引言

气象卫星技术的成熟和发展，为业务及科研提供了大量全球范围的观测资料。与常规资料相比较，卫星观测资料具有准连续性、水平分辨率高、观测面广阔等优点。因此，如何将卫星探测资料融合到数值预报模式中去，改善模式初始分析场成为近年来国内外学者研究的热点。

国外很多研究表明，将非常规资料引入模式，大大提高了模式预报准确率^[1-6]。近年来，NOAA系列极轨卫星的ATOVS资料的应用业务化，更是极大地提高了各国数值模式预报水平^[7-11]。国内对于ATOVS资料的同化研究虽然起步较晚，但是近些年来已取得了一定的研究成果。潘宁等^[12]用增量3D-Var同化方法对ATOVS辐射亮温资料在MM5模式上进行了直接同化和预报，结果表明，同化AMSU-A资料对中高层的温度分析场的影响很明显，但对降水预报的改善作用不大。张华等^[13]采用GRAPES 3D-Var与WRF模式相结合，同化NOAA16的ATOVS资料，对西北太平洋台风的结构和路径预报进行研究，表明同化微波资料可以部分地弥补热带洋面上常规观测资料的不足。张华等^[14]将ATOVS资料同化进WRF模式，显著改进了台风的路径预报。齐琳琳等^[15]采用3D-Var和MM5 V3对ATOVS辐射率资料进行直接同化，并对长江流域的一次暴雨过程进行模拟研究。结果表明，直接同化ATOVS资料，可以有效改进对流层温、湿场分布，且对初期暴雨中尺度系统的发生发展过程和强暴雨落区、雨强的模拟效果均有明显改善。黄兵等^[16]采用GRAPES 3D-Var同化系统与MM5模式相结合，对ATOVS资料进行直接同化，结果表明：采用ATOVS资料的直接变分同化主要体现在其对对流层中上层温度场和对流层低层湿度场的影响上，且对流层中下层风场也有一定改进。齐琳琳等^[17]利用GRAPES3D-Var同化系统和MM5 V3模式，直接同化ATOVS资料，发现同化ATOVS资料对模式初始场有明显改善，在降水预报方面有很大的潜力。张爱忠等^[18]采用GRAPES 3D-Var同化系统三维变分直接同化AMSU-A辐射亮温资料，并将同化后的三维场转变格式输入MM5 V3中尺度数值预报模式中进行个例模拟对比试验研究。研究结果表明同化卫星资料获得的分析场对于低层水汽增湿效果较明显，对中层温度的调整增大了整层大气的对流不稳定。张利红等^[19]利用GRAPES三维变分同化系统，对AMSU-A/B微波遥感资料进行了同化试验，研究发现使用AMSU资料，对我国夏季暴雨数值预报有改进作用。沈桐立等^[20]在MM5伴随模式中使用NOAA16极轨卫星探测获得的AMSU资料，对江淮流域的一次暴雨过程进行了数值模拟。结果表明，使用AMSU资料后, 湿度场、温度场和风场均得到一定程度的改善, 降水的落区和强度也更接近实况。朱国富等^[21]详细介绍了GRAPES 3D-Var同化系统对实际卫星辐射率资料直接同化的实现，将NOAA17的AMSU-A的5~11通道资料与AMSU-B的3~5通道资料直接同化，在物理意义上验证了GRAPES 3D-Var系统直接同化卫星辐射率资料的合理效果。李娟等^[22]利用T213-SSI准业务同化系统，同化了NOAA15、16、17的AMSU-A的1~11，15通道资料与AMSU-B的1~5通道资料，对一次川渝地区暴雨过程进行了模拟分析，研究表明卫星资料的长期使用可以改进大尺度环境场，使得暴雨天气过程的直接影响系统更接近实际。

前人的研究工作主要集中在WRF或者MM5等区域模式ATOVS资料同化研究中，或是致力于新模式GRAPES的开发研究，对于我国目前数值业务预报模式T213L31模式的卫星资料同化研究相对较少。作为业务模式，T213模式比较成熟完善，并且如果其能够更好地利用ATOVS资料，改进预报效果，对于提高我国业务预报水平也十分重要。因此，本文选用全球谱模式T213L31及其三维变分同化系统SSI，开展对ATOVS资料的直接同化试验，对于直接同化ATOVS资料在暴雨预报中的应用效果进行细致评估分析，并且探讨如何更好地同化利用ATOVS资料，使其应用效果得到最大化的体现。

1 ATOVS资料及SSI同化系统介绍 1.1 ATOVS资料介绍

ATOVS(Advanced TIROS-N Operational Vertical Sounder)先进的大气垂直探测器由三个相互独立的仪器组成，分别是高分辨率红外辐射探测器3型(HIRS/3), 先进的微波探测装置A(AMSU-A)和先进的微波探测装置B(AMSU-B)，主要是用于大气温度和湿度垂直探测，同时也具备探测地表参数的能力。

目前业务数值预报中使用的ATOVS数据文件包括搭载在NOAA15、16、17上的AMSU-A、AMSU-B探测资料，其中NOAA17的AMSU-A数据不可用，NOAA15的资料误差较大。除此之外，HIRS/3资料也缺失，因此本文研究所用ATOVS资料只包含AMSU资料。数据格式为二进制格式数据，每种仪器每天有4个时次，00，06，12，18 UTC的数据文件，每个时次的数据为将每个时次前后3小时的数据拼接到一起生成的数据文件。

1.2 SSI同化系统简介

SSI谱统计插值方案(Spectral Statistical Interpolation)，是由Parrish and Derber开发建立起来并一直作为NCEP的业务分析方案。它是根据三维变分分析原理、针对全球谱模式而开发设计的资料分析方案。SSI从1992年开始在NCEP业务化, 给全球谱模式提供初始场。国家气象中心在1997年引进NCEP的SSI，当时SSI仅包括一个简单的辐射传输模式，仅仅可以处理TOVS资料。2003年，国家气象中心引进了最新版本的SSI，它的框架和计算流程设计比较合理，可以比较容易地引入新的观测算子；含有快速辐射传输计算方案(以OPTRAN为核心)，有能力直接同化卫星辐射观测资料(包括ATOVS辐射资料)；程序是专为大规模并行计算机设计编写，代码高度并行化，计算效率较高，可以满足业务的时效要求。

2 个例简介

2007年6月19日起，江淮流域进入了梅雨期。2007年6月19日至7月26日，淮河流域降水总量一般有300~500 mm，其中河南东南部、湖北东北部、安徽沿淮一带、江苏中部达500~700 mm^[23]。其中7月7－9日降水过程最强，从7月8日08时到9日08时，淮河全流域平均的24小时降水量达到65 mm，沿淮地区共有26个站出现大暴雨，12个站降水量超过150 mm，安徽寿县降水量达262 mm。

此次降水为典型的梅雨期天气形势。2007年7月8－10日，东亚上空出现了“高脊发展后，下游小槽强烈斜压性发展的现象(过程)”，7月9日有深厚的高空槽移到梅雨锋上空，诱发梅雨锋上气旋生成过程和深厚的锋生过程^[24]。7日08时，500 hPa中高纬度环流形势为两脊一槽，位于我国东北北部的阻高稳定维持，沿贝加尔湖至蒙古中部为低槽并形成了一个切断低压。同时，副高西脊点位于107°E，副高脊线平均位置位于26°N附近。8日08时，90°E上空有一个高空高压脊强烈发展，河套西北上空出现一个低压槽，这个低压槽向东南方向移动并发展。槽后不断有冷空气经我国西北南下，同时贝加尔湖低槽及其切断低压东移南压，冷空气进一步加强。与此同时副高逐步东退，其西北部的暖湿气流与冷空气再次强烈交汇于淮河流域。200 hPa在淮河以北39°N附近存在明显的急流带，850 hPa上也维持着一条西南低空急流带，此时淮河流域正处于静止锋低空辐合区与高空辐散区的控制下，上升运动强烈，形成了此次降水过程最强的一次降水。

选取2007年7月7－9日淮河流域这次最大降水过程作为个例，以T213L31模式及其三维变分同化系统SSI进行同化试验研究。在常规资料基础上加入AMSU资料进行同化，通过比对同化模拟结果，检验AMSU资料在业务数值预报模式中对暴雨预报的改进作用。

3 模式与模拟方案设计 3.1 模式介绍

本文使用的模式为国家气象中心数值室在引进的欧洲中期天气预报中心IFS(Integrated Forecasting System)模式框架的基础上，经过移植改造和开发的我国新一代全球中期数值预报业务模式T213L31。它是我国第一代大规模并行化的中期数值预报模式，T213L31模式为三角截断的全球谱模式，截断波数为213个波，最小的波长分辨率为190 km，归约高斯格点空间其水平分辨率达到60 km，计算量大大减少，内存和结果的存储量也减少，垂直p-σ混合坐标31层，地面到30 km，即模式顶为10 hPa。

3.2 数值模拟方案设计

为了充分考察AMSU资料在夏季暴雨数值模拟中的作用，并检验T213-SSI同化分析预报系统同化AMSU资料的效果，对2007年7月7－9日的暴雨过程设计了三种同化试验方案(如表 1所示)。三种方案均采用2007063006 UTC、T213L31模式的分析场作为初始时刻背景场，从2007063006 UTC时开始，积分10天到2007070900 UTC，其中A方案只同化常规资料(aob)，B方案同化常规资料与NOAA16、17的AMSU-A的1~11，15通道、AMSU-B的1~5通道资料，C方案同化常规资料与NOAA16的AMSU-A的6~12通道、AMSU-B的1~5通道资料。

图 1为AMSU-A资料的各个通道的权重函数分布特征，1~4通道主要观测的是来自于地表的信息，5通道主要观测的是700 hPa的信息。B方案与C方案的主要区别就是在于C方案剔除了AMSU-A的地面通道与700 hPa通道资料。

图 2为连续同化10天过程中2007年7月2日14时欧亚地区，B方案中经过通道选择、质量控制与偏差订正后，T213-SSI同化系统同化的AMSU-A/B资料。可以看出NOAA16的AMSU-A的地面通道及700 hPa通道资料仅剩亚欧大陆中高纬地区零散的分布一些和西太平洋地区的资料。D方案则完全剔除了这部分通道资料，6~11通道的资料在亚欧地区基本都保留使用，AMSU-B的5个通道由于都是大气中低层通道，所以海拔较高地区的资料被剔除，但是相比AMSU-A的地面通道保留下来的资料较多。我国沿海低海拔地区，以及西太平洋洋面上的资料都基本保留下来了。NOAA17的AMSU-B资料剔除了许多资料，亚欧大陆中纬地区陆地上的资料都剔除掉了。

4 数值模拟结果分析 4.1 降水场模拟对比分析

2007年7月7－9日降水过程为同年淮河梅雨期降水最强的一次过程，有12个测站降水量在150 mm以上。首先，还是分析降水场模拟情况。图 3为2007年7月7－9日的每日24小时降水实况与A、B方案模拟的24小时降水预报对比。

首先，从7日08时至8日08时的24小时降水实况图上可以看出，降水区域主要集中在江苏和安徽大部地区。其中，安徽北部与江苏南部分别有一个50 mm以上的暴雨中心和100 mm以上的暴雨中心。A方案仅同化常规资料的24小时预报图上，基本模拟出了降水的分布区域，并且对于安徽北部的暴雨中心，无论从位置还是强度的模拟都与实况很接近。但是对于江苏南部的降水极值区却没有模拟出来。B方案加入同化AMSU-A/B资料后，模式模拟出了苏南的暴雨中心，但是位置略偏东且量级偏小。8日的实况图上，降水呈纬向的带状分布，在湖北的中部、安徽北部和江苏中部出现了3个超过150 mm的暴雨中心。A方案基本模拟出了雨带的纬向型分布特征，但是仅仅在安徽北部出现了一个110 mm的降水中心。B方案同化卫星资料后，预报结果更加接近于实况。安徽北部的暴雨中心区域有了进一步扩大，且强度达到了120 mm。在湖北北部也出现了一个60 mm的暴雨中心。9日降水减弱，并且雨区南压，在安徽南部存在一个超过150 mm的暴雨中心。A方案基本预报出了雨区的分布特征，但是湖北南部的降水中心偏南。安徽南部的强暴雨中心则完全没有预报出来，并且在安徽、湖北交界处出现了一个虚假的降水中心。B方案同化卫星资料后，对于降水场的模拟略有改进。对于湖北南部的降水中心位置虽然还是偏南，但是强度基本与实况一致。两省交界地区的虚假降水中心依然存在，但是在安徽南部出现了一个弱的中心与实况暴雨中心位置相同，只是量级还是相差很远。

从7－9日三天降水模拟结果来看，两种同化方案都基本模拟出了雨区的位置与分布形式，只是对暴雨中心的预报存在偏差，尤其是降水中心强度。加入同化卫星资料后，雨区分布更加接近实况，暴雨中心基本都模拟了出来。两种方案降水量的预报较实况都偏小，但是同化卫星资料后，降水量明显增加，暴雨中心强度加强。因此，同化AMSU资料，对于此次暴雨过程在暴雨落区及强度的模拟上均有一定程度的改善。

持续同化卫星资料对于模式降水预报有了显著改进，但是B方案基本选取了AMSU-A/B一切可用的通道资料，包括近地面通道资料。近地面通道资料的引入是否会为初始场带来更大误差，影响改进效果？为了进一步考察AMSU资料的应用效果，本文设计了C方案，关闭AMSU-A资料的地面通道及低层通道，只取对流层中上层到模式顶层的通道资料。依然连续滚动同化10天，做24小时降水预报。

对比分析C方案模拟的7月7－9日的降水场(图 4)。7日，C方案模拟出了位于皖北和苏南的两个暴雨中心，其中苏南的极值中心位置比B方案模拟的更加接近于实况，降水强度较B方案也有所加强。8日的降水分布形式与方案B相比也有了较明显的改进。A、B两方案都只模拟出了暴雨的一个极值中心，C方案在剔除近地面卫星资料后，模拟出安徽北部、江苏中部的两个暴雨中心，位置基本与实况一致，强度略偏小。同时，位于湖北中部的暴雨中心虽然从降水量和落区的预报都与实况有差距，但是较前两方案已经模拟出了这个极值中心的存在。9日，C方案模拟的湖北南部的暴雨中心在降水量上与实况基本完全一致，但是位置仍然偏南。湖北、安徽两省交界地区的虚假降水中心还是存在，但是强度减弱，接近于实况。对于皖南的大暴雨中心的模拟，较A、B方案有所改善，模拟出了30 mm的降水中心，但是与实况超过150 mm的降水还是相差很大。这是由于此次过程，强暴雨都是由于梅雨锋上的锋生气旋等中尺度涡旋系统直接造成的。这些中尺度云团和雨团，甚至更小的中尺度对流系统，对于全球模式T213来说，它的水平分辨率只有60 km，模拟效果很难尽如人意。从目前C方案模拟的降水图效果可以看出，较未同化AMSU资料前已经有了显著改进，与B方案选取AMSU-A的近地面通道资料同化相比较，也取得了进一步的改进。

通过对此次江淮暴雨降水的模拟效果对比分析，连续滚动同化AMSU-A中高层通道资料与AMSU-B资料要优于同化包括AMSU-A地面通道及低层通道资料在内的同化方案。卫星资料的引入提高了模式模拟的降水强度，去掉了AMSU-A地面通道资料后，其余的AMSU资料的引入，更是改善了暴雨中心预报，无论是位置，还是强度都得到了明显改善。

4.2 天气形势场模拟对比分析

AMSU资料的同化，对模式降水预报起到了显著的改进作用。但是与实况相比，降水强度偏弱，暴雨中心位置出现偏差，这些问题依然存在。天气形势场作为预报员分析天气的重要根据，对于预报结果起着极为重要的作用。同化后的形势场如能更接近实际，那么，就能够为预报员提供更加准确的天气信息，从而得到更准确的预报结论。因此，进一步对比分析此次暴雨过程的天气形势场模拟情况。

此次降水从7－9日持续了3天，以8日降水最强。整个湖北、安徽北部、江苏中部地区都出现了大暴雨。最大降水中心安徽寿县8日降水量达262 mm，有12个测站降水量超过了150 mm，因此，本文重点对8日降水的天气形势场进行分析。由于8日08时是大暴雨发生前最近一次观测，其天气形势具有代表意义。本文对8日08时的实况场与方案A、B的模拟结果进行了对比分析，如图 5所示。

500 hPa实况图上，阿尔泰山以西高压脊强烈发展，蒙古东部一低压槽正向东南方向加深发展，并在蒙古东部中蒙边界出现了一个中心为5680 gpm的切断低压，这个低压系统也在逐步东移南压。槽后脊前向东南方向冷平流明显，华北冷涡的东移南下也使得冷空气进一步加强。105°E附近的南支槽与华北地区的小槽构成了阶梯槽的形势，槽前的暖湿气流被输送到淮河流域。另外，相对于7日08时，副高东退南撤，西伸脊点东退到113°E附近。副高的东移南撤使得副高西北侧的西南急流加强发展，冷暖空气得以在江淮地区强烈交汇，造成了8日的强降水过程。再分析850 hPa上，切变线位于安徽、江苏北部，受西南涡与西太平洋副高的共同作用，副高北侧的西南急流加强发展，使得低层暖湿空气源源不断地输送到淮河流域。可以看出，暴雨区刚好位于切变线南侧、急流出口区北侧。

将A、B两方案模拟的天气形势场与实况作比较，A方案仅同化常规资料模拟的500 hPa场虽然大体模拟出了08时的形势场，但是对于影响暴雨的关键系统模拟却不尽人意。首先位于蒙古的冷舌没有模拟出并且低压的强度也偏弱；其次南支槽位置偏西，也没有呈现出阶梯槽的形势，与其配合的暖中心位置也偏西偏弱；最后，最重要的是副高没有东退南撤，这将影响对于降水位置和强度的预报。B方案同化卫星资料后，显著改进了副高的位置，副高减弱东退，西伸脊点位于110°E。同时也模拟出南支槽北部的小槽，虽然与实况相比偏西，但是阶梯槽的形势已经呈现出来。850 hPa上，同样A方案基本模拟出高度场，但是两个关键系统的模拟存在一定误差。华北冷涡偏弱，进而其西部引导冷空气南下的北风偏弱。西南涡也偏弱，使得涡前的西南急流较实况偏弱。最为关键的安徽、江苏北部的切变线完全没有显现出来。B方案模拟的华北冷涡无论是强度位置都与实况基本一致，西南涡的位置也大体相同，在皖苏北也出现了弱的风切变。通过以上分析发现，加入同化AMSU资料后，对于天气形势场有了一定改进，尤其是对于影响降水的关键系统的改进，为预报员提供了更加准确的分析场。

再分析C方案模拟的天气形势场(图 6)。同样关注8日08时模式模拟的高度场、温度场及风场。500 hPa上，位于蒙古东部的切断低压强度较A、B方案都有所加强，更加接近于实况。西太平洋副高也出现了减弱东退，西伸脊点位于113°E附近，基本与实况相一致。850 hPa上，华北冷涡有所加强，大体上与B方案模拟效果相同。通过分析，可以看出C方案不仅在降水场模拟效果优于B方案，并且对于中高层天气形势场的改进效果略优于B方案。

4.3 要素场模拟诊断分析

卫星资料的引入，最直接调整了要素场，包括温度场、湿度场、风场等。因此，对比分析引入卫星资料前后，各要素场的改进效果，也十分必要。本文分析了相对湿度、稳定度、散度场、涡度场，考察AMSU资料对于各个要素的影响大小。

图 7a为2007年7月8日08时B两方案模拟的850 hPa相对湿度场相对于A方案模拟结果的差值图。从图中可以看出，同化AMSU资料后，在整个江苏、安徽北部与湖北东北部都是正的增湿区，这一区域与8日的降水区基本一致。正的增湿中心达到了5%，AMSU资料的同化对于低层湿度场起到了一定的调整作用。

假相当位温θ_e是作为综合表征大气的温度、湿度条件的物理参数，也是天气预报的重要依据。本文分析了同化卫星资料后对于假相当位温的调整作用。图 7b为2007年7月8日08时850 hPa上B方案相对于A方案的θ_e增量场。如图所示，同化卫星资料后，32°~34°N出现了一个纬向的正增量中心带，北部则出现了一个大的负增量区。以34°N为界，南北高低能量区θ_e水平切变进一步加大，锋区形成于此，降水就在这一锋区前部。这与实况图上锋区的位置、降水区都基本对应。

再分析300 hPa和850 hPa上的散度增量场。从这两个层次的配置来看，AMSU资料同化后，在皖苏北地区高层出现了正散度增量中心，散度加强；低层出现了负的散度增量中心，散度减弱，涡度加强。这样的高低空配置，低层涡度增强、辐合加强，高层辐散加强。这种低层流入高层流出的配置能更加促进中低层强烈的上升运动使得对流垂直运动加强，增强水汽对降水的正反馈作用，促进降水强度，并且高低空的正负涡度增量中心位置与实况降水中心基本一致。对于涡度场的模拟，与此结果一致(图略)。

综合以上分析可以得出，加入同化卫星资料比仅仅同化常规资料，对于温湿场以及动力场都有明显的改进作用，尤其是相应的增湿中心、不稳定能量堆积区、上升运动增强区都基本与实况降水中心位置一致。这些要素场的准确信息也将为预报员提供更好的参考依据，对得出准确的预报结论有重要的贡献。

C方案的降水模拟效果要优于B方案，且天气形势场更接近实况。因此再来比较两方案对温湿场的调整情况。从A、C两方案模拟的850 hPa相对湿度场差值图可以看出(图 8a)，如B方案的调整情况，整个江苏、安徽北部与湖北东北部都是正的增湿区。不同于方案B的是在安徽西部、河南南部的正增湿中心超过了10%，增湿效果明显。850 hPaθ_e增量场上，高能区增量与低能区减小量较B方案都大，使得锋区能量更强，从而增加了降水强度。

分析C方案相对于A方案在300 hPa和850 hPa上的散度增量场(图 8c, d)，可以发现，300 hPa上正的散度增量区仍然对应着8日的降水区域，与B方案的调整情况基本相同。850 hPa上的负散度增量中心与高层相对应，较B方案区域更大、强度也更强。低层散度减弱、涡度加强，高层散度增强。随之对流上升运动增强，带来更大的降水量。

综合B、C方案增量场的分析，可以得出，C方案没有同化AMSU-A地面通道及低层通道，要比B方案对于温湿场，以及动力场的改进效果略好。二者对于要素场的调整区域基本相同、增量中心位置也与雨带有很好的对应关系。C方案的调整强度明显强于B方案，这也许是方案C模拟的降水强度更强更接近于实况的原因。

5 结语

本文采用三维变分同化系统SSI以及T213L31全球谱模式，设计多种同化方案，通过对2007年7月7－9日江淮地区暴雨过程的模拟对比试验，考察了T213-SSI同化预报系统对于ATOVS资料的同化应用情况，分析了ATOVS资料的应用对极端暴雨事件预报效果的影响，可以得出以下结论：

(1) 长期同化ATOVS资料，可以改善降水预报效果，尤其是降水强度。去除AMSU-A地面通道以及低空700 hPa通道资料的同化效果要优于全部同化，对于暴雨中心的模拟更加接近实况，位置、强度有较明显改进。

(2) 通过连续同化，卫星资料能改进大尺度环境场，其累计改进能得到更好的效果。低层及地面通道资料的剔除，使得中高层形势场对于降水过程的直接影响系统的模拟更加接近实况。

(3) AMSU资料的引入改进了温湿场和动力场。仅同化AMSU-A中高层通道资料与AMSU-B资料要比同化AMSU-A全部通道资料改进效果要好。增湿区、不稳定能量变高区域，辐合辐散加强区都与实况雨带有很好的对应。

通过本文的研究说明，ATOVS资料的同化对于提高我国业务数值预报模式T213L31对局地暴雨过程的预报效果是可行的。本文仅采用了淮河暴雨一个个例的对比试验，所得结论具有局限性，因此，还需选择更多不同时期、不同区域的个例进行同化分析试验来进行论证，进而调整卫星资料的使用，使得暴雨预报取得更好的效果。