WRF模式中的微物理过程及其预报对比试验_闫之辉.pdf

WR F We a t h e r R e s e a r c hF o r e c a s t 模式系统是 由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行 开发研究的新一代中尺度同化预报系统 WR F模式 系统的开发计划是在1 9 9 7年由N C A R中小尺度气 象处 N C E P的环境模拟中心 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部门联合发 起建立的 并由美国国家自然科学基金和N O A A共 同支持 WR F模式系统具有可移植 易维护 可扩充 高效率 使用方便等诸多特性 使新的科研成果运用 于业务预报模式更为便捷 也使科技人员在大学 科 研单位及业务部门之间的交流变得更加容易 1 2 第1卷第6期 2 0 0 7年1 2月 沙漠与绿洲气象 D e s e r t a n dO a s i s Me t e o r o l o g y 研究论文 WR F 模式中的微物理过程及其预报对比试验 闫之辉 邓莲堂 国家气象中心 北京1 0 0 0 8 1 摘要 WR F We a t h e r R e s e a r c hF o r e c a s t 模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家 共同参与进行开发研究的新一代中尺度同化预报系统 本文主要对公开发布的WR F模式V 2 0 版本中使用的微物理过程方案进行简单介绍 并在国家气象中心建立的与T 2 1 3中期预报模式 相嵌套的预报系统的基础上 对不同微物理过程方案进行了降水预报对比试验和检验 对各方 案的降水预报性能进行初步评估 试验结果表明 总体预报效果L I N方案较好 而对流参数化方 案从降水落区预报和对流降水对总降水的贡献两方面看则是K F和N K F方案的预报效果较好 关键词 WR F模式系统 中尺度同化预报系统 微物理过程 水相物质 中图分类号 P 4 5 6文献标识码 B文章编号 1 0 0 2 0 7 9 9 2 0 0 7 0 6 0 0 0 1 0 6 D e s c r i p t i o no f M i c r o p h y s i c a l P r o c e s s e s i nWR FM o d e l a n d I t s P r e d i c t i o nE x p e r i m e n t Y A NZ h i h u i D E N GL i a n t a n g N a t i o n a l M e t e o r o l o g i c a l C e n t e r B e i j i n g 1 0 0 0 8 1 C h i n a A b s t r a c t T h eWe a t h e r R e s e a r c ha n dF o r e c a s t WR F p r o j e c t a sa na d v a n c e dm e s o s c a l ed a t a a s s i m i l a t i o na n df o r e c a s t s y s t e mi s d e v e l o p e dj o i n t l yb yal o t o f s c i e n t i s t s o f r e s e a r c hi n s t i t u t ea n d u n i v e r s i t y I nt h i s p a p e r t h em i c r o p h y s i c a l p r o c e s s s c h e m e s u s e di nWR Fm o d e l i nv e r s i o n2 0 w h i c hh a db e e np u b l i s h e dw a sd e s c r i b e ds i m p l y b a s e do nt h eWR Fm o d e l s y s t e mw h i c hn e s t e d w i t hT 2 1 3m e d i u m r a n g ef o r e c a s t m o d e l t h ep r e c i p i t a t i o nf o r e c a s t b e t w e e nd i f f e r e n t s c h e m e sw a s e x p e r i m e n t e dc o n t r a s t i v e l ya n dv e r i f i e d a n dap r e l i m i n a r ye v a l u a t i o nw a s p r e s e n t e dw i t hr e g a r dt o e a c hs c h e m e s E x p e r i m e n t a t i o ns h o w e dt h a t L I Ns c h e m ei nm i c r o p h y s i c s a n dK Fa n dN K Fs c h e m e i nc u m u l u s c o n v e c t i o n s w e r e b e t t e r t h a no t h e r s K e yw o r d s WR Fm o d e l m e s o s c a l ea s s i m i l a t i o na n df o r e c a s t s y s t e m m i c r o p h y s i c a l p r o c e s s e s a q u e o u s p h a s e m a t t e r 收稿日期 2 0 0 7 1 0 1 8 基金项目 国家科技攻关计划 奥运气象保障技术研究 课题 2 0 0 2 B A 9 0 4 B 0 5 资助 作者简介 闫之辉 1 9 5 4 男 正研级高级工程师 现从事模式物理 过程研究 E m a i l y a n z h c m a g o v c n 1 第1卷第6期 2 0 0 7年1 2月 沙漠与绿洲气象 D e s e r t a n dO a s i s Me t e o r o l o g y 研究论文 WR F模式是一个完全可压缩 非静力模式 控 制 方 程 组 为 通 量 形 式 模 式 的 水 平 网 格 采 用 A r a k a w a C格式 这种格式有利于在高分辨率模拟 中提高数值计算精度 模式的动力框架有3种不同 方案 前两个方案都采用时间分裂显式方案求解动 力学方程组 即模式中垂直高频波的求解采用隐式 方案 其他的波动则采用显式方案 这两种方案的 最大区别在于它们所采用的垂直坐标的不同 分别 是几何高度坐标和质量 静力气压 坐标 第三种动 力框架方案采用半隐式半拉格朗日方案求解动力方 程组 这种方案的优点是能采用比前两种模式框架 方案更大的时间步长 目前 前两种方案都已经实 现 而第三种方案还未发布 在未来的研究和业务预报中 WR 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 目前 在WR F模式开发的初 始阶段 仅实现了一些基本物理过程如辐射 边界层 参数化 积云对流参数化 次网格湍流扩散 以及云 微物理过程 格点可分辨尺度的降水过程 等方案的 调用 并且这些方案大多数是从其他模式移植过来 的 由于WR F模式重点考虑1 1 0 k m的水平网格 所以模式中的一些物理方案可能在此分辨率下不是 很理想 在WR F模式的发展计划中 未来将会实现 一套描述更为精细 合理的适合分辨率在1 1 0 k m 的模式物理方案 本文将在引入的WR F模式 3 V 2 0版 的基础 上 对WR F模式中使用的微物理过程进行简要介 绍 并使用国家气象中心中期同化预报系统T 2 1 3 的同化资料进行了应用性的降水预报对比试验 以 期在一定的分辨率条件下 对WR F模式在我国现 有资料条件下的预报效果及特性有所了解 1微物理过程基本方案简介 模式的微物理过程中共包含了7个基本方案 1 K e s s l e r方案 暖云方案 2 E t a n e w方案 E t a模 式的改进方案 3 WS M 3方案 4 WS M 5方案 5 WS M 6方案 6 L i n方案 7 T h o m p s o n方案 7 个方案中考虑的微物理过程简介如下 K e s s l e r方案 4 中与水相物质有关的预报量有 水汽混合比 云水和雨水 该方案为简单的暖云降 水方案 方案中忽略了液体水与冰之间的相变过程 云水的产生来自于水汽的凝结 遇不饱和层时产生 蒸发 方案中包含的微物理过程有 水汽的凝结 云 水向雨水的自动转换 雨水与云水的碰并 雨水的蒸 发 雨滴的下落速度参数化等 E t a n e w方案是N C E PE t a模式中的改进方案 在E t a n e w方案以前的方案 Z h a o C a r r方案 5 中 模 式变量中与水相物质有关的预报量有两类 云水 或 云冰 水汽的混合比 云水与冰的计算采用下列方 法 当T 0 时 由凝结过程产生的液体水生成云 水 当T 0 时增加了融雪的蒸发 雪的 融化也被允许在一定厚度的气层内缓慢进行 但 冰在温度 0 时立即融化 当T 4 0 时 云水立即 全部冻结 当T T 4 0 时 云水 雨水部分冻结 云水与冰 雨水与 雪可以共存 此时 云和雨水是过冷水 这里除了液 态水与固态水间的交叉碰并外 简单冰方案和复杂 冰方案的区别在于 简单冰方案的冻结和融化只在 冻结层 0 层 的相邻层发生 由于相变潜热的作用 在冻结层附近可能会出现温度反馈的不连续 复杂 冰方案中雪的冻结和融化允许在一定厚度的模式大 气中发生 温度反馈的分布也更加连续 合理 WS M 5方案是在N c l o u d 5方案的基础上进行了与 WS M 3方案相似的改进 L i n方案 8 是物理过程描述较为复杂的方案 方 案中与水相物质有关的预报量有 云水 雨水 冰 雪 霰和水汽 当T 0 时 云冰全部融化成云水 当温度介于两者之 间时 云水 云冰 雨水 雪 霰可以共存 在微物理 过程的描述中 雨水的生成包括了 云水向雨水的自 动转换过程 雨水与云水的碰并 雨水的蒸发 雨水 的冻结及被雪 霰的碰并 雨水与冰的相互碰并等 雪的生成过程主要包括 云冰向雪的自动转换 雪与 云水的碰并 雪和雨的碰并 雪与冰的碰并 雪的升 华和凝华 雪的融化 融雪的蒸发等过程 霰的生成 过程包括 雪向霰的自动转换 霰与云水的碰并 霰 与雨水的碰并 霰与云冰 雪的碰并 霰的融化 雨滴 的冻结过程 霰的湿增长过程 霰的凝华和升华过 程 融化霰的蒸发等过程 由于该方案中考虑了较 多的固态水变量 各变量之间 固态水与固态水之 间 液态水与液态水之间 液态水与固态水之间 的 碰并过程 碰并后产生的新的类别等考虑的较为复 杂 如在霰的生成过程中 就考虑了霰的干增长和湿 增长过程 所谓干增长即为霰与云 雨 冰 雪等的 碰并 碰并后全部生成了霰 而湿增长过程则在碰并 过程中考虑了相变 热传导等相互之间的热量平衡 各种碰并过程发生后可能其中一部分物质生成了 霰 另一部分由于热量平衡的原因无法冻结而生成 了雨水 这也是碰并过程中将云水转换为雨水的一 种有效途径 在霰的生成过程中 可根据碰并的情 况 最终在干增长和湿增长过程中选用霰增长较小 的参数化方案 WS M 6方案是在WS M 5方案的基础上增加了 预报变量霰 使水相物质的预报量达到了6个 由于 预报量的增加 微物理过程较WS M 5方案更为复 杂 方案中基本微物理过程与L i n 1 9 8 3 相似 但碰 并过程和一些经验参数的选择有所不同 可降冰 水 的融化 冻结 项的计算在下落质量通量的小步 长中进行 这样可以增加过程加热项的计算精度和 计算稳定度 T h o m p s o n方案 9 是R e i s n e r 1 9 9 8 方案 1 0 的改进 方案 该方案中预报变量在WS M 6的基础上增加了 冰的数浓度预报 由于数浓度不再通过经验关系计 算 微物理过程的计算更为准确 另外 单参数总体 微物理方案都简单地使用了与M a r s h a l l P a l m e r分 布有关的云水向雨水的突然转换 截距参数多取为 8 1 0 6 m 4 因此 液体水滴经历了一个从无沉降 大 多数总体微物理方案不考虑云滴的沉降作用 云滴 即刻转换到雨滴状态 这种假定几乎没给作为毛毛 雨滴的液体水滴与其它微物理变量如雪 霰和云水 进行相互作用的时间 代替这种过程的是雨滴作为 降水快速落向地面 很少有机会悬浮在上升运动较 为缓慢的层云中 该方案中雨滴分布函数依赖于雨 水混合比 这样就假定水滴经历一个从云滴尺度通 过毛毛雨滴最终变成雨滴的逐渐转换过程 使得雨 滴的下落速度较为连续 合理 2试验基本方案 为了检验在一定分辨率情况下各个微物理过程 在降水预报中的性能 我们选了2 0 0 5年8月的降水 过程进行了个例预报对比试验和实时资料预报检 验 试验中初始场和侧边界条件选用国家气象中心 中期同化预报系统T 2 1 3的同化资料和预报场 模 式框架选用了欧拉质量坐标 非静力 模式的水平 分辨率为2 0 k m 垂直分为3 5层等 面 时间积分 方案采用三阶精度R u n g e K u t t a积分方案 时间分 裂方案 时间步长取为1 2 0秒 预报时效为2 4 h 侧 边界采用时变松弛方案 每6 h更换一次侧边界条 件 模式中考虑的物理过程包括 地面通量和云对 辐射的影响 长波辐射采用了r r t m方案 短波辐射 采 用 了D u d h i a方 案 近 地 面 层 采 用 了M o n i n O b u k h o v方案 边界层方案采用了M R F方案 个例 试验中 首先选定了E t a n e w方案作为微物理方案对 积云对流参数化方案进行了对比 在对比试验的基 础上选定积云对流参数化方案 然后对格点可分辨 尺度中的微物理过程进行了对比和统计检验 陆面 闫之辉等 WR F模式中的微物理过程及其预报对比试验 3 第1卷第6期 2 0 0 7年1 2月 沙漠与绿洲气象 D e s e r t a n dO a s i s Me t e o r o l o g y 过程和雪盖效应模式中没有考虑 3试验结果分析 3 1积云对流参数化方案对比试验 在上面物理过程的基础上 格点可分辨尺度微 物理过程采用E t a n e w方案 积云对流参数化方案选 择了B M J B e t t s M i l l e r J a n j i c K F K a i n F r i t s c h N K F N e w K a i n F r i t s c h G D G r e l l D e v e n y i 4种方 案进行降水预报对比试验 图1给出了以2 0 0 5年8 月2日0 8时 北京时 为初始场采用不同对流参数 化方案做出的2 4 h累积降水量预报对比 从图中可 以看出 强降水主要出现在江淮地区 大到暴雨的强 降雨带从江苏 安徽中部到湖北 湖南交界处呈东西 向分布 两个暴雨到大暴雨的强降水中心分别位于 江苏 安徽中部和湖北南部 中心最大降水强度超过 了1 0 0 m m 另外 在主雨带西北方 从四川到陕西也 有一条以大雨为主的次强降雨带 雨带西段也出现 了大暴雨 对比图1 b 图1 c 图1 d 图1 e可以看出 4个方案都成功地预报了主要降雨带和次强降雨的 位置 但仔细分析可以看到 G D方案预报 图1 d 的 主雨带位置有些偏北 B M J方案预报 图1 b 的次强 降雨带西段预报略偏弱 而且这两个方案对中心最 大降水强度的预报也较实况偏强 1 0 0 m m以上降水 区面积偏大 K F和N K F则相对好一些 统计检验 结果也支持这一基本结论 为了检验降水量预报分布的合理性 我们分别 计算了强降水中心平均对流性降水和格点尺度稳定 性降水的分布 图2中给出了8月2日0 8时 3日 0 8时降水中东部沿海强降水中心区域各方案积云 对流降水和格点可分辨尺度降水平均值对比 图中 显示 对于中心强降水的预报 N K F方案主要由积 云对流降水构成 格点可分辨尺度降水占的比重很 小 G D方案则主要由格点可分辨尺度降水构成 对 流降水的贡献很小 K F和B M J方案在此例中虽然也 是对流降水稍强 但总体比例相差不大 3 2微物理过程方案对比试验 为了检验不同微物理方案对降水预报的影响 积云对流方案采用了K F方案 在此基础上 我们选 择 了N c l o u d 3 WS M 3 E t a n e w L i n WS M 6 T h o m p s o n 6个微物理过程方案 仍使用2 0 0 5年8月2日0 0 时的实时资料做初始场进行了降水量预报个例对比 试验 实况观测已由图1 a 给出 图3给出了6个 分别做出的降水量预报 仔细对比强降雨带的位置 可以发现 由两个简单冰方案 N c l o u d 3和WS M 3 做 出的预报 主要强降水中心位置报得明显偏北 尤其 是江苏 安徽中部的强降水中心报到了山东南部 次 强降雨带的位置也有些偏北 WS M 6和T h o m p s o n方 案对主要强降水带的预报也与简单冰方案的预报结 果相似 E t a n e w方案的预报基本报出了主要降雨带 研究论文 图1积云对流参数化方案降水预报对比试验 降水量 m m a为2 0 0 5年8月2日0 8时 3日0 8时降水观测实况 b为 B M J方案的2 4 h预报结果 c为K F方案的2 4 h预报结果 d 为G D方案的2 4 h预报结果 e为N K F方案的2 4 h预报结果 a b c d e 图2积云对流降水与格点尺度降水对比 4 的位置 但东段的预报偏北 而且降水强度偏弱 L i n 方案的预报则比较接近观测实况 图3降水预报与降水实况对比 降水量 m m a f分别为以2 0 0 5年8月2日0 8时为初始场由各方案做 出的2 4 h降水量预报 a为N c l o u d 3 b为WS M 3 c为E t a n e w d为L i n e为WS M 6 f为T h o m p s o n 3 3统计检验结果分析 在降水预报个例对比试验的基础上 我们选用不 同微物理过程方案进行了批量实时资料降水预报对比 试验 试验中使用的微物理过程方案包括 N C L O U D 3 WS M 3 H L 3 E t a n e w L i n WS M 6和T h o m p s o n方 案 其中 H L 3方案是中国气象科学研究院刘奇俊等人 开发的简单混合项显式云方案 试验时段为2 0 0 5 年8月1日 8月3 1日 图4给出了2 0 0 5年8月1日 8月3 1日的统 计评分结果 其中 图4 a为全国范围T s评分结果 图4 b为全国范围偏差评分 B 结果 图4 c华北地 区T s评分结果 图中o p方案是早期的试验结果 积 云对流和微物理方案采用了B M J和E t a n e w方案 检验结果表明 就全国范围而言 2 4 h降水预报效果 L I N方案和E t a n e w方案优于其它方案 尤其是对于 2 5 m m以上的强降水预报优势更为明显 4 8 h预报的 差别不太明显 比较而言L i n方案的预报效果在大 级别降水的预报中仍然稍好一些 但大暴雨的预报 则是WS M 6和T H O M S O N方案较好 总体而言 不 管是2 4 h预报还是4 8 h预报 o p方案在小级别的降 水预报中占有优势 分区检验结果与全国范围检验 结果有相似的结论 2 4 h预报L I N方案和E t a n e w方 案稍好一些 4 8 h预报 图略 则各有优劣 对于华北 地区检验结果表明 2 4 h预报效果各有优劣 比较而 言 T H O M S O N L i n和WS M 6稍有优势 而4 8 h预报 则是H L 3方案明显占有优势 4初步结论 通过个例试验和统计检验可得到以下几点初步 结论 1 试验表明 模式的本地化是成功的 6个微 物理过程方案 4个积云对流参数化方案运行稳定 预报结果可靠 合理 2 个例预报对比试验的结果表明 4个积云对 a b cd e f 图4 2 0 0 5年8月不同微物理过程降水预报 统计评分结果 a为T s评分结果 b为偏差评分结果 c为华北T s评分结果 a b c 闫之辉等 WR F模式中的微物理过程及其预报对比试验 5 第1卷第6期 2 0 0 7年1 2月 沙漠与绿洲气象 D e s e r t a n dO a s i s Me t e o r o l o g y 研究论文 流参数化方案基本上都成功地报出了江淮地区的强 降水落区 比较而言 K F和N K F方案的预报效果较 好一些 就对流降水与格点可分辨尺度降水对总降 水的贡献而言 G D方案对流降水较小 总降水主要 来自于格点可分辨尺度降水 N K F方案的降水则较 多的来自于对流降水 K F和B M J方案两者的贡献 比较接近 3 个例试验的2 4 h降水预报各方案基本上成 功地报出了江淮地区的强降水落区 降水中心的位 置及中心降水强度 比较而言 L i n方案对强降水中 心位置和强度的预报优于其它几个方案 E t a n e w方 案也有较好的表现 4 一个月的统计检验结果表明 对于2 4 h预报 而言 L i n方案和E t a n e w方案的预报效果明显优于 其它方案的预报 4 8 h预报各方案的差距不明显 从 多数量级的评分看L i n方案仍具有一定的优势 而 对于小级别降水预报 o p方案占有一定的优势 以上的初步结论仅由2 0 k m分辨率的模式版本 做出 试验时间只有一个月 更合理的检验结论和诊 断分析结果有待于今后进一步的工作完成 参考文献 1 D e v e l o p m e n t o f a n e x t g e n e r a t i o n r e g i o n a l w e a t h e r r e s e a r c h a n df o r e c a s t m o d e l A r g o n n eN a t i o n a l L a b o r a t o r yp r e p r i n t A N L M C S P 8 6 8 0 1 0 1 2 0 0 1 8 2 M i c h a l a k e s J J D u d h i a D G i l l D e s i g n o fan e x t g e n e r a t i o nr e g i o n a l w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t m o d e l T o w a r d sT e r a c o m p u t i n g Wo r l dS c i e n t i f i c R i v e rE d g e N e wJ e r s e y J K l e m p a n dW S k a m a r o c k 1 9 9 9 1 1 7 1 2 4 3 邓莲堂 王建捷 新一代中尺度天气预报模式 WR F 模式简介 J 天气与气候 2 0 0 3 4 K e s s l e rE O nt h ed i s t r i b u t i o na n dc o n t i n u i t yo fw a t e r s u b s t a n c ei na t m o s p h e r i cc i r c u l a t i o n J M e t e o r M o n o g r N o 3 2 A m e r M e t e o r S o c 1 9 6 9 8 4 p p 5 Z h a o Q F H C a r r A p r o g n o s t i cc l o u d s c h e m ef o r o p e r a t i o n a l N WPm o d e l s J M o n We a R e v 1 9 9 7 1 2 5 1 9 3 1 1 9 5 3 6 H o n g S Y H M H J u a n g Q Z h a o I m p l e m e n t a t i o n o fp r o g n o s t i cc l o u ds c h e m ef o r ar e g i o n a l s p e c t r