雷达资料同化对一次EF3级龙卷数值模拟的影响

朱皓清 蔡志颖 姚余辉 郑 涵

（1.江苏省启东市气象局，江苏 启东 226200；2.浙江省宁波市气象局，浙江 宁波 315000；3.浙江省衢江区气象局，浙江 衢江 324022）

龙卷时空尺度小，突发性强，往往造成重大的财产损失和人员伤亡。受限于有限的观测资料，龙卷研究进展缓慢。多普勒天气雷达目前作为龙卷监测和研究的重要手段，预报精准度也只有约50%[1]。

随着数值预报模式快速发展，数值模拟可以弥补探测资料的时空分辨率的不足，重建近地面三维热动力场，成为研究龙卷的重要手段。朱皓清和赵宇[2]对2016 年阜宁龙卷进行模拟，龙卷强度达EF3 级，发现龙卷的多旋涡度结构，并探究龙卷的生成机理。

研究表明，雷达资料同化在龙卷数值模拟中有重要的作用，同化雷达反射率对初始场的水汽条件和热力条件影响较大；同化雷达径向速度可以直接对风场进行调整，进而可以有效强迫出龙卷发生发展所需的环境条件[3-4]。李佳等[5]研究发现，循环同化对模拟风暴有重要影响，但需要把握循环同化的时间长度和间隔。

目前，国内对龙卷的研究集中在对常规与非常规观测资料的诊断分析等方面，通过真实数据在高分辨率下进行模拟的研究较少，对如何有效模拟龙卷和龙卷风暴的研究更少。因此，该文选取2021 年5 月14 日19 时江苏省苏州市发生的一次EF3 级龙卷过程，采用ARPS 中尺度模式对这次龙卷过程进行高分辨率数值模拟，用敏感性试验来检验包括雷达资料同化和循环同化在内的敏感性因子对龙卷风暴预报的影响，以期为龙卷模拟研究和预报预警提供参考。

1 数据介绍及模式参数设置

选用的模式为ARPS5.3.4 版本，由美国俄克拉荷马大学风暴分析和预测中心研究开发，搭载资料分析模块（ADAS）和三维变分模块（3DVAR）。模式采用2 层单向嵌套网格，水平网格距分别为9km 和1km。模式顶高21.1km，网格垂直方向均为53 个σ 层，平均格距为420m，采用3 次函数插值，近地面最小网格间距为20 m，模式顶附近约为770m。主要参数选用Lin 微物理方案、2 层土壤植被模式、1.5 阶TKE 次网格湍流闭合方案、水平和垂直方向4 阶平流等，不使用积云对流方案。9-km 网格包括843×563 个网格点，范围约为7500km×5000km，网格中心位于105°E，35°N。用14 日14 时NCEP 的GFS 资料的分析场作为初始背景场，其余GFS 预报场资料作为侧边界条件。1-km网格的初始场和侧边界条件由9-km 网格插值得到，包括507×507 个网格点，范围约为500km×500km，覆盖华东大部分地区。

2 控制试验及敏感性设计

1-km 网格的控制试验（CNTL1km）在17：30 用ADAS和3DVAR 分别同化青浦、泰州、南通、南京和常州雷达的反射率和径向速度作为初始场，预报20min 后，再次同化雷达资料。雷达资料先经过ARPS 搭载的88D2ARPS 模块插值到1-km 网格（包括质量控制），再由ADAS 和3DVAR将雷达信息同化进背景场。CNTL1km 整个过程预报3.5 h，每1 min 输出一次（图1）。

图1 两层嵌套网格的分析和预报时间轴

设计2 组敏感性试验，分别检验雷达同化和循环同化对龙卷风暴模拟的影响，见表1 和表2。其中CNTLZ 参照CNTL1km，但在17：30 和17：50 时刻均仅同化反射率；CNTLVr 与CNTLZ 相似，但仅同化径向速度；NoRad 试验不同化任何雷达资料。ADAS 云分析模块中仅吸收45dBZ以上的反射率；3DVAR 模块均使用3D 的辐散权重系数，系数为1000。CNTL20x3 和CNTL20x4 试验在17：30 同化后每预报20min 再次进行同化，最后一次同化分别在18：10 和18：30，整个过程分别同化3 次和4 次；CNTL6x4 试验从17：30 开始每间隔6 min 进行一次同化，共4 次。

表1 关于雷达同化的敏感试验方案设计和主要参数

表2 关于循环同化的敏感试验方案设计和主要参数

3 控制试验模拟结果

用第一模式层（约20m 高度）的最大垂直涡度表征近地面涡旋强度，用第九模式层（约500 m 高度）的最大垂直涡度表征低层中气旋强度，通过近地面涡旋和低层中气旋强度的演变来检验控制试验CNTL1km 的龙卷风暴的数值模拟效果。

从时间序列图可以看到（图2），低层中气旋强度有3次峰值，分别在18：05、18：25 和19：00 时刻，第一次涡旋强度波峰在0.02 s-1左右，后两次在0.025 s-1左右，中气旋强度较强。近地面涡旋的强度也有3 次明显的峰值，波峰出现时间与低层中气旋相吻合，涡旋强度峰值在0.025 s-1左右。19：10 后低层和近地面涡旋强度随着龙卷风暴强度减弱而持续减弱。近地面涡旋和低层中气旋强度的第一次波峰由模式的“spin-up”引发近地面较强的上升运动造成，这是模式的常见现象。通过雷达实况观测发现，在龙卷发生前，龙卷风暴发生两次风暴合并，在第二次风暴合并后龙卷生产[6]。试验模拟产生的第二次和第三次涡旋强度波动和波峰出现时间，和实况风暴合并时间相吻合（图2）。这说明近地面涡旋的出现与低层中气旋有较大联系，且近地面涡旋和低层中气旋强度增强与风暴合并有关；同时说明CNTL1km 试验较好地模拟了龙卷风暴合并的效果，且效果较好。

图2 CNTL1km 试验预报的第一模式层（虚线）和第九模式层（实线）最大垂直涡度（单位：s-1）的时间序列图

4 敏感性试验模拟结果

从第三节可知，近地面涡旋的激发与低层中气旋有关，因此直接通过近地面涡旋强度的演变来检验龙卷风暴的数值模拟效果。

4.1 雷达同化因子检验

从图3可以看到， CNTLZ试验与CNTL1km试验在18:00-18:40 的模拟较为相似，均捕捉到了2 次近地面涡旋强度峰值，前者仍为模式“spin-up”产生的强烈上升运动形成，但CNTLZ 的“spin-up”更强烈；CNTLZ 的第二次近地面涡旋强度从0.025 s-1持续减弱（图3（b））。值得注意的是，CNTLZ近地面涡旋第三次增强从19：10 开始，而CNTL1km 的近地面涡旋已经达到峰值，说明CNTLZ 的风暴在18：30—19：10较长一段时间内强度和结构不稳定，导致近地面涡旋持续减弱并消散。CNTLVr 试验中，近地面涡旋仅在18：50 达到峰值，强度达到0.027 s-1（图3（c）），后涡旋持续减弱，且不再发展，19：10 后近地面涡旋基本消失，整个过程近地面涡旋维持时间较短。NoRad 近地面涡旋在18：00-18：40 也略有发展，但强度始终维持在0.02 s-1以下（图3（d）），且在19：10 后近地面涡旋基本消失，整个过程近地面涡旋持续时间短，强度弱，模拟效果最差。

图3 第一模式层最大垂直涡旋（单位：s-1）的时间序列图

结合第一组试验来看，同化雷达反射率或径向速度均对龙卷风暴的模拟有积极作用，CNTL1km、CNTLZ 和CNTLVr试验所模拟的龙卷风暴的低层中气旋均在近地面激发出了强烈涡旋，CNTL1km 试验同时同化雷达反射率和径向速度效果最好，CNTLZ 试验模拟的龙卷风暴不稳定，而CNTLVr试验龙卷风暴发展较为缓慢。

4.2 循环同化因子检验

从图4 可以看到，CNTL20x3 与CNTL1km 近地面涡旋发展演变过程较为接近，近地面涡旋维持时间均超过1h，但CNTL20x3 近地面涡旋强度最大约0.002 s-1，略低于CNTL1km（图4（b））。CNTL20x3 近地面涡旋强度的第一次峰值在18：30，与CNTL1km 相对应；第二次波峰在19：10，相比CNTL1km 晚了约10min；19：30 后CNTL20x3 仍有较弱的近地面涡旋发展，但CNTL1km 近地面涡旋基本填塞消散。CNTL20x4 的近地面涡旋从18：30—19：00 强度持续减弱，与CNTL20x3 对应时段的结果接近（图4（c）），说明雷达同化对模拟的效果趋于上限，而19：00 后近地面涡旋难以发展，则是因为进一步增加同化次数导致预报更滞后，使模拟效果变更差。CNTL6x4 的近地面涡旋在18：00 达到0.02 s-1的峰值，但是立即填塞（图4（d）），这不仅是“spinup”的影响，更说明该试验的热动力场明显不平衡，18：35涡旋短暂增强后又迅速填塞，模拟效果较差。

图4 第一模式层最大垂直涡旋（单位：s-1）的时间序列图

综合第二组试验来看，随着雷达同化次数增加，雷达同化对模拟的效果趋于上限，进一步增加同化次数会导致预报滞后，使模拟效果变差；同化时间间隔过短会导致模式的热动力场在积分前期一直处于不平衡状态，也会对模拟起副作用。

5 结论

该文选取2021 年5 月14 日苏州EF3 级龙卷过程，采用ARPS 模式对这次龙卷过程进行模拟，采用2 层单向嵌套，水平分辨率为9km 和1km，设计2 组敏感性试验来检验雷达资料同化和循环同化对龙卷风暴预报的影响，结论如下：1）同化雷达反射率或径向速度均对龙卷风暴的模拟有积极作用，且同时同化雷达反射率和径向速度效果最好。2）随着雷达同化次数增加，雷达同化对模拟的效果会趋于上限；同化时间间隔过短会导致模式热动力场在积分前期不平衡，也会对模拟起副作用。3）综合考虑，循环同化次数应控制在2～3 次，同化间隔在20min 左右较为合适。