高分辨率WRF 快速循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)值試驗(yàn)

1、高分辨率WRF 快速循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的數(shù)值試驗(yàn)范水勇 郭永潤(rùn) 黃向宇 王薇詳細(xì)摘要在前期“8.01”個(gè)例研究的基礎(chǔ)上，一個(gè)基于WRF三維變分同化和WRF模式的3km高分辨率3小時(shí)快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)（3h rapid update cycle）被建立和完善。為更充分地評(píng)估其預(yù)報(bào)性能，進(jìn)行了一個(gè)星期的連續(xù)循環(huán)同化預(yù)報(bào)的數(shù)值試驗(yàn)。數(shù)值試驗(yàn)的周期為06年7月25日至8月1日的7天時(shí)間，處于北京汛期降水比較集中的時(shí)段，共有4次降水過(guò)程（見(jiàn)表1），其中達(dá)到暴雨級(jí)別的降水就有兩次。選擇這樣的試驗(yàn)時(shí)段，非常有利于研究cycle系統(tǒng)對(duì)快速變化的天氣過(guò)程的反映能力。進(jìn)行了兩組試驗(yàn)，一組是使用cycle系統(tǒng)在

2、這7天內(nèi)進(jìn)行連續(xù)循環(huán)同化預(yù)報(bào)（cycle），7月25日12Z冷啟動(dòng)開(kāi)始，每隔3h進(jìn)行一次更新同化（同化GTS、AWS和GPSPW資料）和預(yù)報(bào)，在00和12Z兩個(gè)時(shí)次進(jìn)行24h預(yù)報(bào)，其余時(shí)次只預(yù)報(bào)3h，僅為下一時(shí)次提供初猜場(chǎng)；另一組是采用美國(guó)NCEP全球模式分析場(chǎng)為模式初始場(chǎng)，不同化任何觀測(cè)資料，在每天00和12Z進(jìn)行24h的預(yù)報(bào)（novar）。選用novar作對(duì)比試驗(yàn)是因?yàn)镹CEP GFS的同化水平較高，通過(guò)比較可以了解我們的同化系統(tǒng)同世界一流同化系統(tǒng)的差距，了解本地資料同化的作用。兩組試驗(yàn)的模式設(shè)置相同：27-9-3km三重嵌套，WSM6云物理方案，外兩層采用老的KF對(duì)流方案，最內(nèi)層關(guān)閉對(duì)流

3、方案，RRTM長(zhǎng)波和Dudhia短波輻射方案，關(guān)閉反饋?zhàn)饔?。根?jù)個(gè)例研究的經(jīng)驗(yàn)，將3km分辨率同化選項(xiàng)的背景場(chǎng)誤差調(diào)節(jié)因子設(shè)為0.5(var_scaling=0.5)，在有效吸收觀測(cè)信息的同時(shí)可以更多地保留模式初猜場(chǎng)的動(dòng)力協(xié)調(diào)性。為客觀比較兩組試驗(yàn)的預(yù)報(bào)水平，我們采用了比較通用的方法，一是對(duì)模式3個(gè)區(qū)域常規(guī)高空和地面以及總水汽的模式預(yù)報(bào)量（高空：U/V/T/Q，地面：U10/V10/T2/Q2/surface pressure，水汽：PW）進(jìn)行測(cè)站檢驗(yàn)評(píng)分，給出預(yù)報(bào)相對(duì)于觀測(cè)的均方差（RMS）和偏差（BIAS），二是對(duì)北京地區(qū)4個(gè)降水過(guò)程的預(yù)報(bào)，給出對(duì)應(yīng)于6小時(shí)降水實(shí)況（由北京地區(qū)自動(dòng)站逐小時(shí)

4、觀測(cè)降水累加）的降水預(yù)報(bào)圖，并且給出6小時(shí)降水檢驗(yàn)評(píng)分CSI值。表1 試驗(yàn)周期內(nèi)的4次降水過(guò)程12006-7-2608-08全市小-中雨22006-7-2908-20全市小雨，局部大雨，海淀44 mm32006-7-3108-20全市中-大雨、局地暴雨，大興67 mm42006-8-0114-02局地暴雨，海淀箭亭橋55 mm針對(duì)以上方法，我們進(jìn)行了3組比較：（1）比較cycle的9km分辨率和3km分辨率在模式3km區(qū)域的24h預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)分；（2）比較cycle和novar同樣分辨率的3個(gè)模式區(qū)24h預(yù)報(bào)檢驗(yàn)評(píng)分；（3）比較cycle和novar 3km分辨率對(duì)北京地區(qū)4個(gè)降水過(guò)程的預(yù)報(bào)情況

5、和CSI得分。通過(guò)3組比較，總結(jié)出一下幾點(diǎn)結(jié)論：（1） cycle兩個(gè)不同分辨率在模式3km區(qū)域的檢驗(yàn)評(píng)分：高空量的檢驗(yàn)表現(xiàn)為3km相對(duì)于9km在初始時(shí)刻分析場(chǎng)的評(píng)分較差。這是由于3km domain 同化分析時(shí)var_scaling = 0.5,減小了背景場(chǎng)的誤差b，分析更加靠近背景場(chǎng)，分析增量減少，檢驗(yàn)評(píng)分也相應(yīng)變差。在開(kāi)始預(yù)報(bào)后,模式進(jìn)行動(dòng)力調(diào)整達(dá)到平衡,此時(shí)兩個(gè)分辨率的預(yù)報(bào)水平迅速接近，相差很小。這一點(diǎn)從12h和24h各case預(yù)報(bào)評(píng)分上也可以明顯看出。同時(shí)我們認(rèn)為通過(guò)減少var_scaling因子，在引入觀測(cè)信息時(shí)更多地保留模式初猜場(chǎng)（前一時(shí)次的3h預(yù)報(bào)）本身的平衡，應(yīng)該有利于減少高

6、分辨率的同化分析時(shí)產(chǎn)生的小尺度噪聲，更有利于縮短模式spin-up時(shí)間,此假設(shè)將在進(jìn)一步的工作中加以驗(yàn)證。地面變量的檢驗(yàn)評(píng)分看3km分辨率的預(yù)報(bào)比9km分辨率的預(yù)報(bào)總體上要差,尤其在溫度/比濕上。在比較這些評(píng)分的時(shí)候,必須考慮到兩種分辨率在3km區(qū)域范圍內(nèi)模式下墊面的不一致,尤其是地形高度的差別,評(píng)分僅僅提供一些客觀的參考。值得注意的是,3km分辨率初始時(shí)刻的氣壓體現(xiàn)了巨大的優(yōu)勢(shì)。水汽PW的檢驗(yàn)評(píng)分說(shuō)明了高分辨率的同化分析的優(yōu)勢(shì)，在整個(gè)24h預(yù)報(bào)時(shí)間段內(nèi)3km的評(píng)分都優(yōu)于9km。其原因可能是水汽量局地性強(qiáng)，比較適合高分辨率的同化分析。（2） cycle和novar同樣分辨率的3個(gè)模式區(qū)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)

7、評(píng)分：從高空量評(píng)分看，三種分辨率cycle的溫度和比濕在初始時(shí)刻的評(píng)分均明顯優(yōu)于novar（除3km的溫度略低外)，這主要?dú)w功于探空資料的同化。在開(kāi)始預(yù)報(bào)后水平迅速降低，很可能是由于同化分析引進(jìn)了中小尺度的信息降低了初始場(chǎng)的平衡性，在開(kāi)始預(yù)報(bào)后模式進(jìn)行動(dòng)力調(diào)整，部分小尺度的信息迅速耗散掉，因此評(píng)分降低。在調(diào)整完成后，模式預(yù)報(bào)水平變化趨于平穩(wěn)（見(jiàn)6小時(shí)后的預(yù)報(bào)評(píng)分）。風(fēng)場(chǎng)的分析和預(yù)報(bào)評(píng)分均差于novar，這應(yīng)該是因?yàn)閚ovar的初猜場(chǎng)來(lái)自于NCEP全球模式的分析場(chǎng)，已經(jīng)同化了大量的非常規(guī)資料如衛(wèi)星云導(dǎo)風(fēng)、雷達(dá)等，得到了高質(zhì)量的分析風(fēng)場(chǎng)，而cycle中高空風(fēng)的信息僅來(lái)源于常規(guī)的探空觀測(cè)，缺乏更多的

8、信息。另一方面這也說(shuō)明我們的同化系統(tǒng)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距，應(yīng)該在目前的cycle系統(tǒng)中加強(qiáng)對(duì)觀測(cè)資料中尤其是非常規(guī)資料中風(fēng)場(chǎng)信息的同化。從地面量評(píng)分看，cycle和novar的預(yù)報(bào)水平已非常接近，在3km分辨率上cycle對(duì)于地面量的預(yù)報(bào)已經(jīng)超過(guò)novar（除氣壓略差外），說(shuō)明3km分辨率的同化更有效地吸收了中小尺度地面觀測(cè)信息。這其中調(diào)節(jié)背景場(chǎng)誤差應(yīng)該起到一定作用。更多的工作將對(duì)背景場(chǎng)誤差調(diào)節(jié)作用給予驗(yàn)證。（3） cycle和novar 3km分辨率對(duì)北京地區(qū)4個(gè)降水過(guò)程的預(yù)報(bào)：6h累積降水量圖和CSI評(píng)分都顯示了cycle對(duì)于試驗(yàn)周期內(nèi)的4個(gè)降水過(guò)程的預(yù)報(bào)明顯優(yōu)于novar（除072900Z的

9、預(yù)報(bào)降水較實(shí)況提前導(dǎo)致評(píng)分變差外），說(shuō)明同化本地中小尺度資料尤其是水汽資料對(duì)于降水預(yù)報(bào)的重要性。值得注意的是，cycle臨近于降水發(fā)生前的預(yù)報(bào)要優(yōu)于其他時(shí)次，降水發(fā)生前氣象要素變化的信息對(duì)于預(yù)報(bào)是很重要的，cycle不斷地同化更新的觀測(cè)資料（3h甚至1h一次），因而能及時(shí)捕捉到這種信息，作出較好的預(yù)報(bào)。但是，從6h累積降水預(yù)報(bào)CSI評(píng)分看，cycle對(duì)于10mm以上量級(jí)的降水的預(yù)報(bào)水平仍然有限，尤其是暴雨（50mm）的預(yù)報(bào)技巧幾乎沒(méi)有。一個(gè)原因是目前同化的中小尺度觀測(cè)資料較少，僅僅包括地面自動(dòng)站、地基GPS水汽，能反映系統(tǒng)發(fā)生的中上層信息幾乎沒(méi)有；另一原因是同化系統(tǒng)本身也還需要更多的調(diào)整，尤其

10、是高分辨率下如何更加有效利用密集的觀測(cè)信息仍然是一個(gè)難題。此外，由于計(jì)算條件限制，試驗(yàn)中在非00和12Z的其他時(shí)次只做3h的預(yù)報(bào)來(lái)滿足cycle的需要，未能進(jìn)行更長(zhǎng)時(shí)間的預(yù)報(bào)，根據(jù)我們對(duì)8月1日降水過(guò)程的深入研究，暴雨發(fā)生前的預(yù)報(bào)（往往是非00和12Z)有更好的預(yù)報(bào)效果，而這也是cycle的優(yōu)勢(shì)所在，因此在以后的cycle業(yè)務(wù)應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)?shù)匮娱L(zhǎng)非00和12時(shí)次的預(yù)報(bào)時(shí)長(zhǎng)，充分利用cycle的優(yōu)勢(shì)，獲得更多的降水預(yù)報(bào)信息。此外，我們繪制了cycle對(duì)4個(gè)個(gè)例的27km區(qū)的預(yù)報(bào)圖（包括500hpa高度/風(fēng)場(chǎng)、300hpa渦度/風(fēng)場(chǎng)及海平面氣壓/降水），目的是考察cycle過(guò)程是否充分地保持了正確的大尺度信息和邊界條件。從圖可以看出一個(gè)星期的cycle并沒(méi)有因?yàn)檎`差的累