WRF模式及WRF三維變分同化系統(tǒng)在BMB應(yīng)用報告

1、WRF模式及WRF三維變分同化系統(tǒng)在BMB應(yīng)用報告范水勇仲躋芹WRF三維變分同化系統(tǒng)（WRFvar）經(jīng)NCAR/MMM 科學(xué)家的不斷研發(fā)，在同時兼容 MM5和WRF兩個模式數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ)上，比 MM5三維變分同化系統(tǒng)（MM53dvar ）增加 了許多新的技術(shù)，如加入了新的地面資料同化方法（sfc-assi-options=2 ）,可同化更多的地面觀測資料；支持多種控制變量的配置 （cv-option=2/3/4/5）,滿足區(qū)域和全球模式的需求；集成 新的背景場誤差計算軟件（gen_be）,可以結(jié)合本模式生成更優(yōu)的背景場；支持 MPI并行計 算，極大提高計算效率。通過前期在NCAR計算環(huán)境的測試

2、（05年7-11月）及05年12月在BMB計算環(huán)境的測試，表明 WRFvar與MM5模式系統(tǒng)的兼容性不存在問題。從 06年1月 15日起，北京市氣象局的 MM5中尺度數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要部分一三維變分同化系統(tǒng)由 原來的MM5三維變分系統(tǒng)更新為最新釋放的WRF三維變分系統(tǒng)（WRFvar）。該系統(tǒng)目前在27和9km兩個模式區(qū)域運行（ 3km區(qū)不做同化），同化常規(guī)探空和地面觀測料 （TEMP/SYNOP ）及北京地區(qū)90多個地面自動站觀測資料（ AWS , 06年5月加入同化）， 由于北京地區(qū)的復(fù)雜地形，地面觀測同化選項仍采用sfc-assi-options = 1，考慮剔除模式最低層和觀測站點的

3、高度差超過100米的觀測；利用1月15日至2月15日的模式預(yù)報場，采用gen_be軟件包計算了 2至5月份系統(tǒng)運行所需的冷季背景場誤差（1月份系統(tǒng)運行的背景場誤差采用原T213為背景場的模式預(yù)報計算出的冷季背景場誤差）；控制變量選項 cv-option=5,采用流函數(shù)、非平衡速度勢、非平衡溫度、假比濕和非平衡地面氣壓為控制變量。經(jīng)過半年的業(yè)務(wù)運行，WRFvar保持了很穩(wěn)定的運行狀態(tài)。單線程運行完成同化分析 的時間約2分鐘（由于單線程運行時間已能滿足要求，故未采用并行運行） ，迭代基本在20 步左右收斂，體現(xiàn)了該系統(tǒng)在 BMB的曙光高性能計算環(huán)境（AMD opetron CPU，主頻2.0Ghz

4、, Redhat linux 8系統(tǒng)，pgf6.0編譯軟件）的適應(yīng)能力；資料同化過程基本正常，同化分析及預(yù) 報效果較MM53dvar有所提高，達到了預(yù)期水平，顯示了該系統(tǒng)本身的同化能力及與MM5模式的很好的兼容性。06年5月份，研究人員在BMB另一臺高性能計算機 （16個節(jié)點，每個節(jié)點2個AMD opetron CPU ,主頻 1.6G, Suse linux 8 系統(tǒng)，pgf6.0 編譯軟件，MPI 并行）建立了 WRF 數(shù) 值預(yù)報系統(tǒng)，并于6月4日開始與MM5數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)系統(tǒng)進行并行運行測試。該系統(tǒng)包含 最新釋放的 WRF前處理（WRFSI）、WRF模式（WRFV2.1 ）和 WRFvar

5、系統(tǒng)，采用27-9km兩重嵌套，格點數(shù)151x151、142x184，物理方案配置為：Lin微物理，KF積云參數(shù)化，RRTM 長波輻射，Duhdia短波輻射，YSU邊界層，積分步長150s, 48h預(yù)報。WRFvar同化在兩個區(qū)域運行，同化常規(guī)探空和地面觀測( TEMP/SYNOP )，尚未同化自動站資料(AWS ),單 線程運行約2分30秒(未并行運行)；WRF模式積分在25個CPU上運行(13個節(jié)點，其 中一個節(jié)點只使用一個 CPU)，耗時約2小時。在WRF數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)的并行運行測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)地面2米溫度的預(yù)報比實況偏低很多(尤其在夜間)，比MM5業(yè)務(wù)預(yù)報也偏低。于是針對 WRF模式

6、的邊界層方案和輻 射方案進行了敏感性試驗，試驗設(shè)計如下：試驗個例為6月17日00UTC的預(yù)報，17日和18日北京受高脊控制，天氣晴好，該次WRF預(yù)報和MM5業(yè)務(wù)預(yù)報情況及實況見下表；WRF 9kmMM5 9km氣象臺預(yù)報觀象臺實況18日05點(BJT) 2m溫度1422夜間最低2123.618日14點(BJT) 2m溫度3132白天取同3537.1試驗采用AVN分析場作背景場，不同化任何觀測資料。對邊界層方案(YSU、MYJ、MRF)和輻射方案(RRTM長波輻射，Dudhia、Goddard短波輻射)進行敏感性試驗，試驗1 (exp1) 為 YSU + Duhdia，試驗 2 (exp2)為

7、YSU + Goddard，試驗 3 (exp3)為 MYJ + Dudhia,試 驗 4 (exp4)為 MYJ + Goddard，試驗 5 (exp5)為 MRF + Dudhia，試驗 6 (exp6)為 MRF + Goddard;同化試驗分兩組，第一組試驗采用27-9km兩重嵌套，9km區(qū)動、靜態(tài)信息都直接由27km插值而成，分別進行試驗1至5;第二組試驗采用 27km單重嵌套，分別進行試驗1至6。試驗情況如下： 第一組試驗：圖1a和1b是采用MYJ和YSU邊界層方案 WRF模式2m溫度預(yù)報的差值(exp3-exp1)，圖2a和2b是采用MYJ和MRF邊界層方案 WRF模式2m溫度

8、預(yù)報的差值 (exp4-exp6) , a是模式18日02 BJT的預(yù)報，b是模式18日14 BJT的預(yù)報，實線為正值， 虛線為負值，等值線間隔 0.1度。可以看出 MYJ比YSU和MRF方案在夜間的溫度要高， 在白天的溫度要低， YSU邊界層方案使白天的地面溫度升高很快，使夜間地面溫度降溫很 快，MRF方案同樣使白天的地面溫度升高很快，使夜間地面降溫很快，但升降溫幅度略小 于YSU，而MYJ方案的溫度日變化較 YSU和MRF平緩。圖3a和b是采用Dudhia和Goddard 短波輻射方案 WRF模式2m溫度預(yù)報的差值(exp1-exp2)，可以看出采用 Goddard方案后 白天的增溫比Du

9、dhia快很多，其原因是Goddard方案的短波加熱率比 Dudhia要大，同時這 種增溫產(chǎn)生的效應(yīng)也影響到夜間，使夜間的低溫 Goddard也比Dudhia要稍高。Dbtiuel. wrf WYJ-IXidhSh RIP: MHDnK: ODDO UTC 5At IT JhJ為(HlFMt; 19430 HViBAs IlflQO UTC 3虻 口 Jjh W皿00 LOT 知H 16 AJft 09)2uri»cfl air UmpaTHLuNam" Idlfi. Erert iiAiQ-wTC-mi-IXjdbkt. Unw- 33.00DaUL TFf MYJ Du

10、dbln KF dliflull COQC UTC Sbt 1? Jun D6FM； 30 hftlid; QKO UTC Sva 】H Jllii M (1400 LD7 SUH IS 臨間Surfaca aJr LBaiparajniBai I(dUL It*m caBfl-wrf-raJ-Eiidlilri, tbri&»- 3D.(KI)DeLu el: irrf-MYJ-tkjd.Mrd 3JT: 土ffPest: M.g liS-jrfMt 41r tdmpeirfituH>仙扉.h-nrr. n圖1 MYJ和YSU方案的2m溫度預(yù)報差值(exp3-exp1

11、), a： 18日02BJT預(yù)報；b: 18日14BJT預(yù)報，間隔0.1度InH:眥(M I7TC Sai I 十 Juzi 睥 UhUjwt: wrf HYJ Cddard THF:tn IL MC® EC 51 IT Ju 加 Vnild: IflCti tPC Sai !*> Ju Ofi理Dfi Utt 加r» :S hin dn) Fm： M.M h假lid; D&00 TTC 南H LH JlDi 睥 1JDT Stub L6 ；US 00)Sur.rREn bJf LKnaana.urHam I(dUF. c*M-wI-HHF-C>!jdJ

12、±ir-d, 33.03圖2 MYJ和MRF方案的2m溫度預(yù)報差值(exp4-exp6) , a： 18日02BJT預(yù)報；b: 18日14BJT預(yù)報，間隔0.1度Dbtue-t. wif YE¥ OudhlA RIF: dinIhIL. DODO UTC S&L 17 Jdfl D6Fart; h.VKJd IBOC UTC Sit 押 JUh l» (OSCO LETT Sun IB JUTa 網(wǎng)SuKd akr LamparHluniB3i= Ifdifi. Eran gwMrf-招BE.OC)DatAMt: wrf YBU- Dudhld SIP.

13、d'.ffUnfit: 0CO0 UTC Ent 111 Jun GEFMl； 30.00 hlld; 9800 VTC 如It LS Jim <W (1400 IDT An 16 JUnSuf/heb hIf L*sipHr&lu.ra.am*1 I(dUr Jtom cawwrT-raJ-C&diUM. U- WELgj1EKE I V：»圖3 Dudhia和Goddard方案的2m溫度預(yù)報差值exp1-exp2), a： 18 日 02BJT 預(yù)報；b: 18 日 14BJT 預(yù)報，間隔 0.1 度綜合來看，如白天溫度預(yù)報偏低可采用YSU或MRF

14、+ Goddard提高預(yù)報，夜間溫度預(yù)報偏低可采用MRF或MYJ + Goddard提高預(yù)報。第二組試驗試驗：在該組試驗里，主要想考察采用不同的方案組合后對各預(yù)報量(u、t、p、q)的影響，并不單純看溫度的變化，因此采用NCAR的檢驗包對各不同方案組合后的模式48h預(yù)報進行檢驗，考慮到SYNOP常規(guī)地面觀測的分辨率與模式的分辨率( 27km)接近，故主要對SYNOP觀測進行檢驗。以下是各不同方案組合的模式預(yù)報檢驗結(jié)果。* YSU+Dudhia- - YSU+Goddard MYJWudhia MYJ+Goddard MRF+Dvdtiia MRF+Goddard0.0055圖4 6月17日00

15、UTC的48h預(yù)報檢驗結(jié)果（RMS）（橫坐標(biāo)：預(yù)報時長，縱坐標(biāo)單位依次分別為：m/s, k, Pa, kg/kg）可以看出采用 MYJ + Goddard或Dudhia的組合對于2m風(fēng)的預(yù)報效果最好（V風(fēng)情況與U 相同，圖略），但對于T2m/Ps/Q2m的預(yù)報都較其他組合要差，用 YSU和MRF邊界層方案 的預(yù)報效果相差不大，WRF模式未來的發(fā)展是用YSU取代MRF ,但是從此個例看U2m/Ps/Q2m都是MRF要好一點，因此YSU要取代MRF還需進一步的發(fā)展。 采用Godddar 短波方案對于白天 T2m的預(yù)報要優(yōu)于 Dudhia方案，夜間T2m預(yù)報略差，但對U2m/Ps/Q2m 的預(yù)報都要

16、比Dudhia方案差。綜合考慮，目前采用 MRF + Duhdia方案似乎要好一點。以上試驗從設(shè)計到分析都還比較粗淺：邊界層方案的變換會影響到整個邊界層甚至上層大氣，與云物理方案作用影響降水，僅從地面要素來判斷方案的好壞很不夠；僅從一個晴空大氣個例來分析方案的好壞也很不夠，應(yīng)該有個長期的比較。 另外，從前期的研究（from仲躋芹）來看，WRF模式本身對地面要素的預(yù)報就要差于MM5 , WRF模式對地面要素的預(yù)報需要改進。同時，我們繪制了WRF和MM5的初始場，發(fā)現(xiàn)在初始場里模式最低層的溫度就有1度多的差，WRF比MM5低（見圖5,為了看清楚截出模式 27km區(qū)域中間部分）， 認為這也是 WRF地面溫度預(yù)報偏低的一個主要原因，WRF模式的初始分析（SI/real）也需要改進。（下一步工作想請黃老師和郭老師幫忙設(shè)計更合理的試驗方案來進一步的深入，同時本人對采用MYJ方案后質(zhì)量場的預(yù)報變差但風(fēng)場的預(yù)報卻變好想不出合理的物理解釋，請兩 位老師幫忙看看）Dbtaiei. wiflspiiLt KIP. dl；l*Fea* O.QQ hVflBij： DDGQ UTC SM W ImVompcmLimaL k ndax "SffInit:血口DO UTC 5fit