蔣璐西 ,陳科藝 ,王璐思 ,李德友

（1.高原與盆地暴雨旱澇災(zāi)害四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610072；2.四川省資陽市氣象局，資陽 641300；3.成都信息工程大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，成都 610225；4.四川省廣元市氣象局，廣元 628017）

引言

西南低渦是造成我國西南地區(qū)及其下游大范圍暴雨等災(zāi)害性天氣的重要天氣系統(tǒng)之一，是在青藏高原特殊地形與大氣環(huán)流相互作用下，形成于700hPa或850hPa 等壓面上具有氣旋式環(huán)流的α 中尺度閉合系統(tǒng)[1]。四川盆地及與高原毗鄰的周邊地形復(fù)雜，氣候獨(dú)特，而高原山區(qū)常規(guī)觀測資料數(shù)量少，時(shí)空分辨率低，致使氣象工作者們在對西南渦暴雨天氣過程和西南低渦結(jié)構(gòu)特征的早期研究中認(rèn)識較為有限。隨著數(shù)值預(yù)報(bào)和氣象探測手段的不斷發(fā)展，高分辨率數(shù)值模式和多種常規(guī)、非常規(guī)氣象觀測資料被越來越多地應(yīng)用在西南渦暴雨天氣過程的診斷分析和數(shù)值模擬方面。高篤鳴等[2]在WRF 模式中同化業(yè)務(wù)探空資料和西南渦加密觀測資料，改善了研究個(gè)例中模式對降水和低渦路徑的模擬。程曉龍等[3]利用西南區(qū)域數(shù)值模式結(jié)合全國汛期高空加密觀測資料對一次西南渦暴雨過程進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究表明同化加密觀測資料能夠改善模式降水預(yù)報(bào)和初值場，對西南渦的模擬表現(xiàn)更佳。由于常規(guī)的高空加密觀測資料獲取難度大且站點(diǎn)數(shù)量有限，衛(wèi)星觀測資料在所有同化資料中仍占據(jù)著極大的比例。2008 年5 月中國發(fā)射了第一顆風(fēng)云三號氣象衛(wèi)星，標(biāo)志著第二代氣象衛(wèi)星觀測資料應(yīng)用研究的開始。風(fēng)云三號（FY-3）極軌氣象衛(wèi)星搭載的微波濕度計(jì)探測儀主要用于探測大氣的垂直分層和水汽含量等空間資料，對數(shù)值天氣預(yù)報(bào)初始場的改善十分重要。Chen 等[4]和Lawrence等[5]利用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF 的資料同化系統(tǒng)先后對風(fēng)云三號A、B 星微波濕度計(jì)觀測資料（MWHS）、C 星（MWHS-2）的數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠性進(jìn)行了同化研究，研究均證明該數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠。基于這些研究，ECMWF 分別于2014 年9 月和2016 年4 月正式業(yè)務(wù)化風(fēng)云三號B、C 星的微波濕度計(jì)資料。蔣璐西等[6]直接同化了風(fēng)云三號B 星和C 星的微波濕度計(jì)觀測資料，對2018 年7 月一次四川盆地區(qū)域性暴雨過程進(jìn)行了模擬對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了同化風(fēng)云三號系列衛(wèi)星的微波濕度計(jì)觀測資料對四川盆地暴雨數(shù)值預(yù)報(bào)有一定的業(yè)務(wù)應(yīng)用價(jià)值。范嬌等[7]采用風(fēng)云三號C 星微波濕度計(jì)資料對兩次西南渦暴雨過程進(jìn)行同化研究，結(jié)果表明，通過循環(huán)同化MWHS-2 資料能夠有效提高中高層溫度、相對濕度和風(fēng)場的預(yù)報(bào)，在一定程度上改善降水預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)效果比單時(shí)次同化試驗(yàn)更好。目前，大量研究通過利用常規(guī)和非常規(guī)觀測資料[8?10]、結(jié)合模式進(jìn)行同化應(yīng)用[11]、使用不同模式[12?15]以及優(yōu)化模式參數(shù)化方案[16]等方法對西南渦降水及其低渦發(fā)展機(jī)制進(jìn)行深入分析，不斷豐富了對四川盆地暴雨及西南渦演變的認(rèn)識，也提升了數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)水平。

為了進(jìn)一步評估同化風(fēng)云三號C 星微波濕度計(jì)觀測資料對西南渦暴雨過程數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果的影響，本文利用WRF 模式及WRFDA 同化系統(tǒng)，循環(huán)同化風(fēng)云三號微波濕度計(jì)資料（MWHS-2），對2019 年6 月4日四川西南渦暴雨天氣過程進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，檢驗(yàn)其同化后對西南渦的路徑模擬及降水預(yù)報(bào)的改善效果，并利用模擬所得的高分辨率數(shù)值產(chǎn)品分析此次過程中西南渦動(dòng)力、熱力等演變特征，以期加深對西南渦暴雨的認(rèn)識。

1 數(shù)據(jù)與個(gè)例

1.1 數(shù)據(jù)來源

采用歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心1 日4 次的ERA-interim 0.75°× 0.75°全球再分析資料和國家站常規(guī)探空觀測資料對暴雨天氣過程進(jìn)行環(huán)流背景分析，降水實(shí)況分析采用四川地區(qū)常規(guī)地面氣象觀測站的降水實(shí)況資料。WRF 中尺度模式采用NCEP/NCAR 1°× 1°再分析資料作為模式的驅(qū)動(dòng)場和邊界條件，同化試驗(yàn)中使用的MWHS-2/FY-3C（風(fēng)云三號C 星微波濕度計(jì)）觀測資料來源國家衛(wèi)星氣象中心官方網(wǎng)站（http://www.nsmc.org.cn/NSMC/Home/Index.html），選取的資料同化探測通道為183GHz 系列通道，此通道分別探測400hPa、500hPa、600hPa、700hPa、800hPa 的大氣水汽信息，用于改善模式初始場。

1.2 個(gè)例簡介

2019 年6 月4 日12 時(shí)～5 日12 時(shí)（本文均為世界時(shí)）受高空低值系統(tǒng)和西南渦共同影響，在四川盆地中部、北部、東北部出現(xiàn)了大雨到暴雨，局部地區(qū)大暴雨。最大雨量出現(xiàn)在華鎣山市天池鎮(zhèn)為141.9mm，最大小時(shí)降雨量出現(xiàn)在內(nèi)江市鳳鳴鎮(zhèn)為88.9mm（圖1a）。

圖1 2019 年6 月4 日12 時(shí)～5 日12 時(shí)（a）累計(jì)降水實(shí)況空間分布（單位：mm）和（b）數(shù)值模擬區(qū)域位置

由6 月4 日500hPa 環(huán)流形勢（圖略）可知：亞歐中高緯地區(qū)高度場呈“兩槽一脊”型分布，青藏高原上有小槽東移并不斷加深，引導(dǎo)冷空氣南下影響四川；西太平洋副熱帶高壓呈東西帶狀，有利于高原低槽的快速東移，其外圍強(qiáng)盛的西南低空急流將來自孟加拉灣、南海的水汽和能量向盆地暴雨區(qū)輸送，與進(jìn)入盆地的冷空氣交匯觸發(fā)強(qiáng)降水；到4 日18 時(shí)低層700hPa在盆地西北部有低渦生成，在東移的過程中維持并不斷加深，同時(shí)850hPa 在盆地中部也有低渦形成，以東北路徑移出盆地，后期隨著西太副高北段南落，致使兩低渦移動(dòng)加快，盆地內(nèi)降水很快結(jié)束。

2 同化試驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究使用的模式為中尺度高分辨率數(shù)值模式WRF(Weather Research and Forcasting Model)及其同化系統(tǒng)WRFDA (WRFData Assimilationsystem)，其 中WRF 版本為3.7，初邊界條件采用NCEP/NCAR 的1°×1°FNL(Final Operational Global Analysis)資料，垂直分層為32 層，模式分辨率為10km（模擬區(qū)域見圖1b），格點(diǎn)數(shù)168 × 266 個(gè)，時(shí)間積分步長為60s，控制和同化試驗(yàn)起報(bào)時(shí)間為2019 年6 月3 日12 時(shí)，預(yù)報(bào)時(shí)效為72h，輸出資料時(shí)間分辨率3h。其中同化試驗(yàn)在控制試驗(yàn)基礎(chǔ)上循環(huán)同化三個(gè)不同時(shí)刻覆蓋四川全境的MWHS-2/FY-3C 觀測資料(圖略），第一次同化分析時(shí)刻設(shè)置為3 日12 時(shí)，同化窗區(qū)設(shè)置為分析時(shí)刻前后3h，選取的背景場是WRF 模式從3 日06 時(shí)起報(bào)所得到的3 日12 時(shí)預(yù)報(bào)結(jié)果，同化后得到12 時(shí)分析場，并以此作為初始場進(jìn)行12h 模式預(yù)報(bào)；根據(jù)MWHS-2/FY-3C 觀測資料時(shí)間，每12h 進(jìn)行一次同化，選取的背景場由上一次同化后模式預(yù)報(bào)結(jié)果提供，其它試驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)與控制試驗(yàn)一致。WRF 模式參數(shù)化方案的配置為：長波輻射選取RRTM 方案，短波輻射選取Dudhia 方案，積云對流選取 K-F 方案，近地面層選取Momin 方案，陸面過程選取 Noah 方案，邊界層選取YSU 方案，微物理參數(shù)化選取WSM3 方案。

同化試驗(yàn)中使用歐洲中期數(shù)值預(yù)報(bào)中心ECMWF 開發(fā)的輻射傳輸模式RTTOV11，只同化晴空觀測去除云雨影響的資料。系統(tǒng)中偏差訂正模塊的采用變分偏差訂正方法，同化所使用的微波濕度計(jì)資料質(zhì)量均通過偏差訂正檢驗(yàn)（圖略）。

3 數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果對比

3.1 降水與初值結(jié)果分析

實(shí)況顯示本次降水天氣過程的主雨區(qū)位于四川盆地中東部以及重慶西部，暴雨量級主要出現(xiàn)在盆地中部和廣安，雨區(qū)連續(xù)并呈西南-東北帶狀分布，局部出現(xiàn)超過100mm 的極端降水。由數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M的降水分布（圖2）可以看出：控制試驗(yàn)在盆地北部和東部模擬出大范圍的暴雨量級降水，盆地中部以中到大雨量級為主；同化MWHS-2/FY-3C 資料后，降水落區(qū)較控制試驗(yàn)結(jié)果在盆地中部、重慶西部雨區(qū)范圍有所擴(kuò)大，對盆地西北部暴雨量級的虛報(bào)區(qū)域也有明顯的改善，量級上更接近于實(shí)況，并且在盆地東北部局部模擬出大暴雨量級的降水?？梢?，同化MWHS-2/FY-3C資料后能對盆地中東部降水預(yù)報(bào)有正面影響。

圖2 控制試驗(yàn)（a）、同化試驗(yàn)（b）模擬6 月4 日12 時(shí)～5 日12 時(shí)累計(jì)降水分布（單位：mm）

將同化試驗(yàn)中第三次同化時(shí)刻（4 日12 時(shí)）低層相對濕度場與控制試驗(yàn)進(jìn)行對比分析。由相對濕度增量場（圖3）可知，相比于控制試驗(yàn)而言，同化后盆地內(nèi)中低層相對濕度都為正增量，其中600hPa 和850hPa 上在盆地西北部、中部和東北部正增量達(dá)到了20%～30%，盆地東部存在一個(gè)最大值為50% 的正增量中心，表明同化MWHS-2 觀測資料后能夠?qū)δＪ街信璧亟邓畢^(qū)域的水汽信息有正面調(diào)整，有利于對該區(qū)域降水預(yù)報(bào)的改善。

圖3 4 日12 時(shí)同化時(shí)刻600hPa（a）、800hPa（b）相對濕度增量（同化后減同化前，單位：%）

3.2 西南渦演變與模擬

本次過程中，700hPa 和850hPa 西南渦是影響盆地降水的主要系統(tǒng)，其在四川盆地內(nèi)的影響時(shí)段主要是4 日18 時(shí)～5 日03 時(shí)。因此，將兩組數(shù)值模擬試驗(yàn)中西南渦的模擬情況與實(shí)況進(jìn)行對比分析，以驗(yàn)證同化MWHS-2 觀測資料后模式對低渦的模擬效果的改善。

實(shí)況顯示4 日18 時(shí)700hPa 上盆地西北部有氣旋性閉合中心開始形成，沿偏東路徑（經(jīng)綿陽-廣元-達(dá)州）移動(dòng)并于5 日06 時(shí)移出四川境內(nèi)；850hPa 輻合中心于4 日18 時(shí)出現(xiàn)在盆地中部（安岳）與重慶交界處，以東北路徑（資陽-廣安-達(dá)州）移出四川。兩組數(shù)值試驗(yàn)?zāi)M出的兩層低渦初生位置與實(shí)況相比均偏東偏北，但通過循環(huán)同化MWHS-2 觀測資料后，初生位置較同化前均更接近實(shí)況，低渦中心風(fēng)場輻合有所增強(qiáng)，出現(xiàn)時(shí)間也與實(shí)況一致，改善明顯（圖4）。對比兩層低渦的移動(dòng)路徑，實(shí)況上700hPa 低渦以偏東路徑東移，850hPa 上為東北移向，盆地內(nèi)兩低渦位置無耦合移速較快，移動(dòng)過程中逐漸接近，最終在重慶境內(nèi)消亡。而兩組數(shù)值試驗(yàn)對低渦路徑的模擬較實(shí)況均有一定差距，其中控制試驗(yàn)700hPa 低渦在5 日00時(shí)后快速向東北方向移動(dòng)與實(shí)況位置差距加大。在引入MWHS-2 觀測資料后，700hPa 低渦東北移動(dòng)路徑明顯調(diào)整為東移路徑，與實(shí)況更加接近；850hPa 模擬低渦在盆地東部轉(zhuǎn)向調(diào)整為沿偏東路徑移出四川，盆地內(nèi)低渦活動(dòng)路徑調(diào)整不明顯。

圖4 “2019.6.4”過程實(shí)況（空心圓標(biāo)注）、同化模擬試驗(yàn)（實(shí)心圓標(biāo)注）低渦移動(dòng)路徑（棕色為700hPa，紅色為850hPa）、控制模擬試驗(yàn)（實(shí)心矩形）低渦移動(dòng)路徑（棕色為700hPa，紅色為850hPa）

通過分析低渦中心位勢高度的變化，發(fā)現(xiàn)東移過程中低渦中心強(qiáng)度始終維持，兩組數(shù)值試驗(yàn)中700hPa低渦中心位勢高度在305～306dagpm，850hPa 低渦中心位勢高度在141～142dagpm，均比實(shí)況中心偏強(qiáng)（圖略）。

4 低渦暴雨機(jī)制和物理量特征

通過以上對比分析可知，同化試驗(yàn)對于700hPa西南渦的模擬與實(shí)際情況更為接近，因此選取同化試驗(yàn)結(jié)果對700hPa 西南渦的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)一步分析。由于西南渦4 日18 時(shí)在700hPa 初生，21 時(shí)發(fā)展成熟，以18 時(shí)和21 時(shí)研究西南渦初生、成熟階段的動(dòng)力和熱力場特征（圖5）。如圖5a、c 所示，4 日18 時(shí)低渦中心上方（600～200hPa）和低渦東側(cè)均為一致的上升運(yùn)動(dòng)，中心值在1～2m/s；低層（800～600hPa）出現(xiàn)輻合中心，輻合中心上空600～400hPa 為輻散層，高低空配置對低渦的發(fā)展十分有利；105°～106°E 上空表現(xiàn)為一個(gè)正渦度柱，在400hPa 和600hPa 上分別存在一個(gè)正渦度大值中心，整層的正渦度柱隨高度向東傾斜，表現(xiàn)出高層正渦度中心超前于低層的垂直結(jié)構(gòu)特征；700hPa 上低渦位置存在一個(gè)348K 的高值區(qū)，呈“暖心”結(jié)構(gòu)，低渦中心下方900～800hPa 等假相當(dāng)位溫線密集，垂直和水平梯度較大，低層冷暖空氣對比明顯。如圖5b、d 所示，4 日21 時(shí)低渦發(fā)展到成熟階段，低渦中心整層垂直上升運(yùn)動(dòng)范圍增大，速度大值為3m/s，正渦度中心已延伸至500～600hPa，中心最值已達(dá)到120×10-5s-1，正渦度柱仍然隨高度向東傾斜發(fā)展，700hPa 低渦中心已發(fā)展到40×10-5s-1，兩中心較初生階段有所接近；低渦中心東側(cè)600～300hPa 為輻散層，輻散層下方對應(yīng)低層輻合區(qū)在垂直方向上已加深至900hPa；暖心結(jié)構(gòu)已發(fā)展到400hPa，低層900hPa 表現(xiàn)出有明顯的冷空氣入侵。進(jìn)一步分析相對渦度的時(shí)間演變可知：4 日15 時(shí) 在105°～106°E 為10×10-5s-1弱的正渦度中心，風(fēng)場上出現(xiàn)氣旋式彎曲（圖略）；18時(shí)正渦度區(qū)擴(kuò)大并向東移動(dòng)，對應(yīng)風(fēng)場上出現(xiàn)完整的氣旋式環(huán)流，中心值也已經(jīng)增長到30×10-5s-1（圖5c）；隨后東移的過程中正渦度中心仍不斷增強(qiáng)并維持，對應(yīng)700hPa 低渦成熟期（圖5d）；到5 日03 時(shí)，低渦已經(jīng)移出四川，中心正渦度達(dá)到了60×10-5s-1（圖略）。

圖5 4 日18 時(shí)（左）和21 時(shí)（右）沿31.5°N（a、b）假相當(dāng)位溫（等值線，單位：K）、垂直速度（填色，單位：m/s）以及（c、d）相對渦度（單位：10?5s?1）垂直剖面

綜上所述，700hPa 西南渦的初生和成熟階段均維持對流層低層輻合和假相當(dāng)位溫的暖心結(jié)構(gòu)，正渦度柱在初生階段隨高度向東傾斜和高層正渦度中心強(qiáng)度的快速增加十分有利于低層低渦的發(fā)展。

分析低層風(fēng)場與過去3h 累計(jì)降水空間分布（圖6）可知，本次降水前期700hPa 上西南急流不斷將孟加拉灣的水汽輸送進(jìn)盆地，850hPa 南風(fēng)急流軸上中心風(fēng)速也超過14m/s。由于風(fēng)向輻合及地形的作用，低層水汽在切變線及龍門山一帶產(chǎn)生輻合，對應(yīng)此時(shí)刻強(qiáng)降水的產(chǎn)生（圖略）。4 日18 時(shí)，低層水汽輻合區(qū)集中在盆地中部到北部，700hPa 和850hPa 水汽輻合中心大值均超過了4×10-5kg·s-1·m-2，水汽輻合區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)仍有很好的對應(yīng)關(guān)系。隨著低渦向東移動(dòng)，冷空氣進(jìn)入盆地并快速南壓，盆地西北部和中部的水汽通道很快被北部冷空氣切斷，水汽輻合中心和強(qiáng)降水區(qū)均迅速東移。上述分析表明，水汽通量的輻合區(qū)對強(qiáng)降水帶的移動(dòng)有很好的指示意義，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在700hPa 低渦東南側(cè)偏南氣流氣旋性曲率最大值區(qū)與850hPa 低渦切變南側(cè)的重疊位置。

圖6 同化試驗(yàn)?zāi)M的不同時(shí)次低層風(fēng)場與過去3h 累計(jì)降水量空間分布（a.4 日18 時(shí)，b.4 日21 時(shí)；黑色流線表示850hPa 流場；紅色圓點(diǎn)表示850hPa 低渦位置；棕色圓點(diǎn)表示700hPa 低渦位置；填色表示降水，單位：mm）；4 日18 時(shí)不同層次風(fēng)場與水汽通量散度空間分布（c.700hPa，d.850hPa；箭頭表示風(fēng)矢；填色表示水汽通量散度，單位：10-5kg·s-1·m-2）

5 結(jié)論

本文利用WRF 模式及WRFDA 同化系統(tǒng)，循環(huán)同化風(fēng)云三號微波濕度計(jì)資料（MWHS-2），對2019年6 月4 日四川西南渦暴雨天氣過程進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

(1) WRF 模式成功預(yù)報(bào)出本次暴雨天氣過程，而通過循環(huán)同化MWHS-2 觀測資料后對模式初始場盆地中東部的相對濕度有明顯的調(diào)整，能夠?qū)δM的降水結(jié)果產(chǎn)生正面影響。對雙層低渦在四川盆地內(nèi)的模擬也具有一定的改善，其中最明顯的是改善了700hPa低渦模擬路徑與實(shí)況路徑的差距，以及控制試驗(yàn)中850hPa 西南渦在盆地東部打轉(zhuǎn)的虛假路線。

(2) 過程中700hPa 西南渦初生、成熟階段都維持著低層輻合和相當(dāng)位溫的暖心結(jié)構(gòu)，正渦度柱在初生階段隨高度向東傾斜和高層正渦度中心強(qiáng)度的快速增加有利于低層低渦的發(fā)展；在低渦發(fā)展成熟階段，上升運(yùn)動(dòng)、正渦度柱以及低層輻合區(qū)都有明顯的增強(qiáng)，有利于低渦在移動(dòng)中的穩(wěn)定維持。

(3) 降水前期低層水汽通道暢通，盆地西北部至盆地中部為水汽輻合中心；隨著低渦向東移動(dòng)，冷空氣進(jìn)入盆地快速南壓，盆地西北部和中部的水汽通道很快被北部冷空氣切斷，水汽輻合中心和強(qiáng)降水區(qū)都迅速東移。整個(gè)過程中水汽輻合區(qū)與強(qiáng)降水區(qū)有很好的對應(yīng)關(guān)系，強(qiáng)降水主要出現(xiàn)在700hPa 低渦東南側(cè)偏南氣流氣旋性曲率最大值區(qū)與850hPa 低渦切變南側(cè)的重疊位置。