往返平飄式探空在CMA-MESO三維變分中的同化及對模式預(yù)報的影響*

王金成 王 丹 王瑞文 譚 娟 容 娜

1 中國氣象局地球系統(tǒng)數(shù)值預(yù)報中心,北京100081

2 災(zāi)害天氣國家重點實驗室,北京100081

3 中國氣象局氣象發(fā)展與規(guī)劃院,北京100081

4 新疆克拉瑪依氣象局,克拉瑪依834000

提 要：往返平飄式探空通過一次探空氣球施放實現(xiàn)“上升段-平飄段-下降段”三段觀測,其下降段能實現(xiàn)在06時(世界時,下同)和18時自動垂直加密觀測大氣,具備提升區(qū)域高分辨率快速同化循環(huán)預(yù)報系統(tǒng)在06時和18時的預(yù)報技巧潛力。為了實現(xiàn)往返平飄式探空在區(qū)域高分辨率模式中的同化,分析其對預(yù)報的影響,初步提出了“選取模式層最接近觀測”的垂直稀疏化方法來預(yù)處理資料,深入分析了稀疏化對同化效果的影響,論證了資料垂直稀疏化對于同化應(yīng)用的必要性;在此基礎(chǔ)上,開展了為期1個月的批量同化影響試驗,著重分析了往返平飄式探空在長江中下游區(qū)域的組網(wǎng)觀測對CMA-MESO模式預(yù)報技巧的影響。稀疏化敏感性試驗結(jié)果表明,同化不稀疏化的往返平飄式探空相比同化傳統(tǒng)業(yè)務(wù)探空,分析和預(yù)報誤差顯著增加,降水預(yù)報評分也顯著降低,相反,“選取最接近模式層”數(shù)據(jù)的垂直稀疏化方案能提高模式的分析和預(yù)報技巧,表明往返平飄式探空同化前必須進行垂直稀疏化。批量同化試驗結(jié)果表明,在冷啟動時刻(00時和12時,為常規(guī)探空釋放時刻),同化往返平飄式探空(上升段)相對同化傳統(tǒng)業(yè)務(wù)探空,分析誤差和預(yù)報誤差變化較小。但在暖啟動時刻(03、06、09、15、18、21時,無常規(guī)探空釋放時刻),增加往返平飄式探空下降段數(shù)據(jù),相比控制試驗,分析場精度提高了約0.4%。此外,0～12 h 累計降水預(yù)報的ETS評分變化較小,但12～24 h累計降水預(yù)報在0.1、1.0、5.0、10.0、25.0 mm量級降水ETS評分提高了約0.5%,在50.0 mm量級的降水ETS評分提高了約2.3%。總體而言,同化往返平飄式探空對于區(qū)域高分辨率快速同化循環(huán)預(yù)報系統(tǒng)在暖啟動時刻的降水預(yù)報技巧有正貢獻。

引 言

探空觀測是目前全球唯一能夠同時直接觀測高空大氣質(zhì)量場(氣壓、溫度、濕度)和運動場(風(fēng)場)的觀測系統(tǒng),并且其資料質(zhì)量穩(wěn)定可靠、垂直分辨率高(于曉晶等,2018),因此成為了數(shù)值同化應(yīng)用的基礎(chǔ)核心觀測資料(Radnóti et al,2012;郝民等,2014;Ingleby et al,2016)。在資料同化中,探空資料還是衛(wèi)星輻射率和飛機報溫度等資料偏差訂正的錨定資料(Cucurull et al,2014;王瑞文等,2017;吳瓊等,2020)。但受限于人力物力,全球約三分之二的探空仍采用每日定常00時和12時(世界時,下同)兩次的傳統(tǒng)觀測模式(Choi et al,2015),其時間分辨率低,且遠不能滿足中小尺度災(zāi)害天氣系統(tǒng)的監(jiān)測和預(yù)測需求。為此,近年來我國在汛期或重大天氣過程中啟用了06時探空加密觀測模式,并且實現(xiàn)了探空加密觀測在區(qū)域高分辨率模式中的同化應(yīng)用(高篤鳴等,2018;王丹等,2019;李秋陽等,2022),顯著提高了區(qū)域模式在06時起報的強降水預(yù)報技巧。但是,06時探空加密觀測成本巨大,不能維持長久觀測。為了在不顯著增加成本的情況下,實現(xiàn)對06時和18時探空的連續(xù)觀測,滿足數(shù)值天氣預(yù)報對探空觀測的需求,提高數(shù)值天氣預(yù)報對中小尺度災(zāi)害性天氣的預(yù)報技巧,中國氣象局氣象探測中心創(chuàng)新性地提出了往返平飄式探空探測技術(shù)和觀測模式,即通過一次探空氣球施放,獲取“上升段1 h-平飄段4 h-下降段1 h”三段觀測(曹曉鐘等,2019),實現(xiàn)了探空觀測的間接時空加密,獲得的探測垂直廓線數(shù)量加倍,同時能獲取平流層大氣高頻次連續(xù)觀測資料。為了推動往返平飄式探空觀測系統(tǒng)的發(fā)展,開展了模擬觀測系統(tǒng)影響試驗(Observing System Simulation Experiments,OSSEs),試驗結(jié)果表明,往返平飄式探空在全國組網(wǎng)的情況下,其增加的下降段模擬探空觀測,能夠有效提高CMA-MESO在06時和18時起報的降水預(yù)報技巧,不同降水量級的ETS評分提高了約2%～5%(王瑞文等,2023),這一結(jié)論夯實了往返平飄式探空觀測站網(wǎng)建設(shè)的重要性。

自2018年以來,中國氣象局氣象探測中心在長江中下游地區(qū)建設(shè)了包含6個站的往返平飄式探空區(qū)域觀測網(wǎng),并于2018年、2019年和2021年開展了不同時間長度的區(qū)域組網(wǎng)觀測試驗,獲取了大量的觀測資料。王丹等(2020)針對往返平飄式探空觀測特點,設(shè)計了往返平飄式探空質(zhì)量控制方案,并利用2018年試驗觀測數(shù)據(jù)評估了質(zhì)量控制的效果,分析了往返平飄式探空各變量各階段的不確定性,試驗數(shù)據(jù)的不確定性分析表明往返平飄式探空探測精度達到了世界氣象組織規(guī)定的突破目標,部分探測要素甚至實現(xiàn)了理想目標,探測資料具有良好的可用性,具備很好的應(yīng)用前景。以上研究為往返平飄式探空在數(shù)值天氣預(yù)報中的同化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

然而,往返平飄式探空獲得的高垂直分辨率秒級觀測數(shù)據(jù)的同化技術(shù)和實際試驗觀測數(shù)據(jù)同化對數(shù)值天氣預(yù)報的影響和效益究竟如何?目前而言,這方面的研究相對較少。張旭鵬等(2021)利用WRF(weather research and forecast)模式及WRFDA(WRF data assimilation)同化系統(tǒng)針對長江中下游一次暴雨個例開展了同化往返平飄式探空下降段數(shù)據(jù)試驗,結(jié)果表明同化往返平飄式探空下降段觀測數(shù)據(jù)能夠提高暴雨的預(yù)報技巧。但該研究仍然采用了傳統(tǒng)探空觀測數(shù)據(jù)的稀疏化方案(李慶雷等,2018),并未結(jié)合模式本身的垂直分層特點。為了深入認識往返平飄式探空下降段數(shù)據(jù)對數(shù)值預(yù)報的影響,并實現(xiàn)往返平飄式探空在數(shù)值天氣預(yù)報中的業(yè)務(wù)應(yīng)用,還需要更多的數(shù)值試驗來評估和驗證往返平飄式探空下降段觀測數(shù)據(jù)同化對數(shù)值預(yù)報技巧的影響,且在同化過程中考慮資料的處理策略,特別是結(jié)合模式分層的垂直稀疏化方案。因此,本文首先結(jié)合理論分析和數(shù)值試驗探討了往返平飄式探空同化前開展垂直稀疏化的必要性,提出了一種“選取模式層最接近觀測”的稀疏化方案。進而,利用CMA-MESO快速同化循環(huán)預(yù)報系統(tǒng)開展了為期1個月的批量試驗,系統(tǒng)性評估了往返平飄式探空下降段資料同化對區(qū)域高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報的影響。

1 觀測資料與模式介紹

選取2021年7月1—31日的往返平飄式探空試驗觀測數(shù)據(jù),共有6個觀測站,分別是安慶、長沙、武漢、贛州、南昌和宜昌,其位置分布如圖1所示。2021年7月,每個站共計開展了62次往返平飄式探空觀測,共成功開展下降段觀測243次,平均單站成功實施觀測約41次。但每次下降段的有效觀測數(shù)據(jù)相對上升段明顯偏少,主要原因是在現(xiàn)有區(qū)域組網(wǎng)條件下,接收站密度不足,加之山地等因素影響導(dǎo)致了下降段信號丟失的高度比較高,最終導(dǎo)致從地面到對流層中層(500 hPa)的下降段觀測較少。

圖1 往返平飄式探空組網(wǎng)觀測現(xiàn)狀分布(紅點)與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)探空站點分布(黑點和紅點)Fig.1 Distribution of round-trip horizontal drift radiosonde network (red dots) and operational radiosonde network (both red and black dots)

利用CMA-MESO V5.1區(qū)域快速同化循環(huán)預(yù)報系統(tǒng)開展往返平飄式探空同化試驗,采用的同化方法是三維變分同化技術(shù)(3DVar)。該模式目前可同化的觀測資料包括常規(guī)探空、地面、飛機報、船舶、云導(dǎo)風(fēng)、雷達徑向風(fēng)、風(fēng)廓線雷達資料以及GPS/PW觀測。CMA-MESO V5.1版本的同化循環(huán)間隔為3 h,空間分辨率為3 km,垂直層次為50層,模式層頂高為33 000 m。模式積分時間步長設(shè)置為30 s,采用3 h循環(huán)同化,每12 h冷啟動一次,冷啟動背景場是美國NCEP GFS (https:∥www.nco.ncep.noaa.gov/pmb/products/gfs/) 模式提供的6 h預(yù)報場。模式技術(shù)細節(jié)可參考黃麗萍等(2022)。

2 質(zhì)量控制、觀測誤差和垂直稀疏化

2.1 質(zhì)量控制

往返探空的質(zhì)量控制方案包含兩部分:一是采用王丹等(2020)研發(fā)的面向往返平飄式探空資料本身的質(zhì)量控制方法,目的是在觀測資料端對試驗資料進行嚴格的質(zhì)量控制,剔除異常數(shù)據(jù)和不滿足同化要求的數(shù)據(jù);二是在同化系統(tǒng)內(nèi)采用背景場檢查方案對質(zhì)量做進一步約束,具體方案如下:

式中:y是觀測變量,在本文中為溫度、氣壓、濕度和風(fēng);xb是分析變量的背景值;H是觀測算子,表示模式格點向觀測點的水平和垂直插值算法;σa是觀測誤差均方根;σb是觀測變量的背景誤差均方根;α表示閾值參數(shù)。[y-H(xb)]稱為新息增量,一般也用OMB表示。當前,CMA-MESO V5.1 3DVar中的背景檢查質(zhì)量控制中沒有考慮σb的影響,其中,風(fēng)場的閾值參數(shù)α=4.0,溫度的閾值參數(shù)α=2.5,濕度的閾值參數(shù)α=3.5。

2.2 觀測誤差設(shè)置

觀測誤差是變分資料同化中的核心關(guān)鍵參數(shù)之一,觀測誤差設(shè)置對模式分析場的精度具有很大的影響。由于目前往返平飄式探空只有6個站的區(qū)域組網(wǎng)觀測資料,尚無法采用精度較高的H-L方法(王金成等,2015)估計其觀測誤差,但已有研究表明往返平飄式探空上升段和下降段各變量的不確定性與傳統(tǒng)探空資料相當(王丹等,2020)。因此本研究仍然采用CMA-MESO 3DVar系統(tǒng)中業(yè)務(wù)探空資料的觀測誤差設(shè)置,觀測誤差如圖2所示。

圖2 CMA-MESO V5.1 3DVar同化系統(tǒng)中探空觀測資料的觀測誤差(a)溫度,(b)濕度,(c)u風(fēng),(d)v風(fēng)Fig.2 Observation error of radiosonde in 3DVar of CMA-MESO V5.1(a) temperature, (b) humidity, (c) u, (d) v

2.3 垂直稀疏化

往返平飄式探空同化前需要進行垂直稀疏化。一方面,往返平飄式探空垂直分辨率與模式分辨率差異較大。往返平飄式探空采用衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)(北斗+GPS)定位探空所在空間位置,其位置觀測精度大幅度提高,可以提供秒級的探空定位和觀測數(shù)據(jù),其上升段和下降段垂直分辨率平均約為15 m。目前而言,數(shù)值模式垂直分辨率相對較低,以CMA-MESO V5.1版本為例,其垂直共有50層,模式層頂高度為33 000 m,模式層厚度從地面向高空逐漸增大(如圖3所示),近地面垂直層厚度約為50～100 m,模式層頂附近模式層厚度增大到6.7 km 附近。然而,往返平飄式探空觀測的垂直分辨率(～15 m)明顯高于模式的垂直分辨率,二者相差兩個數(shù)量級。如果不對觀測進行垂直稀疏化,觀測中相對較高分辨率的垂直信息在模式中將被視為噪音,與模式不協(xié)調(diào),造成模式變量間的不協(xié)調(diào),影響預(yù)報效果,也可能引起模式積分不穩(wěn)定。另一方面,往返平飄式探空高垂直分辨率觀測的觀測誤差存在明顯垂直相關(guān)性,而當前主流業(yè)務(wù)同化系統(tǒng)中并未考慮觀測誤差垂直相關(guān)的影響。因此如果往返平飄式探空不進行垂直稀疏化,將在同化系統(tǒng)中過高估計往返平飄式探空的作用,相當于顯著減小觀測誤差,這將導(dǎo)致背景誤差與實際觀測誤差不協(xié)調(diào),分析增量中觀測權(quán)重過高,引起分析誤差增大,也會加重分析場與模式不協(xié)調(diào),引起預(yù)報誤差顯著增加。

注:模式垂直坐標為高度地形追隨坐標。

圖4是宜昌、武漢和長沙站稀疏化后業(yè)務(wù)探空資料(黑線)、原始往返平飄式探空(紅線)和稀疏化后往返平飄式探空(藍線)溫度與模式背景差(OMB)的垂直廓線。從圖中可發(fā)現(xiàn),往返平飄式探空原始資料的OMB相比業(yè)務(wù)探空和稀疏化后的往返平飄式探空OMB,高頻噪音明顯較大,特別是高層;此外,往返平飄式探空原始資料OMB在對流層內(nèi)有模式不可分辨的信號,如圖4c中700～500 hPa,未進行稀疏化的資料(紅線)明顯存在很多高頻信號,這些信號并不是觀測噪音,而是觀測中存在模式背景場無法分辨的高頻信號。無論是從模式的理論特征分析,還是結(jié)合實際分析,結(jié)論均認為同化往返平飄式探空前必須進行垂直稀疏化。濕度和風(fēng)場情況與溫度相同(圖略)。

注:黑線為業(yè)務(wù)探空資料,紅線為往返平飄式探空原始觀測資料,藍線為往返平飄式探空稀疏化后得的資料。

為了更深入地理解垂直稀疏化的必要性和對預(yù)報的影響,采用數(shù)值試驗方法來進一步定量化驗證垂直稀疏化的重要作用。在模式物理過程和其他參數(shù)不變的情況下,初始場的精度和協(xié)調(diào)性對降水預(yù)報具有決定性作用,因此,稀疏化作用可以通過分析場誤差和降水預(yù)報技巧來體現(xiàn)。為此設(shè)計了三組個例試驗,具體試驗方案如表1所示。本文借鑒掩星觀測(GNSS RO)資料垂直稀疏化的常用方法,即根據(jù)模式層高度,“選取最接近每個模式層”的往返平飄式觀測數(shù)據(jù),因為該稀疏化方法能避免模式層間觀測資料高頻信息對模式初始場造成的不協(xié)調(diào)問題,因此,在GNSS RO折射率和彎角同化中得到廣泛采用(Liu and Xue,2014;Wang et al,2020)。

表1 數(shù)值試驗方案設(shè)計Table 1 Numerical test schemes

利用歐洲中期天氣預(yù)報中心的ERA5再分析資料作為參考,計算三組試驗在往返平飄式探空的組網(wǎng)周邊區(qū)域(20°～37°N、105°～125°E)的分析場的均方根誤差,比較三組試驗分析誤差的差異。圖5 是2021年7月2日00時所選區(qū)域內(nèi),試驗ALL與THIN的溫度分析場的均方根誤差與試驗CTRL的相對差異。從圖5中可以發(fā)現(xiàn),試驗ALL溫度分析誤差在750～450 hPa和250 hPa以上明顯大于試驗CTRL,相對增大2%左右,而試驗THIN溫度分析誤差與控制試驗CTRL的分析基本相當。結(jié)果表明,同化原始高垂直分辨率的往返平飄式探空,分析誤差會有不同程度的增大;然而,對往返平飄式探空進行稀疏化后,溫度分析誤差會有明顯減小。其他變量結(jié)果與溫度變量結(jié)果相同,在此不再贅述。上述結(jié)果進一步說明往返平飄式探空高垂直分辨率資料同化前需要進行垂直稀疏化。

注:黑色虛線是零參考線。

采用全國10 796個國家級自動觀測站的降水觀測數(shù)據(jù),對上述三組試驗進行降水評分檢驗,降水檢驗區(qū)域與誤差分析的區(qū)域相同。圖6是三組試驗在2021年7月2日00時起報的24 h累計降水ETS評分。從圖中可以發(fā)現(xiàn),試驗ALL預(yù)報的24 h 累計降水ETS評分明顯低于試驗CTRL和THIN,而試驗THIN與CTRL預(yù)報的24 h累計降水ETS評分基本相當。該結(jié)果表明,往返平飄式探空不進行垂直稀疏化會明顯降低模式降水評分,進一步佐證了理論分析結(jié)果,說明往返平飄式探空這類高垂直分辨率觀測資料同化前需要進行垂直稀疏化。

注:模式起報時間為2021年7月2日00時。

此外,“選取與模式層接近”的往返平飄式探空觀測資料用于同化的稀疏化方案效果明顯,可以用于往返平飄式探空上升段和下降段資料同化?；诖?在CMA-MESO V5.1 3DVar同化系統(tǒng)中采用該稀疏化方案,對往返平飄式探空開展批量同化試驗,評估往返平飄式探空下降段資料對數(shù)值天氣預(yù)報的影響,為實現(xiàn)其在業(yè)務(wù)中的應(yīng)用提供量化支撐。

3 批量試驗結(jié)果分析

為了明確往返探空資料同化為數(shù)值天氣預(yù)報帶來的效益,采用第2節(jié)中的質(zhì)量控制、稀疏化和觀測誤差,利用CMA-MESO V5.1快速循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng),進行了2021年7月1—31日為期1個月的批量試驗。具體試驗設(shè)計分別為表1中的控制試驗CTRL和影響試驗THIN。

對比分析00時和12時,同化往返平飄式探空和同化業(yè)務(wù)探空的分析和預(yù)報結(jié)果非常接近,兩者差異在0.1%以內(nèi),這從側(cè)面表明往返平飄式探空上升段資料(00時和12時對應(yīng)上升段觀測)的觀測精度和業(yè)務(wù)探空相當。由于往返平飄式探空相比業(yè)務(wù)探空增加了下降段廓線觀測,因此本研究中著重分析下降段往返平飄式探空對分析和預(yù)報的影響。

圖7是CMA-MESO V5.1暖啟動時刻(03、06、09、15、18、21時)同化的往返式探空觀測數(shù)據(jù)量,分別對應(yīng)3 h同化時間窗內(nèi)往返平飄式探空下降段數(shù)據(jù)量。從圖7中可以發(fā)現(xiàn),經(jīng)過稀疏化和質(zhì)量控制后,能夠同化的往返平飄段下降段數(shù)據(jù)十分有限,每3 h平均同化數(shù)據(jù)量僅有64個數(shù)據(jù),也即相比業(yè)務(wù)探空,每天增加的數(shù)據(jù)量平均為384個數(shù)據(jù),基本相當于2條完整探空站的同化觀測數(shù)量。經(jīng)過分析,這是由兩個方面原因造成的:一是7月觀測試驗中6個站成功下降的觀測僅有243次,也就是成功下降觀測的比率為65.3%,二是下降段觀測的數(shù)據(jù)結(jié)束高度較高,平均僅到500 hPa附近高度。目前CMA-MESO V5.1的模式垂直層次設(shè)計呈現(xiàn)“低層密集、高層稀疏”的特點,低層探測數(shù)據(jù)不足加上稀疏化策略的影響,最終導(dǎo)致經(jīng)過稀疏化后的觀測數(shù)據(jù)量就變得十分有限。

圖7 暖啟動時刻(03、06、09、15、18、21時)每3 h同化的往返平飄式探空數(shù)據(jù)量(包括溫度、濕度、u風(fēng)和v風(fēng))Fig.7 Assimilated observation number of round-trip horizontal drift sounding data (temperature, humidity, u and v) every 3 hours in 3DVar at warm start time (03 UTC, 06 UTC, 09 UTC, 15 UTC, 18 UTC, 21 UTC)

3.1 往返平飄式探空同化對高空預(yù)報的影響

圖8是06時試驗THIN高空場分析和預(yù)報均方根誤差相對試驗CTRL的分析和預(yù)報均方根誤差的減小率,負值表示THIN的均方根誤差相比CTRL減小,正值表示THIN的均方根誤差相比CTRL增大。從圖中可以看出,試驗THIN各變量分析和預(yù)報誤差與試驗CTRL相比差異非常小,差異僅在-0.5%～0.5%。并且試驗THIN相比CTRL分析和預(yù)報誤差差異較大的層次在600 hPa以上,這和往返平飄式探空下降段數(shù)據(jù)主要在500 hPa 以上有關(guān)。其他時刻結(jié)果與06時的結(jié)果十分相似,此處圖略。結(jié)果表明,往返平飄式探空下降段對CMA-MESO高空場分析和預(yù)報的影響相對較小,整體誤差減小率僅為0.1%。

注:負值表示誤差減小,正值表示誤差增大,黑線是分析時刻,彩線代表不同預(yù)報時次,此處為06時起報結(jié)果。

3.2 往返平飄式探空同化對降水預(yù)報的影響

圖9是暖啟動時刻(03、06、09、15、18、21時)起報的結(jié)果,計算了試驗THIN預(yù)報的12 h累計降水ETS評分相比試驗CTRL的改進率,正值表示THIN相比CTRL試驗降水預(yù)報技巧有提高,負值則為降低。從圖9a中可以發(fā)現(xiàn),暖啟動時刻起報的0～12 h累計降水,試驗THIN在量級為0.1、1.0、50.0 mm的降水預(yù)報ETS評分雖有改善,但是變化幅度平均小于0.04%,在5.0、10.0、25.0 mm的降水預(yù)報ETS評分則略有降低,變化幅度僅為0.07%?？傮w而言,同化往返平飄式探空6個站的試驗數(shù)據(jù)對0～12 h的降水預(yù)報影響非常小。查看暖啟動時刻起報的12～24 h累計降水評分結(jié)果,從圖9b結(jié)果來看:同化往返平飄式探空6個站的試驗數(shù)據(jù)對12～24 h累計降水預(yù)報在所有量級降水預(yù)報ETS評分有所增加,ETS評分平均提高了0.7%,特別是在50.0 mm降水量級,12～24 h降水的ETS評分提高了2.2%。整體而言,往返探空資料同化的正貢獻在模式暖啟動的12～24 h預(yù)報時段更為明顯。

注:正值表示降水預(yù)報技巧有提高,負值則為降低。

4 結(jié)論與討論

通過理論分析和個例試驗,本文論證了往返平飄式探空同化前必須進行垂直稀疏化,并初步提出了“選取模式層最近觀測數(shù)據(jù)”的稀疏化方法。利用CMA-MESO V5.1 快速循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng),開展了2021年7月1—31日為期1個月的同化預(yù)報影響試驗,重點分析了同化2021年7月長江中下游6個試驗站網(wǎng)的下降段觀測數(shù)據(jù)對CMA-MESO V5.1暖啟動時刻分析和預(yù)報的影響。主要結(jié)論如下:

(1)無論從理論分析還是實際同化角度,往返平飄式探空同化前均需要進行垂直稀疏化?！斑x取距離模式層最接近的觀測”是一種相對簡潔、有效的稀疏化方案。

(2)由于試驗數(shù)據(jù)在下降段相對較少,同化增加的觀測數(shù)量相對有限。具體表現(xiàn)為:2021年7月長江中下游地區(qū)往返平飄式探空試驗觀測數(shù)據(jù)下降段成功觀測率約為65%,下降段觀測的結(jié)束高度較高,經(jīng)過稀疏化和質(zhì)量控制,相比業(yè)務(wù)探空,平均每天同化數(shù)據(jù)量增加384個數(shù)據(jù),僅相當于2條上升段廓線數(shù)量。

(3)在同化往返平飄式探空資料量相對稀少的下降段觀測數(shù)據(jù)條件下,對暖啟動時刻高空場的分析和預(yù)報影響相對較小,誤差變化率在-0.5%～0.5%。

(4)在同化往返平飄式探空資料量相對稀少的下降段觀測數(shù)據(jù)條件下,暖啟動時刻0～12 h累計降水ETS評分變化較小(略減小0.07%),12～24 h不同量級累計降水ETS評分均有提高,平均提高了0.7%,50.0 mm以上降水ETS評分提高了2.2%。

上述研究結(jié)果表明,在目前觀測試驗下降段資料量有限和當前稀疏化策略下,盡管同化往返平飄式探空的下降段觀測數(shù)據(jù)量有限,但是還能在一定程度上提高高分辨率區(qū)域模式的降水預(yù)報技巧。結(jié)合往返平飄式探空觀測系統(tǒng)模擬試驗(OSSEs)結(jié)果(王瑞文等,2023),一旦實現(xiàn)往返平飄式探空組網(wǎng)觀測,CMA-MESO快速循環(huán)同化預(yù)報系統(tǒng)暖啟動時刻的降水預(yù)報技巧還能更為進步。

目前而言,往返平飄式探空還未完全發(fā)揮在數(shù)值天氣預(yù)報方面的效益,在觀測和同化技術(shù)角度還有很多方面需要改進,主要包括三個方面:

(1) 提高往返平飄式探空下降段觀測成功率,布設(shè)更為完備的信號接收網(wǎng),盡可能地接收到下降段探空從高空到地面完整的廓線觀測數(shù)據(jù)。

(2) 研發(fā)更優(yōu)的垂直稀疏化方案,最大限度地提高同化往返平飄式數(shù)據(jù)量,從而同化更多的下降段數(shù)據(jù)。在導(dǎo)航衛(wèi)星掩星觀測同化中,已有學(xué)者提出了較好的稀疏化方案,這為往返平飄式探空稀疏化提供了很多參考,如馬旭林等(2019)針對GPS掩星反演資料同化提出了一種適應(yīng)數(shù)值模式垂直坐標的稀疏化方案,取得了很好的效果,后續(xù)將在往返平飄式探空同化中嘗試該方法并分析評估該方法的效果。

(3)研究往返平飄式探空觀測誤差高精度估計方法,提高往返平飄式探空同化中的觀測誤差的精度,進一步提高資料的同化效果。