汪卫国, 平凡, 周括, 等. 2024. 雷达资料循环同化对2021年“4·30”南通雷暴大风模拟的影响研究[J]. 大气科学, 48(4): 1593−1607. WANG Weiguo, PING Fan, ZHOU Kuo, et al. 2024. Influence of Radar Data Cycling Assimilation on Thunderstorm Gale Simulation in Nantong on April 30, 2021 [J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences (in Chinese), 48(4): 1593−1607.
DOI: 10.3878/j.issn.1006-9895.2302.22108
雷暴大风是春夏季节在我国经常发生的一种灾害性强对流天气，常伴随地面大风及冰雹等灾害。雷暴大风产生的原因主要是大气对流活动，包括风暴的强烈下沉气流、冷池合并和上升气流等因素。发生频繁、突发性强和破坏程度高是雷暴大风强对流天气的显著特点。同时也正是因为这些特点，雷暴大风预警难度大，因此研究它发生的天气形势、雷达反射率和径向速度特征等是临近预报的重要内容，同时利用多源资料同化提高模式预报效果也十分重要。
针对2021年4月30日发生在我国江苏南通的一次灾害性雷暴大风过程，利用雷达径向风质控、GSI循环同化及WRF中尺度模式设计多种试验方案，分析模拟结果并探讨雷达资料径向风质控及循环同化对此次过程模拟的改善作用。得出以下结论：
图 （a–c）2021年4月30日12:00（协调世界时，下同）ERA5再分析资料天气形势以及（d）上海站T–lgp图（红色实线为空气温度，绿色实线为空气比湿）：（a）500 hPa位势高度（黑色等值线，单位：gpm）、温度（填色，单位：K）、风场（风杆，单位：m s−1）和急流（蓝色实线包围区域，风速大于20 m s−1）；（b）700 hPa位势高度（黑色等值线，单位：gpm）、温度（填色，单位：K）、风场（风杆，单位：m s−1）和急流（蓝色阴影，风速大于20 m s−1）；（c）850 hPa位势高度（黑色等值线，单位：gpm）、风场（风杆，单位：m s−1）和比湿（填色，单位：g kg−1）。
（1）此次雷暴大风过程，由于受东北冷涡影响，从天气形势分析得出，500 hPa中高层冷空气势力强，850 hPa低层存在暖湿气流，结合对位有效位能、温度差判定存在上冷下暖的不稳定层结；水汽条件一般但存在强烈的垂直风切变，激发暖湿气流强烈上升运动；北部高压南压，而江苏受低压控制，存在北高南低的气压分布；这些条件都有利于雷暴大风等强对流天气的产生。
（2）对比观测和几种方案模拟的组合反射率及垂直剖面，发现利用雷达资料循环同化和增加同化频次有效的改进了模拟结果，Exp4方案效果最好，包括系统对流单体合并、弓状回波和对流线分裂等特征，垂直剖面上较好的模拟出强回波垂向分布及质心下降前倾的特点。因此，退模糊质控雷达资料循环同化的Exp4方案有效的改善了组合反射率的背景场，更好的模拟出此次雷暴大风过程。
图 2021年4月30日（a、d）12:00、（b、e）12:30和（c、f）13:00南通雷达0.5°仰角径向速度（填色，单位：m s−1）：退模糊前（第一行）；退模糊后（第二行）。
（3）径向速度模糊往往影响其判断与应用，利用UNRAVEL退模糊算法质控有效的消除速度模糊，为径向速度分析提供帮助，同时对比观测和几种方案模拟的10 m风场，发现退模糊质控雷达资料后循环同化Exp4模拟的结果更贴近地面实况观测，主要体现在风速演变趋势、最大风速值和最大风速变化的时间与实况基本一致。因此，退模糊质控后循环同化对风场模拟改进效果最好。
图 （a1–a3）Ctl_exp方案、（b1–b3）Exp3方案和（c1–c3）Exp4方案模拟的扰动位温场（填色；单位：K）和风场[箭矢，(u, w×10)，单位：m s−1]垂直剖面图
（4）热动力场结果来看，Exp4方案动热力结构改善更明显，上层辐散下层辐合，存在“冷—暖—冷”的热动力结构，伴随着强烈上升运动、北高南低的气压分布和强垂直风切变，有助于下沉气流将中高层的水平动量向近地面底层传递，从而激发此次灾害性雷暴大风。
综上所述，雷达资料循环同化的引入，特别是UNRAVEL算法退模糊质控后循环同化能够显著改进此次雷暴大风过程的模拟效果。但本文是基于2021年4月30日江苏南通雷暴大风进行的，其研究的雷达资料径向风质控及循环同化对数值模拟产生的影响还需要更多的个例来进行验证，同时本文在循环同化上只利用了雷达资料，今后还可以同化更多资料来展开试验，未来工作将基于这些方面展开研究。
