肖輝，萬(wàn)齊林，劉顯通，陳紹東，王洪，鄭騰飛，馮璐，夏豐

(中國(guó)氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東廣州510641)

1 引 言

廣東位于我國(guó)華南地區(qū)，屬熱帶、亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，是我國(guó)受熱帶氣旋影響和熱帶氣旋登陸最多的省份之一，同時(shí)也是我國(guó)暴雨出現(xiàn)最多的地區(qū)之一[1]。每年汛期開(kāi)始時(shí)間早，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，熱帶氣旋是廣東夏秋季降水的主要來(lái)源，但每年因熱帶氣旋引發(fā)的氣象災(zāi)害及其次生災(zāi)害給國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失，直接影響公共安全。熱帶氣旋發(fā)生發(fā)展機(jī)理復(fù)雜，尤其是近海變化機(jī)理仍不清楚，是氣象科學(xué)研究領(lǐng)域中的難點(diǎn)[2]。熱帶氣旋近海發(fā)展受下墊面條件以及地形等因素影響，加之其物理機(jī)制的研究也不夠系統(tǒng)和深入，使得目前數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)熱帶氣旋及其帶來(lái)降水的預(yù)報(bào)能力十分有限，但資料同化是提高數(shù)值預(yù)報(bào)能力的重要手段之一，有助于研究災(zāi)害性天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展機(jī)理。

隨著沿海多普勒雷達(dá)觀測(cè)網(wǎng)的建立，學(xué)者們可以借助雷達(dá)觀測(cè)資料研究近海熱帶氣旋結(jié)構(gòu)和降水等，主要利用雷達(dá)徑向風(fēng)和反射率這兩種資料來(lái)分析[3-5]。數(shù)值模式方面，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者利用雷達(dá)徑向風(fēng)資料對(duì)熱帶氣旋進(jìn)行了大量的數(shù)值模擬研究。Kain等[6]研究表明雷達(dá)資料在前3—6小時(shí)區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生的正影響最為顯著。萬(wàn)齊林等[7]和高郁東等[8]對(duì)多普勒雷達(dá)視風(fēng)速和徑向風(fēng)同化，能更好地體現(xiàn)熱帶云系內(nèi)的中尺度結(jié)構(gòu)和天氣系統(tǒng)的環(huán)流，有利于改善臺(tái)風(fēng)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)效果。Zhu等[9]利用EnKF系統(tǒng)對(duì)2012年臺(tái)風(fēng)“韋森特”進(jìn)行研究，通過(guò)逐時(shí)同化廣州雷達(dá)徑向風(fēng)資料改善臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)，進(jìn)而提高臺(tái)風(fēng)登陸時(shí)所帶來(lái)的降水預(yù)報(bào)能力。同時(shí)也有大量研究表明，同化地基和空載雷達(dá)的徑向風(fēng)速度可以更好地模擬出熱帶氣旋的強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)以及降水[10-11]。

雷達(dá)反射率資料應(yīng)用方面，董海萍等[12]基于GSI（Grid Statiscal Interpolation）同化系統(tǒng)分析了常規(guī)地面、高空和雷達(dá)等資料對(duì)2013年臺(tái)風(fēng)“譚美”的影響，其中雷達(dá)反射率資料采用云分析技術(shù)估算云水和云冰混合比，進(jìn)而通過(guò)非絕熱初值化方案調(diào)整云內(nèi)溫度和水汽場(chǎng)，結(jié)果顯示雷達(dá)資料對(duì)臺(tái)風(fēng)登陸后的路徑預(yù)報(bào)有改善，但是沒(méi)有單獨(dú)討論雷達(dá)反射率的影響。在其他強(qiáng)降水過(guò)程研究中，劉寅等[13]利用WRF-3DVAR和WRF-EnSRF對(duì)江淮流域一次梅雨鋒暴雨過(guò)程進(jìn)行雷達(dá)反射率資料同化試驗(yàn)，同化后可以改進(jìn)模式中的微物理量和動(dòng)力場(chǎng)，改善雨帶的范圍，較準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出降水中心。張艷霞等[14]利用雷達(dá)回波反演的云雨水及模式背景場(chǎng)的水汽和根據(jù)雨水修訂的水汽場(chǎng)對(duì)GRAPES模式初始場(chǎng)通過(guò)Nuding進(jìn)行調(diào)整，修訂后的水汽場(chǎng)臨近預(yù)報(bào)效果較好，改善了模式的雷達(dá)回波和降水預(yù)報(bào)。

上述研究表明，雷達(dá)資料在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中已有很多研究和應(yīng)用成果，同化雷達(dá)觀測(cè)資料可以改善數(shù)值模式預(yù)報(bào)效果，但目前大部分研究采用的資料為雷達(dá)徑向風(fēng)，對(duì)于雷達(dá)反射率資料的研究和應(yīng)用相對(duì)較少[15]，針對(duì)臺(tái)風(fēng)的研究就更少了。此外，變分方法中背景誤差協(xié)方差是固定的，不隨實(shí)時(shí)天氣系統(tǒng)的變化而變化，而集合卡爾曼濾波同化系統(tǒng)可以提供環(huán)流依賴的背景誤差協(xié)方差[16-17]，更真實(shí)地反映預(yù)報(bào)誤差。因此，本文將利用WRF-EnKF系統(tǒng)和雷達(dá)反射率資料對(duì)2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”過(guò)程進(jìn)行研究，初步分析雷達(dá)反射率資料在臺(tái)風(fēng)近海發(fā)展過(guò)程中的作用，以及對(duì)后續(xù)風(fēng)雨預(yù)報(bào)的影響。

2 臺(tái)風(fēng)概況

2017年8月20日12時(shí)（世界時(shí)，下同），原先在臺(tái)灣東南部洋面上形成的熱帶低壓加強(qiáng)為熱帶風(fēng)暴級(jí)別（JMA，http://www.jma.go.jp/jma/jma-eng/jma-center/rsmc-hp-pub-eg/bstve_2017_m.html），隨后沿偏西方向移動(dòng)，強(qiáng)度逐漸加強(qiáng)，穿過(guò)臺(tái)灣南部海域進(jìn)入南海，于22日06時(shí)升級(jí)為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴級(jí)別，并向西北方向的珠江三角洲（簡(jiǎn)稱珠三角）地區(qū)移動(dòng)，隨后在22日18時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)級(jí)別，并于23日05時(shí)在廣東珠海金灣區(qū)沿海地區(qū)登陸，登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力達(dá)14級(jí)（45 m/s），中心氣壓最低值為950 hPa，為珠三角和華南地區(qū)帶來(lái)明顯影響（圖1）。此次過(guò)程造成24人死亡和68.2億美元的經(jīng)濟(jì)損失，珠三角、粵西和廣西地區(qū)都出現(xiàn)了大于250 mm的特大暴雨。

圖1 模式區(qū)域設(shè)置和臺(tái)風(fēng)“天鴿”最佳路徑（JMA，紅色為中心氣壓≤970 hPa）

圖2 給出2017年8月22日00時(shí)850 hPa和500 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)，此時(shí)臺(tái)風(fēng)剛進(jìn)入南海，臺(tái)風(fēng)中心位于珠海市東偏南方向上大約710 km的南海東北部海面上。從500 hPa高度場(chǎng)上可看出臺(tái)風(fēng)“天鴿”中心位于臺(tái)灣省西南近海海域，西太平洋副熱帶高壓西南方向，在副熱帶高壓的影響下“天鴿”往西北方向移動(dòng)，此時(shí)，廣東地區(qū)位于臺(tái)風(fēng)中心的西北方向，受東北偏東氣流影響。850 hPa上，“天鴿”進(jìn)入南海后，源源不斷的水汽從孟加拉灣、南海南部和副高西南側(cè)菲律賓海等地區(qū)向臺(tái)風(fēng)輸送，在臺(tái)風(fēng)的環(huán)流影響下，大量水汽從洋面向福建省和廣東省輸送。

3 資料及方案介紹

本文采用ECMWF（The European Center for Medium-Range Weather Forecasts） 的分辨率為0.125°預(yù)報(bào)場(chǎng)資料作為模式的初始場(chǎng)和邊界場(chǎng)。此外，觀測(cè)資料包含廣東省雷達(dá)觀測(cè)資料（廣州、陽(yáng)江、韶關(guān)、汕頭、梅州、湛江、深圳、河源、汕尾、清遠(yuǎn)）和常規(guī)地面觀測(cè)資料（風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度、降水），其中雷達(dá)資料空間分辨率為250 m，時(shí)間分辨率為6分鐘，雷達(dá)資料處理與Zhu等[9]相同。當(dāng)觀測(cè)與先驗(yàn)值（在觀測(cè)點(diǎn)上計(jì)算出背景場(chǎng)中的值）差大于5倍觀測(cè)誤差時(shí)，則剔除該觀測(cè)值；回波強(qiáng)度低于10 dBz的數(shù)據(jù)不進(jìn)入同化系統(tǒng)，盡可能減少觀測(cè)誤差對(duì)模式的影響；為了減少雷達(dá)周圍雜波等影響，剔除距離雷達(dá)中心5 km范圍內(nèi)的觀測(cè)值，本文只采用了雷達(dá)反射率因子資料。

圖2 2017年8月22日00時(shí)NCEP再分析場(chǎng)a.850 hPa高度場(chǎng)（dagpm）、風(fēng)場(chǎng)和水汽通量（g/(cm·hPa·s)）；b.500 hPa高度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)。

本文采用WRF-EnKF系統(tǒng)作為研究工具，該系統(tǒng)與Meng等[18-19]相同，在WRF模式基礎(chǔ)上建立起來(lái)，可用于區(qū)域尺度資料同化。參考Zhang等[11]思路，利用WRF的三維變分同化模塊中的cv3背景誤差協(xié)方差選項(xiàng)對(duì)初始場(chǎng)和側(cè)邊界場(chǎng)進(jìn)行隨機(jī)平衡擾動(dòng)產(chǎn)生60個(gè)集合成員（擾動(dòng)的變量包括：水平風(fēng)分量、位溫和水汽混合比），其中擾動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)差分別為2 m/s、1 K和0.5 g/kg。協(xié)方差膨脹使用松弛膨脹法，松弛系數(shù)為0.8[11]。

模式采用兩重嵌套，網(wǎng)格分辨率分別為9 km和3 km（圖1），垂直方向分35層，模式物理參數(shù)化方案采用Morrison微物理方案、RRTM長(zhǎng)波輻射方案、Dudhia短波輻射方案和YSU邊界層方案。Morrison云微物理方案中，包含五種水凝物：云水、雨水、冰晶、雪和霰，同時(shí)考慮水凝物的質(zhì)量濃度（混合比）和數(shù)濃度，其中水凝物的粒子譜分布為[20]：

其中，N0、μ和λ分別為水凝物譜分布的截距、譜型參數(shù)和斜率。譜型參數(shù)和斜率分別表示為：

其中，Nt和q分別為水凝物數(shù)濃度和混合比，c和d為常數(shù)。

在水凝物粒子譜分布確定情況下，根據(jù)在線偏振雷達(dá)觀測(cè)中散射矩陣以及粒子群反射率因子各分量計(jì)算公式[21]，可以獲得偏振雷達(dá)觀測(cè)到的偏振量，其中水平偏振反射率因子Zh為（dBz）：

其中，ZHH,x（x=r,i,s,g）為雨水、冰晶、雪和霰的粒子群反射率水平分量。利用該計(jì)算過(guò)程將模式變量與雷達(dá)觀測(cè)的反射率建立聯(lián)系，為下一步資料同化做準(zhǔn)備。具體計(jì)算過(guò)程詳見(jiàn)王洪等[22]。

如圖3所示，擾動(dòng)后產(chǎn)生的60個(gè)集合成員從2017年8月22日00時(shí)（12時(shí)）積分6小時(shí)至06時(shí)（18時(shí)）來(lái)估計(jì)背景誤差協(xié)方差。然后在8月22日06時(shí)（18時(shí)）將雷達(dá)反射率同化進(jìn)系統(tǒng)，最后利用06時(shí)（18時(shí)）的集合平均場(chǎng)進(jìn)行確定性預(yù)報(bào)。試驗(yàn)“NODA”為利用06時(shí)（18時(shí)）未同化的集合平均場(chǎng)進(jìn)行確定性預(yù)報(bào)；試驗(yàn)“DA_REF”為利用06時(shí)（18時(shí)）已同化的集合平均場(chǎng)進(jìn)行確定性預(yù)報(bào)。

圖3 試驗(yàn)流程圖 NODA：無(wú)同化；DA_REF：有同化。

4 結(jié)果分析

4.1 各要素場(chǎng)及其增量分析

圖4給出2017年8月22日06時(shí)和18時(shí)兩個(gè)時(shí)刻的雷達(dá)組合反射率。22日06時(shí)，臺(tái)風(fēng)“天鴿”離海岸線較遠(yuǎn)，沿岸的雷達(dá)尚不能完全探測(cè)到整個(gè)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)，只能探測(cè)到臺(tái)風(fēng)北邊的風(fēng)圈（圖4a），但臺(tái)風(fēng)外圍雨帶自東向西移動(dòng)，影響著粵東和珠三角地區(qū)。06時(shí)實(shí)況臺(tái)風(fēng)中心位于20°N附近，有一回波帶從臺(tái)風(fēng)中心延伸至粵閩交界處（圖4a黑框）。同化前的臺(tái)風(fēng)中心位置與實(shí)況較為一致，但從臺(tái)風(fēng)中心至粵閩交界的臺(tái)風(fēng)雨帶沒(méi)有模擬出來(lái)（圖4b黑框位置），珠三角和粵西地區(qū)的雷達(dá)回波也沒(méi)有被模擬出來(lái)。同化了雷達(dá)反射率資料后（圖4c），粵閩交界、珠三角地區(qū)和粵西地區(qū)的雷達(dá)回波都較好地再現(xiàn)，但是回波強(qiáng)度與實(shí)況相比仍較低。22日18時(shí)，實(shí)況臺(tái)風(fēng)中心向西北方向移動(dòng)至23°N附近，臺(tái)風(fēng)主體部分的回波與粵東海岸線相接，在粵西地區(qū)有一條較寬的臺(tái)風(fēng)雨帶從大陸一直延伸至海南以東的海面（圖4d）。同化前，臺(tái)風(fēng)中心位置與實(shí)況較為一致，但粵北地區(qū)出現(xiàn)了與實(shí)況較為不符的虛假回波區(qū)，粵西地區(qū)的回波帶較實(shí)況偏東（圖4e）。同化后，能夠模擬出粵西的臺(tái)風(fēng)雨帶，且原先在珠三角地區(qū)西側(cè)的回波強(qiáng)度有一定程度的減弱，粵北地區(qū)的虛假雷達(dá)回波也被減弱。

為了進(jìn)一步了解同化前后差異，圖5給出850 hPa上風(fēng)場(chǎng)、雨水混合比和溫度及其變化。850 hPa風(fēng)場(chǎng)上，廣東主要受東北風(fēng)影響，粵閩交界地區(qū)的風(fēng)向?yàn)闁|北偏東，廣東地區(qū)的水汽通量自東向西遞減，但粵閩交界的近海地區(qū)有明顯較干的氣流從臺(tái)風(fēng)的東北側(cè)卷入，導(dǎo)致該地區(qū)存在一個(gè)水汽通量低值區(qū)（圖5a）。同化雷達(dá)資料后，粵閩交界的近海處水汽通量增加，增加區(qū)域一直延伸至臺(tái)風(fēng)主體部分（圖5c黑色框），珠三角西側(cè)地區(qū)則存在一個(gè)水汽通量減少區(qū)域，該區(qū)域?qū)?yīng)的是試驗(yàn)NODA虛假回波區(qū)域，也就是說(shuō)虛假回波被減弱的同時(shí)，水汽通量也隨之減少。雨水混合比分布大體與雷達(dá)反射率水平分布較為一致，同化后，沿著粵閩交界至臺(tái)風(fēng)主體的雨水混合比增加（圖5f黑框內(nèi)），粵東地區(qū)（黑框東側(cè)）出現(xiàn)一個(gè)雨水混合比減少區(qū)，該區(qū)域內(nèi)的虛假回波在同化后得到一定改善。從溫度分布上可知，試驗(yàn)NODA在粵閩交界的近海上的溫度比其他海域高（圖5g），對(duì)應(yīng)位置上是低水汽通量的干氣流，有利于輻射增溫。隨著觀測(cè)資料的加入，該區(qū)域的溫度降低且延伸至臺(tái)風(fēng)主體。加入觀測(cè)資料后，黑框內(nèi)的水汽通量增加，雨水質(zhì)量濃度增加，進(jìn)而導(dǎo)致溫度降低。未同化時(shí)臺(tái)風(fēng)北部和西北部地區(qū)有一較干氣流隨著風(fēng)場(chǎng)流入臺(tái)風(fēng)主體部分，隨著雷達(dá)資料的同化，該地區(qū)水汽含量增加，較濕氣流隨著風(fēng)場(chǎng)進(jìn)入臺(tái)風(fēng)主體有利于臺(tái)風(fēng)的增強(qiáng)，同時(shí)高水汽含量促進(jìn)降水發(fā)生，形成與實(shí)況相符的雨帶。

圖5 2017 年 8 月 22 日 06 時(shí) 850 hPa水汽通量和風(fēng)場(chǎng)（a、b、c）、雨水混合比（d、e、f，單位：g/kg）、溫度（g、h、i，單位：℃）及其分析增量（c、f、i） a、d、g：NODA；b、e、h：DA_REF。

圖6給出8月22日18時(shí)850 hPa上水汽通量、風(fēng)場(chǎng)、雨水質(zhì)量濃度和溫度以及它們的增量。由圖4d可知，臺(tái)風(fēng)主體回波已經(jīng)到達(dá)粵東的海岸線上。同化前，水汽通量大值區(qū)主要集中在臺(tái)風(fēng)的主體部分，其次在珠三角西側(cè)有一水汽通量帶，與試驗(yàn)NODA的雷達(dá)回波位置相對(duì)應(yīng)（圖6a黑框右側(cè)）。加入雷達(dá)觀測(cè)資料后，原先珠三角西側(cè)的回波帶向粵西移動(dòng)，相應(yīng)的位置上（黑框內(nèi)）的水汽通量增加了，風(fēng)場(chǎng)上也有相應(yīng)的變化，出現(xiàn)了東北偏北風(fēng)增量（圖6c），雨水混合比從原來(lái)珠三角西側(cè)向西移至粵西地區(qū)，在珠三角西側(cè)和粵北地區(qū)的雨水混合比都在一定程度上降低，導(dǎo)致這兩個(gè)地區(qū)的溫度升高（圖6i），而粵西地區(qū)的溫度在雨水濃度增加的情況下呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。與06時(shí)不同的是，22日18時(shí)臺(tái)風(fēng)的中心進(jìn)入雷達(dá)探測(cè)范圍，能夠更好地將雷達(dá)探測(cè)信息輸入進(jìn)模式。從圖6c中可看出，同化后有明顯水汽從臺(tái)風(fēng)的東北側(cè)進(jìn)入臺(tái)風(fēng)，大量水汽向臺(tái)風(fēng)主體部分輸送，有利于促進(jìn)云雨形成和降水，云雨的形成釋放潛熱，潛熱的增加有利于對(duì)流的促發(fā)和發(fā)展，進(jìn)而有利于臺(tái)風(fēng)的加強(qiáng)。

圖6 同圖5，但為2017年8月22日18時(shí)

為了進(jìn)一步分析，圖7給出22日06時(shí)水汽和雨水混合比沿線AB（圖4b）的垂直剖面。試驗(yàn)NODA中，風(fēng)自東向西從海洋吹向陸地，水汽大致呈現(xiàn)東高西低，且主要集中在8 km以下，在115.4°E處有較強(qiáng)的雨水濃度，與該試驗(yàn)?zāi)M的雷達(dá)回波分布一致。同化后，整體水汽濃度是增加的（圖7c），116°E以東（對(duì)應(yīng)黑框內(nèi)）的風(fēng)場(chǎng)存在輻合的增量，有利于水汽和雨水質(zhì)量濃度的增加，該位置對(duì)應(yīng)的是從粵閩交界至臺(tái)風(fēng)中心的雨帶。位于115.4°E處的雨水混合比經(jīng)過(guò)同化后得到有效減弱，這主要是同化后該位置上垂直風(fēng)切變?cè)黾?，不利于?duì)流的發(fā)展。實(shí)況觀測(cè)中，在115°E附近有一降水回波，雖然試驗(yàn)NODA在該處沒(méi)有模擬出雨水，但經(jīng)過(guò)同化后能夠再現(xiàn)該降水回波。

圖7 2017年 8月 22日 06時(shí)水汽混合比（a、b、c）、雨水混合比（d、e、f）以及風(fēng)場(chǎng)（UW）沿線 AB的垂直剖面a、d.NODA；b、e.DA_REF；c、f.分析增量。

圖8 給出22日18時(shí)水汽混合比和雨水混合比沿線CD（圖4e）的垂直剖面，該剖面穿過(guò)粵西的臺(tái)風(fēng)雨帶，一直延伸至珠三角西側(cè)地區(qū)。試驗(yàn)NODA中，水汽混合比大致呈現(xiàn)東高西低，東邊較靠近海洋，風(fēng)的U分量在整層都是東風(fēng)，有利于水汽從東邊向西邊輸送（圖8a）。位于珠三角西側(cè)（111.5～112.0 °E），模擬的雨水混合偏高，與實(shí)況雷達(dá)回波強(qiáng)度不符，而且111.5°E以西的臺(tái)風(fēng)雨帶沒(méi)有模擬出來(lái)。同化觀測(cè)資料后，2 km高度以下的水汽以減少為主，尤其是111.5°E以東區(qū)域（圖8c黑框東側(cè)），而2 km高度以上的水汽則以增加為主，尤其是111.5°E以西區(qū)域（黑框內(nèi)及以西）。在111.5～112.0°E，上層?xùn)|風(fēng)分量加強(qiáng)，近地面有西風(fēng)增量，進(jìn)而使得該區(qū)域內(nèi)垂直風(fēng)切變?cè)黾?，而且風(fēng)場(chǎng)的變化使得水汽向西輸送，低層水汽減少，在一定程度上抑制對(duì)流的發(fā)展，最終使得雨水混合比降低。111.5°E以西地區(qū)以水汽混合比的增加為主，存在風(fēng)場(chǎng)輻合，有利于雨水的形成，與實(shí)況較為一致。

圖8 2017年8月 22日 18時(shí)水汽混合比（a、b、c）、雨水混合比（d、e、f）以及風(fēng)場(chǎng)（UW）沿線 CD的垂直剖面a、d.NODA；b、e.DA_REF；c、f.分析增量。

4.2 降水模擬結(jié)果分析

為了考察同化試驗(yàn)對(duì)臺(tái)風(fēng)降水的影響，分別利用06/18時(shí)同化前后60個(gè)集合成員的集合平均場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)。圖9給出8月22日06—12時(shí)以及22日18時(shí)—23日00時(shí)6 h累積降水量。22日06—12時(shí)臺(tái)風(fēng)主體離陸地較遠(yuǎn)，降水主要由臺(tái)風(fēng)的外圍雨帶造成，空間分布上存在兩個(gè)主要降水區(qū)域，分別為珠三角地區(qū)和粵閩交界地區(qū)（圖9a）。試驗(yàn)NODA中，模擬的6 h累積降水主要分布在粵東地區(qū)，粵閩交界地區(qū)的降水中心沒(méi)有模擬出來(lái)，珠三角地區(qū)模擬的降水偏弱。而在試驗(yàn)DA_REF中，粵閩交界地區(qū)的降水量較同化前增加，這主要是同化雷達(dá)反射率后能再現(xiàn)粵閩交界上的雨帶（圖9c）。從降水分布上可知，同化后臺(tái)風(fēng)雨帶自東向西移動(dòng)，但模擬的雨帶移動(dòng)速度較實(shí)況慢，大部分降水集中在粵東，導(dǎo)致珠三角地區(qū)的降水強(qiáng)度和分布沒(méi)有明顯改善。

22日18時(shí)—23日00時(shí)6 h累積降水主要分布在粵東至珠三角沿海地區(qū)以及湛江一帶，此時(shí)臺(tái)風(fēng)的主體部分已靠近粵東近海，而湛江和粵桂交界地區(qū)的降水主要由臺(tái)風(fēng)外圍雨帶造成（圖9d）。試驗(yàn)NODA中，由于臺(tái)風(fēng)外圍雨帶較實(shí)際偏東，導(dǎo)致降水落區(qū)較實(shí)況偏東，而同化后雨帶得到較好修正，使得粵西的降水落區(qū)與實(shí)況較為一致，且整體降水強(qiáng)度要高于試驗(yàn)NODA，與實(shí)況更為接近。

圖10給出8月22日06時(shí)—23日06時(shí)24 h累積降水量，此段時(shí)間內(nèi)臺(tái)風(fēng)中心從位于臺(tái)灣省西南近海上移動(dòng)至珠三角的珠海地區(qū)，降水主要集中在珠三角地區(qū)以及粵東地區(qū)，沿海地區(qū)大部分站點(diǎn)觀測(cè)到超過(guò)50 mm的降水。試驗(yàn)NODA中，降水主要集中在粵東地區(qū)，珠三角地區(qū)降水明顯偏弱，累積降水量大于50 mm區(qū)域遠(yuǎn)小于實(shí)況（圖10b）。同化后，粵東地區(qū)的降水量和降水范圍都有了一定的增加，但是珠三角地區(qū)的降水沒(méi)有明顯改善。

8月22日18時(shí)—23日18時(shí)24 h累積降水量可知，降水分布大體與臺(tái)風(fēng)路徑一致，由粵西向廣西延伸，在粵桂交界處出現(xiàn)超過(guò)250 mm降水（圖10d）。試驗(yàn)NODA中，降水主要集中在沿海地區(qū)，降水大于100 mm的區(qū)域小于實(shí)況。當(dāng)加入觀測(cè)資料后，整體降水區(qū)域與試驗(yàn)NODA差不多，但是降水大于100 mm的區(qū)域增加，且降水量大于250 mm的位置與實(shí)況更加相符。

圖9 2017年8月22日06—12時(shí)（a、b、c）和22日18時(shí)—23日00時(shí)（d、e、f）6 h累積降水量單位：mm。a、d.實(shí)況；b、e.試驗(yàn) NODA；c、f.試驗(yàn) DA_REF。

圖10 2017年8月 22日 06時(shí)—23日 06時(shí)（a、b、c）和22日18時(shí)—23日18時(shí)（d、e、f）24 h累積降水量單位：mm。 a、d.實(shí)況；b、e.試驗(yàn) NODA；c、f.試驗(yàn) DA_REF。

圖11為2017年8月22日06時(shí)和18時(shí)模擬的6 h和24 h累積降水量TS評(píng)分，6 h累積降水量分為 6 檔，分別為 1～4、4～13、13～25、25～60、60～120和大于120 mm，24 h累積降水量同樣分為6檔。利用22日06時(shí)集合平均場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到同化后6 h累積降水量TS評(píng)分整體上是得到提高，其中大于4 mm的TS評(píng)分都有了顯著的提升，25～60 mm一檔的TS評(píng)分也由原來(lái)的0提高至0.03（圖11a）。24 h累積降水量TS評(píng)分方面，同化后有較明顯提高，小雨、中雨、大雨和暴雨級(jí)別的TS評(píng)分分別提高17%、59%、93%和132%，這與上文分析結(jié)果一致。同化雷達(dá)數(shù)據(jù)后，18時(shí)起報(bào)的6 h降水量TS評(píng)分有一定提高，尤其是4～13和13～25 mm兩檔，TS評(píng)分分別提高 121%和739%，說(shuō)明同化雷達(dá)反射率后調(diào)整了雨帶分布，進(jìn)而改善0～6 h小時(shí)降水。24 h累積降水量TS評(píng)分在同化后也有一定程度提高，其中大于250 mm的TS評(píng)分提高至0.5。

4.3 其他氣象要素模擬結(jié)果分析

為了進(jìn)一步分析同化結(jié)果，圖12給出24 h溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)的平均值和均方根誤差變化（第二重嵌套網(wǎng)格內(nèi)所有國(guó)家級(jí)臺(tái)站的平均）。在8月22日06時(shí)—23日06時(shí)，模擬的溫度、相對(duì)濕度和風(fēng)的站點(diǎn)平均值日變化與實(shí)況較為一致，從22日06時(shí)開(kāi)始，平均溫度逐漸降低，22日22時(shí)左右到達(dá)溫度最低點(diǎn)，然后溫度平均值逐漸上升，由于受到臺(tái)風(fēng)的影響，23日06時(shí)的溫度要低于22日06時(shí)的，相對(duì)濕度的日變化則與溫度的日變化相反（圖12c），而風(fēng)的U分量和V分量的日變化則不明顯。加入觀測(cè)資料后，2 m溫度平均值在前6 h較同化前增加，與實(shí)況更為接近，均方根誤差也隨之降低（最大可減少0.5℃）?？傮w來(lái)說(shuō)，觀測(cè)資料的同化在前8 h（22日06—14時(shí)）的改善效果較明顯，8 h后（22日22時(shí)—23日06時(shí)）觀測(cè)資料的影響幾乎沒(méi)有。

在8月22日18時(shí)—23日18時(shí)的模擬結(jié)果中，模擬的溫度和相對(duì)濕度的日變化與觀測(cè)一致，溫度先增加后減小，相對(duì)濕度則相反，均方根誤差的變化與溫度的日變化相似，白天要大于晚上（圖12b）。同化后2 m溫度和相對(duì)濕度都有一定的改善，尤其是白天期間（23日02—10時(shí)），雨帶位置修正后，對(duì)地面的2 m溫度和濕度都有了相應(yīng)的修正。10 m風(fēng)方面，觀測(cè)資料對(duì)其影響不是很明顯。從均方根誤差上可知，對(duì)16小時(shí)內(nèi)（22日18時(shí)—23日10時(shí)）溫度和相對(duì)濕度的模擬效果都有提高。

圖11 2017年 8月 22日 06時(shí)（a、c）和 22日 18時(shí)（b、d）的 6 h(a、b)和 24 h(b、d)累積降水量 TS 評(píng)分

圖12 2017年 8月 22日 06時(shí)—23日 06時(shí)（a、c、e、g）和 22日 18時(shí)—23日 18時(shí)（b、d、f、h）地面 2 m 溫度（a、b）、2 m 相對(duì)濕度（c、d）、10 m 風(fēng)的 U 分量（e、f）和 V 分量（g、h）平均值和均方根誤差

圖13 給出系統(tǒng)24 h模擬的臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓隨時(shí)間的變化，圖中采用兩種觀測(cè)資料作為參考，分別是來(lái)源于日本氣象廳（紅色點(diǎn)）和中國(guó)氣象局（CMA，黑線，http://typhoon.nmc.cn/web.html）。在8月22日06時(shí)—23日06時(shí)的同化試驗(yàn)中，模擬的中心最低氣壓與JMA和CMA資料的變化趨勢(shì)一致，中心最低氣壓逐漸降低，CMA資料顯示最低氣壓在23日03時(shí)達(dá)到940 hPa。由于06時(shí)臺(tái)風(fēng)主體部分未進(jìn)入雷達(dá)探測(cè)區(qū)域，同化雷達(dá)反射率資料對(duì)臺(tái)風(fēng)主體部分沒(méi)有明顯變化，但對(duì)臺(tái)風(fēng)西北方向的水汽通量場(chǎng)有調(diào)整，水汽通量的增加有利于增加進(jìn)入臺(tái)風(fēng)主體部分的水汽量，進(jìn)而在隨后的發(fā)展中臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓降低，最大能夠降低4 hPa左右，與實(shí)況更為接近。22日18時(shí)加入觀測(cè)資料后，風(fēng)場(chǎng)和水汽場(chǎng)得到調(diào)整，進(jìn)入臺(tái)風(fēng)主體的水汽有顯著增加，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度得到增強(qiáng)，在隨后的模擬中臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓較同化前低，且與實(shí)況更接近，最大能夠降低7 hPa左右。

圖13 2017年8月22日06時(shí)—23日06時(shí)（a）和22日18時(shí)—23日18時(shí)（b）臺(tái)風(fēng)中心最低氣壓（hPa）

5 結(jié) 論

本文利用以中尺度數(shù)值模式WRF（Weather Research and Forecast）為基礎(chǔ)的集合卡爾曼濾波（EnKF，Ensemble Kalman Filter）系統(tǒng)直接同化廣東地區(qū)雷達(dá)反射率資料，對(duì)2017年臺(tái)風(fēng)“天鴿”（1713）近海變化進(jìn)行數(shù)值模擬分析。

（1）同化雷達(dá)反射率資料可調(diào)整臺(tái)風(fēng)的回波強(qiáng)度和范圍，尤其是臺(tái)風(fēng)外圍雨帶的回波，水汽場(chǎng)、水凝物和溫度場(chǎng)都有相應(yīng)的調(diào)整。當(dāng)水汽通量增加時(shí)，雨水質(zhì)量濃度增加，同時(shí)溫度也相應(yīng)降低。

（2）同化后，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)和水汽場(chǎng)調(diào)整后，進(jìn)入臺(tái)風(fēng)主體部分的水汽量增加，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度增強(qiáng)，中心最低氣壓降低（最大能降低7 hPa），更接近實(shí)況。

（3）同化雷達(dá)反射率可提高降水強(qiáng)度和落區(qū)的預(yù)報(bào)效果，同時(shí)對(duì)地面2 m溫度和相對(duì)濕度的預(yù)報(bào)也有改善，均方根誤差明顯降低。直接同化反射率后，雨帶位置得到調(diào)整，提高大暴雨和特大暴雨量級(jí)的TS評(píng)分。

總之，利用WRF-EnKF系統(tǒng)直接同化雷達(dá)反射率資料，能改進(jìn)臺(tái)風(fēng)近海發(fā)生發(fā)展以及降水的預(yù)報(bào)，對(duì)臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和降水都有明顯的調(diào)整，從而為臺(tái)風(fēng)近海預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供參考。目前而言，相關(guān)分析只取得初步結(jié)果，本研究只針對(duì)一個(gè)臺(tái)風(fēng)個(gè)例，還需要對(duì)大量臺(tái)風(fēng)個(gè)例進(jìn)行深入系統(tǒng)地研究。