引言

“全球能量与水分循环试验—淮河流域试验和研究 (GEWEX/HUBEX)”项目在1998年6月11日至7月23日共42天的加密观测期 (IOP) 中进行了观测试验, 获得许多有价值的资料。由于观测资料并不完善, 它们的时、空分布又极不均匀, 仅利用单一时刻的资料往往很难得到该时刻高分辨率较真实的三维大气要素场。普遍认为, 使用过去多时刻的观测资料, 通过数值模式计算, 与当前的观测资料结合, 有可能得到规则的、动力学上协调的、能够较好描述大气真实状况的四维气象要素场, 这就是所谓的资料四维同化^[1]。国家气象中心 (NMC) 开发了HUBEX区域资料同化系统, 它可以利用包括HUBEX时、空加密观测在内的多种资料, 为HUBEX诊断分析和数值模拟研究提供高分辨率规则分布的气象要素场。

1 基本方案

HUBEX区域资料同化系统的区域中心位于34°N、116°E, 采用兰勃托地图投影, 水平分辨率为30 km, 共81 ×81个格点, 区域完全覆盖了HUBEX的α尺度试验区范围 (28°~40°N, 110°~122°E), 垂直分辨率为23层。图 1给出HUBEX区域资料同化系统的水平网格分布。

这个同化系统使用来自全球通讯系统 (GTS) 的观测资料, 国家卫星气象中心 (NSMC) 反演的红外云导风、水汽风资料, 以及HUBEX IOP的加密观测资料 (表 1)。其中, 可以增补用于这个资料同化系统的IOP HUBEX加密观测, 包括每天由2次增至4次的21个探空站和由4~7次增至7~8次的11个地面天气站的时间加密资料, 以及通常无法获取使用的13个地面气候站的空间加密资料。

HUBEX区域资料同化系统采用6 h周期的间歇资料同化方法, 图 2给出系统的流程框图。系统包括初估场和边界条件形成、资料质量控制、客观分析、初值化、同化模式预报以及后处理等几个主要部分。下面对HUBEX区域资料同化系统的组成部分作简略叙述。

2 资料同化系统主要技术环节 2.1 初估场和边界条件形成

利用全球粗网格标准等压面和等经纬度的高度、纬向风速、经向风速和相对湿度分析场, 通过插值计算得到同化系统冷启动时的初估场, 以及HUBEX区域同化系统初值化和同化模式预报时所需要的边界条件。冷启动后同化循环的初估场, 由同化模式自身6 h预报产生。

2.2 资料质量控制

首先对资料进行预处理, 提取同化过程每分析时刻 (00 :00、06 :00、12 :00、18 :00UTC) 前后3 h的观测资料, 对它们规格化; 然后进行质量控制^[2]。

质量控制中, 首先对观测资料进行气候值检查和垂直一致性检查。后者包括lnp线性内插检查, 温度垂直递减率检查, 静力学检查, 风的垂直切变检查等; 然后进行观测余差 (观测值与初估值的差) 的极值检查和水平一致性检查。

经过上述资料的质量控制检查, 订正、删除错误资料。通过检查的资料, 可以用于下面的客观分析。

2.3 客观分析

采用与NMC有限区同化预报系统 (HLAFS) 的客观分析方案^[3]类似的σ面最优插值增量分析方法。使用的分析方程为:

式中, A表示任一分析标量温度、高度、纬向风速、经向风速和相对湿度, W是观测的分析权重, E是变量的估值均方根误差, 上标a、g、o分别表示分析值、初估值和观测值, 下标k和n表示分析格点和观测点, N是选取用于该格点分析的观测数。

使最优插值的统计分析误差最小, 得到求解分析方程观测权重的线性方程组。在已知观测误差和初估值误差的相关和估值均方根误差后, 即可求得观测权重, 并由此计算得到分析变量值。

温度、高度、纬向风速、经向风速为三维多变量分析, 相对湿度为三维单变量分析。其中, σ面坐标系最低层的高度分析增量还用于计算地面场面气压的分析增量, 以求得场面气压分析场。

2.4 初值化

用最优插值方法对温度、高度、纬向风速、经向风速和湿度场的分析是分别进行的, 与同化模式没有直接联系, 因此分析得到的质量、风以及湿度场在动力学和热力学上往往不协调, 常常产生明显的Spin-up现象。为了抑制由于分析初值动力学不平衡造成的同化模式积分初期出现的不合理高频振荡, 采用张弛逼近 (Nudging) 初值化方案, 通过数值模式积分调整这种不协调。虽然Nudg ing方法可能花费更多的计算时间, 但这种方法被认为是中尺度数值预报中一种较好的同化初值化方法^[4], 并可能利用更多的时间加密观测资料。

使用每次同化初始时刻前6 h的模式初值进行Nudging模式积分, 让模式计算值向客观分析目标场逼近, 模式最终结果将作为初始时刻同化模式的初值。下式为Nudging方案中的模式方程:

它与同化模式方程基本相同, 仅在右侧最后增加一项订正项。式中X为模式变量; A表示平流项和物理过程; α为订正系数, 与变量类型和时间步有关; 上标n为时间步, 下标o表示实况 (由前后两个时次的分析场插值得到)、f表示模式预报。

2.5 同化模式预报

利用PSU / NCAR开发的中尺度模式 (MM5)^[5]作为系统的同化模式。其主要物理过程包括简单冰相的显式水汽方案、Kain-Frit sch积云对流参数化方案、Blackadar高分辨率BPL方案、Dudhia云辐射方案等, 采用平滑真实地形。模式与由粗网格分析场形成的边界条件进行三维单向嵌套。由于观测资料在大气高层, 特别是50 hPa以上很少, 与初估场和侧边界的值往往有较大偏差, 常常导致高层分析和模式预报频繁出现虚假的小系统。因此, 在模式最高6层σ面, 对质量场进行与Davies方法^[6]侧边界处理类似的垂直层嵌套处理, 较好克服模式顶的紊乱现象, 保障了资料同化过程的顺利进行。

这个模式同时用作Nudging初值化模式的基本版本。

2.6 后处理

对同化系统的分析、同化计算结果进行加工处理, 形成1998年6月11日~7月23日每6 h间隔0.25°等经纬度网格的24层等压面高度、温度、经向风速、纬向风速和相对湿度场, 以及海平面气压场资料。

3 对比分析试验

1998年汛期, 长江流域暴雨频繁发生, 出现严重的洪涝灾害, HUBEX IOP正处于这时段的前半期。选取1998年6月24~28日的强暴雨过程, 对HUBEX区域资料同化系统的性能进行测试。

3.1 天气过程

6月24日, 长江中游地区出现暴雨。其后, 长江流域对流层低层的暖切变向东伸展, 从长江下游到贵州一带形成一条东北—西南走向的梅雨锋和相应的强降雨带。由于有弱冷空气从中纬度不断南下, 梅雨锋和雨带持续和加强。27日后, 随西太平洋副热带高压的加强、北抬, 我国境内的梅雨锋和雨带减弱并东移出海。

3.2 试验方案

设计了如下不同初值形成方法的试验方案:

(1) 利用HUBEX系统, 从6月24日00 :00 UTC至28日00 :00 UTC进行4天的资料同化, 得到每6 h间隔的分析同化初值场和同化预报的要素场 (方案A);

(2) 利用粗网格全球分析资料作为初估场, 直接进行25日和26日00 :00 UTC同化区域细网格客观分析, 得到模式的初值场 (方案B);

(3) 利用粗网格全球分析资料, 插值生成25日和26日00 :00UTC同化区域细网格的模式初值场 (方案C)。

此外, 为了讨论同化系统中加密观测的作用, 采用方案A的方法, 使用不包括NSMC导风和IOP加密探空、地面观测的资料进行资料同化计算 (方案D)。

上述方案生成的25日和26日00 :00 UTC初值, 分别制作24 h和36 h的短期预报, 对结果进行对比分析, 并与观测比较。

3.3 试验结果分析

资料同化系统主要用于提供协调、真实和规则分布的分析场和初值场。但是, 很难找到较好的直接检验和评估的方法。目前较多地是通过预报效果检验, 间接地对其质量进行评价。降水是各种气象要素综合影响的结果, 它可以从一个侧面反映大气动力和热力的综合状态; 同时, 它也是一个重要的预报气象要素。因此, 下面着重通过降水进行分析。

(1) 同化初值真实性

同化系统中同化模式的6 h预报是为下一次同化循环提供初估场, 它的好坏直接影响下一次分析的效果。虽然6 h同化模式预报的降水并不用来作为初估场, 但它的真实性在某种程度上反映了初值所描述的大气动力、热力场的质量。计算显示, 各个同化循环的6 h模式预报与相应的降水观测实况相比, 非常吻合 (如图 3a、b)。图 4b给出25日00 :00 UTC~26日00 :00 UTC 4次6 h同化预报降水量的总和, 与观测实况 (图 4a) 比较也可以发现, 不论雨带走向还是暴雨的落区, 两者都十分接近。从同化系统的6 h降水预报可以间接反映HUBEX区域同化系统提供的初值场的真实性。

(2) 同化初值协调性

中尺度模式预报中存在的一个重要问题是模式积分初期几个小时内降水往往偏小, 这和初值不协调导致与降水联系的中尺度环流发展过于缓慢有关, 亦即所谓的spin-up现象。图 3b、c、d是上述三种初值形成方案A、B、C前6 h的降水预报。可以清楚看到, 方案B和C都只给出非常弱和零散的降水, 与实况观测 (图 3a) 相比, 有着很大的偏差; 而同化初值方案A的预报, 与观测非常的接近。

图 5给出产生强暴雨地点 (29.2°N, 115.5°E) 地面气压倾向的时间演变, 同化初值方案A较方案B、C更有效地抑制了高频振荡。

由此可见, HUBEX区域资料同化系统明显改善spin-up现象, 提供了较协调的模式初值场。

(3) 同化初值预报效果

由上述A、B、C方案形成的初值制作短期降水预报可以发现, 同化初值方案明显优于其它两种方案。图 4a、d、e、f给出25日试验个例的降水观测实况和24 h预报计算结果。三种方案虽然都预报了东北—西南走向的雨带, 但由粗网格分析插值形成的初值 (方案C) 的预报, 基本不能报出长江中下游地区的暴雨区; 未经同化的细网格分析初值 (方案B) 的预报, 在强度上较实况明显偏弱; 由同化系统形成的初值 (方案A) 的降水预报, 效果则有显著的改进, 较好报出了这条雨带中的暴雨区, 只是最强的暴雨中心偏西了2个经度。

(4) HUBEX加密观测在资料同化中的作用

利用HUBEX资料同化系统, 进行了两组资料的资料同化和短期预报试验:方案A包括了IOP加密探空观测、地面观测和NSMC导风资料; 方案D不包括上述加密资料。试验结果对比显示, 方案A的6 h同化预报给出更多的中尺度结构特征, 与实况更接近, 由25日00 :00 UTC~26日00 :00 UTC 4次同化预报降水量的总和也可看出这个特点 (见图 4a、b和c); 用两种方案形成的同化初值所制作的24~36 h降水预报也可得到同样的结论 (图略)。但是, 两者总的差异并不十分显著, 都给出与实况比较相近的结果。

使用中国异常台风科学试验 (CATEX) 观测资料进行的数值试验曾显示, 在较高分辨率 (水平0.25°×0.25°经纬度) 的数值预报系统中, 加密观测对中尺度雨带的预报有较明显的改进贡献^[7]。

分析比较HUBEX和CATEX两次观测试验的观测资料状况发现, CATEX试验中可增加使用的空间加密地面观测站达几百个, 远远超过当时该试验地区的常规地面天气站; 而对于HUBEX试验, 正如前面已指出的, 真正能够在这个资料同化系统中利用的增补加密地面观测站不足30个, 空间加密观测站更少, 这可能是HUBEX数值试验中使用加密观测效果改进不十分显著的一个重要原因。

4 结束语

本文介绍了HUBEX区域资料同化系统的基本方案、结构及其组成部分。试验显示, 系统具有较好的性能, 可以给出改善的同化、分析气象要素场, 提供的初值明显地改进短期预报水平。已利用HUBEX的观测资料制作资料同化产品, 提供HUBEX数值试验和分析研究使用。