雷達資料同化對一次EF3級龍卷數值模擬的影響

朱皓清 蔡志穎 姚余輝 鄭 涵

（1.江蘇省啟東市氣象局，江蘇 啟東 226200；2.浙江省寧波市氣象局，浙江 寧波 315000；3.浙江省衢江區氣象局，浙江 衢江 324022）

龍卷時空尺度小，突發性強，往往造成重大的財產損失和人員傷亡。受限于有限的觀測資料，龍卷研究進展緩慢。多普勒天氣雷達目前作為龍卷監測和研究的重要手段，預報精準度也只有約50%[1]。

隨著數值預報模式快速發展，數值模擬可以彌補探測資料的時空分辨率的不足，重建近地面三維熱動力場，成為研究龍卷的重要手段。朱皓清和趙宇[2]對2016 年阜寧龍卷進行模擬，龍卷強度達EF3 級，發現龍卷的多旋渦度結構，并探究龍卷的生成機理。

研究表明，雷達資料同化在龍卷數值模擬中有重要的作用，同化雷達反射率對初始場的水汽條件和熱力條件影響較大；同化雷達徑向速度可以直接對風場進行調整，進而可以有效強迫出龍卷發生發展所需的環境條件[3-4]。李佳等[5]研究發現，循環同化對模擬風暴有重要影響，但需要把握循環同化的時間長度和間隔。

目前，國內對龍卷的研究集中在對常規與非常規觀測資料的診斷分析等方面，通過真實數據在高分辨率下進行模擬的研究較少，對如何有效模擬龍卷和龍卷風暴的研究更少。因此，該文選取2021 年5 月14 日19 時江蘇省蘇州市發生的一次EF3 級龍卷過程，采用ARPS 中尺度模式對這次龍卷過程進行高分辨率數值模擬，用敏感性試驗來檢驗包括雷達資料同化和循環同化在內的敏感性因子對龍卷風暴預報的影響，以期為龍卷模擬研究和預報預警提供參考。

1 數據介紹及模式參數設置

選用的模式為ARPS5.3.4 版本，由美國俄克拉荷馬大學風暴分析和預測中心研究開發，搭載資料分析模塊（ADAS）和三維變分模塊（3DVAR）。模式采用2 層單向嵌套網格，水平網格距分別為9km 和1km。模式頂高21.1km，網格垂直方向均為53 個σ 層，平均格距為420m，采用3 次函數插值，近地面最小網格間距為20 m，模式頂附近約為770m。主要參數選用Lin 微物理方案、2 層土壤植被模式、1.5 階TKE 次網格湍流閉合方案、水平和垂直方向4 階平流等，不使用積云對流方案。9-km 網格包括843×563 個網格點，范圍約為7500km×5000km，網格中心位于105°E，35°N。用14 日14 時NCEP 的GFS 資料的分析場作為初始背景場，其余GFS 預報場資料作為側邊界條件。1-km網格的初始場和側邊界條件由9-km 網格插值得到，包括507×507 個網格點，范圍約為500km×500km，覆蓋華東大部分地區。

2 控制試驗及敏感性設計

1-km 網格的控制試驗（CNTL1km）在17：30 用ADAS和3DVAR 分別同化青浦、泰州、南通、南京和常州雷達的反射率和徑向速度作為初始場，預報20min 后，再次同化雷達資料。雷達資料先經過ARPS 搭載的88D2ARPS 模塊插值到1-km 網格（包括質量控制），再由ADAS 和3DVAR將雷達信息同化進背景場。CNTL1km 整個過程預報3.5 h，每1 min 輸出一次（圖1）。

圖1 兩層嵌套網格的分析和預報時間軸

設計2 組敏感性試驗，分別檢驗雷達同化和循環同化對龍卷風暴模擬的影響，見表1 和表2。其中CNTLZ 參照CNTL1km，但在17：30 和17：50 時刻均僅同化反射率；CNTLVr 與CNTLZ 相似，但僅同化徑向速度；NoRad 試驗不同化任何雷達資料。ADAS 云分析模塊中僅吸收45dBZ以上的反射率；3DVAR 模塊均使用3D 的輻散權重系數，系數為1000。CNTL20x3 和CNTL20x4 試驗在17：30 同化后每預報20min 再次進行同化，最后一次同化分別在18：10 和18：30，整個過程分別同化3 次和4 次；CNTL6x4 試驗從17：30 開始每間隔6 min 進行一次同化，共4 次。

表1 關于雷達同化的敏感試驗方案設計和主要參數

表2 關于循環同化的敏感試驗方案設計和主要參數

3 控制試驗模擬結果

用第一模式層（約20m 高度）的最大垂直渦度表征近地面渦旋強度，用第九模式層（約500 m 高度）的最大垂直渦度表征低層中氣旋強度，通過近地面渦旋和低層中氣旋強度的演變來檢驗控制試驗CNTL1km 的龍卷風暴的數值模擬效果。

從時間序列圖可以看到（圖2），低層中氣旋強度有3次峰值，分別在18：05、18：25 和19：00 時刻，第一次渦旋強度波峰在0.02 s-1左右，后兩次在0.025 s-1左右，中氣旋強度較強。近地面渦旋的強度也有3 次明顯的峰值，波峰出現時間與低層中氣旋相吻合，渦旋強度峰值在0.025 s-1左右。19：10 后低層和近地面渦旋強度隨著龍卷風暴強度減弱而持續減弱。近地面渦旋和低層中氣旋強度的第一次波峰由模式的“spin-up”引發近地面較強的上升運動造成，這是模式的常見現象。通過雷達實況觀測發現，在龍卷發生前，龍卷風暴發生兩次風暴合并，在第二次風暴合并后龍卷生產[6]。試驗模擬產生的第二次和第三次渦旋強度波動和波峰出現時間，和實況風暴合并時間相吻合（圖2）。這說明近地面渦旋的出現與低層中氣旋有較大聯系，且近地面渦旋和低層中氣旋強度增強與風暴合并有關；同時說明CNTL1km 試驗較好地模擬了龍卷風暴合并的效果，且效果較好。

圖2 CNTL1km 試驗預報的第一模式層（虛線）和第九模式層（實線）最大垂直渦度（單位：s-1）的時間序列圖

4 敏感性試驗模擬結果

從第三節可知，近地面渦旋的激發與低層中氣旋有關，因此直接通過近地面渦旋強度的演變來檢驗龍卷風暴的數值模擬效果。

4.1 雷達同化因子檢驗

從圖3可以看到， CNTLZ試驗與CNTL1km試驗在18:00-18:40 的模擬較為相似，均捕捉到了2 次近地面渦旋強度峰值，前者仍為模式“spin-up”產生的強烈上升運動形成，但CNTLZ 的“spin-up”更強烈；CNTLZ 的第二次近地面渦旋強度從0.025 s-1持續減弱（圖3（b））。值得注意的是，CNTLZ近地面渦旋第三次增強從19：10 開始，而CNTL1km 的近地面渦旋已經達到峰值，說明CNTLZ 的風暴在18：30—19：10較長一段時間內強度和結構不穩定，導致近地面渦旋持續減弱并消散。CNTLVr 試驗中，近地面渦旋僅在18：50 達到峰值，強度達到0.027 s-1（圖3（c）），后渦旋持續減弱，且不再發展，19：10 后近地面渦旋基本消失，整個過程近地面渦旋維持時間較短。NoRad 近地面渦旋在18：00-18：40 也略有發展，但強度始終維持在0.02 s-1以下（圖3（d）），且在19：10 后近地面渦旋基本消失，整個過程近地面渦旋持續時間短，強度弱，模擬效果最差。

圖3 第一模式層最大垂直渦旋（單位：s-1）的時間序列圖

結合第一組試驗來看，同化雷達反射率或徑向速度均對龍卷風暴的模擬有積極作用，CNTL1km、CNTLZ 和CNTLVr試驗所模擬的龍卷風暴的低層中氣旋均在近地面激發出了強烈渦旋，CNTL1km 試驗同時同化雷達反射率和徑向速度效果最好，CNTLZ 試驗模擬的龍卷風暴不穩定，而CNTLVr試驗龍卷風暴發展較為緩慢。

4.2 循環同化因子檢驗

從圖4 可以看到，CNTL20x3 與CNTL1km 近地面渦旋發展演變過程較為接近，近地面渦旋維持時間均超過1h，但CNTL20x3 近地面渦旋強度最大約0.002 s-1，略低于CNTL1km（圖4（b））。CNTL20x3 近地面渦旋強度的第一次峰值在18：30，與CNTL1km 相對應；第二次波峰在19：10，相比CNTL1km 晚了約10min；19：30 后CNTL20x3 仍有較弱的近地面渦旋發展，但CNTL1km 近地面渦旋基本填塞消散。CNTL20x4 的近地面渦旋從18：30—19：00 強度持續減弱，與CNTL20x3 對應時段的結果接近（圖4（c）），說明雷達同化對模擬的效果趨于上限，而19：00 后近地面渦旋難以發展，則是因為進一步增加同化次數導致預報更滯后，使模擬效果變更差。CNTL6x4 的近地面渦旋在18：00 達到0.02 s-1的峰值，但是立即填塞（圖4（d）），這不僅是“spinup”的影響，更說明該試驗的熱動力場明顯不平衡，18：35渦旋短暫增強后又迅速填塞，模擬效果較差。

圖4 第一模式層最大垂直渦旋（單位：s-1）的時間序列圖

綜合第二組試驗來看，隨著雷達同化次數增加，雷達同化對模擬的效果趨于上限，進一步增加同化次數會導致預報滯后，使模擬效果變差；同化時間間隔過短會導致模式的熱動力場在積分前期一直處于不平衡狀態，也會對模擬起副作用。

5 結論

該文選取2021 年5 月14 日蘇州EF3 級龍卷過程，采用ARPS 模式對這次龍卷過程進行模擬，采用2 層單向嵌套，水平分辨率為9km 和1km，設計2 組敏感性試驗來檢驗雷達資料同化和循環同化對龍卷風暴預報的影響，結論如下：1）同化雷達反射率或徑向速度均對龍卷風暴的模擬有積極作用，且同時同化雷達反射率和徑向速度效果最好。2）隨著雷達同化次數增加，雷達同化對模擬的效果會趨于上限；同化時間間隔過短會導致模式熱動力場在積分前期不平衡，也會對模擬起副作用。3）綜合考慮，循環同化次數應控制在2～3 次，同化間隔在20min 左右較為合適。