山洪预警WRF模式不同物理方案组合对比试验.pdf

第 4 6卷 第 7期 2 0 1 5年 4 月 人 民 长 江 Ya ng t z e Riv e r VO l _ 4 6 NO 7 Ap r ，2 01 5 文章编号 ： 1 0 0 1 4 1 7 9 ( 2 0 1 5 ) 0 7 0 0 6 0 0 4 山洪预警 WR F模式不同物理方案组合对比试验 陈 超 君 ， 李 俊 ( 1 重庆 市水 文水资源勘测局 ， 重庆 4 0 1 1 4 7 ； 2 中国气象局武汉暴雨研究所 暴雨监测预警湖北省重点实验室 ， 湖北 武汉 4 3 0 2 0 5 ) 摘要 ： 为 了获得致 灾山洪 降水预报 的最佳物理方案组合 ， 基 于 WR F模 式， 采 用不同物理 方案 组合对长 江流域 历史 山洪过程 ， 进行 了对 比试验和检验 。采 用 T s评分法 ， 评估 了不 同试验 方案对各量 级降水 的预报 能力 。 综 合得 出了最佳 物理 过程 。结果表 明： 微物理参数化采用 WS M6 ， 对流参数化采用 K f e t a 模拟的雨带 范围和 降水 强度与 实况吻合的最好 ， 预报效果 最稳 定。证明 了物理模 式的合理选择对 山洪预报结果影响较 大。 关键词 ： 数 值 天 气预 报 ；WRF模 式 ；T S检 验 ；山 洪 灾 害 中圈 法 分 类 号 ：P 4 5 7 6 文 献 标 志 码 ：A DOI ： 1 0 1 6 2 3 2 j c n k i 1 0 0 14 1 7 9 2 01 5 0 7 0 1 6 1 研究背景 经过 多年 发展 ， 我 国数值 天气 预 报业 务逐 步 从 引 进吸收与 自主研发并重 ， 转入了 自主研发 、 持续发展的 新格局。数值天气预报已成为现代天气预报业务的基 础和 天气 预报业 务发 展 的主流方 向 - 2 。对 模式 物 理 过程的描述和完善 ， 将成为未来几年数值模式改进和 发展 的关 键 。 目前 ， 对 降雨模 拟 影 响较 大 的物 理 过 程 主要 有 微 物理过程 、 积云对 流过程以及边界层参数化方案 ， 其中， 微物理过程起着 主要作用 ， 其次是积 云对 流过 程 ， 边 界层 参数 化 方案 影 响相 对 较 小 。 陈德 辉 等 的 研究 认为 ， 云 物理 过程 是 中尺 度模 式 中最 重要 的非 绝 热加热物理过程之一。 。 ， 成云降雨过程发生 以后 ， 通 过感热、 潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流， 并在 决定 大气 温度 、 湿 度 场 的垂 直 结 构 中起 着 关 键 作 用 ， 也 是 降水预 报 的关 键 所 在 。尽 管 物 理 方案 都 有 明 确 的物理 基础 ， 但在 实 际强 降水模 拟 中 ， 微物 理方 案和 积云对流参数化方案更为敏感 ， 究竟选择采用哪种方 案组合才能够得到更理想 的结果 ， 是一项繁重而艰 巨 的工 作 ， 需要 深入对 比研 究 。 我国山地众多 ， 山洪灾害严重威胁着人民群众 的 生命 财 产安全 ， 山洪预 警 预 报 是 我 国 防灾 减 灾 工作 中 亟待解决的问题。然而， 绝大多数 山洪灾害的发生都 与强降水有关 ， 因此降水预报质量是 山洪灾害预警预 报的重要基础 。数值预报作为定量降水预报的主要手 段之一 ， 其物理过程非常关键 ， 它直接影响着降水预报 效果 。鉴 于物 理过 程 的 重要 性 ， 本 文 通 过模 式 中不 同 物理方案的组合 ， 对历史上引发 山洪 的暴雨过程进行 模拟试验 ， 最后结合降水预报效果的对比检验 ， 分析筛 选 出最 为合理 的物 理方 案组合 。 2 方案设计和资料介绍 2 1 模式简介 WR F ( T h e We a t h e r R e s e a r c h a n d F o r e c a s t i n g ) 模 式 系统是 由众多美国研究机构和大学共同参与开发研究 的新一代 中尺度数值天气预报系统 。该模式系统 包 括 WP S前 处理 、 WR F V主模 块 、 WR F D A资料 同化模 块和后处理等模块 ， 具有可移植、 易维护 、 高效率、 使用 方便 等诸 多特 点 ， 模 拟 尺 度 可从 1 k m 到数 千 千 米 ， 使 模式业务应用与升级 、 科学研究更为便捷 。 2 2 试验 方案 本 文采用 3层 双 向嵌 套 的 WR F V 3 4版 本进 行 试 验 ， 模式 中心随个例的不同而移动， 地图采用兰勃特投 影 ， 模 式水平 分 辨 率分 别 为 2 7 ， 9 k m 和 3 k m， 相 应 的 收 稿 日期 ： 2 01 50 20 9 基金项 目： 国家 自然科学基金项 目( 4 1 2 7 5 1 0 7 ) ； 水利部公益行业专项( 2 0 1 2 0 1 0 6 3 ) 作者简介 ： 陈超君 。 女 ， 助理工程师 ， 硕 士， 主要从 事 中尺度 数值 天气预报 方面的研 究工作。Em a i l ： l v c h a 一5 2 3 1 4 1 6 3 e o m 第 7期 陈超君 ， 等 ： 山洪预警 WR F模式不 同物理 方案组合 对比试验 6 1 格点 数 为 ： 3 2 2 2 0 2 、 3 2 2 2 5 3和 4 7 23 2 2 ， 垂 直层 数 为 5 1层 ， 模式层顶为 5 0 h P a ， 使用的地形数据分别是 2 I n、 3 0 s和 3 0 8 。 模式微物理过程、 积云参数化方案是影 响模式 预 报效果的重要因素。本文选取了在东亚地 区应用效果 较 好 的两组 微 物 理 和 两 组 积 云 参 数 化 方 案 ， 设 计 了 4 组对比试验 ， 见表 1 。其他过程均采用 了 D u d h i a短波 辐射方案、 R R T M 长波辐射 方案、 u n i fi e d N o a h陆面过 程 。通过山洪个例试 验和检验， 得出适用于山洪数值 预报的最佳物理方案组合 ， 为 山洪短期预警方案 的设 计提供依据。 表 1对 比试验方案组合 对个例 试验进行定 性和定 量检验。在定 性检验 中， 将 2 4 h降水的强度、 位置及范 围与实况进行分析 ， 比较不 同方 案 的模 拟 特 点 。在定 量 检验 中 ， 采 用 通 用 的 T s评 分 。 。 ， 评 估 不 同试 验 方案 对 各 量 级 降 水 的 预报能力 ， 综合得出最佳物理过程。T S评分公式为 ， 而 ( 1 ) 式 中， N A为有降水预报正确 的站( 次 ) 数 ， N B为空报 站 ( 次 ) 数 ， NC为漏 报 站 ( 次 ) 数 ， N D 为无 降水 预报 正 确 的站 ( 次 ) 数。 2 3 资料介绍 通 过整 理 和收集 山洪 资料 ， 本文 选取 了 1 1 个 致 灾 山洪暴 雨个 例 ， 详 见 表 2 。模 式 的初 始 场 和 边 界 条 件 使 用 N C E P再 分 析 资 料 ( F N L) ， 该 资 料 每 间 隔 6 h提 供一次 。检验评 估所 用 实况 为 中国气 象局 0 ： O O时 ( 世 界 时 ， 下 同 ) 下发 的 2 4 h累积 降水观 测 。 表 2试验个例相关信 息 地点 模式起报时间 模式中心设置 地点 模式起报时问 模式中心设置 临湘 2 0 1 1 0 6 0 9 0 0 ( 2 9 5 。 N 1 1 3 5 。 E ) 临湘 2 0 1 0 0 4 2 0 0 0 ( 2 9 5 。 N 1 1 3 5 o E ) 临湘 2 0 1 0 0 6 1 9 0 0 ( 2 9 5 。 N 1 1 3 5 。 E ) 平江 2 0 1 2 0 5 1 2 0 0 ( 2 8 7 2 。 N t 1 3 5 8 。 E ) 岳阳 2 0 0 9 0 7 2 4 0 0 ( 2 9 3 8 。 N 1 1 3 0 8 。 E ) 舟曲 2 0 1 0 0 8 0 7 0 0 ( 3 4 7 8 。 N 1 0 4 3 7 。 E ) 宁强 2 0 0 2 0 6 0 8 0 0 ( 3 2 8 3 。 N 1 0 6 2 5 。 E ) 郴州 2 0 0 6 0 7 1 5 0 0 ( 2 5 8 。 N 1 1 3 0 3 。 E ) 上栗 2 0 0 8 0 5 2 7 0 0 ( 2 7 6 5 。 N 1 1 3 8 5 。 E ) 宁强 2 0 1 1 0 7 2 8 0 0 ( 3 2 8 3 。 N 1 0 6 2 5 。 E ) 临湘 2 0 1 0 0 7 0 8 0 0 ( 2 9 5 。 N l l 3 5 。 E ) 3 模拟结果分析 由于篇 幅 限制 ， 本文 仅列 出 了 2 0 1 1 年 和 2 0 1 0年 6 月 临湘两 次 致灾 暴雨 过程 的模 拟 检 验 情 况 ， 其 他 个 例 分析与此方式类似。最后 ， 结合 1 1 次个例的综合检验 得分 对 比 ， 提 出模式 在 山洪 暴 雨 过 程 中表 现 最 优 的 物 理方 案组 合 。 3 1 2 0 1 1年 6月湖南临湘 山洪 2 0 1 1年 6月 9 日晚 至 1 0 日， 临 湘 市 、 岳 阳县 、 平 江县等地局部发生 1次短时强降雨天气过程。因短时 间降雨强度 特别大 ， 部分地 区发生山洪泥石 流灾害。 此次泥石流造成 6个县市区 7 1 个乡镇共 6 2 1万人受 灾 ， 其中， 临湘市詹桥镇观 山村是灾情最严重 的村庄。 此次强降雨过程时间短、 范围广 、 强度大， 山洪灾 害特 别严 重 。 图 1为 2 0 1 1年 6月 9 日 O ： O O一1 0 日 O ： O O的降 水观测分布情况 。从 图中可 以看出 ， 该次降水位 于湖 南的中部和北部 、 湖北的东南部 以及安徽南部 与浙江 交界处。此轮降水有 3个较强暴雨中心 ， 其 中湘鄂交 界 的湖南 岳 阳和 湖北 咸 宁是 最 强 中 心 ， 达 到大 暴 雨 量 级 。 图 1累 积 降 水 观 测 1( 单 位 ： mm) 图 2为 4组方案的模拟结果。从 图中可 以看 出， f O 1 方案对整个雨带和暴雨中心的落区模拟较好 ， 能表 现 3个暴 雨 中心 ， 特 别是 对 临湘 一通 城 暴雨 中 心强 度 和 落 区的模 拟与 实况 接 近 ， 但 范 围略大 。f O 1方案 对 湖 北 中部的降水模拟偏 弱， 湖南 中部 和北部的暴 雨中心 略偏西 ， 安徽南部与浙江交界处 的暴雨 中心落 区与实 况 比较 一致 ， 强度 稍偏 强 。t 0 2和 f 0 4方 案也 基 本都 能 模 拟 出大暴 雨 中心 ， 对 安徽 南 部 与 浙 江 交 界处 的暴 雨 模 拟与 f O l 方 案 基 本 一 致 ， 但 对 临湘 一通 城 的暴 雨 预 报位置偏北 、 范围偏小， 对湖南北部和中部的暴雨模拟 位置较实况偏西 ， 强度偏强。f O 3方案对安徽南部与浙 江交 界 处 的暴雨 模拟 效 果 与 其 他 3 。 组试 验 基 本 一 致 ， 对临湘 一通城暴雨 比模拟结果稍偏北 ， 同时 ， 对湖南 中 北部暴雨模拟强度偏强 ， 范围偏大。总的来说 ， 4组试 验基本都能模 拟出此次暴雨过程 ， 其 中 f O 1与实况最 接近。 3 2 2 0 1 0年 6月湖南临湘 山洪 2 0 1 0年 6月 1 9 2 0日， 除湘西南 以外 ， 湖南大部 第 7期 陈 里 ， 等 ： 库 区滑 坡 涌 浪 试 验 研 究综 述 8 7 5 6 7 J J o u r n a l o f H y d r a u l i c E n g i n e e ri n g ， A S C E， 2 0 0 6， 1 3 2( 5) ： 4 6 2 4 7 3 BAt a i e As h t ia n i ANik Kh a h I mp u l s iv e w a v e s c a u s e d b y s u b a e ria l l a n d s l i d e s J J o u r n a l o f t h e E n v ir o n F l u id Me c h ， 2 0 0 8， 8 ( 7 ) ： 2 6 32 8 0 任坤杰 ， 韩继斌 ， 陆虹 滑坡 涌浪 首浪 高度 试验研 究 J 人 民 长 江 ， 2 0 1 2， 4 3( 2 ) ： 4 34 5 任坤杰 ， 韩继斌 散体 滑坡体 首浪 高度模 型试验研 究 J 人 民长 江， 2 0 1 0， 4 2 ( 2 4 ) ： 6 9 7 2 8 汪洋， 殷 坤龙 水库 库岸 滑坡 涌浪的传播 与爬 高研 究 J 岩土 力 学与工程 学报 ， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 4 ) ： 1 0 3 11 0 3 4 9 李 颖 ， 王 平义 ， 胡 小卫 山 区河道 型水 库 滑坡 涌浪 的 计算 研 究 J 重庆 交通 大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 1 1 ， 3 0 ( 2 ) ： 2 9 5 2 9 8 1 0 门永强， 王平义， 喻 涛， 等 山区河道型水库滑坡涌浪首浪 高度 试 验研 究 J 科技信 息， 2 0 1 3 ， ( 1 1 ) ： 2 22 4 1 1 中国水利水电科 学研 究院 滑坡 涌浪模型试验规程 S L I 6 5 2 0 1 0 s 2 0 1 0 ( 编辑 ： 徐诗银) Su m m a r y o f e x p e r im e nt a l s t ud y o n l a nd s l id e ind uc e d s u r g e in r e s e r v o ir a r e a CHEN Li。 ，YU T a o ， WA N G P in g y i ， H E Q in g ( 1 S c h o o l o f R i v e r a n d O c e a n E n g i n e e r in g， C h o n g q in g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h o n g q i n g ， 4 0 0 0 7 4 ， C h i n a ； 2 N a t i o n a l E n g i n e e r in g R e s e a r c h C e n t e r f o r I n l a n d Wa t e r w a y R e g u l a t i o n ， C h o n g q in g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q in g 4 0 0 0 7 4 ， C h i n a ； 3 K e y L a b o r a t o r y of H y d r a u l i c a n d Wa t e rwa y E n g in e e r i n g o f t h e Min i s t r y of E d u c a t i o n ， C h o n g q in g J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， C h o n g q i n g 4 0 0 0 7 4， C h i n a ) Abs t r a c t ： On t h e ba s is o f d a t a s t a t is t ic s a nd a na l y s is o f t h e l a n d s l id ein d uc e d s u r g e in r e s e r v o ir a r e a，t h e t y pic a l e x a mpl e s a n d t h e ha r m o f t h e l a n d s l id e s u r g e a r e de s c r ibe dBy f ur t he r s t u dy o f t he e x is t ing c o mp ut a t io n me t h o d a nd s imu l a t io n t e c h no l o g y o f t h e l a n ds l idein du c e d s ur g e，t he a n a l y s is a nd e v a l u a t io n a r e c o n du c t e dTh e c ha r a c t e r is t ic s o f l a nd s 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n ( 1 H y d r o l o g y a n d W a t e r R e s o u r c e s I n v e s t i g a t i o n B u r e a u of C h o n g q i n g， C h o n g q i n g 4 0 1 1 4 7 ， C h i n a ； 2 H u b e i K e y L a b o r a t o r y f o r H e a v y R a i n Mo n i t o r i n g a n d W a r n in g R e s e a r c h ， I n s t it u t e of H e a v y R a i n ， C h i n a Me t e o r o l o g i c a l A d mi n i s t r a t i o n ，Wu h a n 4 3 0 2 0 5 ， C h i n a) Abs t r a c t ：To o b t a in t h e o p t ima l c o mbin a t io n o f p h y s ic a l s c h e me s f o r t he f o r e c a s t o f mo un t a in t o r r e n t d is a s t e r p r e c ip it a t io n，on t h e ba s is o f W RF mo d e l ，t h e h is t o r ic mo un t a in flo o d p r o c e s s o c c u rre d in Ya n g t z e Riv e r Ba s in wa s s imu l a t e d b y u s in g d if f e r e n t c o mbina t io ns o f ph y s i