郭建平，陳田萌，程小平，田偉紅，尤偉，黨蕊君，郭曉冉，毋婧炎，李寧，張震，孫玉萍

(1.中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2.中國人民解放軍國防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，長沙，410072；3.中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心，北京 100081；4.復(fù)旦大學(xué)大氣與海洋科學(xué)系，上海 200438；5.福建省災(zāi)害天氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建省氣象科學(xué)研究所，福州 350007)

引言

中尺度對流系統(tǒng)是造成我國主要災(zāi)害性天氣頻發(fā)的系統(tǒng)之一(Chen et al.，2020)，具有空間尺度小、生命史短、突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大等特點(diǎn)。中尺度天氣系統(tǒng)往往與暴雨、冰雹、大風(fēng)、龍卷等災(zāi)害性天氣緊密相關(guān)，其預(yù)報的準(zhǔn)確性直接關(guān)系到多種自然災(zāi)害的科學(xué)防范和應(yīng)對，對防災(zāi)減災(zāi)工作具有重要意義。然而，盡管近幾十年來數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)取得了長足進(jìn)步，但由于模式初值的不確定性等問題，對中尺度天氣系統(tǒng)的精準(zhǔn)預(yù)報仍存在較大問題，如暴雨24 h 預(yù)報的TS 評分往往低于0.2。因此，提高中尺度對流天氣的預(yù)報技術(shù)仍然是當(dāng)前所面臨的重大科學(xué)問題之一，也是我國氣象科技服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展面臨的重大挑戰(zhàn)。

有利的大氣熱力、動力及水汽條件是對流天氣觸發(fā)的基本前提，而邊界層過程和強(qiáng)迫作用則是對流觸發(fā)的重要機(jī)制，其中邊界層輻合線、地形強(qiáng)迫及重力波破碎等是主要的觸發(fā)機(jī)制。對流天氣的潛勢預(yù)報很大程度上依賴于對流的大氣環(huán)境變量的觀測，包括溫度、氣壓、濕度、風(fēng)以及相關(guān)熱動力參數(shù)等(Parker，2014)。盡管當(dāng)前地球觀測系統(tǒng)探測能力不斷提升，資料同化方案不斷改進(jìn)，但是與中小尺度數(shù)值模式分辨率相比，現(xiàn)有觀測系統(tǒng)能夠獲得的觀測分布依然非常稀疏且分布不均。20世紀(jì)90年代，氣象學(xué)家提出了適應(yīng)性觀測概念，其核心思想是采用觀測與數(shù)值模式相結(jié)合的方式，提高觀測資料的應(yīng)用效率(Rabier et al.，1996)。適應(yīng)性觀測又稱目標(biāo)觀測，是指在對預(yù)報誤差最為敏感的區(qū)域(敏感區(qū))及目標(biāo)區(qū)內(nèi)增加觀測，從而最大程度地改進(jìn)預(yù)報效果。換言之，適應(yīng)性觀測就是為了最優(yōu)地改進(jìn)所關(guān)心區(qū)域和時間的天氣預(yù)報，識別出目標(biāo)時間(驗(yàn)證時刻之前的任意時間)對應(yīng)的敏感區(qū)，這樣利用可能的觀測工具在敏感區(qū)進(jìn)行加密觀測，改善敏感區(qū)的分析質(zhì)量，從而改進(jìn)驗(yàn)證區(qū)在驗(yàn)證時刻的預(yù)報。在有限的財(cái)力、物力以及人力等資源的條件下，適應(yīng)性觀測有利于高效發(fā)揮觀測資源在數(shù)值天氣預(yù)報中的作用。目前，盡管對流天氣可預(yù)報性研究取得了不少有意義的進(jìn)展，但是關(guān)于制約對流天氣可預(yù)報性研究的誤差增長機(jī)制的認(rèn)識仍不完全清楚，這是目前對流適應(yīng)性觀測研究的一個難點(diǎn)(閔錦忠和吳乃庚，2020)。

對于特定的中尺度對流系統(tǒng)，若能有效確定對流觸發(fā)的關(guān)鍵區(qū)域和時間，在該區(qū)域增加相應(yīng)敏感要素的觀測，則有可能為對流預(yù)報提供更精準(zhǔn)的初始場條件，從而提高其預(yù)報準(zhǔn)確率；進(jìn)而通過累積對流天氣個例的精細(xì)觀測和其觀測敏感區(qū)的統(tǒng)計(jì)研究，為未來觀測站點(diǎn)建設(shè)提供科學(xué)實(shí)用的布局建議，從而進(jìn)一步服務(wù)于對流天氣的預(yù)報預(yù)警，提高對流等高影響天氣預(yù)報技術(shù)。

1 國內(nèi)外適應(yīng)性觀測試驗(yàn)研究現(xiàn)狀及發(fā)展動態(tài)

中尺度對流天氣系統(tǒng)可預(yù)報性及其精準(zhǔn)預(yù)報研究嚴(yán)重依賴于模式的初值條件，因此優(yōu)化大氣垂直觀測網(wǎng)絡(luò)，引入更多精密的天-空-地一體化的大氣綜合觀測手段和更先進(jìn)的資料同化技術(shù)來改進(jìn)模式的初始場，成為了對流天氣預(yù)報領(lǐng)域的發(fā)展方向。適應(yīng)性觀測試驗(yàn)則在一定程度上成為了驗(yàn)證這些觀測及同化技術(shù)應(yīng)用價值的有效手段，且能夠有效服務(wù)于優(yōu)化現(xiàn)有觀測站網(wǎng)布局(Trapp et al.，2016)。前人的研究為對流天氣發(fā)展的前期信號、適應(yīng)性觀測試驗(yàn)及資料同化的應(yīng)用價值奠定了一定的研究基礎(chǔ)，下面重點(diǎn)論述相關(guān)領(lǐng)域的主要進(jìn)展和發(fā)展動態(tài)。

1.1 對流天氣發(fā)展的前期信號研究

1.1.1 對流天氣觸發(fā)、發(fā)展及其影響因子

(1)大氣邊界層熱動力結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外許多研究強(qiáng)調(diào)了熱力不穩(wěn)定條件和動力抬升等在對流觸發(fā)和演變過程中的重要作用，而高分辨率的探空資料提供的大氣熱、動力條件有利于識別對流天氣觸發(fā)前的大氣環(huán)境。王璐璐等(2023)對2021年6月14日傍晚到夜間豫南一次對流性暴雨過程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)此次過程發(fā)生時風(fēng)場為氣旋性切變和輻合，水汽條件和熱力條件較好，動力強(qiáng)迫主要位于邊界層內(nèi)。Yan等(2019)結(jié)合秒級探空和地面自動站觀測資料統(tǒng)計(jì)分析了2008—2017年北京夏季對流觸發(fā)前的大氣環(huán)境特征，結(jié)果表明強(qiáng)降水發(fā)生前的臨近探空曲線中大約有45%呈現(xiàn)“細(xì)管型”，這是由于此類探空曲線常伴隨著更豐富的水汽和不穩(wěn)定能量，因此容易導(dǎo)致更大的垂直風(fēng)切變和更強(qiáng)的降水。范愛芬等(2022)在分析秋季臺風(fēng)倒槽特大暴雨的對流特征時發(fā)現(xiàn)特大暴雨出現(xiàn)在低空水汽輻合、θse大值區(qū)或峰區(qū)以及大尺度強(qiáng)迫抬升的重疊區(qū)域，并指出倒槽區(qū)域較減弱的臺風(fēng)中心附近為不穩(wěn)定的大氣層結(jié)是出現(xiàn)特大暴雨的主要原因。Barthlott 等(2010)在分析一次發(fā)生在德國西南部和法國東部復(fù)雜地形上的降水個例時發(fā)現(xiàn)，在對流有效位能(CAPE)僅為中等且對流抑制能量較高的情況下，低層強(qiáng)輻合能夠使得上升氣流穿過覆蓋在邊界層頂部的逆溫層，從而觸發(fā)深對流。

風(fēng)廓線雷達(dá)可以連續(xù)觀測到具有更高時間和垂直分辨率的三維風(fēng)場，進(jìn)而很容易地從實(shí)測風(fēng)的垂直廓線中導(dǎo)出水平風(fēng)的垂直切變和溫度平流等動力參數(shù)。但目前國內(nèi)對于風(fēng)廓線雷達(dá)的應(yīng)用，大部分仍停留在對單部雷達(dá)的大氣廓線資料分析。近年來風(fēng)廓線雷達(dá)在全國范圍內(nèi)廣泛開展建設(shè)，多地相繼建成空間稠密、相鄰站點(diǎn)間距較小的風(fēng)廓線雷達(dá)中尺度網(wǎng)，為利用多站點(diǎn)組網(wǎng)反演三維輻合輻散場進(jìn)行對流風(fēng)暴的前期信號研究奠定了堅(jiān)實(shí)的觀測支撐。

垂直風(fēng)場觀測組網(wǎng)的思想早在20世紀(jì)40年代就被應(yīng)用于分析對流天氣的形成機(jī)制(Bellamy，1949)，主要利用三個不共線的站點(diǎn)上空水平風(fēng)觀測計(jì)算其組成的三角形區(qū)域內(nèi)的水平散度、垂直渦度和垂直速度。Byers 和Rodebush(1948)基于上述三角形法利用探空觀測統(tǒng)計(jì)了1946 年夏季佛羅里達(dá)半島上空輻合特征，以此探究雷暴發(fā)生的可能機(jī)制，結(jié)果表明雖然白天的太陽輻射加熱為對流區(qū)的形成提供不穩(wěn)定條件，但低層海風(fēng)的輻合是導(dǎo)致對流雷暴發(fā)生的直接原因。20世紀(jì)80年代開始，國內(nèi)學(xué)者引進(jìn)了三角形法來計(jì)算我國各個探空站點(diǎn)間的渦度、散度等物理量，并提出了各種改進(jìn)方案。劉夢娟和楊引明(2017)將散度和渦度計(jì)算的三角形法應(yīng)用到風(fēng)廓線中尺度組網(wǎng)，可以實(shí)時監(jiān)測局地輻合輻散特征及其變化，對捕捉中尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生發(fā)展過程提供了更豐富的動力學(xué)信息，進(jìn)而為短時臨近預(yù)報尤其是強(qiáng)降水精細(xì)預(yù)報提供參考。Guo 等(2023)借助京津冀和長三角地區(qū)稠密的風(fēng)廓線雷達(dá)中尺度網(wǎng)絡(luò)觀測，提出了最優(yōu)三角形算法，大幅度提升了水平散度、渦度和垂直速度等動力參數(shù)反演精度，并基于該算法全面厘清了散度廓線與對流觸發(fā)的關(guān)系，并指出了風(fēng)廓線組網(wǎng)觀測可助力對流天氣短臨預(yù)警水平提升。

(2) 對流云結(jié)構(gòu)及生命周期。20 世紀(jì)90 年代以來，靜止氣象衛(wèi)星、天氣雷達(dá)等先進(jìn)遙感觀測儀器的資料被廣泛應(yīng)用于對流降水的臨近預(yù)報中。例如，Mecikalski 等(2008)利用美國海洋大氣局的地球同步業(yè)務(wù)環(huán)境衛(wèi)星(Geostationary Operational Environmental Satellites，GOES)，系統(tǒng)研究了美洲地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生的云時空分布特征及其發(fā)展演變規(guī)律。近年來，歐洲新一代氣象衛(wèi)星MSG(Meteosat Second Generation)被廣泛用于探究歐洲和非洲的對流云演變特征(Klein et al.，2018)。而在亞太地區(qū)，我國風(fēng)云4號靜止氣象衛(wèi)星(Min et al.，2017)和日本葵花-8 號靜止衛(wèi)星(Chen et al.，2020)被廣泛應(yīng)用于夏季對流云監(jiān)測預(yù)警研究和業(yè)務(wù)中。王小龍等(2022)利用常規(guī)觀測資料、區(qū)域自動站資料和日本葵花-8號靜止衛(wèi)星資料，對2016年4—9月甘肅省隴東南地區(qū)出現(xiàn)的43次強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行分析，確立了強(qiáng)對流云團(tuán)識別指標(biāo)、追蹤方法及預(yù)報指標(biāo)。Wilson和Schreiber(1986)利用多普勒天氣雷達(dá)識別出邊界層輻合線，并發(fā)現(xiàn)其大多出現(xiàn)在雷暴強(qiáng)回波移動方向前方0.5～5 km寬的區(qū)域，輻合線長度在十到幾百公里之間，在其上可能引發(fā)新的風(fēng)暴或加強(qiáng)原有的風(fēng)暴。Kumjian和Ryzhkov(2008)使用天氣雷達(dá)的弱回波區(qū)、中氣旋、基于雷達(dá)反射率的垂直積分參數(shù)和雙極化特征來識別和區(qū)分強(qiáng)風(fēng)暴和非強(qiáng)風(fēng)暴。相比之下，由于近年來在時空采樣方面的改進(jìn)，衛(wèi)星遙感觀測已越來越多應(yīng)用于強(qiáng)風(fēng)暴頂部探測(Gravelle et al.，2016)，包括云頂快速冷卻、異常云頂流場特征(強(qiáng)散度和正負(fù)渦度)、過沖風(fēng)暴頂以及云砧以上卷云羽有關(guān)的其他特征(Mecikalski and Bedka，2006)，這些特征均與強(qiáng)風(fēng)暴內(nèi)的強(qiáng)烈上升運(yùn)動有關(guān)。在衛(wèi)星圖像中，這些特征往往是強(qiáng)風(fēng)暴發(fā)展的有力證據(jù)，為風(fēng)暴發(fā)展的追蹤及分類提供了有效的幫助。

(3)氣溶膠-云-降水相互作用。氣溶膠會引起大氣加熱率廓線、地面感熱和潛熱通量發(fā)生一定程度改變，進(jìn)而對云和降水過程產(chǎn)生顯著影響。Gu 等(2006)模擬發(fā)現(xiàn)東亞地區(qū)邊界層氣溶膠的輻射效應(yīng)抑制了熱帶對流，且邊界層溫度和濕度可有效控制對流有效位能(Donner and Phillips，2003)。不論是邊界層對流還是深對流單元，其能量最終來源于地表的加熱和水分(Medeiros et al.，2005)。因此，邊界層可以影響到深對流，尤其是存有吸收性氣溶膠的時候，邊界層以上的對流有效位能將增強(qiáng)(Wang et al.，2013)。故氣溶膠廓線對深對流發(fā)生及發(fā)展均能產(chǎn)生較為深遠(yuǎn)的影響，同時在對流發(fā)展的前期影響其他氣象因子，從而改變對流云發(fā)展的觸發(fā)時間及強(qiáng)度。因此，氣溶膠廓線觀測對深對流系統(tǒng)預(yù)報也有著重要作用。

越來越多的觀測和數(shù)值模擬研究表明，氣溶膠的變化對地表太陽輻射、大氣邊界層、大氣穩(wěn)定度以及區(qū)域強(qiáng)降水等產(chǎn)生重要影響(Lee et al.，2016;Guo et al.，2017)，如Zheng 等(2020)利用近10 a 的地面降水和氣溶膠觀測資料分析發(fā)現(xiàn)，北京城市地區(qū)的降水在污染日出現(xiàn)的時間比清潔日要早得多，高峰時間提前1～2 h。Zhang等(2020)通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，較高的氣溶膠含量和由此產(chǎn)生的暖云反射率增加，使得地面溫度降低，大氣趨于更穩(wěn)定，從而抑制了組織良好的對流系統(tǒng)的發(fā)生，導(dǎo)致中國南部4月降雨量減少。Lee等(2016)研究表明，在氣溶膠輻射效應(yīng)強(qiáng)于氣溶膠微物理效應(yīng)的情況下，對流和降水受到抑制，而在氣溶膠微物理效應(yīng)強(qiáng)于氣溶膠輻射效應(yīng)的情況下，對流加強(qiáng)和降水增加。

前人的研究成果提供了大量對流天氣觸發(fā)的大氣條件及結(jié)構(gòu)特征，綜合天-空-地基主被動遙感觀測及地基大氣參數(shù)觀測，能夠?qū)崿F(xiàn)對對流天氣的實(shí)時監(jiān)測。基于長期積累的觀測數(shù)據(jù)可總結(jié)出對流天氣的前期信號，為進(jìn)一步開展適應(yīng)性觀測試驗(yàn)及觀測站網(wǎng)評估提供堅(jiān)實(shí)的觀測研究基礎(chǔ)。

1.1.2 針對中尺度對流天氣系統(tǒng)前期信號的觀測試驗(yàn)

20 世紀(jì)80 年代起，美國的許多野外觀測試驗(yàn)中，包括美國中部風(fēng)暴區(qū)域初步試驗(yàn)(Preliminary Regional Experiment for STORM-Central，PRE-STORM)，逐步開始使用固定或移動設(shè)備釋放間隔較近的無線電探空儀來了解平原地區(qū)的對流和對流觸發(fā)環(huán)境(Cunnning，1986)。2002 年開始的國際水工程項(xiàng)目(The International H2O Project in 2022，IHOP_2002)對水汽的三維結(jié)構(gòu)及時空變化進(jìn)行了觀測，用于更好地理解水汽條件對對流過程的影響(Weckwerth et al.，2004)。2013年美國中部大平原開展了中尺度可預(yù)報性試驗(yàn)(Mesoscale Predictability Experiment，MPEX)，其主要目標(biāo)為研究上游、風(fēng)暴前中尺度和次天氣尺度環(huán)境特征對區(qū)域尺度對流風(fēng)暴數(shù)值預(yù)報的影響，并針對孤立的深對流風(fēng)暴，研究環(huán)境對其的增強(qiáng)效應(yīng)，以及這些效應(yīng)對對流尺度動力學(xué)和可預(yù)測性的反饋(Trapp et al.，2016)。2015 年美國西部開展的夜間平原高架對流科學(xué)試驗(yàn)(Plains Elevated Convection at Night，PECAN)，同樣采用了移動探空小組對對流云觸發(fā)前期的大氣環(huán)境及其垂直結(jié)構(gòu)進(jìn)行了探測分析。Hitchcock等(2019)利用該試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析了15個中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生前后大氣廓線的變化，發(fā)現(xiàn)在不穩(wěn)定度增強(qiáng)的情況下，相當(dāng)位溫的剖面往往隨時間迅速演變，在可能中性的情況下則不然，同時在不穩(wěn)定度增強(qiáng)的情況下，高層的水汽含量和水汽平流比其潛在的中性對應(yīng)層更高。

另外，在歐洲同樣開展過許多類似的觀測試驗(yàn)。2006年在德國開展的對流單體預(yù)報、識別及追蹤試驗(yàn)(Prediction，Identification and Tracking of Convective Cells，PRINCE)，利用了拉曼激光雷達(dá)、C波段多普勒雷達(dá)、測風(fēng)雷達(dá)、無線電探空儀及機(jī)載下投式探空儀等垂直探測手段，研究了對流觸發(fā)前期的大氣背景、大氣垂直結(jié)構(gòu)。Groenemeijer等(2009)通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)了對流云發(fā)展中的下沉氣流的變化。2007年在歐洲中部開展的對流降水和地形降水研究(Convective and Orographically-induced Precipitation Study，COPS)是第一個有關(guān)低矮山區(qū)對流降水的世界氣象研究項(xiàng)目，試驗(yàn)涵蓋了水汽激光雷達(dá)、溫度激光雷達(dá)、測風(fēng)激光雷達(dá)及探空、同步飛機(jī)觀測、地面觀測、GPS水汽柱總量、衛(wèi)星觀測等多源觀測資料。Behrendt 等(2011)通過開展野外科學(xué)觀測試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，熱力驅(qū)動的環(huán)流系統(tǒng)在局地形成了輻合區(qū)，大尺度輻合可能同時疊加在其上，在充足的水汽條件和上升運(yùn)動條件下，隨之而來的潛熱釋放總體上為輻合區(qū)的維持帶來正反饋，而水汽場的差異導(dǎo)致對流抑制的差異，進(jìn)而使得山脈上空的對流發(fā)展為較淺且稀疏的對流云系，而固定的輻合帶區(qū)域不斷地將感熱和潛熱輸送到對流觸發(fā)區(qū)域從很大程度上決定了對流云的產(chǎn)生。2012年在科西嘉島開展的地中海水循環(huán)試驗(yàn)(Hydrological cycle in the Mediterranean Experiment，HyMex)同樣發(fā)現(xiàn)了熱力驅(qū)動的山谷風(fēng)環(huán)流和大尺度平流均可以產(chǎn)生水汽輸送，形成高濕層，從而導(dǎo)致了山脈上下的積分水汽含量變化。該試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)對流前大氣條件的空間不均勻性及其演變是影響深厚對流系統(tǒng)時空分布的關(guān)鍵因素(Adler et al.，2016)。

大量研究表明加強(qiáng)上游觀測對于短期災(zāi)害性天氣預(yù)報的潛在價值。例如，Benjamin 等(2004)討論了美國國家海洋和大氣局風(fēng)廓線雷達(dá)網(wǎng)所提供的風(fēng)速風(fēng)向觀測能力對改進(jìn)快速循環(huán)同化系統(tǒng)(Rapid Update Cycle，RUC)的短期預(yù)報方面的價值。Benjamin等(2010)進(jìn)一步討論了各種觀測數(shù)據(jù)集(包括飛機(jī)、風(fēng)廓線、無線電探空儀等)在改善RUC中的短期(3～12 h)預(yù)報方面的相對價值，尤其是無線電探空儀在改善12 h短時預(yù)報中的價值。Roebber 等(2008)發(fā)現(xiàn)對于美國西北部15 km 的降水預(yù)測而言，中尺度可預(yù)報性與大尺度觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量密切相關(guān)。Schumacher(2011)發(fā)現(xiàn)長壽命的中尺度對流系統(tǒng)集合預(yù)報結(jié)果對上游地區(qū)的位勢高度和風(fēng)觀測非常敏感。Wandishin 等(2008)進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了為提高中尺度對流系統(tǒng)的可預(yù)報性而需大力改進(jìn)中尺度觀測的必要性。因此，開展科學(xué)觀測試驗(yàn)仍是改進(jìn)中尺度對流系統(tǒng)預(yù)報技術(shù)的重要途徑。

1.2 適應(yīng)性觀測方法的理論與應(yīng)用研究

適應(yīng)性觀測是一種結(jié)合預(yù)報與觀測同化來獲得數(shù)值模式初始值的方法(Snyder，1996)，其基本思路為：(1)在關(guān)注區(qū)域內(nèi)識別對預(yù)報影響較大的區(qū)域，即敏感區(qū)；(2)在敏感區(qū)進(jìn)行加強(qiáng)觀測(或稱目標(biāo)觀測)；(3)同化加強(qiáng)觀測資料以獲得更接近真實(shí)情況的模式初始場，從而改善預(yù)報效果。學(xué)者們已圍繞適應(yīng)性觀測問題開展了大量的理論和應(yīng)用研究，為本文第2 節(jié)提出的適應(yīng)性觀測構(gòu)想奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2.1 觀測敏感區(qū)識別

敏感區(qū)的識別是適應(yīng)性觀測的核心，也是適應(yīng)性觀測研究的重點(diǎn)之一。敏感區(qū)識別準(zhǔn)確與否主要取決于兩個因素：一是天氣系統(tǒng)本身的動力學(xué)特性，該因素主要決定初始誤差的增長特征；二是初始條件的不確定性，即初始分析。對于同一天氣系統(tǒng)，觀測敏感區(qū)并非固定不變，其依賴于不斷變化的天氣形勢和預(yù)報驗(yàn)證區(qū)的位置和范圍。觀測敏感區(qū)的確定通常基于：(1)初始誤差較大或能夠快速增長；(2) 加強(qiáng)觀測資料的有效同化能夠減小分析誤差；(3) 通過一次或連續(xù)多次實(shí)施適應(yīng)性觀測并同化，可以減小確定性預(yù)報驗(yàn)證區(qū)域的預(yù)報誤差。早期敏感區(qū)識別方法主要通過主觀經(jīng)驗(yàn)方法確定(Burpee et al.，1996)，隨著研究不斷深入和外場觀測試驗(yàn)的實(shí)施，氣象學(xué)家從分析誤差(分析敏感性)和預(yù)報誤差(觀測敏感性)兩個角度提出了多種識別觀測敏感區(qū)的方法(Majumdar，2016)。

分析敏感性方法假定大氣運(yùn)動狀態(tài)的時間演變過程中，線性化的動力學(xué)方程能夠準(zhǔn)確反映預(yù)報誤差的非線性傳播機(jī)制。分析敏感性方法主要包括奇異向量法(Singular vectors，SVs)(Palmer et al.，1998)、伴隨敏感性法(Langland et al.，1999)等。以往適應(yīng)性觀測方法大都假設(shè)預(yù)報誤差動力學(xué)傳播的線性近似來確定觀測敏感區(qū)，如SVs 只能刻畫非線性模式中充分小的初始誤差的短期發(fā)展，而不能揭示非線性對初始誤差增長的影響。為了克服SVs不能處理非線性過程的局限性，Mu等(2003)首次將條件非線性最優(yōu)擾動方法引入到目標(biāo)觀測的研究中，進(jìn)而有效捕獲預(yù)報時刻最大非線性發(fā)展的初始擾動。

觀測敏感性方法不僅考慮了分析的不確定性，同時將觀測資料和資料同化方案整合到適應(yīng)觀測方法中，此類方法大都采用集合方法。比如，集合轉(zhuǎn)換卡爾曼濾波方法(Ensemble Transform Kalman Filter，ETKF)利用資料同化(Bishop et al.，1999；2001)系統(tǒng)，預(yù)估實(shí)施目標(biāo)觀測后，驗(yàn)證區(qū)域內(nèi)預(yù)報誤差方差(信號方差)的減小程度，進(jìn)而確定目標(biāo)敏感區(qū)。又如美國冬季風(fēng)暴監(jiān)測試驗(yàn)(WSR)采用ETKF 方法(Szunyogh et al.，2000)，MPEX試驗(yàn)采用集合敏感性方法(Weisman et al.，2015)。此類方法還包括集合卡曼濾波方法(Ensemble Kalman filter，EnKF)(Hamill and Snyder，2002)和集合敏感性方法(Ancell and Hakim，2007)等。此類方法一方面可以借助集合預(yù)報隱式地包含了預(yù)報誤差隨天氣形勢變化(即流變或流依賴特征)信息；另一方面，同化過程考慮了資料的影響，且同化系統(tǒng)不需要伴隨系統(tǒng)，在成熟業(yè)務(wù)系統(tǒng)中，所需計(jì)算機(jī)資源相對較少。但是，基于集合估計(jì)的適應(yīng)性觀測也存在一些不足之處，如由于集合成員樣本數(shù)的限制，必然存在預(yù)報誤差協(xié)方差矩陣不滿秩問題，這將導(dǎo)致不能獲取預(yù)報誤差全部信息等困難。

1.2.2 觀測敏感區(qū)及敏感要素評估

根據(jù)適應(yīng)性觀測試驗(yàn)的思路，在敏感區(qū)投入真實(shí)觀測無疑是檢驗(yàn)不同觀測方案優(yōu)劣和提高預(yù)報準(zhǔn)確率的有效手段。然而，由于觀測儀器的調(diào)度較為困難、成本較高等問題，依此開展適應(yīng)性觀測試驗(yàn)的難度較大。而利用觀測模擬試驗(yàn)來研究觀測對預(yù)報誤差敏感性的方法則可以有效代替真實(shí)觀測來驗(yàn)證敏感區(qū)和敏感要素對預(yù)報結(jié)果的影響，這不僅大大降低了成本，而且能夠輔助指導(dǎo)觀測網(wǎng)絡(luò)的科學(xué)布設(shè)。這種評估觀測對預(yù)報貢獻(xiàn)的方法主要包括：觀測系統(tǒng)模擬試驗(yàn)(Observing System Simulation Experiments，OSSE)、觀測系統(tǒng)試驗(yàn)(Observing System Experiments，OSEs)、基于伴隨的預(yù)報對觀測的敏感性分析(Forecast Sensitivity to Observations，F(xiàn)SO) (Baker and Daley，2000；Langland and Baker，2004)等。

集合敏感性分析方法通過開展大量OSSE試驗(yàn)來定量評估不同位置的初始條件誤差對預(yù)報的影響，以有效驗(yàn)證初始條件誤差的增長和天氣過程的可預(yù)報性。傳統(tǒng)的觀測評估OSEs，通過增加或減去特定的觀測來評估其對預(yù)報準(zhǔn)確性的影響。與OSSE 試驗(yàn)相似，這必然涉及大量試驗(yàn)才能得到準(zhǔn)確的敏感要素和敏感區(qū)，而基于伴隨的預(yù)報對觀測的敏感性方法FSO(Baker and Daley，2000)，則靈活高效得多，其在科學(xué)研究和業(yè)務(wù)系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。Langland 和Baker (2004)比較了觀測對美國海軍作戰(zhàn)全球大氣預(yù)報系統(tǒng)24 h和36 h 預(yù)報的影響，以及不同季節(jié)觀測貢獻(xiàn)的差異。Gelaro(2009)對OSEs 和第五代Goddard 地球觀測系統(tǒng)大氣同化系統(tǒng)伴隨診斷方法做了詳細(xì)對比，結(jié)果表明盡管二者在原理和方法上存在重大差異，但對大多數(shù)觀測子集在減少24 h 預(yù)報誤差的估計(jì)上比較一致。Mallick等(2017)評估了不同衛(wèi)星反演的風(fēng)場觀測對全球24 h預(yù)報誤差的作用，為衛(wèi)星觀測資料的應(yīng)用提出建議。Lorenc 和Marriott (2014)將FSO 系統(tǒng)集成到英國氣象局全球數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)中，將試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果同Cardinali(2009)的結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性和有效性，之后Joo 等(2013)使用該系統(tǒng)評估了衛(wèi)星數(shù)據(jù)的相對影響。Jung等(2013)首次應(yīng)用中尺度天氣預(yù)報模式數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)(The Weather Research and Forecasting-Data Assimilation System，WRFDA)對應(yīng)的FSO診斷工具WRFDA-FSO研究了有限區(qū)域模型框架內(nèi)誤差協(xié)方差參數(shù)敏感性，與OSEs 對比評估了東亞及西北太平洋地區(qū)2008 年臺風(fēng)季節(jié)的觀測的貢獻(xiàn)。

1.2.3 適應(yīng)性觀測野外科學(xué)試驗(yàn)

適應(yīng)性觀測野外科學(xué)試驗(yàn)大都針對天氣尺度高影響天氣系統(tǒng)的1～4 d 預(yù)報不確定性開展，如1997 年開展多國鋒面和大西洋風(fēng)暴軌跡野外觀測試驗(yàn)(Fronts and Atlantic Storm-Track EXperiment，F(xiàn)ASTEX)(Snyder 1996;Joly et al.，1999)，美國冬季風(fēng)暴監(jiān)測試驗(yàn)(WSR)(Szunyogh et al.，2000)，觀測系統(tǒng)研究與可預(yù)報性試驗(yàn)(The Observing System Research and Predictability Experiment，THORPEX)計(jì)劃的大西洋THORPEX 區(qū)域計(jì)劃(A-TReC)項(xiàng)目試驗(yàn)(Mansfield et al.，2005；Parsons et al.，2017)，2003 年在歐洲大陸針對高影響天氣開展的A-TReC試驗(yàn)(Rabier et al.，2008)。其他代表性的針對全球地區(qū)不同天氣系統(tǒng)所開展的適應(yīng)性觀測試驗(yàn)空間分布見圖1。

圖1 全球針對不同類型災(zāi)害性天氣開展的適應(yīng)性觀測試驗(yàn)分布圖Fig.1 Global distribution of major field campaigns launched for adaptive observation strategy,which was mainly designed to improve the prediction skill of several types of severe storms

許多研究總結(jié)了適應(yīng)性觀測野外科學(xué)試驗(yàn)的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)。雷荔傈和談?wù)苊?2008)綜述幾種主要的適應(yīng)性觀測方法或策略的相關(guān)理論，從觀測誤差、同化方案、模式誤差等方面討論了適應(yīng)性觀測對預(yù)報改進(jìn)的影響因素。Majumdar等(2011)對過去十幾年國際上適應(yīng)性觀測的研究和外場試驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)分析。穆穆(2013)討論了目前國際上在大氣和海洋科學(xué)研究領(lǐng)域目標(biāo)觀測的現(xiàn)狀與發(fā)展。

在我國適應(yīng)性觀測在臺風(fēng)預(yù)報技術(shù)提升方面有較廣泛的應(yīng)用。如田偉紅(2006)針對2003年13號臺風(fēng)“杜鵑”，設(shè)計(jì)了利用ETKF方法進(jìn)行適應(yīng)性觀測試驗(yàn)的分析系統(tǒng)，并使用該系統(tǒng)進(jìn)行了簡單試驗(yàn)。而基于ETKF理論的適應(yīng)性觀測的基礎(chǔ)是大、中尺度天氣系統(tǒng)預(yù)報誤差及其傳播機(jī)制。通過試驗(yàn)表明，所搭建的區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)估計(jì)得到的預(yù)報誤差協(xié)方差減少最多的區(qū)域與深層平均風(fēng)方法得到的敏感區(qū)位置存在相同的地方。馬旭林(2008)結(jié)合多種集合預(yù)報產(chǎn)品，搭建了針對我國典型高影響天氣的天氣系統(tǒng)特征的適應(yīng)性觀測敏感區(qū)估算系統(tǒng)(ETKF-M2008)。然而，我國針對陸地中尺度對流系統(tǒng)所開展的適應(yīng)性觀測試驗(yàn)仍然偏少。

盡管數(shù)值天氣預(yù)報模式在對流精準(zhǔn)預(yù)報方面具有很大貢獻(xiàn)，但其預(yù)報準(zhǔn)確性通常在幾個小時內(nèi)會迅速下降(Weygandt et al.，2004)。造成這種現(xiàn)象的一個重要原因是環(huán)境場的分析誤差。眾所周知，對流風(fēng)暴的特征與其所處的環(huán)境有著密切聯(lián)系，因此在模式中準(zhǔn)確地表達(dá)和描述初始場環(huán)境對于準(zhǔn)確預(yù)報對流天氣具有重要意義(Benjamin et al.，2010)。Fabry(2010)指出無線電探空儀得到的溫度、風(fēng)和濕度觀測(尤其是中層濕度)對4 km網(wǎng)格上0～6 h的降水預(yù)報有很大影響。

1.3 基于適應(yīng)性觀測的觀測站網(wǎng)評估

氣象觀測網(wǎng)的科學(xué)布局能夠有效提高數(shù)值預(yù)報的準(zhǔn)確率。OSSE是一種用來評估新的觀測系統(tǒng)配置合理性、分析模擬觀測資料效果的有效方式(Arnold and Dey，1986)。適應(yīng)性觀測的一個主要應(yīng)用在于利用數(shù)值模擬方法指導(dǎo)氣象觀測站的合理布局，這也是當(dāng)前國際流行的一種布站方法(雷荔傈和談?wù)苊簦?008)。許多研究利用適應(yīng)性觀測試驗(yàn)方法，考慮初始條件的不確定性并分析天氣系統(tǒng)的流體力學(xué)特征，從而確定對數(shù)值預(yù)報產(chǎn)生顯著影響的初始場敏感區(qū)，并在敏感區(qū)內(nèi)進(jìn)行加強(qiáng)觀測。相比于傳統(tǒng)的平均插值法，適應(yīng)性觀測方法更加嚴(yán)謹(jǐn)且物理意義更加明確，雖然該方法只能指導(dǎo)敏感要素觀測站點(diǎn)的合理布網(wǎng)(張宇等，2012)。王佳和陳耀登(2019)采用FSO方法構(gòu)建了FSO系統(tǒng)，有效評估了2018 年7—8 月國家級地面自動站、探空和風(fēng)廓線雷達(dá)觀測對華東區(qū)域12 h預(yù)報的影響，并初步討論臺風(fēng)預(yù)報對觀測的敏感性。

綜上表明，通過開展大量的OSSE 試驗(yàn)或采取預(yù)報敏感性試驗(yàn)方案，并在過程中引入統(tǒng)計(jì)分析，能在一定程度上得出觀測敏感區(qū)的統(tǒng)計(jì)特征，并對當(dāng)前觀測站網(wǎng)的布局進(jìn)行有效評估。通過開展適應(yīng)性觀測試驗(yàn)，不僅能夠提供局部加密的觀測資料，對深入解析中尺度對流系統(tǒng)發(fā)生及發(fā)展提供重要觀測支撐，同時也可以進(jìn)一步驗(yàn)證新的站網(wǎng)布局的可行性和可靠性。因此，發(fā)展觀測與模式互動的適應(yīng)性觀測方法能夠有效提高中尺度對流天氣的預(yù)報技術(shù)、為觀測站網(wǎng)的科學(xué)布局提供指導(dǎo)，具有極高的研究價值及應(yīng)用價值。

2 適應(yīng)性觀測試驗(yàn)方案構(gòu)想

2.1 晴空-成云-致雨無縫隙對流層低層大氣垂直觀測系統(tǒng)

研究表明，產(chǎn)生降水的對流云系統(tǒng)不僅包括孤立的積云，也包括許多和大尺度環(huán)流系統(tǒng)相聯(lián)系的中尺度對流系統(tǒng)；而降水所產(chǎn)生的冷池或鋒面系統(tǒng)所產(chǎn)生的陣風(fēng)鋒也會激發(fā)新的對流云。因此，與對流系統(tǒng)相關(guān)的云系在多尺度相互作用的影響下，其發(fā)展過程的不同階段往往呈現(xiàn)各種不同形態(tài)(Chen et al.，2020)。但驅(qū)動這些變化的云下大氣熱動力特征及其演變機(jī)制尚不清晰，亟需在中尺度對流頻發(fā)的重點(diǎn)區(qū)域構(gòu)建中尺度大氣垂直觀測系統(tǒng)。

目前我國日常業(yè)務(wù)的探空氣球觀測只能實(shí)現(xiàn)08∶00(北京時，下同)和20∶00一天兩次的高空垂直觀測，時空觀測密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了預(yù)報精確度的需要。而風(fēng)廓線雷達(dá)、測風(fēng)激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)等大氣主、被動遙感垂直探測設(shè)備具有連續(xù)觀測、自動化程度高等優(yōu)勢，是提高災(zāi)害性天氣監(jiān)測能力和短期數(shù)值天氣預(yù)報水平的重要手段。這些垂直探測設(shè)備可提供溫度、濕度、水平風(fēng)速、風(fēng)向、垂直速度、折射率結(jié)構(gòu)常數(shù)等，以及不同高度的垂直風(fēng)切變產(chǎn)品，幫助初步分析固定區(qū)域的邊界層垂直湍流混合等熱動力特征。同時，也能為適應(yīng)性觀測試驗(yàn)的開展提供可能的數(shù)據(jù)保障。

超大城市下墊面復(fù)雜，由于地形、城市熱島、氣溶膠污染等多種因素影響，大城市暴雨等對流天氣的預(yù)報仍然存在短板。通過合理整合大城市觀測資源，并集成天、空、地等多源觀測資料，可以在對流天氣系統(tǒng)觸發(fā)前后形成從晴空-成云-致雨全過程的無縫隙觀測平臺。在對流觸發(fā)前的晴空到有云階段，可以借助L 波段探空、風(fēng)廓線雷達(dá)、微波輻射計(jì)、云雷達(dá)等大氣廓線觀測業(yè)務(wù)組網(wǎng)觀測設(shè)備，結(jié)合加強(qiáng)觀測試驗(yàn)獲得的氣溶膠廓線，構(gòu)建對流層低層大氣垂直觀測系統(tǒng)(Lower Tropospheric Observational System，LOTOS)，實(shí)現(xiàn)對流層低層大氣溫度、氣壓、濕度、風(fēng)、氣溶膠和水凝物廓線時空連續(xù)的組網(wǎng)觀測。而在積云、高積云或?qū)臃e云等出現(xiàn)后，可以借助云雷達(dá)和風(fēng)云4 號或葵花8/9 號等靜止氣象衛(wèi)星，獲取云宏、微觀特性，并動態(tài)識別、追蹤對流云的合并和分裂過程，獲得對流云從初生到成熟再到消亡等整個生命周期的云演變過程。在對流觸發(fā)后，可以借助成熟的天氣雷達(dá)監(jiān)測系統(tǒng)，結(jié)合靜止氣象衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)從云滴到雨滴的云水(云雨)的觀測獲得云和降水的宏、微觀物理特征及其演變過程。最終構(gòu)建一個從晴空到成云致雨全過程的無縫隙大氣觀測平臺(圖2)。

圖2 由無線電探空、風(fēng)廓線雷達(dá)中尺度觀測網(wǎng)和云雷達(dá)以及天氣雷達(dá)組成的從晴空-云-降水無縫隙大氣垂直廓線觀測系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic diagram of the observational network comprised of a suite of instruments such as radiosonde,radar wind profiler mesonet,cloud radar,and precipitation radar from clear sky to cloudy sky until precipitation

該平臺不僅可為對流天氣的區(qū)域監(jiān)測預(yù)警提供重要的觀測支撐，而且對于適應(yīng)性觀測方案的設(shè)計(jì)，當(dāng)確定的觀測敏感區(qū)與LOTOS存在重合區(qū)域時，相應(yīng)區(qū)域內(nèi)屬于LOTOS的大氣垂直廓線、氣溶膠和云雨探測也能夠成為適應(yīng)性觀測中同化資料的組成部分，從而有效改善模式初值場。

2.2 與對流云觀測相適應(yīng)的金字塔形低層大氣垂直觀測系統(tǒng)

大氣動力條件在對流觸發(fā)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，往往能夠驅(qū)動對流云的發(fā)展和演變。隨著更精細(xì)化的觀測系統(tǒng)的布設(shè)，構(gòu)建涵蓋大氣垂直探測的中尺度觀測網(wǎng)成為了對流等災(zāi)害性天氣監(jiān)測的重要環(huán)節(jié)。本文提出了利用風(fēng)廓線探測反演區(qū)域輻合、輻散及垂直速度等大氣動力參數(shù)的中尺度網(wǎng)絡(luò)觀測新模式。

結(jié)合中國氣象局目前大氣垂直廓線觀測網(wǎng)絡(luò)條件，可以由相鄰兩個站點(diǎn)間距不超過100 km的三個不共線的風(fēng)廓線雷達(dá)構(gòu)成三角形觀測網(wǎng)格，從而實(shí)現(xiàn)在云團(tuán)經(jīng)過該三角形網(wǎng)格時對其大氣動力垂直結(jié)構(gòu)的監(jiān)測。而當(dāng)區(qū)域內(nèi)存在5 個風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)時，則可以組成金字塔形對流層低層大氣垂直觀測系統(tǒng)(Pyramid-shaped LOwer Tropospheric Observational System，PLOTOS)，詳見圖3。該系統(tǒng)可根據(jù)云的大小和位置調(diào)用觀測網(wǎng)絡(luò)中任意三個點(diǎn)組成新的動態(tài)三角形網(wǎng)格，并利用三角形法(Bellamy，1949)計(jì)算三角形區(qū)域內(nèi)的大氣散度、渦度和垂直速度剖面。

圖3 由5個風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)組成的金字塔形對流層低層大氣垂直觀測系統(tǒng)(PLOTUS)(a)以及根據(jù)云的大小形態(tài)分別采取8個不同三角形方案計(jì)算大氣動力參數(shù)(b—f)示意圖Fig.3 Schematic of(a)Paramid-shaped LOwer Tropospheric Observational System(PLOTOS)and(b-f)denote the eight triangles constructed to calculate the vertical profiles of atmospheric dynamical variables

以圖3為例，根據(jù)云團(tuán)的位置和大小，利用5部風(fēng)廓線雷達(dá)可構(gòu)建與云相適應(yīng)的8個動態(tài)三角形。按照三角形面積膨脹法，給定任意一個三角形三個頂點(diǎn)經(jīng)緯度坐標(biāo)和地球半徑，可算出該三角形三邊的位移分量(Δxi,Δyi)(i=1,2,3)；然后結(jié)合風(fēng)廓線雷達(dá)觀測范圍內(nèi)某一高度處3 個站點(diǎn)的水平風(fēng)速(ui,vi)(i=1,2,3)，可計(jì)算出三角形面積平均的水平散度(D)和相對渦度(ζ)，其計(jì)算公式如下

在此基礎(chǔ)上，在對空氣密度做滯彈性近似的假設(shè)條件下，任意三角形區(qū)域上空的大氣垂直速度(w，可視為垂直方向的積分散度)可利用大氣連續(xù)方程解算得到

其中，z指海拔高度(單位：m)，ρ指大氣密度(單位：kg·m-3)，可利用探空溫度計(jì)算的虛溫求得?？紤]到風(fēng)廓線雷達(dá)在近地面觀測存在很大誤差，此處需假定離地0.5 km高度處的w為0。

利用上述公式遍歷PLOTUS 系統(tǒng)8 個三角形，可得到該區(qū)域上空任意高度上動態(tài)三角形網(wǎng)格內(nèi)的水平散度和相對渦度，進(jìn)而給出該區(qū)域上空時空連續(xù)的大氣輻合、輻散和垂直速度等動力參數(shù)廓線產(chǎn)品。該產(chǎn)品可用于對流風(fēng)暴前期信號的監(jiān)測。而通過結(jié)合深度學(xué)習(xí)等災(zāi)害性天氣預(yù)警技術(shù)，該產(chǎn)品還能夠有效服務(wù)于災(zāi)害性天氣的短臨預(yù)警(Wu et al.，2023)。

2.3 觀測與預(yù)報互動的適應(yīng)性觀測試驗(yàn)

本文以京津冀地區(qū)為例作為初步探索，期望通過適應(yīng)性觀測試驗(yàn)，在中尺度對流天氣位置及強(qiáng)度預(yù)報技術(shù)提升方面取得一定的進(jìn)展。每年7月伴隨著副熱帶高壓(以下簡稱副高)北抬，副高外圍低空暖濕平流輸送使不穩(wěn)定能量積聚，在外圍西風(fēng)槽影響下，容易沿地形或地面輻合線觸發(fā)中尺度對流系統(tǒng)，并在西南氣流的引導(dǎo)下繼續(xù)向東北方向移動(圖4)。在這種天氣形勢影響下，京津冀地區(qū)對流天氣多發(fā)，對流降水占到所有強(qiáng)降水過程中的30%，其受到的影響因素多、預(yù)報難度大。針對上述典型天氣系統(tǒng)引發(fā)的對流降水，本文提出了觀測與模式互動的適應(yīng)性觀測新思路。

2.3.1 針對副高外圍對流天氣系統(tǒng)的適應(yīng)性觀測思路

結(jié)合京津冀地區(qū)PLOTOS觀測資料對對流觸發(fā)前期信號進(jìn)行系統(tǒng)分析，得到對流性天氣觸發(fā)的頻發(fā)區(qū)及影響對流觸發(fā)的大氣要素。針對不同天氣系統(tǒng)歸納統(tǒng)計(jì)相應(yīng)“參考大氣”廓線，進(jìn)一步計(jì)算對流觸發(fā)區(qū)域、強(qiáng)降水上游區(qū)域等地大氣溫度、濕度、風(fēng)切變、湍流、輻合、輻散、垂直速度等大氣熱動力參數(shù)的垂直結(jié)構(gòu)特征，并將大氣溫、濕、風(fēng)等觀測資料加入到快速循環(huán)更新同化系統(tǒng)中，以提高對流天氣預(yù)報的準(zhǔn)確性。

圖4 給出針對副高外圍西風(fēng)槽中尺度對流系統(tǒng)觀測與模式互動示意圖，利用華北地區(qū)空間分辨率為1 km、時間分辨率為1 h 的分析預(yù)報循環(huán)更新系統(tǒng)(CMA-meso)和WRF快速同化循環(huán)系統(tǒng)開展對流天氣預(yù)報，提前12 h 得到強(qiáng)降水的發(fā)生時刻和位置預(yù)報。當(dāng)預(yù)報的對流天氣系統(tǒng)落入研究區(qū)域時，利用CMA-meso 區(qū)域集合產(chǎn)品以及ETKF 方法尋找京津冀地區(qū)對流系統(tǒng)預(yù)報的觀測敏感區(qū)。根據(jù)科學(xué)試驗(yàn)實(shí)施的可行性綜合考慮敏感區(qū)及目標(biāo)觀測時間指導(dǎo)外場移動試驗(yàn)觀測車進(jìn)行適應(yīng)性觀測，將得到的移動觀測進(jìn)行實(shí)時同化預(yù)報，以改進(jìn)京津冀地區(qū)夏季典型天氣系統(tǒng)影響下的對流天氣系統(tǒng)預(yù)報。

移動觀測平臺能夠提供連續(xù)、高時間分辨率的大氣垂直廓線觀測，大大彌補(bǔ)了業(yè)務(wù)站網(wǎng)觀測疏密不均、對流天氣觸發(fā)及發(fā)展的重點(diǎn)區(qū)域偶然性大等因素所導(dǎo)致的觀測網(wǎng)難以捕捉的短板，具有極強(qiáng)的靈活性。通過將這些寶貴的大氣垂直廓線觀測資料輸入快速循環(huán)更新系統(tǒng)中，形成觀測與模式互動的適應(yīng)性觀測預(yù)報，很可能在一定程度上提高災(zāi)害性對流天氣觸發(fā)位置及強(qiáng)度的預(yù)報和預(yù)警準(zhǔn)確度。

利用CMA-meso 區(qū)域模式和WRF 模式指導(dǎo)適應(yīng)性觀測，試驗(yàn)技術(shù)路線如圖5所示，假設(shè)t0時刻的預(yù)報顯示t3時有對流天氣發(fā)生，試驗(yàn)中同化兩種數(shù)據(jù)源：(1)現(xiàn)有的地面、天氣雷達(dá)、探空和風(fēng)廓線雷達(dá)等氣象觀測業(yè)務(wù)站網(wǎng)資料；(2)通過移動觀測車觀測得到的溫濕廓線資料。通過集合估計(jì)方法，將同化兩種觀測數(shù)據(jù)源后得到的預(yù)報協(xié)方差與不同化移動觀測資料的預(yù)報協(xié)方差之差定義為信號，這種信號的變化可以認(rèn)為是一種隨機(jī)過程，可用其方差表示。通過ETKF 方法能夠快速估算出不同組合觀測方案的分析誤差協(xié)方差，從而得到信號方差。在比較每個觀測方案的信號方差之后，找到最優(yōu)的觀測方案，結(jié)合靜止氣象衛(wèi)星提供的對流云發(fā)生發(fā)展的前期信號，從而確定對流天氣預(yù)報的敏感區(qū)。

圖5 京津冀地區(qū)夏季對流適應(yīng)性觀測技術(shù)路線示意圖Fig.5 Schematic diagram showing how the targeted observational experiment is conducted for the summertime convection system over the Jing-Jin-Ji area

此時，模式工作組將敏感區(qū)位置信息及時反饋給觀測組，并建議實(shí)施移動觀測時間為t1(即01∶00 UTC)時刻，實(shí)時指導(dǎo)移動觀測工作組在后續(xù)時段內(nèi)在敏感區(qū)開展適應(yīng)性移動觀測。適應(yīng)性觀測工作組于t0開始駕車，在t1時刻趕到敏感區(qū)，開始敏感區(qū)移動觀測，移動觀測所得到的數(shù)據(jù)實(shí)時傳輸?shù)椒?wù)器提供同化系統(tǒng)用于改進(jìn)t3時刻的預(yù)報。若確定t1、t2時刻的敏感區(qū)分別位于圖5 的第3、4 個三角形中，第一組觀測人員將在t1時刻前將一輛搭載微波輻射計(jì)(或拉曼激光雷達(dá))和測風(fēng)激光雷達(dá)的移動觀測車停放至t1時刻敏感區(qū)內(nèi)進(jìn)行大氣垂直結(jié)構(gòu)的加密觀測，而另一組觀測人員則同時駕駛第二輛移動觀測車在下游t2時刻敏感區(qū)附近待命。這種特種探空的移動觀測平臺可提供從地面到高空10 km區(qū)域內(nèi)溫度、相對濕度、水汽密度和垂直風(fēng)廓線等實(shí)時觀測數(shù)據(jù)，用其分析對流觸發(fā)區(qū)域前期的大氣水汽、不穩(wěn)定度等條件。

適應(yīng)性觀測期間，同化分析預(yù)報系統(tǒng)每天預(yù)報4次(間隔6 h)，需要CMA_GFS 全球模式提供背景場和側(cè)邊界條件。通過模式同化敏感區(qū)的加密觀測和已有觀測資料形成模式預(yù)報的初始場，從而達(dá)到改進(jìn)模式預(yù)報的目的。事后再做一組使用常規(guī)業(yè)務(wù)氣象觀測資料的同化預(yù)報試驗(yàn)，與增加移動觀測的預(yù)報試驗(yàn)結(jié)果的對流系統(tǒng)發(fā)生時刻和位置進(jìn)行綜合對比分析，用來驗(yàn)證適應(yīng)性移動觀測對對流天氣預(yù)報的影響。

在觀測過程中，觀測人員將在模式預(yù)報工作組的快速循環(huán)更新預(yù)報系統(tǒng)指導(dǎo)下開展觀測試驗(yàn)。具體來說，基于不斷變化的風(fēng)暴運(yùn)動特征和路徑分布等要素進(jìn)行部署決策。便攜式計(jì)算機(jī)被用來實(shí)時獲取激光雷達(dá)數(shù)據(jù)并進(jìn)行質(zhì)量控制，隨后將數(shù)據(jù)傳輸給模式組，使其同化到快速循環(huán)更新預(yù)報系統(tǒng)中以修正對流系統(tǒng)下游t2時刻敏感區(qū)的位置，第二輛移動觀測車將立即調(diào)整觀測地點(diǎn)并開展觀測。將移動觀測車的位置與風(fēng)廓線雷達(dá)站點(diǎn)結(jié)合，即可構(gòu)建更細(xì)的三角形網(wǎng)格，實(shí)現(xiàn)邊界層輻合、輻散和垂直速度等大氣動力條件參數(shù)的精細(xì)化觀測，精準(zhǔn)追蹤對流觸發(fā)前期大氣垂直廓線變化以及對流觸發(fā)后大氣環(huán)境場的擾動，實(shí)現(xiàn)觀測-預(yù)報互動的對流天氣適應(yīng)性觀測。

2.3.2 個例分析

2022年7—8月期間，中國氣象科學(xué)研究院災(zāi)害天氣國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心、河北省氣象臺和邢臺市氣象局等單位在河北中南部平原地區(qū)開展了中尺度對流系統(tǒng)的適應(yīng)性觀測試驗(yàn)。具體觀測平臺包括：1)兩個由車載測風(fēng)激光雷達(dá)、微波輻射計(jì)、云雷達(dá)和X 波段天氣雷達(dá)組成的無球探空觀測平臺；2)一個由云雷達(dá)和風(fēng)廓線雷達(dá)構(gòu)成的移動觀測方艙；3)京津冀地區(qū)地基大氣遙感垂直觀測網(wǎng)絡(luò)以及常規(guī)氣象站網(wǎng)。使用的數(shù)值模式為中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心自主研發(fā)的中尺度模式CMA-Meso_3 km(V5.1)和空間分辨率為1 km、時間分辨率為1 h的分析預(yù)報循環(huán)更新系統(tǒng)。按照上文所提出的適應(yīng)性觀測思路，開展了觀測-預(yù)報互動的對流適應(yīng)性觀測試驗(yàn)。

圖6顯示2022年8月8日一個無球探空觀測平臺獲取的加密風(fēng)廓線觀測資料影響中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生降水回波的預(yù)報效果，從同化對比試驗(yàn)結(jié)果看，風(fēng)廓線觀測資料對河北中南部地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)降水回波預(yù)報有正貢獻(xiàn)。

圖6 2022年8月8日河北中南部地區(qū)適應(yīng)性觀測試驗(yàn)期間08時起報的同化風(fēng)廓線資料(a),未同化風(fēng)廓線資料(b)的中尺度對流系統(tǒng)雷達(dá)組合反射率6 h預(yù)報結(jié)果以及14時觀測結(jié)果(c)(黑色圓圈代表河北中南部地區(qū)中尺度對流系統(tǒng)產(chǎn)生的強(qiáng)降水回波)Fig.6 6-h forecast of radar reflectivity for a mesoscale convective system in the central and southern part of Hebei province during the targeted observational experiment(a)with assimilation of wind profiler measurement,(b)without assimilation of wind profiler measurement,(c)denotes the composite radar reflectivity from the weather radar network at 14∶00 BT on 8 August 2022.The black circle represents the strong precipitation echoes generated by the mesoscale convective system in the central and southern regions of Hebei Province

3 大城市對流天氣短臨預(yù)報預(yù)警面臨的重大挑戰(zhàn)

在高排放和全球變暖雙重疊加影響下，全球主要大城市區(qū)域的雷暴大風(fēng)、對流等極端天氣事件多發(fā)頻發(fā)。按照Clausius-Clapeyron方程，大氣溫度每增加1°C，大氣的持水能力將增加7%，極端降水事件也將等比例增加(Trenberth et al.，2003)。一般而言，雷暴發(fā)生要求具備大氣抬升、條件不穩(wěn)定和充足水汽等條件，而水汽須通過氣溶膠形成的凝結(jié)核和冰核的作用才能成云致雨，由于難以分離氣象條件和氣溶膠對降水的影響，使得降水對氣溶膠的響應(yīng)估算存在較大不確定性。目前我國城市人口已超過60%，城市化進(jìn)程快速發(fā)展導(dǎo)致土地利用類型和地面粗糙度均發(fā)生顯著改變，進(jìn)而出現(xiàn)城市“熱島效應(yīng)”，形成大氣次級環(huán)流并破壞城市邊界層的熱力穩(wěn)定度，進(jìn)而顯著改變城市上空云的形成演變機(jī)制，出現(xiàn)城市“雨島效應(yīng)”，導(dǎo)致城市內(nèi)澇。

這其中，中尺度對流系統(tǒng)是城市極端降水事件的重要“制造者”之一，其觸發(fā)多發(fā)生在距離地面1～2 km的邊界層內(nèi)，因此密度更高、更精細(xì)的云下大氣熱動力結(jié)構(gòu)觀測對于理解對流云的觸發(fā)、發(fā)展和演變過程中邊界層與云之間的復(fù)雜相互作用機(jī)制至關(guān)重要。我國已初步建成由自動氣象站、多種波段天氣雷達(dá)、探空等組成的現(xiàn)代氣象觀測網(wǎng)，同時也具備一系列國際一流的極軌和靜止氣象衛(wèi)星，具有較好反演大氣溫度、濕度等垂直廓線信息的能力。這對深入認(rèn)知邊界層輻合線、對流有效位能、風(fēng)切變、低空急流、大氣可降水等對流前期信號具有極大價值。

北京2008 年夏季奧運(yùn)會天氣預(yù)報示范項(xiàng)目的主要目標(biāo)是建立北京地區(qū)精準(zhǔn)對流天氣短臨預(yù)報系統(tǒng)，所采用的技術(shù)包括：雷達(dá)回波外推法、數(shù)值模型、數(shù)值模型和外推法融合，以及包含預(yù)報員經(jīng)驗(yàn)和知識的短臨預(yù)報技術(shù)。北京周邊地區(qū)特殊地形使得對流系統(tǒng)的觸發(fā)、發(fā)展和消散易發(fā)生在較短的時間和較小的空間尺度，使得短臨預(yù)報存在極大挑戰(zhàn)。實(shí)踐證明不同的短臨預(yù)報系統(tǒng)難以提供一致且穩(wěn)定的降水預(yù)報，而基于預(yù)報員對北京地區(qū)夏季降水預(yù)報經(jīng)驗(yàn)和知識的方法給出的預(yù)報結(jié)果往往表現(xiàn)較好。針對未來降水短臨預(yù)報技術(shù)的改進(jìn)，Wilson等(2010)指出三個方向：一是微觀和中尺度物理過程理解上的提高；二是數(shù)值模式在短臨預(yù)報時間和空間尺度上的重大改進(jìn)；三是邊界層風(fēng)和三維溫、濕度場的高分辨率觀測。迄今，眾多研究已在前兩個方向取得一定進(jìn)展，而現(xiàn)階段關(guān)鍵的制約因素在于缺乏精細(xì)的邊界層風(fēng)和三維溫、濕度場觀測。當(dāng)前業(yè)務(wù)中主要依賴的天氣雷達(dá)觀測系統(tǒng)難以精細(xì)刻畫從晴空到對流觸發(fā)階段的大氣熱動力結(jié)構(gòu)演變，而我國大氣垂直廓線觀測又存在時空分辨率不足的問題，這導(dǎo)致對流系統(tǒng)晴空-成云-致雨過程的無縫隙監(jiān)測難以實(shí)現(xiàn)，造成了對流天氣監(jiān)測“大網(wǎng)撈小魚”的窘境。

在大氣垂直觀測條件良好的城市及周邊地區(qū)構(gòu)建大氣邊界層溫、濕、風(fēng)、水凝物和氣溶膠等大氣垂直廓線融合觀測系統(tǒng)是突破這一困境的有效手段之一。利用這些更高密度和分辨率的觀測及其組網(wǎng)，能夠給出更高時空分辨率的連續(xù)大氣邊界層熱動力結(jié)構(gòu)特征，包括連續(xù)的對流有效位能，高度解析的散度、渦度和垂直速度廓線等，從而能更好地支撐對流短臨監(jiān)測預(yù)警，實(shí)現(xiàn)早預(yù)警早行動，筑牢城市氣象災(zāi)害防御第一道防線(圖7)。

圖7 晴空-成云-致雨全過程的大氣熱動力廓線觀測示意圖Fig.7 Schematic diagram showing the seamless observation of atmospheric thermodynamic and dynamic profiles covering the stages ranging from clear-sky,cloud-topped boundary layer and precipitation

4 適應(yīng)性觀測-短臨預(yù)報-氣象保障服務(wù)之間的內(nèi)在聯(lián)系及建議

我國夏季易受東亞季風(fēng)和南亞季風(fēng)影響，高原低渦、西南渦和東北低渦均是影響我國夏季對流天氣的系統(tǒng)。近年來，中國氣象局正在強(qiáng)力部署和推動氣象監(jiān)測預(yù)警補(bǔ)短板工程，其中一個主要的關(guān)注點(diǎn)就是提高重點(diǎn)區(qū)域的氣象要素?zé)o縫隙垂直監(jiān)測能力，以增強(qiáng)突發(fā)性、災(zāi)害性天氣監(jiān)測與預(yù)報預(yù)警能力。即便如此，在許多地形復(fù)雜、對流多發(fā)的大城市區(qū)域仍然十分缺乏大氣熱動力垂直廓線觀測。如何科學(xué)布局大氣垂直廓線觀測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)以最小的觀測設(shè)備投入取得最大預(yù)報效果提升，成為當(dāng)前亟待解決的問題。

由于大城市具有復(fù)雜且非均一的下墊面，且城市上空的大氣熱動力特征參數(shù)等廓線信息的空間分布變化相對較大，即便模式能給出準(zhǔn)確的敏感區(qū)位置，通過移動觀測平臺探測大氣熱動力廓線的難度仍然較大，導(dǎo)致進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整的難度同樣很大。因此，亟需針對發(fā)生在城市地區(qū)的局地中尺度對流系統(tǒng)開展適應(yīng)性觀測試驗(yàn)，尤其是對于有明顯上游區(qū)的中尺度對流系統(tǒng)，在大城市上游地區(qū)開展適應(yīng)性觀測試驗(yàn)具有重大科學(xué)價值和現(xiàn)實(shí)意義。

因此，針對影響大城市地區(qū)的主要天氣尺度和中尺度對流系統(tǒng)，首先需要厘清影響其觀測敏感區(qū)在什么位置，有哪些敏感要素需要加強(qiáng)觀測。而以觀測與預(yù)報互動為基礎(chǔ)的適應(yīng)性觀測技術(shù)則成為了行之有效的方案之一。通過大量的個例分析、模擬及實(shí)際觀測試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到敏感區(qū)的易發(fā)位置，并將得到的敏感區(qū)根據(jù)需求進(jìn)行分級，或可在一定程度上提高我國大城市災(zāi)害性天氣觸發(fā)監(jiān)測預(yù)警準(zhǔn)確度，并指導(dǎo)超大城市氣象觀測站點(diǎn)的科學(xué)布局。

圍繞適應(yīng)性觀測與大城市氣象保障服務(wù)之間的內(nèi)在聯(lián)系，本文基于上述幾點(diǎn)思考提出如下建議：

(1)加強(qiáng)對流前期信號研發(fā)力量。開發(fā)中尺度湍流、散度廓線產(chǎn)品，支撐對流觸發(fā)預(yù)警預(yù)報，深入研究邊界層-云耦合、湍流-對流相互作用等物理機(jī)制。

(2)整合應(yīng)急氣象觀測設(shè)備，在災(zāi)害性天氣影響較大的重點(diǎn)城市構(gòu)建PLOTOS 觀測系統(tǒng)，推進(jìn)集合預(yù)報模式指導(dǎo)下的國家-省-市-縣四級PLOTOS觀測指揮體系的建立。

(3)大力發(fā)展快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)，提高觀測數(shù)據(jù)與同化系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互更新的能力。借助機(jī)動觀測設(shè)施開展大城市中尺度對流天氣適應(yīng)性觀測試驗(yàn)，有望解決當(dāng)前地基遙感垂直觀測網(wǎng)絡(luò)“大網(wǎng)撈小魚”的難題。

綜上所述，為保障我國突發(fā)性對流天氣預(yù)報和預(yù)警精度的有效提升，依托現(xiàn)有業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)絡(luò)和移動觀測平臺，深入理解災(zāi)害性天氣的觸發(fā)及演變的物理機(jī)制，開展針對性的適應(yīng)性觀測試驗(yàn)應(yīng)是行之有效的途徑之一。盡管這其中仍有大量的科學(xué)問題亟待解決，但構(gòu)建精細(xì)化的觀測及預(yù)報系統(tǒng)、大力開展觀測及預(yù)報技術(shù)研發(fā)，加深對災(zāi)害性天氣的理解，能有效提高災(zāi)害性天氣的預(yù)報和預(yù)警水平，從而更好地應(yīng)對全球變暖大背景下極端天氣預(yù)報及氣候預(yù)測的挑戰(zhàn)。

中國氣象局氣象探測中心和北京氣象探測中心為本文提供京津冀地區(qū)云雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)和天氣雷達(dá)等大氣垂直觀測數(shù)據(jù)，國家氣象信息中心為本文提供常規(guī)氣象資料，謹(jǐn)致謝忱！