我國極地數值天氣預報系統的初步建立與應用

孫啟振，丁卓銘，沈輝，楊清華，張林

我國極地數值天氣預報系統的初步建立與應用

孫啟振，丁卓銘，沈輝，楊清華，張林

（國家海洋環境預報中心，北京100081）

國家海洋環境預報中心的極地數值天氣預報系統基于Polar WRF極地中尺度數值大氣模式和3DVAR資料同化方法，預報區域的最高水平分辨率設置為3.3 km。檢驗表明：該數值預報系統較好地反映了極地地區的短期天氣形勢及要素的演變特點，能夠基本滿足我國極地考察和航運氣象保障需求。五年多以來，該數值天氣預報系統除了提供極地地區常規數值天氣預報產品外，還陸續在“雪龍”破冰船冰區脫困、我國商船北極航道開拓、固定翼飛機南極內陸飛行等氣象保障工作中發揮了重要作用。未來，極地數值天氣預報系統將在數據源、模式方案、產品開發、服務體系等方面繼續完善，以期為我國極地考察事業和極地航運事業提供更加可靠的氣象保障。

極地天氣；數值天氣預報系統；極地考察

1 引言

與中低緯度地區相比，極地地區的天氣和氣候有許多特殊之處，因此其天氣預報工作難度較大。國際上對于極地地區的短期天氣預報主要依賴數值天氣預報模式，極地數值天氣預報要素主要包括溫度、濕度、氣壓、降水及風速等，診斷量有云量、大氣冰晶和急流等。數值預報模式對南極地區的預報能力遠落后于北極地區，但自20世紀90年代初以來，南極地區的數值天氣預報有了許多顯著的改善，其改進的速度比北半球數值天氣預報模式的改進要快，兩者的差距越來越小[1]。

應用于極地地區的數值天氣預報模式包括業務化的全球預報模式和有限區域預報模式。然而，全球預報模式在預報極地地區的天氣時存在一定的局限性，特別是在南極地區，主要存在如下問題：（1）水平分辨率普遍不夠高，很難模擬出中尺度系統的特性，而這些中尺度過程對于短期預報（6～24 h）和飛行預報至關重要；（2）不能很好地描述影響南極大氣（行星邊界層等）的關鍵物理過程；（3）不能很好地刻畫南極地形和表面特征[2-5]。因此，國際上對極地地區的數值預報業務和研究工作重點在于區域模式的研發和改進，例如歐洲中期天氣預報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的中期數值天氣預報[6]、美國南極計劃中的南極中尺度預報系統（Antarctic Mesoscale Prediction System，AMPS）[7-9]、澳大利亞氣象局研究中心開發的針對南極地區的有限區域預報系統（Limited Area Prediction System，LAPS）和全球同化預報模式（Global Assimilation Prediction mode，GASP），目前均在穩定地業務化運行，其中歐洲和澳大利亞的預報系統覆蓋范圍較廣，而美國的預報系統在重點區域有較高的水平分辨率。

國家海洋環境預報中心于2011年建立并業務化運行我國的極地數值天氣預報系統，該系統的目標是：（1）為我國的極區科學考察活動和商業船舶在北極航道航行提供準實時數值天氣預報產品；（2）基于該系統積累的的預報數據，為極地天氣和氣候研究提供數據支持。

2 極地數值天氣預報系統的構建

2011年6月，國家海洋環境預報中心建立了極地數值天氣預報系統，并開展了極地數值天氣預報業務，每天定時提供極地地區數值天氣預報產品。根據我國極地考察實際需求，極地數值天氣預報系統以極地中尺度大氣數值模式Polar WRF為基礎，預報區域分為南極和北極兩個區域（見圖1），粗網格區域的緯度范圍分別為60～90oS和60～90oN，分辨率均為30 km。在南極地區，將嵌套區域設置為兩個重點關注地區：普里茲灣海域及沿岸地區和南極半島及周邊海域（水平分辨率為10 km），并且根據需要在中山站和長城站設置更高分辨率的嵌套區域（水平分辨率為3.3 km）。在北極地區，按船舶計劃航線設置多個嵌套區域，分辨率為10 km。系統在南北極兩個區域的垂直方向上均為51層，在邊界層進行垂直加密，頂層氣壓設置為10 hPa。

根據極地地區天氣氣候特點和地形下墊面特點，我們通過對多種參數化方案的大量試驗，最終采用的方案為：微物理過程選取WSM5方案；長波輻射選取RRMT方案；短波輻射方案選取Goddard方案；邊界層方案選取MYJ方案；積云方案選取kain-Fritsh方案。初始場和邊界條件采用分辨率為0.5°×0.5°的NCEP GFS資料，并利用國際共享資源，準實時獲取包括我國南、北極科學考察站點在內的南、北極區域現場觀測GTS氣象數據，資料同化方案采用三維變分資料同化系統（3DVAR）。極地數值天氣預報系統每天在南極和北極區域各運行一次，模式啟動方式為冷啟動，預報時效設置為72 h，圖2為預報系統運行流程示意圖。

極地數值天氣預報系統可自動輸出海平面氣壓場、地面降水量預報場、地面風、溫度和濕度、高空多個層次氣溫、位勢高度和風的預報場等數值預報產品。根據極地考察現場需要，對于指定站點，可輸出氣象要素趨勢預報曲線、站點溫度對數壓力圖、站點氣象要素量化預報數據等產品（見圖3），其中南極站點的氣象要素預報圖和溫度對數壓力圖，對于南極固定翼飛機的氣象預報有重要作用。

圖1 極地數值天氣預報系統的區域配置

圖2 極地數值天氣預報系統運行流程

圖3 極地數值天氣預報系統產品示例

圖3 （續）

3 極地數值天氣預報系統產品檢驗和應用

根據我國極地考察氣象保障的需求情況，結合南北極天氣氣候特點的差異性，本文對南極預報產品的檢驗側重于站點預報的長時間序列檢驗，而對北極預報產品的檢驗則針對整個海區的天氣過程。

3.1 南極預報產品檢驗

我們使用南極長城站氣象觀測站的實測數據，對極地數值天氣預報系統在長城站的預報結果進行了檢驗，檢驗對象包括10 m風速、氣溫、氣壓等要素，檢驗時段為2012年1月1日—7月31日（見圖4）。從圖4a來看，在此時段內長城站數值預報的風速與實測值趨勢一致，但總體偏大，尤其是48h預報結果與實測值的相關系數僅為0.42。數值預報的風速與實測值有偏差，主要原因是風速易受局地地形影響，如果模式下墊面數據的分辨率不夠高，不足以為模式運行提供足夠精細的地形數據，則會產生較明顯的風向風速預報偏差；另一個可能的原因是，各考察站在選址建站時，往往選擇避風處，因此測站的風速可能低于周邊環境的風速。但是數值預報結果與實測值存在較好的時間同步性，沒有明顯的超前或滯后現象，說明數值預報系統可以較好地把握當地天氣的時間演變特征。對于同一預報時刻，模式運行24 h的數值預報誤差平均為2.16 m/s，運行48 h的誤差平均為1.99 m/s（見表1），48 h預報效果好于24 h預報效果，是由于模式在運行前期需要對初始條件進行熱力動力調整，使之達到平衡狀態，因此前期的預報效果并不是一定會好于后期。但二者比較接近，表明該數值預報系統有較好的穩定性。

氣溫方面，無論是24 h還是48 h的數值預報結果都與實測值吻合較好，相關系數超過0.82，但夏季（1—3月）時的氣溫預報值總體上比實測值偏低1～2℃（見圖4b），可能原因是夏季長城站冰雪融化，深褐色地面吸收的熱量對氣象臺的現場氣溫觀測產生了影響，而預報系統沒能較好地模擬出下墊面的變化產生的影響由于氣壓受地形和下墊面屬性的影響較小，極地數值天氣預報系統的24 h和48 h運行結果均準確地預報出了氣壓值和變化趨勢（見圖4c），相關系數分別為0.88和0.86。

3.2 北極預報產品檢驗

我們使用ECMWF的ERA-interim再分析資料，對極地數值天氣預報系統的北極預報產品進行了檢驗，檢驗對象是2012年8月5日出現在北極地區的一個大尺度低壓系統。由于極地數值天氣預報系統使用的初始場是GFS數據，我們對比初始場數據和ECMWF再分析資料，可以發現兩者較接近，尤其是氣壓和位勢高度。700 hPa溫度稍有差異，而地面風速的差別較大（見圖5）。

圖4 南極長城站極地數值預報系統產品與實測數據對比曲線

表1 南極長城站極地數值預報系統產品與實測數據的相關系數、平均絕對誤差和均方根誤差

隨著極地數值天氣預報系統的向前計算積分，預報的平均海平面氣壓與再分析資料之間的偏差逐漸增大，尤其是60 h之后在楚科奇海以北出現一個明顯的正異常中心。根據2012年8月7日12時和8日00時的再分析資料（見圖6），該地區存在一個很強的低壓，之后低壓逐漸減弱、消亡，500 hPa位勢高度對比結果（圖略）也有類似狀況，表明極地數值天氣預報系統對該低壓的預報在60 h之后偏弱，并超前于系統實際發展情況。

3.3 “永盛”輪首航北極預報檢驗

圖5 北極地區2012年8月5日00時（世界時，下同）數值預報模式初始場與再分析資料差值

圖6 ERA-interim再分析資料的平均海平面氣壓場

圖7 2013年8月“永盛”輪首航北極航線

為保證我國北極航道首次商業航行的安全（航道見圖7），我們利用極地數值天氣預報系統提供了氣象保障服務。

對比分析該商船航行期間代表性站點的極地數值天氣預報系統預報結果和歐洲中心的再分析數據，我們對進行了時間序列對比。發現在地面、850 hPa、700 hPa以及500 hPa等不同高度，風速、氣壓和位勢高度均吻合較好（見圖8），對于船舶航行所著重關注的海平面風場，數值預報系統給出了較好的預報結果。

3.4 “雪龍”船南極冰區脫困期間預報系統的應用

圖8 2013年8月28—30日“永盛”輪航線上數值預報結果與ERA-interim再分析數據對比

圖8 （續）

圖9 極地數值天氣預報系統關于“雪龍”船附近海域的預報圖

2014年1月初“雪龍”船在南極冰區脫困和2015年12月我國南極固定翼飛機首次在南極內陸飛行期間，極地數值天氣預報系統為其提供了可靠的氣象保障。

2014年1月初，“雪龍”船在南極被海冰圍困時（http://www.nmefc.gov.cn/nr/cont.aspx?itemid=2&id

=3526），我們使用極地數值天氣預報系統對“雪龍”船及其附近海域的平均海平面氣壓場、風場、降水量場、500 hPa位勢高度場進行了數值預報（見圖9），根據預報結果，分析和預測了天氣發展過程。

為了更加直觀地預報“雪龍”船受困位置風的變化趨勢，根據“雪龍”船受困位置信息，在系統輸出數據中提取了量化的風向風速預報結果，繪制了風向轉變的時間窗口示意圖（見圖10）。

圖10 極地數值天氣預報系統對“雪龍”船所在位置風的預報

4 問題與討論

當前國際上針對極地地區的數值天氣預報模式面臨的共性難題有：極地天氣和氣候的特殊性、極地地形的復雜性、極地氣象觀測資料的缺乏性。國外相關機構的極地數值天氣預報系統在觀測數據實時性方面具有相對優勢，而在國內很難接收到可以實時同化到模式中的相關衛星觀測數據；也很難實時接收到兩極地區的船舶、浮標以及各國的自動氣象站觀測資料和探空資料這限制了極地數值天氣預報精確度。如果能夠實時獲取更多實測資料和準實時衛星遙感數據，將對模式的資料同化部分提供幫助，從而將顯著地改善模式初始場，提高預報產品的準確性。

雖然目前來看極地數值天氣預報系統能夠提供極地地區主要氣象要素演變趨勢的可靠預報信息，但在進行高分辨率區域預報計算時，預報系統所需計算資源過多，很難滿足突發應急事件的保障需求。解決此問題的關鍵是配置更豐富的高性能計算機計算資源，以滿足海洋氣象數值模式計算的各項應急需求。

極地數值天氣預報系統的發展方向是采用多重網格嵌套技術和資料同化技術，建成和完善能夠自動進行資料接收、資料同化、模式運行、產品發布的高分辨率數值天氣預報系統。為增強極地預報的業務能力，需在以下方面改進該數值預報系統：

（1）使用極區現有的氣象觀測站資料和船舶及浮標觀測資料，對模式預報產品進行檢驗，定期給出檢驗報告，分析模式的優勢和缺點，為現場預報員提供參考；

（2）改善模式地形和冰雪等下墊面數據；準實時同化多種實測數據，使模式的初始場不斷逼近實際觀測值；增加預報系統運行頻次，并使用循環同化方式，提高資料同化效果；

（3）除滿足我國極地考察隊的常規數值天氣預報保障需求外，將繼續完善航空天氣預報和極端天氣預警服務，如提升對雪暴、下降風、低能見度、風切變、災害性氣旋等災害性天氣及系統的預報水平。

[1]Peter Bauer,Alan Thorpe,Gilbert Brunet.The quiet revolution of numerical weather prediction.Nature,2015.525:47-55.

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[5]孫啟振，楊清華，張林.南極數值天氣預報應用與研究進展.極地研究,2011,23(2):128-137.

[6]Zappa G,Shaffrey L,Hodges K.Can polar lows be objectively identified and tracked in the ECMWF operational analysis and the ERA-Interim reanalysis?[J].Monthly Weather Review,2014,142 (8):2596-2608.

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[10]張林,李春花,柴先明,等.2014年初雪龍船在南極被海冰圍困期間海洋氣象環境分析[J].極地研究,2014,26(4):487-495.

Polar numerical weather prediction system:preliminary establishment and application

SUN Qi-zhen，DING Zhuo-ming，SHEN Hui，YANG Qing-hua，ZHANG Lin
（National Marine Environmental Forecasting Center,Beijing 100081 China）

National Marine Environmental Forecasting Center has established an operational polar numerical weather forecasting system(PNWFS),which is based on mesoscale numerical model Polar WRF and 3DVAR data assimilation method with a spatial resolution as high as 3.3 km.Validation result shows that PNWFS can predict the evolution characteristics of short-term weather pattern over Polar Regions,and therefore meet the needs of Chinese Antarctic and Arctic expedition as well as commercial shipping.Within the past five years,in addition to regularly providing numerical weather prediction products for Polar Regions,PNWFS also performs well in the weather forecasting support of several important events,such as(1)the rescuing of XUELONG icebreaker which was trapped in Antarctica sea ice in 2014,(2)the first cruise of Chinese commercial vessel in Arctic passage in 2013,and(3)the operating of Chinese fixed-wing aircraft in Antarctica.In future,more efforts will be made to PNWFS in the aspects of data sources,development of model and product,and the product distribution,in order to provide a more accurate and reliable weather protection for Chinese polar scientific expedition and shipping industry.

polar weather;numerical weather forecasting system;polar expedition

P456.7

A

1003-0239（2017）03-0001-10

10.11737/j.issn.1003-0239.2017.03.001

2016-12-07；

2017-01-08。

國家自然科學基金（41206185）；國家海洋局“南北極環境綜合考察與評估”專項（CHINARE-2017-02-04）。

孫啟振（1984-），男，助理研究員，碩士，主要從事極地氣象研究及預報。E-mail：sunqizhen@nmefc.gov.cn