同化DMSP－F16 SSMIS资料对一次暴雨过程模拟的影响

周 鑫 刘健文 黄江平



同化DMSP－F16 SSMIS资料对一次暴雨过程模拟的影响

周 鑫 刘健文 黄江平

本文利用GSI同化系统同化了美国国防卫星DMSP－F16 SSMIS亮温资料，对2015年8月发生在我国东南地区的一次特大暴雨进行模拟预报，结果表明，只加入SSMIS探测通道2～6对能模拟出降水的基本范围，但对于强降水的强度及位置仍存在一定偏差，在此基础上加入成像通道12～18能够明显提高低层物理量，ETS评分也有显著增加，进一步改善了模拟效果。

而我国地处太平洋西岸，每年夏季台风产生登陆我国之后，往往会对东南沿海带来暴雨灾害，因此提高降水预报精度，以最大限度地预防和降低暴雨等强降水天气过程造成的灾害和损失，是我国气象科技工作者孜孜以求的重要目标和任务。现在数值模式已经成为暴雨预报的重要手段和工具，众多研究表明，在数值预报模式中加入非常规资料能够有效地改善模式初始场，提高预报准确率，而卫星资料作为观测资料的主要部分，对提高数值模式水平作用明显。美国国防气象卫星DMSPF16已成功运行多年，NOAA的全球预报系统同化其搭载的SSMIS探测仪的资料后，发现对全球中期数值预报水平有一定提升作用，由于SSMIS探测仪具备同时拥有成像和探测两类通道的特点，因此研究其在数值预报中的应用对我国卫星探测仪的发展有一定借鉴作用。本文利用SSMIS资料对2015年8月8日06时至8 月10日06时福建及周边省份的一次暴雨过程进行模拟，并对成像通道的利用采用对比试验以探究该类通道数据对降水模拟的作用。

暴雨过程介绍

受台风“苏迪罗”影响，2015年8月7日开始，粤东地区出现大雨到暴雨局部大暴雨降水过程，浙江、安徽、江西、江苏、广州等省份也出现了不同程度的强降水，至8月10日06时，福建浙江两省的平均降水量超过100mm，部分地区最大降水量超过800mm。9日8时至10日8时，福建北部和西南部、浙江、江西中北部、安徽中南部、湖南东南部等地部分地区降雨50-150毫米；浙江台州、绍兴、宁波和江西九江、安徽六安局地250-320毫米（最大小时雨强50-90毫米），江西九江局地350-526毫米（九江庐山区）。江苏、浙江、安徽、福建、江西5省33市191个县（市、区）565.5万人受灾，26人死亡，7人失踪，93万人紧急转移安置，5.8万人需紧急生活救助；4600余间房屋倒塌，6.1万间不同程度损坏；农作物受灾面积229.8千公顷，其中绝收26.2千公顷；直接经济损失137.7亿元。

资料和试验方案

试验中使用NCEP网站提供的2015年8月8日06时至10日06时的FNL再分析资料作为初始场和边界条件，水平分辨率为0.25°×0.25°，卫星数据采用的是美国国防卫星DMSP-F16 SSMIS 的BUFR格式亮温数据，WRF模式中心为20°N，125°E，水平分辨率30km，格点202×202，垂直分层41层，模式层顶高10hPa，时间积分步长为180 s，物理过程采用Kain-Fristsch积云方案，WSM6微物理方案，YSU边界层方案，RRTM长波辐射方案，Dudhia短波辐射方案。实况资料采用国家气象信息中心小时降水格点产品，数据源主要包括国家气象信息中心制作的中国区域小时降水量融合产品、国家卫星气象中心利用FY-2E静止卫星反演的小时降水，以及NCEP-CPC制作的CMORPH卫星融合降水产品，分辨率为0.1°×0.1°。试验方案见表1，EXP1为控制试验，不同化任何资料直接进行预报，EXP2同化SSMIS的探测通道1～5，EXP3在EXP2基础上加入SSMIS成像通道12～18。

表1　2015年8月7日06时～10日06时暴雨模拟方案

降水模拟效果及评估

本文利用CMORPH卫星融合降水产品的降水量作为观测，图1为2015年8月8日06时至10日06时48小时观测降水量（a）和三组试验（b、c、d）模拟降水结果。对比分析发现，EXP1没有模拟出浙江东部300mm以上的降水区域，而在江苏省、江西省和湖北省出现了误报区，尤其在江西省出现了大范围的模拟降水，而实况显示在江西省内降水范围很小，在台湾省的降水误差依然存在。EXP2也没有能够模拟出浙江东部的强降水范围，位于江西西北部的200mm以上的降水中心也不明显，安徽省和湖北省的降水量偏大，位于台湾省和台湾海峡的降水区误差进一步增大。EXP3较1、2模拟出了浙江省内部分降水，但范围还是偏小，安徽西部和江西北部的降水中心能够同时模拟出来，但两个降水区域中间出现了一定误报，位于台湾的降水偏差小于前两组试验。总体而言，EXP1模拟效果不佳，降水范围偏差较大，降水中心不能够全部模拟出，而且位置存在一定偏离情况，EXP2 基本能够模拟出降水范围，但存在降水中心强度过大和位置不够准确的问题，EXP3的模拟效果最好，不仅降水范围和实况接近，而且几个强降水中心都能够模拟出来，并且降水量与实况相当。

图1　2015年8月8日06时～10日06时48小时降水实况（a）及三组试验（b、c、d）模拟结果

下面采用ETS （Equitable Threat Score）评分方法（也称公平TS评分）对三组试验的降水预报效果进行客观性检验。首先介绍ETS评分方法，ETS评分的具体计算公式定义如下：

其中NA代表实况发生降水，同时预报也满足标准的格点数；NB代表实况无降水，但预报有降水的格点数；NC代表实况有降水，但预报无降水的格点数；ND代表实况无降水，预报也无降水的格点数，为随机预测系数。

在进行ETS评分之前，先将CMORPH卫星融合降水的格点资料插值到模式的格点上，然后利用ETS评分公式计算结果。图2是三组试验在8日06时至10日06时48小时分级降水ETS评分情况，图中根据降水量等级小雨、中雨、大雨、暴雨和大暴雨分别给定了评分阈值 0.1～9.9mm，10～24.9mm，25～49.9mm，50～99.9mm和100mm以上。从ETS评分来看，仅加入SSMIS探测通道对小雨、大雨和大暴雨的评分高于控制试验，但中雨和暴雨评分低于控制试验。同时加入SSMIS探测和成像通道除中雨评分外，其他均高于控制试验，且所有级别评分均高于仅加入探测通道试验。

图2　三组试验8日06时至10日48时24小时分级降水ETS评分图

降水因子诊断分析

为了了解三组试验预报结果的差异原因，分别从影响降水预报效果的动力条件、热力条件以及水汽条件三方面因子对EXP2和EXP3分析场增量进行对比，选择相对涡度、温度和水汽通量三个量沿降水中心纬度23°N作垂直剖面图进行诊断分析。

相对涡度

图3　相对涡度增量场沿23°N的垂直剖面

相对涡度能够反映降水系统未来发展的情况，图3是EXP2和EXP3分析场相对于EXP1的相对涡度增量垂直剖面图，图b是同时同化SSMIS探测和成像通道数据的试验，在中低层750～600hPa有明显的正涡度增量区，在高层接近100hPa处有一定的负涡度增量区，说明加入同化资料之后低层气旋式环流有所加强，高层反气旋是环流有所减弱；而图a是仅同化SSMIS探测通道数据试验，从750hPa到100hPa之间，存在着涡度正负增量中心交替，左右对称的情况，且增量较EXP3小两个数量级，因此说明同化成像资料的加入对垂直上升运动有一定促进作用。

温度

由于此次暴雨是受台风影响而产生的，而高温能够给台风提供更加充足的能量，因此温度可以作为诊断这次暴雨的一个热力因子。图4是温度增量场的垂直剖面图，图a（EXP2）中，在800～700hPa出现了温度负增值区，700～200hPa均为正增值区，但量级很小，最大增量只有0.008K，而图b（EXP3）中，从800～500hPa均为温度的正增量区，且最大值达到0.8K，远大于EXP2，这说明EXP3在该处上空更容易形成高温区，在500hPa～300hPa之间有一定的负增量区，这是由于台风主体因降水和上升运动引起的降温现象，因此可以说明加入成像通道数据对中低层的温度增量的提升效果是十分明显的。

水汽通量

水汽通量也称水汽输送量，是指单位时间从流经与速度矢量正交的单位截面积的水汽质量，它表示了水汽输送的大小和方向，是暴雨形成的必要条件之一。图5为水汽通量增量场的垂直剖面图，可以看到图a（EXP2）中，在700hPa以上有一定的水汽通量增量，但数值很小，最大增量仅为1e-5 kg/（hPa·m·s），而图b在相同高度的水汽通量增量则大得多，最大为0.01 kg/ （hPa·m·s），与EXP2相差3个数量级，由此可以说明虽然同化SSMIS探测通道资料对水汽通量有一定的提高作用，但十分有限，远不及加入成像通道后的效果明显。

图4　温度增量场沿23°N的垂直剖面

图5　水汽通量增量场沿23°N的垂直剖面

结语

本文对2015年8月8日至10日有台风引起的发生在我国华南及台湾地区的强降水天气过程，利用GSI同化系统，对SSMIS探测通道和成像通道亮温资料进行直接同化和数值模拟试验。通过对试验结果分析，得到以下结论：（1）从模拟结果来看，均能模拟出降水的基本范围，但对于强降水的强度及范围存在不同程度偏差，整体而言同时同化SSMIS探测和成像通道的模拟效果与实际最为接近；（2）从ETS评分来看，仅加入探测通道数据对降水评分的提升不是很明显，但在此基础上再加入成像通道使得评分得以显著提高。总体上看，SSMIS成像通道数据对进一步改善降水模拟效果有明显作用；（3）从分析场增量可以看出，加入成像通道后对相对涡度、温度和水汽通量等影响暴雨模拟的因子在低层有明显的提升作用。

周 鑫1刘健文2黄江平2

1.解放军理工大学；2.北京航空气象研究所

周鑫，男，解放军理工大学研究生，从事数值预报方向研究。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.10.007