（气象学专业论文）云迹风资料在台风数值模拟中的应用.pdf

摘要 数值预报的准确程度主要依赖于能够精确描述天气过程的模式和能够反应初始时刻准 确描述大气状态的初始场。近年来，数值模式的发展相当精细，能够比较真实地描写和模 拟出实际大气的天气演变过程，因而初始场的精确程度就显得格外重要。由于探测技术和 海上观测资料有限，故利用同化方法把非常规资料应用到模式中，可以有效地改善模式的初 始场。 本文选取了对我国影响非常大的一个台风个例：0 6 0 4 号强热带风暴“碧利斯”，采用 全球客观分析n c e p 资料和我国风云二号卫星反演得到的红外通道和水汽通道的云迹风资 料，利用w r f 模式的三维变分同化系统将云迹风资料引入模式，考察了不同通道的云迹 风资料和质量控制后的云迹风资料对初始场的改善效果，在此基础上，对台风的降雨、维 持机制等进行诊断分析，初步探讨了云迹风资料在台风预报试验中的应用。 试验结果表明，在相同的物理参数化过程的条件下，定性和定量比较和分析同化结果， 质量控制后得到的预报结果要优于未质量控制后得到的预报结果。南海西南季风提供了十 分充沛的水汽条件，使强降水得以维持。雨区上空对流运动旺盛，有很好的动力条件和热 力条件，低层正涡度大值区和高空辐散区与雨区也有较好的对应关系。 关键词：w i i f云迹风质量控制数值模拟 三维变分同化 a b s t r a c t t h ea c c u r a c yo fm o d e mn u m e r i c a lp r e d i c t i o nm a i n l yd e p e n d so nt h ee x a c tm o d e lt h a tc a l l s i m u l a t et h es y n o p t i cc o u r s ea n dt h ei n i t i a lf i e l dt h a tc a nd e s c r i b et h ei n i t i a lt i m e r e c e n t l yt h e d e v e l o p m e n to fn u m e r i c a lm o d e l sh a sr u nt op e r f e c t i o n ，s oi ti sm o s ti m p o r t a n tt oo b t a i nt h e e x a c ti n i t i a lf i e l d b e c a u s eo fs e ae x p l o r a t i o nt e c h n o l o g ya n dt h el i m i t e do b s e r v a t i o n a ld a t a , u s i n gt h ea s s i m i l a t i o nw a y , a p p l i c a t i o no fu n c o n v e n t i o n a ld a t ai nm o d e lm a yb ee f f e c t i v ei n i m p r o v i n gt h em o d e li n i t i a lf i e l d t h i sp a p e rs e l e c t s0 6 0 4 s t r o n gt r o p i c a ls t o r m “b i l i s ”u s i n gd a t af r o mt h en c e pg l o b a l o b j e c t i v ei n f o r m a t i o na n da n a l y s i so ff y - 2 cs a t e l l i t et or e t r i e v et h ei n f r a r e da n dw a t e rv a p o r c h a n n e lc l o u dd r i f tw i n dd a t a ，w r f 一3 d v a rs y s t e mi si n t r o d u c e dt of i n dt h ei n f l u e n c ew i t h d i f f e r e n tc h a n n e lc l o u dd f i r d a t aa n dq u a l i t yc o n t r o lc l o u dd r i f td a t ao ni n i t i a lf i e l d i m p r o v e m e n t s o nt h eb a s i s ，p r e c i p i t a t i o na n dm a i n t a i nm e c h a n i s m sf o rd i a g n o s i sa n da n a l y s i s p r e l i m i n a r yd i s c u s s i o no ft h ec l o u dd r i f tw i n dd a t at y p h o o np r e d i c t i o ne x p e r i m e n ti nt h e a p p l i c a t i o n i ti ss h o w e dt h a t ，t h er e s u l to fa s s i m i l a t i o nw i t hq u a l i t yc o n t r o li ss u p e r i o rt ot h er e s u l t w i t h o u tq u a l i t yc o n t r o li n c h o o s i n gt h e s a m ec o n d i t i o nb yq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v e c o m p a r i s o na n da n a l y s i s s o u t hc h i n as e as o u t h w e s tm o n s o o np r o v i d e sv e r ya b u n d a n tm o i s t u r e c o n d i t i o n si nw h i c hp r e c i p i t a t i o nh a sb e e na b l et om a i n t a i ns t r o n g c o n v e c t i v er a i no v e rt h e v i g o r o u sc a m p a i g n ，av e r yg o o di m p e t u sa n dh e a tf o ru p l i f t ，l o w e rv o r t i c i t yi st h el a r g e s ti nt h e d i s t r i c ta n dh i 曲a l t i t u d ea r e a sa n dd i v e r g e n c eo fr a i na l eb e t t e rr e l a t i o n s h i p k e y w o r d s ：w r fc l o u d d r i f t w i n dq u a l i t y c o n t r o ln u m e r i c a l - s i m u l a t i o n3 d v a r 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：= i 亟基! 日 期：面。 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版：有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：j 裤 日飙鼍婢 1 1 研究意义 第一章前言 数值天气预报( n w p ) 是一种重要的天气预报手段。要精确地制作数值天气预报必须具备 两个基本条件：一是预报模式能足够精确地反映天气过程的演变规律；二是模式初值能足 够精确地反映初始时刻的大气状态。显而易见，数值预报模式的预报准确性主要取决于模 式物理过程的完善程度及模式初边值的准确程度。近年来，随着数值预报技术的日益完善 和计算能力的迅速提高，以及人们对大气中各种物理过程更加深入的了解，人们设计的数 值模式可以越来越准确地描写天气过程的演变发展。但这些模式在应用时常因初始值不理 想而不能发挥应有的作用。在数值模式物理过程已日臻完善，模式误差得到了有效地抑制 的情况下，模式初值场的精度就成了现代数值天气预报成功与否的关键。因此，数值天气 预报可以归结为一个初边值问题，即给定当前大气状态的估计( 初值) 和合适的地面及侧 边界条件，模式将能模拟( 预报) 出大气的演变结果n 3 。数值模式的初值( 初始场) 是由 观测资料和大尺度模式背景场提供的。创建适合模式的初始场应满足两个基本要求：一是 必须在时间和空间上接近观测值；二是必须满足真实的大气动力和统计关系。早期的数值 预报主要是利用定时的常规观测资料( 地面观测、探空、测风等) 为数值模式提供初始值。 随着数值模式越来越精细，常规资料低时空的分辨率再加上高原、沙漠、海洋地区的常规 测站非常稀少，仅仅依靠这些常规资料是很难分析出准确的初始场。近年来，随着卫星、 雷达等遥感技术发展，各种非定时非常规的观测资料迅速增多，覆盖范围广，时空分辨率 大。如何有效地综合利用各种不同层次、不同类型的观测资料，为数值预报模式提供一个 动力上协调的最优初始场，以提高数值预报结果，这就是资料同化的问题。资料同化包括 以下两层基本含义：一是如何合理地利用各种不同精度的非常规观测资料，把它们与常规 观测资料融合为一个有机的整体，为数值预报提供一个更好的初始场；二是如何综合利用 不同时次的观测资料，将这些资料中所包含的时间演变信息转化为要素场的空间分布情况 瞪。因此如何有效地利用非常规资料( 如云迹风资料) 来改进数值模式的初始场，以提高 数值天气预报水平变得十分重要。 台风是一种强烈的灾害性天气现象，台风所造成的损失高居十大自然灾害之首，对台 风的研究一直是气象学者的重大课题之一。我国是一个台风多发的国家，每年因为台风造 成了巨大的损失，高居十大自然灾害之首。过去由于对台风探测技术和海上观测资料的限 制，对台风的研究是有限的。近年来，随着大气探测技术的发展，气象卫星资料，雷达观 测资料等一系列的非常规观测的使用弥补了洋面上观测资料的不足，有效的改善了台风预 报的初始场。同时随着数值模式物理过程的改进和大型计算机的计算能力大幅度提高，使 得业务大气模式中可以达到更精细的分辨率和更少的近似表达，数值天气预报技巧飞速提 高，其在天气预报中的地位变得越来越重要。由静止气象卫星图像反演出的云迹风范围广 泛、质量较好，是对常规观测风场资料的重要补充，特别是在测站稀少地区。这种卫星风场 对天气系统的分析预报、改进数值预报初始场等大气科学的诸多领域，产生了很大影响。 1 2 资料同化基本方法和变分同化研究进展 1 2 1 资料同化的基本方法 自从2 0 世纪2 0 年代r i c h a r d s o n ( 1 9 2 2 ) 开创性的数值天气预报试验以来，数值天气 预报( n w p ) 作为一种预报手段已经在天气预报中扮演着越来越重要的角色。简单地说，用一 切有用信息( 大气运动的物理规律，观测资料，观测资料的不确定性待定量的气候状态的估 计) ，尽可能准确地估计处某一时刻的大气状态，就是资料同化。t a l a g r a n d 将大气( 海洋) 资料同化定义为：大气( 海洋) 资料同化就是在满足流体演变物理规律条件下，充分利用 现有的观测信息( 模式模拟资料和仪器观测资料) ，尽可能精确地估计大气( 海洋) 流体的 运动状态。这里模式提供的资料通常被称为背景场或初猜场，观测资料称为观测场，估计 结果称为分析场。在最优估计理论中，要使用一些“先验信息”即描述模式预报结果和观 测资料质量的统计信息，分别被称为背景场误差协方差矩阵和观测误差协方差矩阵。随 着同化技术的发展和计算机技术的进步，资料同化主要有以下几种方法： 2 ( 1 ) 多项式拟合技术。p a n o f s k y ( 1 9 4 9 ) 用多项式拟合技术分析一小块局地区域内的观 测资料，同时还尝试引入了动力约束以协调动力场和质量场，第一次实现了真正意义上的 客观分析。b e r g t h o r s s o n 和d o o s ( 1 9 5 5 ) 提出为了获得预报初始场，除了观测资料以外，所 有网格点上必须提供大气状态的背景场( 第一猜值场) 。这个背景场应该是使用观测资料之 前对大气状态的最佳估计。最初背景场是由气候学或短期预报与气候学相结合而提供的。 ( 2 ) 经验分析方法。包括两种方法，一种方法是由b e r g t h o r s s o n 和d 0 0 s ( 1 9 5 5 ) 、 c r e s s m a n ( 1 9 5 9 ) 提出的逐步订正法( s c m ) 。它首先给出背景场，然后将格点上的背景场插 值到观测站，计算测站的观测值与背景场的差值，即观测增量；然后以某格点影响半径范围 内各个测站上观测增量的加权平均值作为该格点的分析增量；最后再用格点上的分析增量 对背景场进行订正。不断缩小影响半径，逐次订正，每次订正后的分析场用作下一次订正的 背景场，直到观测增量小于某一确定值。该方法的不足在于它的权重函数选取有一定的经验 性，在统计上不是最优的。另一个方法是h o k e ( 1 9 7 6 ) 提出的牛顿张弛逼近法( n u d g i n g ) m 射。 该方法是在预报前的一段时间内，在预报方程中加入一项强迫项，使模式结果逼近观测， 使变量之间达到动力协调。强迫项由观测与模式之差乘上张弛系数。该方法可以使模式变 量间保持相当平衡，而不产生虚假的高频重力波。由于该方法简单易行，应用广泛，但是 他的一个最大缺点是不能同化非模式变量的观测资料，如雷达径向风、卫星辐射率资料等。 ( 3 ) 最优估计理论的方法。当前所采用的主要同化方法都是基于最优估计理论，只是各 自处理的技术和数学方法有些差异而已。在线性假设条件下，他们都是等价的。 ( a ) 最优插值( o i ) 。最优插值法( o p t i m u m i n t e r p o l a 七i o n ) 是基于要素场本身统计 结构的一种客观分析方法，由g a n d i n 1 提出。这种方法要求各气象要素分析场在统计意义 下的均方根误差最小。背景场的引入使得这种方法较之早期的初等同化方法有着明显的优 越性，其优点有二：一是可以考虑观测点分布的不均一性，以及不同观测类型资料的误差水 平，便于将资料检查过程结合进来，也便于推广到三维分析，改善分析在垂直方向的协调 性：二是观测值的权重主要取决于观测本身之间的关系，而不是取决于观测点之间的空间分 布，因而在统计理论上看更为合理h 。8 3 。最优插值实际上仍然是线性回归技术。通过回归产 生的初始场是在大量分析的基础上使二次平均误差最小而得出的观测资料的线性组合。这 3 种算法的主要缺点是：一是当维数扩展到时间维时，在连接大气演变的非线性动力模式时， 其最优插值向时间维扩展是一个困难的问题；二是由于它毕竟是一种统计方法，利用它所 得到的分析场就会过于平滑，这就有可能抑制对于中尺度预报而言十分重要的中小尺度过 程，不太适合用于中尺度数值模式旧1 。 ( b ) 变分同化方法。变分同化最早由s a s a k i ( 1 9 7 0 ) 引入客观分析中，三维变分定 义为一个以分析值和背景值及分析值和观测值之间的距离平方成正比的目标泛函。它将动 力约束和资料约束以及不同时刻的观测资料统一考虑，其目的是使分析场与观测场的偏差 达最小。l o r e n c ( 1 9 8 6 ) 基本最优线性估计理论证明了最优插值与三维变分的等价，但是 变分同化更能体现复杂的非线性约束关系，可在目标函数中包含物理过程，并以模式本身 作为动力约束，因而变分同化结果具有物理的一致性和动力的协调性。由于三维变分只在 一个时刻同化在该时刻或临近时刻的观测资料，在时间维不是最优，四维变分是三维变分 在时间维的拓展，利用模式作为约束，在一段时间内，寻找模式状态的最佳轨迹，各个变 量间更加协调。但是四维变分每次极小化过程需要计算模式的伴随模式，计算量非常大口1 。 ( c ) k a l m a n 滤波( k f ) 与集合k a l m a n 滤波( e n k f ) 。卡尔曼滤波是另外一种用于气象 资料同化的统计学方法1 9 6 0 年由数学家k a l m a n n 提出，1 9 6 5 年j o n e s n 引。，首次将k a l m a n 滤波引入气象学，6 0 年代末到7 0 年代初，e p s t e i n n 3 1 提出的“随机动态预报”、p e t e r s e n n 钔 提出的“最优顺序分析”进一步将k a l m a n 滤波应用于气象学领域，但他们的工作对业务实 践并没有产生多大的影响。而之后，纽约大学科郎( c o u r a n t ) 研究所的一个研究小组( g h i l 等n 5 1 ) ，开始致力于在气象数据同化中运用k a l m a n 滤波的研究并取得了一定成果，他们的 工作促进了k a l m a n 滤波在气象学领域的推广与流行。 上世纪9 0 年代初期，c o h n n 引、d e e n 7 1 等分别开始用系统理论的状态估计的观点去理解 数据同化，其方法就是k a l m a n 滤波。对于完美的线性模式，k a l m a n 滤波的同化效果等价 于伴随变分同化( l o r e n c ，1 9 8 6 ) 1 8 1k a l m a n 滤波也被认为是解变分方程的一种方法n 引。 虽然k a l m a n 滤波的原理并不复杂，但具体实施起来却有相当的难度。其一，k a l m a n 滤波中的模式误差较难给定：其二，计算模式预报误差协方差矩阵是k a l m a n 滤波算法的核 心，这需要2 n ( n 是模式控制变量的维数) 倍的模式积分时间和n x n 维矩阵的存贮空间， 4 意味着要付出昂贵的计算时间与占用大量的机器内存( e h r e n d o r f e r ，1 9 9 2 ) 。 近年来，集合卡尔曼滤波( e n k f ) 同化技术越来越受到人们的重视和欢迎。e n k f 技术是 在k f 技术基础上发展起来的，但两者的不同之处在于：k f 同化技术通过误差协方差递推 方程来计算模式预报误差协方差矩阵，而e n k f 同化技术则利用集合预报思想，通过预报集 合得到预报误差协方差矩阵，很好地克服了k f 技术计算量大的缺点，并且不受到线性模式 的限制。e n k f 同化技术最早由e v e n s e n ( 1 9 9 4 ) 位已提出，随后不断发展并在各种资料同化 应用中取得成功。e v e n s e n 幢引的l o r e n z 方程同化个例表明，e n k f 可以跟踪相移，并用实际 的误差估计找到一致解。h o u t e k a m e ra n dm i t c h e l l ( 1 9 9 8 ，2 0 0 1 ) 乜3 1 对e n k f 作了一些改进： 采用两组预报集合，其中一组集合的统计量用来更新另一组集合；模式积分过程中吸入新 信息来更新模式误差参数，减小模式误差。k e p p e n n e ( 2 0 0 3 ) 砼4 1 应用e n k f 将合成高度表资料 同化到两层浅水模式，并实现了e n k f 在计算机上的并行运算。 ( 4 ) 统计动力法。统计动力法是一种间歇资料同化方案，它综合利用最优插值法的统 计特性和数值模式的动力特性对不同时次、不同类型的资料进行同化。具体做法是：第一步， 以预报值为初估场，用最优插值法将指定时刻前后3 h 内的所有观测资料做一次客观分析， 得到初步同化后的分析场：第二步，对客观分析结果作初始化处理，使各要素场之间相互协 调，以减小资料更新对模式的冲击；第三步，将处理后的初值带入模式预报，使资料进一 步与模式动力学协调一致。模式同前积分6 h ，为下一个循环周期的客观分析提供初值，或 积分2 4 h 或4 8 h 作例行预报。这种同化方法的基本思想是，模式与资料都存在误差，每6 h 用最优插值法作一次客观分析，可不断利用资料对预报偏差进行修正。而在6 h 的模式积分 过程中，则是利用模式的动力特性对资料进行调整，其特点如下：采用最优插值法，可以自 动考虑不同类型资料的特性和误差；以6 h 为一个同化周期，增加了指定分析时刻的质量； 每6 h 做一次资料更新，并经过初始化处理，可以有效避免连续资料同化中出现的重力波冲 击和排斥现象；各个同化周期的资料通过数值模式的调整，可与模式动力学在时间和空间 上达到协调一致。但是这种同化方法仍然存在两个缺陷：一是将一个同化周期内的所有资料 都作为指定时刻的资料使用，不能充分利用多时次资料中所包含的时间演变信息；二是不 能对大量非模式变量的资料直接进行同化n 1 。 5 1 2 2 变分同化研究进展 变分同化最早由s a s a k i 引入客观分析中。三维变分定义为一个以分析值和背景值及分 析值和观测值之间的差值的平方成正比的目标函数，它将动力约束和资料约束以及不同时 刻的观测资料统一考虑，其目的是使分析场与观测场的差值达到最小。l o r e n c 基本最优线 性估计理论证明了最优插值与三维变分的等价。l e w i s 和d e r b e r ，l e d i m e t 和 t a l a g r a n d ，c o u r t i e r 和t a l a g r a n d 采用伴随方法，提出了四维变分同化方法( 4 d v a r ) ， c o u r t i e re ta l 采用增量算法，对变分同化的实践有很大的推动作用。l o r e n c 在两维模式 中证明了增量算法的优越性。l o r e n c 指出增量算法是高分辨率格点变分分析系统所必须的 方法，随后e c m w f 和n m c 相继在业务上采用三维和四维变分同化方法。变分同化背景场误 差协方差矩阵b 是静态的，随着集合卡尔曼滤波( e n k f ) 同化方法出现，e n k f 的背景场误 差协方差矩阵b 具有f l o w - d e p e n d e n t 优点，人们想到了两种方法的结合，于是集合变分方 法出现了。h a m il l 和s n y d e r ，b u e h n e r 利用统计的静态的背景场误差协方差矩阵b 和e n k f 中集合成员统计的f l o w - d e p e n d e n t 误差协方差矩阵b 线性组合，改进3 d v a r 的误差协方差 矩阵b ，结果有利于预报水平的提高我国学者在资料同化方面也作了很多卓有成效的工作。 早在1 9 5 8 年，顾震潮就提出在数值预报中引入历史资料的观点；丑纪范把数值预报中使用 多时刻观测问题转化为等价的泛函极值问题，然后拓广解的概念，引进广义解，并且证明在 h i l b e r t 空间内，广义解比原来作为初值问题的正规解更接近真实。黄思训等将正则化思想 引入到变分同化技术中来，分别在不同的海洋数值模式中进行了同化试验，结果表明，无 论是目标函数的下降速度还是迭代收敛速度以及解的精确度都得到了明显的改进。庄照荣、 朱江对三维变分中的线性平衡改进为非线性平衡方案，分别应用到大气和海洋资料同化中， 能够提高强涡旋系统中三维变分同化分析场的质量。这些研究和探讨对建立完整的数值预 报和数据同化系统具有极其重要的指导和借鉴意义雎。 1 3 云迹风资料的应用研究进展 l em a r s h a l l 等n 5 用不同同化方法在1 2 小时同化窗中同化每小时的红外通道云迹风资 6 料，做2 4 小时预报，结果表明加入高时空分辨率的红外通道云迹风资料的变分同化法比准 牛顿同化法更能准确地预报热带气旋路径。b h a t i a 等但6 1 使用水汽通道的云迹风资料和有限 区域模式来预报印度洋地区的台风路径，取得了较好的效果。周兵等口7 1 用m m 5 模式中的最 优插值方法同化云迹风资料，并对长江中下游暴雨进行预报，指出同化云迹风资料能有效 地改善高空风场质量和降水预报质量。冯业荣啪1 利用云迹风并结合实测风，从涡度方程出 发，对热带气旋进行诊断分析，得出云迹风为热带气旋的业务预报提供了重要的参考依据。 张守峰等啪1 将云迹风的观测资料和背景场资料用多变量最优插值方法进行客观分析，然后 在分析场上嵌入轴对称的人造台风模型，在此基础上运行台风数值模式，做台风路径预报 试验，证明用云迹风资料订正客观分析风场对台风路径预报有比较明显的改进。王栋梁等 汹3 通过一系列四维变分同化试验对g m s 一5 卫星资料反演的云迹风资料在西北太平洋热带气 旋的初始化及路径数值预报中的作用进行研究，结果表明云迹风资料对台风路径预报有一 定的改善。黄彦斌等利用卫星云迹风资料对r e m 中尺度数值模式进行改进初始场的研究， 结果表明：使用云迹风资料，可以改进中尺度数值模式的初始风场，提高了模拟的精度。 庄照荣等呤2 1 研究云迹风资料对三维变分同化分析场及台风预报的影响，结果表明云迹风资 料可以提高分析场和预报场中风压场的质量，在台风预报试验中可以更准确地预报台风的 路径和降水。 i 4 研究目的和内容 1 4 1 研究目的 采用三维变分同化方法，将不同通道的云迹风资料和质量控制后的云迹风资料加入到中 尺度模式w r f 中，考察对模式初始值的改善作用，并在此基础上，应用台风个例进行数值 模拟试验，以此来考察云迹风资料在台风模拟中的作用，进一步探讨其在台风暴雨预报试 验中如何合理使用云迹风资料。 7 1 4 2 研究方法和内容 本文尝试利用美国新一代中尺度w r f 模式及对应的三维变分系统，同化入云迹风资料， 对模式得到的初始场进行订正，然后对台风个例“碧利斯”进行数值模拟试验，对比同化 前后的初始场，研究了云迹风资料同化对各物理量场的改善情况，进行了同化后的误差分 析场，对同化后得到的模式预报场和台风暴雨的分布等加以对比分析，并在此基础上，从 天气学角度出发分析，初步探讨了台风登陆减弱为热带低压后的引起的暴雨机制，希望能 为提高这一类台风的预报效果提供一点线索。 8 第二章w r f v 2 1 模式及其三维变分同化系统介绍 2 1 引言1 聊r f ( w e a t h e rr e s e a r c hf o r e c a s t ) 模式系统( 图2 1 ) 是由美国研究、业务及大学的 科学家共同参与开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。w r f 模式系统的开发计划 是1 9 9 7 年由美国国家大气研究中心( n c a r ) 中小尺度气象处、国家环境预报中心( n c e p ) 环境 模拟中心、预报系统实验室( f s l ) 的预报研究处和奥克拉荷马大学的风暴分析预报中心四单 位联合发起建立的，由国家自然科学基金和国家海洋大气局( n o 从) 共同支持。该项计划发起 后，得到其它研究部门、大学、美国宇航局( n a s a ) 、美国空军和海军、环保局等单位的响应， 并共同参与开发研究工作，为新的科研成果运用于科研和业务、促进各单位的合作，正在起 到积极的作用。 w r f 模式系统将成为改进从云尺度到天气尺度等不同尺度重要天气特征预报精度的工 具。水平分辨率重点考虑l l o k m 。因此，模式包含高分辨率非静力应用的优先级设计、大 量的物理选择、与模式本身相协调的先进的资料同化系统。模式将结合先进的数值方法和 资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理 位置的能力。它将很好的适应从理想化的研究到业务预报等应用的需要，并具有便于进一 步加强完善的灵活性。 w r f 模式作为一个公共模式，由n c a r 负责维护和技术支持，免费对外发布。第一版在 2 0 0 0 年1 0 月发布，此后又多次发布改进版本。2 0 0 4 年6 月发布了第二版，包括多重区域， 灵活的比率，单重和双重嵌套，与之协调的3 d v a r 也已释放，选择的初始化从m m 5 预处理得 到。 9 图2 1w r f 系统的基本组成结构图 2 2w r f 中尺度模式介绍 陬f 初始化部分为w r , f s i ( 腿fs t a n d a r di n i t i a l i z a t i o n ) ，由其确定地图投影、模式区 域、模式分辨率与格点数、地形高度、下垫面特征等模式参数。w r f - v a r 目前使用的是w r f 3 d v a r 系统，目前正在开发w r f4 d v a r 系统。在w s f 中包含两个动力模块，a r w ( t h ea d v a n c e d r e s e a r c hw r f ) 是由n c a r 基于e u l e r i a n 质量坐标开发的模式架构，n m m ( n o n h y d r o s t a t i c m e s o s c a l em o d e l ) 是由n c e p 开发的模式架构。本章主要介绍a r w 模块。a r w 目前为显式分 离的欧拉模式，它分为地形追随质量( 气压) 坐标和高度坐标( 理想模块) ，其中气压和温度是 由热动力方程诊断出来的。模式的控制方程是全弹性的欧拉非静力平衡方程，但仍保留有静 力平衡选项。水平方向采用h r a k a w ac 型跳点网格，运用了高分辨率的地形和下垫面分类资 料，采用时间分裂积分的3 阶r u n g e - k u t t a 方案，太阳短波辐射方案和大气长波辐射方案等。 模式的水平分辨率、垂直方向层次、积分区域及各种物理过程可根据用户需求调整。 1 0 2 2 1 基本动力框架( w r f v 2 1 2 ) w r f 中尺度模式采用地形追随的静力气压垂直坐标，这个坐标也被称为质量垂直坐标。 w r f 模式水平格点采用a r a k a w ac 格式。模式的时间积分方案采用的是时间分裂的积分方 案，即低频波部分采用3 阶r u n g e k u t t a 时间积分方案，高频声波部分采用小时间步长积分 扰动变量控制方程组以保证数值稳定性。另外，模式离散化格点方案采用a a k a w a - c 格式。 2 2 2 主要物理方案 在当前w r f 模式中，包含了辐射、边界层、陆面过程参数化、积云对流参数化和微物理 过程等多种适合研究和预报应用的方案。 微物理过程： ( 1 ) k e s s l e r 方案( k e s s l e r ，1 9 6 9 ) ，这是一个简单的暖云方案，来自于c o m m a s 模式，忽 略了液体水与冰相之间的相变过程，它包括水汽、云水和雨它含有雨的产生、降落 和蒸发过程，云水的增长和合并过程以及凝结产生云水等微物理过程 ( 2 ) l i n 方案( l i ne t a l ，1 9 8 3 ；t a o ，1 9 8 9 ) ：各种产生项的参数化方案来自于p u r d u e 云 模式，主要由l i n 1 和r u t l e d g e 及h o b b s ，并作了适当修改，包括饱和调整和 冰晶沉降( t a oe ta 1 口7 1 ，1 9 8 9 ) ，主要包含六类水汽相态：水汽、云水、雨、云冰、 雪和霰。这个方案是w r f 模式中相对成熟的微物理方案，比较适合于研究应用。 ( 3 ) w s m 3 方案( h o n g 汹1e ta l ，2 0 0 4 ) ，这是一个简单冰相方案。由w r f v l 版中n c e p 3 方案改进而来包括i c es e d i m e n t a t i o n 以及另外一些冰相过程，方案中根据冰晶质 量比含水量对冰晶数浓度进行诊断。水物质主要有三类包括：水汽、云水冰和雨 雪这个方案被称为简单冰相方案，是因为云冰和云水大体上被认为是同一种物质， 仅由温度来区分他们，即认为在温度小于等于冰冻温度的情况下只能有云冰存在，否 则认为只有云水存在雨和雪的处理也是类似。尽管包括了冰相过程，但是它的运行 效率仍然很高，可以用于业务运行。 ( 4 ) w s m 5 方案，这个方案取代了原来w r f 第一版中n c e p 5 方案，与w s m 3 类似也包含了简 单的冰相过程，但它允许过冷水存在以及雪下落到融化层下时缓慢融化。 ( 5 ) w s m 6 方案，包括了雹及相关的物理过程，这些过程和l i n 方案比较接近，但在增长的 计算和一些参数的选择上有所不同。 ( 6 ) e t a 格点尺度云和降水方案( r y a n ，1 9 9 6 ) ：这个方案改变了模式中水汽和冷凝物的 平流输送。在雪、霰或者冰雨形成中，它可以提取局地云水、雨、云冰和冰水密度变 化的第一猜测信息。这样能够快速调整微物理过程，以适应大时间积分步长。 ( 7 ) t h o m p s o n 方案( t h o m p s o ne ta l ，2 0 0 4 ) ，包括6 种水物质。该方案易报大雪和霰的 总量，报小出流区的含冰量，较难准确预报冻雨。 积云对流方案： ( 1 ) 新k a i n f r i t s c h 方案( k a i na n df r i t s c h ，1 9 9 0 ，1 9 9 3 ) ，是k f 汹3 方案的修正方案此 方案使用一个包含湿上升和下沉气流的简单云模式，包括卷出、卷吸、气流上升和气 流下沉现象以及相对简单的微物理过程。 ( 2 ) b e t t s - m i l l e r j a n j i c 方案，这个方案来自e t a 模式，是从b e t t s m i l l e r 对流调整 方案4 1 ，捌发展而来，它在决定热量和湿度的目标廓线上规定引入额外自由度的“云 效率”，浅对流调整是该参数化方案的一个重要部分。 ( 3 ) g r e ll d e v e n y i 集合方案，该方案在每个格点上运行多个积云对流参数化方案和变量。 对结果做一个平均反馈给模式。 长波辐射： ( 1 ) r r t m 方案：r r t m 方案取自埘5 模式，采用了m l a w e re ta 1 的方法h 幻。它是利用一 个预先处理的对照表来表示由于水汽、臭氧、二氧化碳、其它气体以及云的光学厚 度引起的长波过程。 ( 2 ) g f d l 长波方案：此方案是g f d l 的长波方案，测试时用于e t a 模式。它是一个全球 模式的谱方案，也要运用一个预先设置的对照表。 短波辐射： ( 1 )简单短波辐射方案：此方案采用d u d h i a 的方法m 1 ，也是取自删5 模式。它是简单 的累加由于干净空气散射、水汽吸收n 别、云反射和吸收所引起的太阳辐射通量。采 1 2 用s t e p h e n s 的云对照表删 ( 2 ) g o d d a r d 短波方案：它是由c h o ua n ds u a r e z h 刀和c h o ue ta 1 发展的一个复杂的 光化学方案。 ( 3 ) g f d l 短波方案：此方案是g f d l 的短波方案，测试时用于e t a 模式，采用l a c i sa n d h a n s e n 的参数化方法。m 1 表面层： ( 1 ) 相似理论：此方案运用稳定性函数( p a u l s o n m l ；d y e ra n dh i c k s m l ；w e b b ) 来计算 热量、水汽和动量的表面交换系数。 ( 2 ) m y j 方案：此方案嵋1 5 2 1 的实现也是基于相似理论。此方案包括亚表层的粘性参数化。 表面通量采用迭代法计算，并用b e l j a a r s 修正法啼引来避免在不稳定表面层和无风时 出现的奇异性。 陆面过层： ( 1 ) 热扩散方案：此方案是基于m m 5 的5 层方案而实现的。土壤层分别为l ，2 ，4 ，8 ， 1 6 c m 厚。在这些层以下温度固定为平均值。能计算包括辐射、感热、潜热通量。此 方案还可适用于雪盖和分裂的短时间步长。 ( 2 ) o r e g o ns t a t e e t a 方案：此方案是一个能预报冠层水汽和雪盖的4 层土壤温度和湿 度模式瞰1 。此方案包括提供感热和潜热通量给边界层方案。 边界层参数化： ( 1 ) m r f 方案：此方案采用h o n g & p a n 陷朝描述的方法。他利用不稳定状态下热量个水汽的 所谓的反梯度通量理论。它运用了加大的边界层垂直通量系数，且边界层高度由临 界理查逊数决定。 ( 2 ) y e l l o r y a m a d a - 3 a n j i c 湍流动能方案：此反感用边界才能和自由大气中的湍流参数 化过程代替m e l l o r y a m a d a 的2 5 阶湍流闭合模型。 次网格湍流扩散： ( 1 ) 简单扩散方案：此方案运用k 理论，其中k 为常数。水平动量湍流系数取常数k h d i f ， 垂直动量湍流系数取为k v d i f ，热量湍流系数取为湍流系数的三倍。 1 3 ( 2 ) 应力变形方案：根据w r f 模式的控制方程，推导出与之相应的带应力项的次网格扩 散方程。方案中可选用三种不同的湍流扩散系数：常数、湍流动能的函数以及变形 的半径的函数。当取为常数时，水平和垂直扩散系数与简单扩散方案去指向同，但 用变形应力系数代替热量湍流系数。而变化的湍流扩散系数则取决于预报的湍流动 能祸s m a g o r i n s k y 的诊断项的大小。 2 2 3 模式的流程结构 w r f 模式程序具有操作的可移植性、可维护性、扩展性、易读性、运行结构性和互用 性等特点，并且可在带边界条件和嵌套的有限区域模式中重复使用。这种模块化的、结构化 的程序设计思想允许多个动力框架、物理过程同时并存。它的软件设计和开发充分考虑适 应可见的并行平台在大规模并行计算环境中的有效性，可在分布式内存和共享内存两种计 算机上实现加工的并行运算，模式的耦合架构容易整和进入新地球系统模式框架中。 在程序结构设计上，w r f 模式采用三重结构，包括驱动层( d r i v e rl e v e l ) 、中介层 ( m e d i a t i o nl e v e l ) 和模式层( m o d e ll e v e l ) 。调用结构的最高层是驱动层( d r i v e rl e v e l ) ， 最低层为模式层( m o d e ll e v e l ) ，中介层( m e d i a t i o nl e v e l ) 位于驱动层和模式层之间。最高 层驱动层负责控制初始化、时间步长、输入输出( u o ) 、预报区域、维持嵌套、程序安装管 理和并行计算等等：模式层主要是数值天气预报的预报方程、物理过程等源代码部分，该部 分允许用户修改和添加自己的程序而不影响整体功能；中介层主要负责将驱动层和模式层 连接起来，该层里包括了驱动层和模式层的连接信息。其程序结构设计如图2 2 所示： 1 4 jl c o n f i g 韶分 。， | 中介层c d t5 t t 。n 王e v e l ，输入输出( i 0 ) 一、 ， 并行接口等 f + 图2 2w r f 模式的程序结构设计 w r f 模式应用了继承式软件设计、多级并行分解算法、选择式软件管理工具、中i 耵 软件包( 连接信自，交换、输入输出以及其他服务程序的外部软件包) 结构，并将有更为 先进的数值计算和资料同化技术、多重移动套网格性能以及更为完善的物理过程( 尤其是对 流和中尺度降水过程) 。因此，w r f 模式将有广泛的应用前景，包括在天气预报、大气化学、 区域气候、纯粹的模拟研究等方面的应用，它将有助于开展针对我国不同类型、不同地域天 气过程的高分辨率数值模拟，提高我国天气预报的准确性。 w r f 模式系统包括标准初始化( s i ) 模块，处理常规和非常规观测资料的资料同化模块， 预报模式以及模式产品后处理模块( 图2 3 ) 。其中标准初始化模块包括对标准格点资料的 预处理和地形资料的处理；观测资料同化模块包括对各种常规和非常规资料的预处理及三 维( 四维) 变分同化：预报模式对积分区域内的大气过程进行积分运算；后处理部分对模式 积分结果进行分析，将各种物理量转化到等压面和等高面上，并转化成各种绘图软件所需要 的格式。 1 5 图2 3w r f 模式系统的业务流程 2 3w r f 三维变分同化系统介绍 2 3 1w r f - 3 d v a r 主要特点和结构 w r f 三维变分系统是在心5 的三维变分系统的基础上发展起来的，该系统目前可以同 化绝大部分的常规资料，以及部分非常规资料 w r f 同化系统的主要特点有： ( 1 ) 目标函数采用增量形式 ( 2 ) 下降算法有共扼梯度法和拟牛顿法两种 ( 3 ) 分析增量采用不交错的a 网格 ( 4 ) 水平背景场误差由递归滤波( 区域) 和能量谱( 全球) 表示，水平和垂直误差不可分离 ( 5 ) 多种背景场误差和控制变量供选择 ( 6 ) 目标函数背景项用u 来预处理( b = u u ) ( 7 ) 用n m c 方法估计背景场误差 1 6 ( 8 ) 三维( 四维正在发展中) ，全球和区域统一，并适用于多种模式 据l o r e n c ( 1 9 8 6 ) 三维变分可以归结为如下的表达式： 1 j ( x ) = 去 ( x - x b ) t b j ( x - x b ) + ( h ( x ) -