WRF模式產品精細化預報初探

高 偉,胡振菊,彭柏池,陳 科

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

WRF模式產品精細化預報初探

高 偉,胡振菊,彭柏池,陳 科

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

以新一代中尺度模式WRF模式產品為基礎,將各鄉鎮站點轉換成平面坐標,通過反距離加權法插值得到精細化預報要素值。采用 GIS系統對各鄉鎮預報要素進行地圖、表格、時序圖方式顯示,可以直觀、精確的得到WRF精細化預報產品。通過個例分析,表明WRF精細化雨量預報在時間、空間、量級上與實況基本一致,對于過程降水、對流性降水的降水趨勢、降水分布及過程技術總結都具有一定的指導意義,做到了WRF模式產品與 GIS相結合,將預報產品精細化到鄉鎮。

精細化預報;WRF;反距離加權法

1 引言

面臨目前氣象公共服務均等化與城鄉一體化的迫切需求,隨著社會不斷發展和科技不斷進步,精細化預報已成為未來天氣預報發展的必然趨勢,發展完善精細化預報業務已成為天氣業務改革的重點任務之一。

2 模式簡介

高分辨率的中尺度數值預報模式是精細化預報的基礎。作為中尺度氣象的一個重要的研究和應用手段,中尺度數值模式已日趨成熟且普及。在國內外采用的眾多中尺度數值預報模式中,WRF (Weather Research and Forecasting)模式是美國氣象界在繼開發MM5數值模式之后,再一次聯合開發的新一代高分辨率中尺度數值模式,它的設計目的是用于業務天氣預報和大氣研究需要。模式結合了先進的數值方法和資料同化處理技術、經過改進的物理過程方案(尤其是對流和中尺度降水系統的處理部分),同時具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力。WRF模式系統具有可移植,可擴充,高效率,方便等特點,將成為改進從云尺度到各種天氣尺度的重要天氣特征預報精度的工具。

3 產品開發目的

常德市氣象局于 2009年5月引入WRFv3.1,每天運行 2次,運算時間大概 6h。WRF模式運算完后,生成模式層原始數據,然后通過WRFTOGRADS將netCDF格式的原始數據轉換成 GRADS格式的等壓面數據。數據文件有 13個預報要素,其中 8個要素有 19層,5個要素 1層,預報時效 72h,分 13個時段,每段 6h,格點數 120＊120,格點間距 9Km。

WRF模式產品一般用 Grads畫圖,不能直觀反映站點預報,我們對WRF產品進行精細化開發,目的是:

①以網格數據為基礎,通過相應算法進行插值,得到指定經緯度站點(各鄉鎮)的氣象要素值;

②建立數據庫,對所需要素值進行自動入庫保存;

③采用 GIS平臺通過地圖、表格、曲線圖形式顯示各站點氣象要素。

4 插值算法

反距離加權插值 (Inverse Distance to a Power),也稱距離倒數乘方法。距離倒數乘方格網化方法是一個加權平均插值法,可以進行確切的或者圓滑的方式插值。其公式為

式 (1)中,Z是估計值,Zi是第 i(i=1,…n)個樣本,Di是距離,ρ是距離的冪,它顯著影響內插的結果,它的選擇標準是最小平均絕對誤差。

考慮到全市各鄉鎮站點不同的地理位置和環境的差異,在獲取WRFTOGRADS網格數據后,我們將各個鄉鎮站點的經緯度轉換為平面坐標,通過反距離加權法對數據進行插值。

圖 1 桃源縣佘家坪所處平面網格層中的坐標

根據式(1)、圖 1所示對佘家坪最近 4個格點插值為:

5 數據庫結構

采用 SQLServer數據庫,由WRF精細化預報產品庫、中小尺度臺站實況庫和臺站參數庫組成。WRF精細化預報產品庫由站號、預報要素名、預報起始日期、預報時效、要素高度層組成;中小尺度實況庫直接用全市中小尺度實況數據庫;臺站參數庫由各個鄉鎮站點的站名、站號、經緯度、海拔高度、省、市州、縣等組成。

WRF模式運轉完畢,生成的數據產品經過插值后,可通過后臺程序自動或者手動入庫到 SQLServer的WRF精細化預報產品庫,如圖 2所示。

圖2 WRF產品數據自動入庫平臺

6 產品顯示平臺

WRF精細化產品應用顯示平臺是基于 GIS的平面顯示系統,采用ADO組件與數據庫連接,通過選擇日期時間、要素類型、要素層次、時間段可方便快捷查詢WRF精細化預報產品。

查詢顯示有地圖查詢、表格查詢和時序查詢 3種類型。地圖查詢有對地圖放大縮小、顯示站名、要素名、等值線劃分、色斑著色、導出產品等功能;表格查詢可以對查詢結果進行要素類型、區域、要素值過濾顯示,對要素值進行分級統計顯示,對所需結果進行文檔導出打印;時序查詢可對單個鄉鎮站點進行單要素類型未來 72h、13個時段的曲線圖或柱狀圖顯示,對單要素的多層數值可以同時顯示在同一曲線圖上,可對顯示結果進行導出和打印。

圖 3 WRF精細化產品應用顯示平臺地圖顯示

7 個例檢驗

2010年6月6—8日,受高空低槽和地面倒槽的共同影響,常德澧水流域普降暴雨,沅水流域以大雨為主,并伴隨有雷暴天氣,強降水主要集中在 7日晚到 8日上午。據全市區域自動氣象站資料分析,7日 08時—8日 08時,常德全市共出現 51站次暴雨,37站次大暴雨,最大降水出現在臨澧文家鄉,達152.8mm。

從圖 4的雨量預報和實況可以看出:整體落區與實況基本一致,南部普降大雨,北部普降暴雨。特別是大暴雨、暴雨區域分布預報與實況吻合,集中在北部的澧水流域。

從圖 5的站點雨量預報與實況可以看出:除澧縣、安鄉雨量預報與實況相差較大,其它站點雨量預報基本上與實況一致。

圖 4 2010年6月7日 8時 -8日 8時雨量預報與實況

圖 5 6月7日 08時 -8日 08時站點雨量預報與實況柱狀圖

從圖 4、圖 5分析可知,WRF精細化降水預報對這次過程的降水趨勢、降水分布及降水量級基本上與實況吻合,雖然降水區域預報上整體稍微偏西、偏南,降水量級上個別站點與實況有一定相差,但是預報效果整體較好。通過 GIS平臺顯示,無論是在數值化還是可視化上,WRF精細化降水預報產品相對 GRADS畫圖都具有更加精確、更加直觀、更加明朗的優勢,對于全市的這次降水過程預報具有一定的指導意義。

8 結論與改進

相對于常規觀測資料,數值預報模式是提高預報質量的基礎。WRF精細化預報產品將WRF模式產品通過插值結合 GIS系統準確、直觀的展示在預報員面前,做到了將預報精細化到鄉鎮,在預報業務應用和技術總結中,具有一定的指導意義。雖然預報的結果還有一定的偏差,但在今后的WRF精細化預報開發中,我們將繼續完善預報質量檢驗方法,根據中小尺度站網資料和其他觀測資料的實況對預報進行插值和訂正。方法僅僅是初步研究的結果,隨著資料的積累和WRF模式精細化開發應用在實踐中不斷改進和完善,相信精細化預報效果會不斷提高,預報質量會不斷提升。

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B

2010-09-10

高偉(1979-),男,助工,主要從事短時預報、雷達機務和業務系統研發與應用工作。

1003-6598(2010)增刊 -0012-03