基于WRF模式對西安夏季不同性質(zhì)降水的數(shù)值模擬檢驗

郭慶元, 丁治英, 杜萌萌　 (.南京信息工程大學,江蘇南京 0044;.陜西省西安市氣象局,陜西西安 7006)

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基于WRF模式對西安夏季不同性質(zhì)降水的數(shù)值模擬檢驗

郭慶元1,2, 丁治英1, 杜萌萌2(1.南京信息工程大學,江蘇南京 210044;2.陜西省西安市氣象局,陜西西安 710016)

摘要[目的]了解WRF模式對西安地區(qū)夏季不同性質(zhì)降水的預報能力。[方法]基于西安地區(qū)氣象觀測站的實況數(shù)據(jù)、Micaps觀測資料、WRF實時預報數(shù)據(jù)，采用西安市氣象臺業(yè)務化運行的WRFV3.1對2011年7月21日和8月15日2次強對流天氣過程及9月5～6日區(qū)域性暴雨過程進行模擬分析。[結果]在暴雨預報中，模式對暴雨雨帶走向、落區(qū)、強度、強降雨中心位置以及強降水出現(xiàn)的時間段均與實況基本吻合,也可以較為準確地預報暴雨中對流層中低層風場的演變；在短時局地強降水中，模式對于降水的落區(qū)、發(fā)生時間有較為準確的預報，預報時效可達24～36 h。[結論]WRF模式能夠?qū)ξ靼驳貐^(qū)夏季不同類型降水進行預報，為氣象服務提供較為準確的預報支持。

關鍵詞WRF模式；夏季降水；模擬檢驗；西安地區(qū)

Numerical Simulation Test on Different Natures of Precipitation in Summer in Xi’an City Based on WRF

GUO Qing-yuan1,2, DING Zhi-ying1, DU Meng-meng2

(1. Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 210044; 2. Xi’an Meteorological Bureau of Shaanxi Province, Xi’an, Shaanxi 710016)

Abstract[Objective] To research the predictive capability of WRF mode to different natures of precipitation in summer in Xi’an City. [Method] Based on real-time data, Micaps observational data and WRF real-time prediction in meteorological station of Xi’an, we used WRFV3.1 business operation of meteorological station in Xi’an City to simulate and analyze the regional rainstorm process from September 5 to September 6, and the two strong convection weather processes from July 21 to August 15, 2011. [Result] During heavy rainfall forecast, rainband trend, falling area, intensity, heavy rainfall center, and occurrence time of heavy rainfall in modes were basically consistent with those of actual situation. It could accurately forecast the evolution of the low-level wind field in rainstorm troposphere. During short-term local heavy rainfall, this mode could accurately forecast the falling area and occurrence time of rainfall. And the period of validity reached 24-36 h. [Conclusion] WRF can forecast the different types of rainfall in summer in Xi’an City, and provide accurate forecast support for meteorological service.

Key wordsWRF model; Summer rainfall; Simulated test; Xi’an City

數(shù)值預報產(chǎn)品在天氣預報工作中的應用越來越廣泛，但存在一定的誤差，因此對數(shù)值預報產(chǎn)品進行定性和定量的檢驗就顯得十分必要[1-2]。汪君等[1]對比分析站點資料與WRF預報結果發(fā)現(xiàn)，WRF模式對江蘇如東地區(qū)72 h時效內(nèi)預報的風速時間序列和觀測資料的相關系數(shù)隨預報時效的增加而減小，但均能通過置信度檢驗，且冬季風速的預報結果相對于夏季更好。另外，模式的預報性能具有明顯的地域差別[2-3]。侯建忠等[2]對WRF模式5 km分辨率的降水預報結果進行檢驗，發(fā)現(xiàn)2005年8月1日～10月7日WRF模式對連續(xù)降水、晴轉(zhuǎn)雨、冰雹降水3種類型降水過程的模擬以及對于暴雨落區(qū)和強度的模擬效果均較好，利用逐6 h降水產(chǎn)品還可以確定集中降水的主要時段，為預報陜西暴雨和轉(zhuǎn)折性天氣提供新的參考依據(jù)。西安地區(qū)災害性天氣頻發(fā)，特別是暴雨和短時強降水天氣易造成城市內(nèi)澇等天氣，給人民的生活和生產(chǎn)帶來很大的影響。但前人有關WRF模式對西安地區(qū)降水的數(shù)值模擬研究較少，為此，筆者基于西安地區(qū)氣象觀測站的實況數(shù)據(jù)、Micaps觀測資料、WRF實時預報數(shù)據(jù)，利用新一代中尺度WRF模式對2011年汛期的區(qū)域性暴雨和短時強對流天氣過程進行模擬分析，了解WRF模式對西安地區(qū)夏季不同性質(zhì)降水的預報能力，為氣象服務提供技術支持。

1資料與方法

WRF是新一代的非靜力中尺度氣象模式，目前被廣泛應用于國內(nèi)科研和氣象預報業(yè)務中[4-6]。西安市氣象臺業(yè)務化運行的WRFV3.1在水平方向為三層嵌套、垂直方向為σ坐標不等距36層。模式初始場和邊界場均利用GFS資料(global forecasting system),資料的水平分辨率為1°×1°,時間間隔為6 h。模擬區(qū)域的中心經(jīng)緯度為108.93°E、34.30°N；三層區(qū)域的水平網(wǎng)格點數(shù)分別為100×100、112×100和100 ×100，相應的水平網(wǎng)格距分別為45、15、5 km。模式每天運行2次，積分分別由08：00和20:00起至72 h后結束。

基于西安地區(qū)氣象觀測站的實況數(shù)據(jù)、Micaps觀測資料、WRF實時預報數(shù)據(jù)，采用西安市氣象臺業(yè)務化運行的WRFV3.1對2011年7月21日和8月15日2次強對流天氣過程及9月5～6日區(qū)域性暴雨過程的降水、風場、物理量場等要素進行模擬分析,檢驗該模式在西安地區(qū)的模擬預報精度及其在氣象服務中精細化預報能力。

2結果與分析

2.12011年9月5～6日區(qū)域性暴雨過程模擬分析

圖1　2011年9月5日降水量實況(a)和WRF模擬(b)Fig. 1　Real-time rainfall (a) and WRF simulation (b) on September 5, 2011

圖2　2011年9月5日08：00～6日07:00模擬與實況的逐小時降水量對比Fig. 2　Comparison of hourly rainfall between simulated and real-time rainfalls from 08：00 of September 5 to 07:00 of September 6

2.1.1降水模擬。9月5～6日區(qū)域性暴雨落區(qū)主要集中在陜西關中地區(qū)，暴雨站數(shù)33縣(市)，最大降水量為寶雞眉縣的101 mm，此次降水是連陰雨過程中的暴雨, 雨強相對較均勻, 主要降水時段在5日15:00～19:00和6日02:00～04:00。以4月20日的GFS數(shù)據(jù)作為初始場模擬未來12～36 h(5日08:00～6日08:00)的降水量，將其與實況對比。結果顯示(圖1)，無論是WRF模式所預報的暴雨雨帶走向、落區(qū)、強度、強降雨中心位置以及強降水出現(xiàn)的時間段均與實況基本吻合；該模式能夠很好地模擬強降水發(fā)生在關中至陜南北部一帶，且在量級上與實況也較為一致，這對實際預報具有非常好的參考意義。類似于世園會的重大活動氣象服務對降水的精細化預報提出更高的要求，WRF可以提供逐小時的降水量預報，這為精細化服務提供了技術支持。從圖2可以看出，WRF模式很好地模擬了5日15:00～19:00和6日02:00～04:00的2次強降水時段，以及5日夜間降水相對較弱的時段，但模擬的2個強降水時段與實況略有時間差。暴雨中的強降水一般是中尺度對流云團的發(fā)展和移動所引起的，模擬與實況的時間偏差與對流參數(shù)化方案有關，選擇合適的參數(shù)化方案和參數(shù)化方案本身的精確性對精細化降水預報有重要意義。2.1.2暴雨過程中低層風場演變的模擬。研究發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)在陜西地區(qū)的大范圍的暴雨過程大多數(shù)均有低層(700、850 hPa) 偏南急流配合(即中尺度輻合系統(tǒng)存在)和高空(300 hPa)急流存在(即高空輻散和抽吸作用)，其低空急流和高空急流的位置對預報陜西暴雨的落區(qū)有較好的指示意義[7-9]。因此在分析WRF對9月5～6日區(qū)域性暴雨過程降水模擬的同時，重點模擬分析2次過程的700、850 hPa 系統(tǒng)演變和強弱變化。

9月5日暴雨過程發(fā)生的主要影響系統(tǒng)為700 hPa低渦切變線的東移和850 hPa偏東氣流的建立維持。5日20:00 700 hPa探空圖顯示(圖3a1)，陜南至關中有一低渦形成，6日20：00風場切變線東移南壓至陜南西部(圖3a3)，陜西省降水逐漸減弱停止。WRF對于低渦的形成和切變線的移動均有很好的模擬預報(圖3a2、a4)，同時由于WRF可以提供逐小時、5 km分辨率的風場演變圖，使預報員對于暴雨的產(chǎn)生和維持有更明確的認識。此次暴雨過程中850 hPa偏東氣流為暴雨的產(chǎn)生提供了至關重要的水汽條件。5日20：00(圖3b1)偏東北氣流與偏南氣流在陜西境內(nèi)匯合為一致偏東氣流，6日20：00冷空氣南下，一致偏東氣流被破壞，水汽通道阻斷，降水逐漸減弱(圖3b3)；WRF對850 hPa偏東氣流的建立、維持、加強與破壞的演變過程有較為準確和精細的模擬(圖3b2、b4)，特別是對偏東氣流被破壞時間的模擬，更有助于降水結束的預報。

2.22011年夏季強對流天氣過程的模擬分析夏季對流性降水以其尺度小、時間短、強度大成為預報中的難點，利用常規(guī)氣象資料來預報很難把握降水時間、強度和落區(qū)。高時空分辨率的WRF為短時強天氣的預報預警提供了很好的技術支持。在此選取西安地區(qū)夏季2011年7月21日和8月15日2個對流性天氣過程，分析WRF對于時間短、局地性強的中尺度天氣模擬能力。

7月21日04：00～07：00西安地區(qū)僅周至、戶縣、長安出現(xiàn)短時強降水。WRF以7月19日的初始場對此次短時強降水的落區(qū)、量值預報做出很好的預報(圖4)，表明模式有較長和較準確的預報時效,對實際預報具有很好的參考意義。8月15日21：00左右，西安出現(xiàn)雷暴，并伴有陣雨(21：27和21：46觀測到雷暴)。WRF以8月14日的初始場模擬15日21：00K指數(shù)、SI指數(shù)和垂直速度均表明西安地區(qū)發(fā)生強對流天氣的可能性很大(圖5)。K指數(shù)在西安存在一個45 ℃的高值中心，SI指數(shù)則存在一個-2 ℃的低值中心，2個能量指數(shù)均說明模式預報21:00西安地區(qū)存在較強的位勢不穩(wěn)定能量。模擬的垂直速度顯示(圖5c)，西安地區(qū)處于速度上升區(qū)，具備強天氣發(fā)生的條件。

注：a1、a2、b1、b2為5日20：00；a3、a4、b3、b4為6日20:00。a1、a3、b1、b3為實況；a2、a4、b2、b4為WRF模擬。Note: a1, a2, b1 and b2 were 20：00 on September 5. a3， a4, b3 and b4 were 20:00 on September 6. a1, a3, b1 and b3 were real time. a2, a4, b2 and b4 were WRF simulation.圖3　2011年9月5～6日700 hPa(a)和850 hPa(b)風場的實況及WRF模擬Fig. 3　Real time and WRF simulation of 700 hPa(a)and 850 hPa(b) wind fields from September 5 to September 6, 2011

圖4　2011年7月21日04:00～07:00區(qū)域站雨量實況(a)和WRF模式模擬(b)Fig. 4　Rainfall real time (a) and WRF simulation (b) in regional station from 04:00 to 07:00 of July 21, 2011

圖5　2011年8月14日20：00 WRF預報15日21:00的K指數(shù)(a)、SI指數(shù)(b)和垂直速度(c)Fig. 5　WRF forecast of K index (a), SI index (b) and vertical speed (c) of 21:00 of August 15 on 20：00 of August 14, 2011

3結論

該研究基于西安地區(qū)氣象觀測站的實況數(shù)據(jù)、Micaps觀測資料、WRF實時預報數(shù)據(jù)，采用西安市氣象臺業(yè)務化運行的WRFV3.1對2011年7月21日和8月15日2次強對流天氣過程及9月5～6日區(qū)域性暴雨過程進行模擬分析,了解WRF模式對西安地區(qū)夏季不同性質(zhì)降水的預報能力。結果表明，在暴雨預報中，模式對暴雨雨帶走向、落區(qū)、強度、強降雨中心位置以及強降水出現(xiàn)的時間段均與實況基本吻合,也可以較為準確地預報暴雨中對流層中低層風場的演變；在短時局地強降水中，模式對于降水的落區(qū)、發(fā)生時間有較為準確的預報，預報時效較長，可達24～36 h。由此可見，WRF模式能夠?qū)ξ靼驳貐^(qū)夏季不同類型降水進行預報，對于短時強降水的落區(qū)、發(fā)生時間有較為準確的模擬，這對實際預報和中尺度天氣的機理分析具有一定的參考意義。

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中圖分類號S 161.6

文獻標識碼A

文章編號0517-6611(2016)06-220-04

收稿日期2016-02-09

作者簡介郭慶元(1985-)，女，陜西定邊人，工程師，在讀碩士，從事天氣預報及氣象條件對環(huán)境污染方面的研究。