF model；3DVAR；Typhoon；NPP_ATMS brightness temperature data；Numerical simulation

0 引言

中国是台风多发的国家，每年台风造成的灾害损失高居十大自然灾害之首，台风预报的准确性对防灾减灾工作至关重要。目前，数值预报已成为台风预报的主要手段[1]。一直以来，国内外从未间断对台风的研究，现已有大量关于台风研究的文章，日本气象厅的Akihiko[2]使用非静力模式对热带风暴Meari的强降水进行了数值模拟，结果认为良好的水汽及水汽输送条件有利于热带风暴发生强降水。Shen[3]等通过数值模拟研究认为，陆地上的水体会减缓登陆热带风暴的衰亡速度。邢建勇等[4]对2005年第15 号台风“Khanun”进行了数值模拟，分析了不同的初始化方案对模拟预报的影响。杨引明等[5]在WRFDA系统中，对2009年第8号台风“莫拉克”开展了风云三号A星微波资料数值预报的直接同化研究，结果表明，同化风云三号A星微波资料对数值模式初始场改进要优于仅仅同化常规观测资料，这点在缺乏观测资料的海洋上改进尤为明。周林等[6]结合WRF的三维变分系统对小型超强台风“桑美”进行了数值模拟，结果验证了热带风暴暴雨的发生和维持需要大尺度环境场、动力条件和水汽条件等因素的配合。ZHANG，et al[7]构建了适合格点模式的三维变分同化系统，并对ATOVS辐射亮温资料直接同化方案进行了改进，研究西北太平洋上的热带气旋，结果表明，直接同化辐射亮温资料，可以正确描述热带气旋的三维结构及其演变情况。WANG，et al[8]在台风模拟试验中，利用MM5-4DVAR同化系统，结合BDA方法同化NOAA-16 的AMSU-A资料，结果表明该方案可以重构台风的中尺度信息，进而改善台风的预报。丁伟钰等[9]在有云条件下，结合GRAPES-3DVAR同化系统和WRF模式，研究了ATOVS红外辐射资料直接同化的方法，并分析了其对“珍珠”台风预报的影响，结果表明，可以改进台风湿度、湿度，有一定的正面作用。

2011年10月28日，ATMS探测器搭载美国新一代气象极轨卫星NPOESS的准备星NPP发射，是AMSUA和MHS辐射计的继承版本，主要用于探测大气温度和湿度廓线。广州气象卫星地面站基于风云三号（FY-3）极轨卫星接收系统的深入研究，已实现了FY-3接收系统对NPP卫星直接广播数据的兼容接收，并完成了卫星数据L0～L1级的预处理[10]。本文利用中尺度数值模式WRF直接同化ATMS亮温资料，并以2016年台风“鲇鱼”和台风“海马”为个例检验其对台风数值预报效果的影响。

1 台风概况endprint

台风“海马”是2016年第22号台风，存在时间为2016年10月15日8时至10月23日17时，10月21日下午12时40分于汕尾海丰县鲘门镇登陆。“海马”导致菲律宾大气地球物理和天文服务管理局首次需要发出五号风暴信号，亦导致香港天文台21年以来首次在10月发出八号热带气旋警告信号。20日20时到21日19时，粤东以及惠州、深圳、东莞、梅州、河源南部出现了暴雨到大暴雨，梅州丰顺县和潮州潮安县出现特大暴雨，河源北部和韶关南部出现了中雨到大雨，全省共有2个站录得250毫米以上的特大暴雨。在风力影响方面，广东东部海面出现了9级-12级大风、阵风13级-14级，粤东沿海市县出现了8级-11级、阵风12级-14级大风。海马造成江苏、福建、广东189.9万人受灾，超过3800间房屋受损，直接经济损失47.6亿元人民币。

台风“鲇鱼”是2016年第17号台风，存在时间为2016年9月23日8时至9月29日5时，9月28日早晨于福建泉州的惠安县沿海登陆。鲇鱼造成台湾全岛两百多万户停电并且大规模停班课，福建多地同时发布“双红”（红色台风+红色暴雨，均属于最高级别）警报。中国福州晋安区测得最高风速为43.6米每秒，刷新了苏迪罗的阵风纪录，几乎是达到了0102号台风飞燕时的水平，降水同样严重，永泰、闽清、福安等地都已經超过警戒水位，城区也大面积内涝。

2 探测器和资料介绍

ATMS有22个探测通道，前15个通道为温度探测通道，后7个为湿度探测通道，其中通道1-5和16-17为窗区探测通道。ATMS轨道宽度为2300km，每条扫描线上有96个扫描点，星下分辨率通道1-2为75km，通道3-16为32km，通道17-22为16km。

本文采用的模式是美国环境预报中心和美国国家大气研究中心等联合研发的新一代中尺度预报模式WRFV3.7.1和同化系统WRFDA。除了ATMS亮温资料，本文所使用的资料还包括：1、NCEP网站提供的FNL再分析资料，水平分辨率为1°×1°。2、台风观测路径、中心最低气压和中心最高风速选用广东省气象局业务网的实况路径。

3 试验方案设计及步骤

本文中模式水平分辨率采用的是30km，垂直为30层，以（118°E，23°N）为中心，未使用嵌套，模拟区域网格格点数为235×182，积分步长180s。微物理过程采用WSM 3-class simple ice scheme，长波辐射参数化方案采用rrtm scheme、短波辐射参数化方案采用Dudhia scheme，近地面层方案采用Monin-Obukhov scheme，陆面过程方案采用Noah land-surface model，边界层方案采用YSU scheme，积云参数化方案采用Kain-Fritsch scheme。

在此基础上，本文设计了2组试验，分别对台风“海马”和台风“鲇鱼”进行72h的预报。试验1：直接使用FNL资料作为初始场，进行72h预报；试验2：采用3DVAR同化方法，将NPP_ATMS亮温数据同化其中，更新边界再进行72h预报。

4 试验结果

4.1 台风预报路径分析

如图1所示为台风“海马”路径，红色为控制试验模拟路径，绿色为同化ATMS亮温资料的模拟路径，蓝色为实况路径。从台风“海马”实况模拟路径对比分析，控制试验模拟的台风路径及在菲律宾的登陆点整体与实况路径是比较吻合的，特别是前48小时，最后12小时，实况路径向北折向移动过程中，模拟路径仍是向西走，差别较大。如表一所示，分别为试验1控制试验和试验2同化ATMS资料后与实况路径的偏差，其二者的差值正数表示正作用，负数表示负作用，除了66h和72h最后两个时间点，其他输出时间点均有正作用。

如图2所示为台风“鲇鱼”路径，同台风“海马”类似，前48小时模拟路径与实况路径比较一致，但模拟输出的时间点明显偏快，同化ATMS亮温资料后稍有改善。最后12小时，实况路径向北折向移动过程中，模拟路径仍是向西走，差别较大。如表二所示，同化ATMS资料后，除了个别输出点无影响外，其他点均有正作用。

4.2 台风中心最低气压分析

通常用台风中心海平面最低气压来表征台风的强度，图3为台风“海马”中心海平面气压的72h预报结果以及实况气压图。可以看出模拟方案的中心气压变化趋势与实况是一致的，但在数值上差异略大，在54h至60h起，数值最为接近，同化ATMS资料后对比控制试验，前18h无变化，从18h起，气压值均有正变化，但数值不大。

如图4所示为台风“鲇鱼”中心海平面气压的72h预报结果以及实况气压图。可以看出前18h，模拟气压值与实况是非常吻合的，从18h起，实况气压值逐渐降低的过程中，模拟值呈平滑趋势，差值越来越大，从54h起，实况气压值逐渐升高，二者的差值又慢慢变小。同化ATMS资料后与控制试验基本没有变化。

4.3 台风中心最大风速分析

图5是台风“海马”中心最大风速的72h数值模拟结果以及实况图。在整个模拟时段，模拟值始终偏小，前36h，差值大于20m/s，最大差值达到33m/s。36h后差值逐渐缩小，54h后，模拟值与实况接近为个位数的差值。同化ATMS资料大部分输出时间点无变化，有变化的点均为正作用，与实况有小幅度的接近。

图5是台风“鲇鱼”中心最大风速的72h数值模拟结果以及实况图。可以看出模拟的最大风速变化趋势与实况是较为一致的，且前24h偏差较小，从24h起，实况风速加大的过程中，模拟值变化较小，差值被拉大，最大差值接近20m/s。从54h起，实况最大风速减小，模拟值随之减小，模拟值对比实况偏小。同化ATMS资料对比控制试验大部分时间点无变化，有变化的几个点均为正作用，但幅度不大。

5 结论endprint

本文利用模式WRFV3.7.1，采用控制试验和同化NPP_ATMS亮温资料两种方案对2016年台风“海马”和台风“鲇鱼”进行了72h的数值模拟，初步得到以下结论：

1）WRF模式对台风“海马”和台风“鲇鱼”的路径都有非常好的模拟效果，尤其是前48h，但两个台风模拟输出的时间点都明显偏快；强度模拟比路径效果差一些，但在趋势等方面仍然有参考价值。

2）在初始场同化NPP的ATMS资料后，从台风路径、中心气压和中心风速初始位置看，对初始场的改变不大，而在后面慢慢发生作用，在路径上，除了个别点作用不明显外，大部分时间点都有一定的正作用。在中心气压和中心风速上影响较小，但有影响的时间点也均为正作用。

综上所述，NPP_ATMS亮温资料对台风路径和强度均有一定的改进作用，需要指出的是，本文针对台风路径和强度的模拟效果仅选取了二个台风个例，因此研究NPP_ATMS亮温资料同化还需做大量的工作。

【参考文献】

[1]邹力，王云峰，姜勇强，等.基于卫星亮温资料同化对2009年热带风暴“浪卡”的数值研究.气象科学，2016，36（3）：366-373.

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[6]周林，王东法，徐亚钦.利用WRF 数值模拟分析小型超强台风“桑美” [J].浙江大学学报（理学版），2012，39（6）：703-710.

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[10]张月维，单海滨.Suomi NPP卫星直接广播数据接收和预处理.气象科技[J].2015，43（1）：53-58.endprint