賴珍權(quán)，沈桐立，丁治英

（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044）

0808號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”登陸過(guò)程的三維變分同化試驗(yàn)

賴珍權(quán)，沈桐立，丁治英

（南京信息工程大學(xué)氣象災(zāi)害省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210044）

主要對(duì)0808號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”的登陸過(guò)程進(jìn)行模擬試驗(yàn)。首先，利用GPS掩星資料反演的大氣氣壓、溫度和水汽資料以及云導(dǎo)風(fēng)資料，對(duì)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”進(jìn)行了三維變分同化及數(shù)值模擬試驗(yàn)。結(jié)果表明：同化不同資料,得到的臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)各不相同,對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的影響也各不相同。同時(shí)同化GPS資料和云導(dǎo)風(fēng)資料，對(duì)臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)的調(diào)整最大，對(duì)模擬臺(tái)風(fēng)登陸前后的路徑、降水等均有一定程度的改善。其次，研究了資料同化中要素場(chǎng)調(diào)整的特征。發(fā)現(xiàn)初始場(chǎng)的調(diào)整在垂直方向上呈多峰結(jié)構(gòu)，調(diào)整的顯著性與資料有關(guān)也與要素有關(guān)，一般來(lái)說(shuō)，低層的調(diào)整要大于高層。最后，利用同時(shí)同化GPS掩星與云導(dǎo)風(fēng)資料的模擬結(jié)果，進(jìn)一步分析這次臺(tái)風(fēng)過(guò)程的物理量場(chǎng)特征。發(fā)現(xiàn)：在模擬時(shí)段內(nèi)，隨著臺(tái)風(fēng)鄰近大陸，水汽的源地由西南太平洋逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槟虾?。但自始至終存在著把豐富的水汽送入臺(tái)風(fēng)的水汽通道。在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中，一直保持著強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)的上升運(yùn)動(dòng)把低層暖濕空氣向上輸送，釋放潛熱為“鳳凰”臺(tái)風(fēng)提供了發(fā)展的能源。

GPS掩星資料；云導(dǎo)風(fēng)；三維變分同化；臺(tái)風(fēng)模擬；物理量

1 引言

一直以來(lái)，臺(tái)風(fēng)的登陸問(wèn)題倍受人們的關(guān)注。臺(tái)風(fēng)經(jīng)常對(duì)沿海地區(qū)居民和當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)造成巨大損失。過(guò)去由于探測(cè)技術(shù)的不完善和海上觀測(cè)資料的不足，對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的研究十分有限。近年來(lái)，隨著大氣探測(cè)技術(shù)的迅速發(fā)展，GPS掩星折射率、氣象衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)資料等一系列高時(shí)空分辨率的非常規(guī)資料的應(yīng)用，彌補(bǔ)了海上觀測(cè)資料的不足，通過(guò)各種同化方法把這些資料應(yīng)用到數(shù)值模式中改善初始場(chǎng)，從而提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性。

John Le等[1]應(yīng)用云跡風(fēng)資料改進(jìn)了澳大利亞等地的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)。Le Marshall等[2]曾用不同同化方法，在12小時(shí)同化窗中同化每小時(shí)的紅外通道云跡風(fēng)資料，然后作24小時(shí)預(yù)報(bào)，結(jié)果表明用加入高時(shí)空分辨率的紅外通道云跡風(fēng)資料的變分同化法，比用準(zhǔn)牛頓同化法能更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)熱帶氣旋路徑。張守峰等[3]將包含云跡風(fēng)的觀測(cè)資料和背景場(chǎng)資料用多變量最優(yōu)插值方法進(jìn)行客觀分析，然后在分析場(chǎng)上嵌入軸對(duì)稱的人造臺(tái)風(fēng)模型，在此基礎(chǔ)上運(yùn)行臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式，做臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)試驗(yàn)，其研究證明用云跡風(fēng)資料訂正客觀分析風(fēng)場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)有比較明顯的改進(jìn)。莊照榮等人[4]在三維變分同化系統(tǒng)中同化云跡風(fēng)資料，結(jié)果表明云跡風(fēng)資料可以提高分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)中風(fēng)壓場(chǎng)的質(zhì)量，從而可以更準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)的路徑和降水。李寧[5]運(yùn)用WRF-3DVAR同化云跡風(fēng)資料來(lái)改善臺(tái)風(fēng)“麥莎”的初始場(chǎng)，發(fā)現(xiàn)只同化一個(gè)通道時(shí)，水汽通道對(duì)溫壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的改善略優(yōu)于紅外通道，同時(shí)同化雙通道的云跡風(fēng)資料對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的改進(jìn)效果更明顯。

GPS資料范圍廣、覆蓋全球、不受洋面限制，并具有高垂直分辨率、長(zhǎng)期穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。過(guò)去學(xué)者利用GPS/MET提供的掩星觀測(cè)資料跟探空資料比較，分析結(jié)果非常相似，這說(shuō)明掩星資料相當(dāng)準(zhǔn)確。Kursinski等[6]指出在低緯度地區(qū)，若使用GPS/MET資料，在6 km高度以下可以反演出誤差僅為10～20%水汽分布，在邊界層更可達(dá)到5%。Zou等[7]最先將GPS折射率加入4DVAR同化模式當(dāng)中，進(jìn)行一系列的模擬試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它可以有效地反演出水汽的垂直剖面。另外,Zou等[8]還利用GPS/MET提供的掩星觀測(cè)資料，進(jìn)行大尺度的數(shù)值模擬研究，但并沒(méi)有把它運(yùn)用到臺(tái)風(fēng)方面的研究。Huang[9]使用MM5及其3DVAR系統(tǒng)同化GPS掩星折射率資料，來(lái)研究其對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的改善，發(fā)現(xiàn)對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果有正面的影響，尤其是在水氣的補(bǔ)償方面。

本文利用WRF模式及其三維變分系統(tǒng)，同化GPS掩星資料反演得到的大氣氣壓、溫度和水汽資料以及云導(dǎo)風(fēng)資料，以0808號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”為例，研究了GPS資料和云導(dǎo)風(fēng)資料在臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程模擬的作用，主要對(duì)比研究臺(tái)風(fēng)登陸前后的路徑、強(qiáng)度變化，探討了GPS掩星資料和其他非常規(guī)資料的結(jié)合同化對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的改進(jìn)。

2 個(gè)例概況

0808號(hào)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”于2008年7月25日06時(shí)（UTC，下同）在臺(tái)灣以東洋面（131oE，21.6oN）生成。生成后沿偏西方向移動(dòng)，并于26日12時(shí)加強(qiáng)為臺(tái)風(fēng)，隨后轉(zhuǎn)向?yàn)槲鞅毙?，?7日12時(shí)加強(qiáng)為強(qiáng)臺(tái)風(fēng)。28日早晨在臺(tái)灣省花蓮沿海登陸，之后穿過(guò)臺(tái)灣島中部并于28日12時(shí)前后在福建省中部沿海登陸，登陸后強(qiáng)度迅速減弱為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，繼續(xù)沿西北偏北方向移動(dòng)。29日夜間，在滯留福建23 h之后，“鳳凰”進(jìn)入江西東北部，30日06時(shí)在江西鄱陽(yáng)縣境內(nèi)減弱為熱帶低壓，30日18時(shí)，中央氣象臺(tái)停止編號(hào)。這是08年登陸我國(guó)最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)，具有強(qiáng)度強(qiáng)、風(fēng)大、雨急、影響時(shí)間長(zhǎng)、范圍廣等特點(diǎn)。

3 模式及資料介紹

3.1 模式介紹

本文工作采用WRF3.1版模式及WRF-3DVAR系統(tǒng)，WRF三維變分同化系統(tǒng)是在NCAR的MM5 3D-Var的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的三維變分同化系統(tǒng)，其目標(biāo)函數(shù)：

式中：x是分析變量,xb是背景場(chǎng),yo是觀測(cè)值，B是背景場(chǎng)誤差協(xié)方差，O是觀測(cè)誤差協(xié)方差，H是觀測(cè)算子。三維變分同化的目的就是求出使J達(dá)到最小的最優(yōu)分析場(chǎng)x。

3.2 資料介紹

本文采用的是COSMIC發(fā)布的資料，它包括了0～39.9 km實(shí)時(shí)的大氣垂直廓線基本信息，如經(jīng)緯度、海拔位勢(shì)高度、溫度、氣壓、水汽壓和折射率等，垂直分辨率為100 m，共400層。該格式資料是基于ECMWF低分辨率分析資料的一維變分反演所得。

本文采用的云跡風(fēng)資料是用風(fēng)云2號(hào)氣象衛(wèi)星圖像計(jì)算獲得的。云跡風(fēng)資料分紅外通道和水汽通道兩種。紅外圖像波段位于大氣窗區(qū)內(nèi)，氣象衛(wèi)星接收的是地表和云發(fā)出的長(zhǎng)波紅外輻射，水汽圖像是吸收帶的圖像，即地表和云的輻射被水汽吸收后，又由水汽再輻射。

4 數(shù)值模擬試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)方案

本文主要模擬鳳凰臺(tái)風(fēng)登陸前后的變化，模擬時(shí)段設(shè)為2008年7月26日1800～29日0000。為了檢驗(yàn)同化GPS掩星資料、云跡風(fēng)資料對(duì)此次臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程數(shù)值模擬的作用，特設(shè)計(jì)了以下的3種試驗(yàn)方案：

（1） 試驗(yàn)Ⅰ不同化任何資料；

（2） 試驗(yàn)Ⅱ同化GPS掩星資料；

（3） 試驗(yàn)Ⅲ同時(shí)同化GPS掩星資料、紅外通道IR1和水汽通道IR3云跡風(fēng)資料。

試驗(yàn)Ⅲ主要考查GPS掩星資料與其他資料結(jié)合同化的改進(jìn)效果，由于GPS掩星資料只提供反演的氣壓、水汽和溫度等資料，加入云導(dǎo)風(fēng)資料可以在一定程度上彌補(bǔ)風(fēng)場(chǎng)資料的空缺。另外，在處理云導(dǎo)風(fēng)資料和GPS掩星資料結(jié)合同化時(shí)，將云導(dǎo)風(fēng)資料處理成常規(guī)探空資料格式，并插值到標(biāo)準(zhǔn)等壓面層上（共10層）。

圖1 模擬路徑與實(shí)況路徑比較圖

其中，2008年7月26日這一天共有2517筆掩星事件發(fā)生，而在模擬區(qū)域里，26日18時(shí)前后1小時(shí)同化窗口內(nèi)發(fā)現(xiàn)有五筆掩星事件，見(jiàn)表1：

表1 2008年7月26日18時(shí)前后1小時(shí)同化窗口內(nèi)的掩星事件

4.2 模式參數(shù)

模擬試驗(yàn)中，WRF模式所選擇的區(qū)域水平范圍以（22 °N,123°E）為中心,格點(diǎn)數(shù)為76×90；分辨率45 km，垂直方向上分31層，模式層頂氣壓50 hPa。

WRF模式采用質(zhì)量垂直坐標(biāo)，蘭勃托正形投影方式。本次所有試驗(yàn)中，選用的物理方案為L(zhǎng)in等微物理過(guò)程方案，淺對(duì)流Kain-Fritsch積云對(duì)流參數(shù)方案，RRTM長(zhǎng)波輻射方案，Dudhia短波輻射方案以及YSU邊界層方案，陸面過(guò)程采用熱量擴(kuò)散方案，地表層物理過(guò)程為Monin-Obukhov方案。時(shí)間積分方案采用歐拉顯式時(shí)間分裂積分方案，時(shí)間步長(zhǎng)取180 s。

4.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

4.3.1 臺(tái)風(fēng)路徑分析

圖1為臺(tái)風(fēng)實(shí)況路徑和3種數(shù)值模擬試驗(yàn)方案的每隔6 h的路徑。時(shí)間從7月26日18時(shí)～29日00時(shí)。從圖中可以看出，6 h（指模擬時(shí)間6個(gè)小時(shí)）：試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ模擬的路徑較實(shí)況偏西偏北，均1個(gè)緯距左右，而試驗(yàn)Ⅲ模擬的位置與實(shí)況接近；18 h：試驗(yàn)Ⅰ模擬路徑較實(shí)況偏西約1緯距，試驗(yàn)Ⅱ模擬路徑較實(shí)況偏西偏北，誤差均較大，試驗(yàn)Ⅲ模擬的路徑最好，僅相差約0.3緯距；24 h：試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ模擬的路徑均與實(shí)況有較大的誤差，而試驗(yàn)Ⅲ模擬的位置與實(shí)況接近；直到42 h臺(tái)風(fēng)登陸前，試驗(yàn)Ⅲ模擬的路徑均明顯好于試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ；48 h以后，試驗(yàn)Ⅲ模擬的位置誤差雖然加大，但仍然好于試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ模擬的位置。從上面分析來(lái)看，各試驗(yàn)均能模擬出臺(tái)風(fēng)的大致走向，但試驗(yàn)Ⅲ的模擬效果最好，與實(shí)況比較接近。試驗(yàn)Ⅰ、Ⅱ模擬效果較差，模擬的路徑整體較實(shí)況偏西偏北，偏離較大。

為進(jìn)一步分析臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)的路徑誤差，特給出每6小時(shí)預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)位置的距離誤差，見(jiàn)表2。由表可見(jiàn)，在所有時(shí)刻，試驗(yàn)Ⅲ預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)位置的距離誤差都比試驗(yàn)Ⅰ和Ⅱ要小，這說(shuō)明同時(shí)同化GPS資料和云導(dǎo)風(fēng)資料，可較好地模擬出臺(tái)風(fēng)登陸前后的移動(dòng)情況。而試驗(yàn)Ⅱ?qū)ε_(tái)風(fēng)路徑的預(yù)報(bào)不如試驗(yàn)Ⅰ，則說(shuō)明風(fēng)場(chǎng)資料在臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)中有著極為重要的作用；另外也表明，由于GPS掩星點(diǎn)資料比較少，資料本身也存在一定的誤差，所以加入同化系統(tǒng)后，有時(shí)反而不如未同化的預(yù)報(bào)效果。因此，GPS掩星點(diǎn)資料應(yīng)與其它非常規(guī)資料配合起來(lái)使用，方能達(dá)到較好的效果。

表2 臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的距離誤差（單位:km）

4.3.2 臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度分析

分析各試驗(yàn)的臺(tái)風(fēng)中心海平面氣壓并與實(shí)況進(jìn)行對(duì)比（圖略），發(fā)現(xiàn)各試驗(yàn)均能大體反映出臺(tái)風(fēng)登陸福建后強(qiáng)度減弱的趨勢(shì)，但在模擬臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度時(shí)都較實(shí)況偏弱。主要原因是缺少起始時(shí)刻臺(tái)風(fēng)中心的資料，因此對(duì)臺(tái)風(fēng)初始場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)不到準(zhǔn)確的描述。冀春曉[10]在模擬“云娜”臺(tái)風(fēng)、施麗娟[11]在模擬“桑美”臺(tái)風(fēng)過(guò)程中，同樣出現(xiàn)了模擬強(qiáng)度弱于實(shí)況的現(xiàn)象。

圖2 2007年7月9日24 h累積降水（單位:mm）

4.3.3 24 h降水預(yù)報(bào)結(jié)果的分析

圖2a是根據(jù)常規(guī)資料得到的2007年7月9日的24 h降水實(shí)況?？梢钥吹秸麄€(gè)降水帶位于江淮流域，在安徽和江蘇境內(nèi)呈東西向分布，而在其西面呈東北-西南走向。整個(gè)雨帶有5個(gè)主要的降水中心，其中以江蘇和安徽北部的3個(gè)中心最強(qiáng)，數(shù)值在160 mm以上，在河南南部和湖北北部有兩個(gè)降水中心，降水量分別達(dá)到130 mm、158 mm。圖2b為由TRMM衛(wèi)星反演的24 h累計(jì)降水量分布。由圖可見(jiàn)其雨帶基本與實(shí)況一致，降水中心的位置相差也不大，但強(qiáng)度比實(shí)況稍弱。因此，在沒(méi)有資料的海洋上，可以將TRMM衛(wèi)星反演的累計(jì)降水量代替實(shí)況來(lái)做對(duì)比分析。

圖3 7月27日12時(shí)～28日12時(shí)24h累計(jì)降水(單位:mm)

臺(tái)風(fēng)“鳳凰”于27日22時(shí)在臺(tái)灣登陸，現(xiàn)分析臺(tái)風(fēng)登陸臺(tái)灣前后的降水情況。圖3為7月28日12時(shí)TRMM衛(wèi)星反演的24 h累計(jì)降水和各試驗(yàn)的降水。圖3a是由TRMM得到的累計(jì)降水量，由圖可以看到，一條雨帶斜穿臺(tái)灣，呈東南-西北走向，有3個(gè)主要的降水中心：一個(gè)位于臺(tái)灣以東的洋面上，中心值達(dá)到220 mm；一個(gè)位于臺(tái)灣南部，中心值為160 mm；還有一個(gè)位于臺(tái)灣西部的海面上，中心值也達(dá)到160 mm。下面來(lái)比較各試驗(yàn)的24小時(shí)降水。試驗(yàn)Ⅰ（見(jiàn)圖3b）雨帶也為斜穿臺(tái)灣呈東南-西北走向，但其西部已達(dá)大陸沿岸，較實(shí)況偏西。它存在兩處降水中心。一處位于臺(tái)灣西部海面上，較實(shí)況稍偏南，中心值較實(shí)況偏大；另一處位于臺(tái)灣南部，是將實(shí)況的臺(tái)灣南部及東部洋面上的兩個(gè)中心預(yù)報(bào)成了一個(gè)降水中心。試驗(yàn)Ⅱ（見(jiàn)圖3c）與試驗(yàn)Ⅰ相似，只是位于臺(tái)灣南部的中心較試驗(yàn)Ⅰ偏北，總體上較試驗(yàn)Ⅰ沒(méi)有太大的改進(jìn)。從試驗(yàn)Ⅲ（見(jiàn)圖3d）可以看到雨帶西部邊緣在海峽中部，其東部邊緣伸展到較東的洋面上，它的位置與實(shí)況最為接近，由此可知，雨帶位置的預(yù)報(bào)要比前兩個(gè)試驗(yàn)好。降水量的預(yù)報(bào)試驗(yàn)Ⅲ最強(qiáng)，由于一般數(shù)值預(yù)報(bào)的降水量比實(shí)況要弱，且由前知TRMM衛(wèi)星反演的降水量也比實(shí)況要弱，因此試驗(yàn)Ⅲ預(yù)報(bào)降水量可能更接近實(shí)況。有關(guān)降水中心的預(yù)報(bào)，試驗(yàn)Ⅲ預(yù)報(bào)位于臺(tái)灣南部的降水中心與實(shí)況接近，由于其降水量大，使位于臺(tái)灣西部海面上的降水中心沒(méi)有顯現(xiàn)出來(lái)，但西部降水值與實(shí)況接近。由上分析可知，試驗(yàn)Ⅲ對(duì)降水帶位置的模擬改進(jìn)最好，降水量也與實(shí)況更為接近，這可能與其模擬的路徑更接近實(shí)況有關(guān)。

4.4 同化后初始場(chǎng)改進(jìn)量的對(duì)比分析

三維資料同化實(shí)質(zhì)上是對(duì)預(yù)報(bào)模式使用的初始場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整或改進(jìn)。由前面的分析知，試驗(yàn)Ⅲ對(duì)預(yù)報(bào)的改進(jìn)最為明顯，它對(duì)初始場(chǎng)的調(diào)整也應(yīng)當(dāng)最顯著。但對(duì)各要素場(chǎng)調(diào)整的情況如何，需要進(jìn)一步分析。

為進(jìn)一步考察同化后對(duì)各要素場(chǎng)調(diào)整的情況，計(jì)算了同化后各要素場(chǎng)相對(duì)于原背景場(chǎng)在每一格點(diǎn)上差值的均方根（或稱其為均方差），它的大小反映了要素場(chǎng)調(diào)整的程度。下面分別給出U風(fēng)場(chǎng)、V風(fēng)場(chǎng)、位勢(shì)高度場(chǎng)、溫度場(chǎng)和濕度場(chǎng)的均方差隨各層的分布圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 同化后初始場(chǎng)相對(duì)于原背景場(chǎng)的均方差隨各層（高度）的分布圖

由圖4狀況可以歸納出以下幾點(diǎn)：第一、資料同化對(duì)所有要素場(chǎng)均產(chǎn)生影響，使其發(fā)生調(diào)整。即便同化某單一種資料，所有的要素場(chǎng)均會(huì)受到不同的調(diào)整；第二、同時(shí)同化多種資料的試驗(yàn)Ⅲ對(duì)所有要素場(chǎng)的調(diào)整程度要超過(guò)同化某一種資料的試驗(yàn)Ⅱ；第三、調(diào)整的程度在垂直方向上成多峰值分布，即各層調(diào)整的顯著情況是不完全一致的；第四、調(diào)整的顯著性與非常規(guī)資料的狀況有關(guān)。例如在模式頂部附近，由于非常規(guī)資料的個(gè)數(shù)偏少調(diào)整也就偏弱。第五、調(diào)整的顯著性還與要素的性質(zhì)有很大關(guān)系。例如要素溫度，從圖4d中可以看出溫度場(chǎng)隨高度的降低調(diào)整明顯加大；又如濕度場(chǎng)，因水汽主要存在于實(shí)際大氣的低層，300 hPa以上其含量已經(jīng)很少，從圖4e中可以清楚地看出不論何種同化方案，300 hPa以上調(diào)整都很小。

5 大尺度流場(chǎng)變化

圖5 850 hPa水汽通量（陰影區(qū)≥10.0 g·s-1·cm-1·hPa-1）用矢量表示

根據(jù)以上分析可見(jiàn)，同時(shí)同化GPS掩星與云導(dǎo)風(fēng)資料試驗(yàn)的模擬效果較好，結(jié)果也是合理的。下面利用該模擬結(jié)果，進(jìn)一步分析這次臺(tái)風(fēng)過(guò)程的物理量場(chǎng)特征。

5.1 水汽輸送變化特征

分析27日00時(shí)850 hPa水汽通量（見(jiàn)圖5a），水汽主要是由一支來(lái)自太平洋強(qiáng)的暖濕氣流及另一支來(lái)自南海經(jīng)菲律賓群島較弱的暖濕氣流供給，這兩支氣流在臺(tái)風(fēng)東南部匯合呈氣旋式進(jìn)入臺(tái)風(fēng)，水汽通量大值（灰度深）區(qū)位于臺(tái)風(fēng)中心的東北方。但隨著臺(tái)風(fēng)向西的移動(dòng)，水汽輸送情況逐漸發(fā)生了變化。到28日00時(shí)（見(jiàn)圖5b），來(lái)自南海的水汽輸送明顯加強(qiáng)，已變成這個(gè)臺(tái)風(fēng)的主要水汽輸送通道，而來(lái)自西太平洋水汽輸送已變得較弱。水汽通量的大值區(qū)位于臺(tái)風(fēng)中心的東南方。29日00時(shí)（圖略），仍維持著較強(qiáng)的從南海經(jīng)菲律賓到臺(tái)風(fēng)東部的水汽輸送帶，水汽通量大值中心稍減弱?？梢?jiàn)“鳳凰”從海上到登陸福建的階段中，自始至終存在著水汽通道把豐富的水汽送入臺(tái)風(fēng)情況，這對(duì)“鳳凰”臺(tái)風(fēng)的維持起到了重要的作用。

5.2 區(qū)域平均的垂直速度、散度變化特征

本文中“區(qū)域平均”指的是：對(duì)“鳳凰”臺(tái)風(fēng)在模擬時(shí)段內(nèi)的主要影響區(qū)域10°～30°N、115°～135°E內(nèi)的平均。圖6給出了區(qū)域平均垂直速度、平均散度隨高度的分布和隨時(shí)間的演變。

圖6 區(qū)域平均散度（×10-5s-1,等值線）、區(qū)域平均垂直速度（×10-2m/s,陰影區(qū)）的時(shí)空分布

從圖6可以看出，區(qū)域平均垂直速度（以灰度表示）有以下特點(diǎn)：第一，在模擬時(shí)段的26日18時(shí)至29日00時(shí)，從地面到100 hPa都是上升運(yùn)動(dòng)，有這樣深厚的上升氣流層，表明“鳳凰”在臺(tái)灣登陸后，仍保持著一定的強(qiáng)度；第二，上升氣流的強(qiáng)度是隨高度變化的，“鳳凰”臺(tái)風(fēng)較強(qiáng)的上升氣流區(qū)位于600～200 hPa層間，極大值位于300 hPa附近；第三，上升氣流的強(qiáng)度隨時(shí)間也是變化的。觀察300 hPa附近上升氣流的強(qiáng)度，前面已指出，“鳳凰”在臺(tái)灣登陸后，仍保持著一定的強(qiáng)度，但其強(qiáng)度在逐漸減弱。區(qū)域平均垂直速度極大值中心出現(xiàn)在27日03時(shí)300 hPa附近，量值達(dá)到了5×10-2m/s；第四，特別需要指出是：強(qiáng)中心存在24小時(shí)左右的振蕩，分別在每日的白天達(dá)到高值。

從圖6的區(qū)域平均散度的時(shí)空分布，反映出如下特點(diǎn)：第一，在整個(gè)區(qū)域中存在著低層輻合高層輻散的耦合結(jié)構(gòu)。主要的輻合區(qū)位于500 hPa以下，主要的輻散區(qū)位于200 hPa以上。正是由于這種從地面延伸到對(duì)流層頂?shù)恼?fù)散度柱的耦合結(jié)構(gòu)，有利于大氣中的上升運(yùn)動(dòng)形成和維持，有利于把低層暖濕空氣向上輸送，為“鳳凰”的發(fā)展及維持提供潛熱能和動(dòng)能；第二，區(qū)域平均散度的數(shù)值在27日最強(qiáng)，隨著臺(tái)風(fēng)的逐漸減弱，輻散輻合的數(shù)值逐漸減小。

6 結(jié)論

本文采用WRF模式及三維變分同化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了GPS掩星資料的同化，并嘗試在同化GPS掩星資料的同時(shí)同化云導(dǎo)風(fēng)資料，考察了同化不同資料對(duì)臺(tái)風(fēng)“鳳凰”預(yù)報(bào)的影響，得出主要結(jié)論如下:

（1）同時(shí)同化GPS掩星資料與云導(dǎo)風(fēng)資料，對(duì)臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑模擬得最好。不但能模擬出臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)路徑，而且使模擬出的臺(tái)風(fēng)中心位置誤差最??；

（2）同時(shí)同化GPS掩星資料與云導(dǎo)風(fēng)資料，對(duì)主要降水帶的位置模擬得也最好，它與實(shí)況接近。資料同化對(duì)此次臺(tái)風(fēng)降水過(guò)程的模擬有積極的貢獻(xiàn)；

（3）三維資料同化實(shí)質(zhì)上是對(duì)臺(tái)風(fēng)的初始場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整。同時(shí)同化GPS掩星資料和云導(dǎo)風(fēng)資料對(duì)初始場(chǎng)的調(diào)整最為明顯，有效地改進(jìn)了模式初始場(chǎng)的狀況，調(diào)整的顯著性在垂直方向上成多峰結(jié)構(gòu)。且本次同化對(duì)“鳳凰”臺(tái)風(fēng)的低層調(diào)整較明顯。若僅同化GPS掩星資料，因其沒(méi)有包含風(fēng)場(chǎng)信息在內(nèi)，這樣對(duì)風(fēng)壓場(chǎng)的調(diào)整并不徹底，因此影響模擬的效果；

（4）進(jìn)一步分析逐時(shí)的預(yù)報(bào)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在“鳳凰”臺(tái)風(fēng)登陸過(guò)程中，自始至終存在著把豐富的水汽送入臺(tái)風(fēng)中的水汽通道。水汽源地：由開(kāi)始的東南氣流輸送的西南太平洋水汽轉(zhuǎn)為偏南氣流輸送的南海水汽。在臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中，一直保持著強(qiáng)烈的上升運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng)把低層暖濕空氣向上輸送，由潛熱釋放為“鳳凰”臺(tái)風(fēng)的發(fā)展提供了能源。這進(jìn)一步揭示在臺(tái)風(fēng)的發(fā)展及維持中潛熱能的重要作用；

（5）本次試驗(yàn)的各方案均能模擬出臺(tái)風(fēng)的大致路徑，均能大體反映出臺(tái)風(fēng)登陸福建后強(qiáng)度減弱的趨勢(shì)。但在模擬臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度時(shí)都較實(shí)況偏弱。這表明WRF模式對(duì)臺(tái)風(fēng)具有一定的模擬能力，但在強(qiáng)度上要模擬得好還需進(jìn)一步改進(jìn)。

本文的工作，揭示出在數(shù)值預(yù)報(bào)或數(shù)值模擬中資料同化的重要性。同時(shí)指出，要改善數(shù)值天氣預(yù)報(bào)或數(shù)值模擬的效果，還需要選擇合適的資料及同化方法。本文采用的三維變分同化方法雖然取得一定的效果，但并沒(méi)有解決天氣系統(tǒng)在初始階段最合理的演變問(wèn)題，而四維變分可以有效地解決這一問(wèn)題，這是需要進(jìn)一步開(kāi)展的工作。

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Keyworks： GPS occultation refractivity data； cloud drift winds； three-dimensional assimilation； typhoon simulation；variables

3D-Var assimilation experiment on landfall of typhoon Fung-wong（0808）

LAI Zhenquan,SHEN Tongli,DINGZhiying
(Key Laboratory of Meteorological Disaster of Ministry of Education,Nanjing University of Information Science&Technology,Nanjing 210044 China)

A numerical experiment is conducted on the landfall of typhoon Fung-wong(0808)mainly in this paper.First,GPS occultation refractivity data and cloud drift winds were used to initialize typhoon in WRF-Var system.The result of numerical simulation of Fung-wong shows that the initial structure and forecast of typhoon differ with the different assimilated data.GPS occultation refractivity data and cloud drift winds assimilation,the adjustment of which to the typhoon initial field is the biggest,can help provide the evolution of the track and precipitation distributions reasonably.Second,the characteristics of the elements adjusted in the data assimilation was studied.It is found that the adjustment of the initial field is a multi-peak structure in the vertical direction,and the significance of the adjustment is related with the data and the element.Generally,low-level adjustment is larger than the top.Finally,a preliminary study has been also made on the mechanism of the sustaining of Fung-wong.During the forecast time,the sources of water vapor changes gradually from the south-west Pacific to the South China Sea when Typhoon nears the mainland,but there keeps a water vapor channel all the time,through which abundant water vapor was continuously transported to typhoon Fung-wong,and sustained vigorous ascending motion,which transported the warm and moist air in the lower troposphere upwards to release latent heat and thus to provide kinetic energy for Fung-wong's sustaining.

P444

A

1003-0239（2011）01-0039-09

2010-03-08

國(guó)家自然科學(xué)基金（40975037;40775033）

賴珍權(quán)(1984-)，女，碩士，主要從事數(shù)值模擬及資料同化工作。E-mail:lai.0208@163.com