WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的對比研究①

蔣林杉

摘 ? 要：實現對中尺度現象的有效預測要用到MM5，該項技術在中國范圍內有深入應用，本文研究WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的對比，概述WRF和MM5模式功能特征，討論對天氣過程的描述和試驗方案的設計，在此基礎上對比分析WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的結果，希望本文的觀點能為關注此話題的研究者提供參考意見。

關鍵詞：WRF和MM5 ?天氣過程 ?低壓中心

中圖分類號：P458 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0111-02

在當前的發展階段中，暴雨、臺風這一類的短時天氣研究項目會用到MM5技術，除此之外，該技術還被運用于預報空氣污染情況。WRF是在MM5的基礎上研發而來，是新一代的中尺度預報模式，優勢更為明顯，有望替代已經應用多年的區域模式，屬于新一代的中尺度預報模式，能準確預報多種天氣情況，分析環流形式，準確預測雨帶分布特點。

1 ?WRF和MM5模式

美國國家大氣研究中心和美國賓州大學合作研究了MM5，該模型在有限區域中的尺度氣象模式中有廣泛應用，MM5模型比較突出的兩項功能是能給出數值形式的天氣預報信息;研究天氣過程機理。而WRF是在MM5的基礎上研發而來，屬于中尺度氣象模式，研發該系統最初的目標是建立理想化的動力學系統，所提供的信息涉及到全部的物理過程，除此之外，還能提供一個公用的模式框架，用來預報空氣的質量，并模擬區域內的氣候。WRF是更新MM5模式而來，同時也代替了MM5模式。相比于MM5模式，WRF的各項性能都更加先進，主要表現在應用范圍、數據格式、核心的動力模塊等方面。原則上WRF所獲得的模擬結果與MM5相比更接近大氣情況，研究者對此展開分析，發現二者對大氣的模擬結果幾乎是相同的，都能比較好地模擬大氣的運動過程。而在模擬暴雨、云微物理過程以及城市熱島效應方面，WRF所獲得的模擬結果更為準確[1]。

MM5的模式設置在研究中小尺度系統方面有明顯的優勢，就水平分辨率而言，MM5的值是5km，而垂直分辨率可達40層。MM5所提供的降水處理顯示計算方案非?？煽?，方案的設計是從云和降水形成的微物理過程入手。WRF在工作時會用到增量方法，保證把所有的引入非平衡量都控制比較小的范圍內。在此基礎上初始的猜測場會添加全部的增量，從而得到比原始場分析更加可靠的數據結果。就四維變分同化過程而言，不管是切線性模式，還是伴隨式的模式，都有非常大的計算量。

2 ?對天氣過程的描述和試驗方案的設計

2017年的8月5日的晚上8點到6日晚上8點，遼寧省的多個市區出現了大暴雨天氣，其中出現特大暴雨天氣的站有3個。期間形成了兩個強降水中心，其中一個強降水中心位于海城，降水量達293.4mm，另外一個強降水中心位于大石橋，降水量達245.4mm。在汛期出現的最強降水過程中，降水比較集中的時間是8月6日的早上10點。設計試驗方案用到NCEP全球再分析資料，每日需要檢測4次，并確定水平分辨率。就中尺度模式而言，在一定程度上依賴初始場和邊界條件。會對模式結果產生影響的初期的處理過程。為了避免這一不良情況的發生，試驗的過程對WRF和MM5的前處理運用了相同的模式。保證試驗所生成的初始場和側邊界是相同的。所使用的模擬區域把120°E、43°N作為網格中心，該網格的格距為30km，水平格點上東西的方向是61，而南北方向為57。整個模擬過程會持續36h，每隔1h系統會將監測的信息輸出。

3 ?WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的對比

3.1 降水區域和降水量

其中最大降水中心的降水量達到了293.4mm，從整體情況來看，總的降水區域是南北走向，呈橢圓形狀。而中心位置是圓形的。降水區域把遼寧地區東部的大部分沿海地區都覆蓋了。以24h為界限，給出四種模擬模型。與實際情況相比，每一個模擬試驗的雨帶都非常大，但是給出的最大值卻比實際情況小。在控制中心的模擬方面，模擬試驗也出現了明顯的偏差。偏離的幅度是1.5經度，方向為東。不僅如此，降水量也與實際情況不相符合，比實際情況少近70mm。在其中的一個虛擬中心位置處，降水量的預測值為100mm，該中心位于實況中心北側的1個緯度上。從整體情況來看，預測的整個降水區域的基本形狀基本符合實際情況，都是南北走向。在方案B中發現對降水中心的預測與方案C有相同的結果，都表明有兩個強降水中心。其中的一個中心與實際情況相比有一定偏差，偏離的方向是北側，偏離的幅度是1個緯度。對降水區域的描述也同樣是南北方向，呈橢圓形。

3.2 對低壓中心和風速的預測

環流背景會對暴雨天氣的出現產生深刻的影響，經過分析發現此次降水的產生是從低壓中心向著低空轉變，誘發的地點是遼寧省內的南部地區。模擬暴雨的成功率由高度場和風場的模擬決定。運用MM5和WRF模擬暴雨天氣的高度場，除此之外還要模擬風場和急流。對比相應時刻的實際情況。其中MM5給出的低壓中心與實際情況相比有一定偏離，偏離的方向是西，偏離的距離為130km。而WRF給出的模擬結果則比較準確。不管是中心位置，還是數值大小都與實際情況高度一致。在低壓中心位置上，WRF給出的數值為1390gpm，這一數值為低壓中心的最大強度。

3.3 溫度、風向和相對濕度

運用WRF和MM5預測溫度、風向和相對濕度的變化情況，共選擇了3個預測點，距離地面的高度分別是30m、100m和500m。從預測的結果中發現，兩種模擬方式給出的結果是幾乎相同的。這些相同之處主要表現在溫度、露點和日變化趨勢上[2]。峰值都是出現在8月這個時間節點上，最低點都是出現在冬季。除此之外，日變化趨勢會頻繁出現一個弱小的波動，兩種模擬方式對此也給出了相同的預測結果。在露點的溫度結果預測工作中，不管是MM5還是WRF給出的溫度結果相關系數都是98%以上。這充分說明兩種預測模式對溫度和露點的預測結果是完全一致的。而在風向和日變化方面，WRF和MM5給出的結果與實際風向日變化的趨勢是基本一致的。

3.4 預測高空流場和水汽通量

運用MM5和WRF預測暴雨天氣，有一定優勢，從一個時間節點到另一個時間節點的預測并不能對某一問題有充分的說明。6h之內在不同的高度上平均流場和水汽的通量散度的預測結果說明這兩種預測模型有著良好的配置關系。就850hPa低層負荷強度而言，WRF給出的模擬值大于MM5，而在高空流場上，二者給出的預測結果幾乎是相同的。在強對流活動中，水汽通量的散度與大氣之間有著非常密切的聯系，促使暴雨形成的一個重要條件是大氣低層水汽通量，不管是水汽通量低空幅合還是水汽通量高空幅合，WRF給出的模擬結果都是比較強烈的。在垂直方向上，水汽的交換有了良好的實現條件，加大對流活動實現的可能性[3]。

4 ?結語

綜上所述，本文從降水區域和降水量;對低壓中心和風速的預測;溫度、風向和相對濕度;預測高空流場和水汽通量四方面入手，對比分析WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬效果。認為WRF的動力框架具有一定優越性，使得最終獲得預測結果有所改善，對降水落區的預測，WRF在高空形勢場的動力條件和熱力條件上更有優勢。

參考文獻

[1] 石春娥，李耀孫，楊元建.MM5和WRF對中國東部地區冬季邊界層模擬效果比較[J].高原氣象，2015，34（2）：389-400.

[2] 吳萌萌，萬莉穎，邢建勇.WRF與MM5在印度洋海域業務化預報結果的對比分析[J].海洋預報，2014，31（3）：66-71.

[3] 王慶改，何友江，趙曉宏.MM5和WRF模式對高空氣象數據模擬的對比分析[J].安全與環境學報，2014，14（1）：278-284.