湯 浩，賈麗紅

（1.中國(guó)氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊830002；2.新疆維吾爾自治區(qū)氣象臺(tái)，新疆 烏魯木齊830002）

WRF模式是美國(guó)氣象界聯(lián)合開發(fā)的新一代高分辨率區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)，2004年6月對(duì)外發(fā)布了第二版和三維變分同化系統(tǒng)，2008年4月發(fā)布了第三版。該模式采用高度模塊化、并行化和分層設(shè)計(jì)技術(shù)，集成了迄今為止在中尺度方面的先進(jìn)研究成果。模擬和實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明，WRF模式在預(yù)報(bào)各種天氣中都具有較好的性能，同時(shí)實(shí)現(xiàn)在線完全嵌套大氣化學(xué)模式，不僅具有較好的天氣預(yù)報(bào)水平，而且具有預(yù)報(bào)空氣質(zhì)量的能力[1]。WRF模式已經(jīng)被NCEP用來(lái)作為區(qū)域業(yè)務(wù)模式，在北京奧運(yùn)會(huì)期間，基于WRF模式的精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)為各項(xiàng)賽事提供了精準(zhǔn)的天氣預(yù)報(bào)[2]，為奧帆賽提供的風(fēng)速預(yù)報(bào)產(chǎn)品分辨率達(dá)到了500 m[3]。

隨著WRF模式的不斷發(fā)展和完善，越來(lái)越多的氣象工作者使用WRF進(jìn)行高影響天氣個(gè)例特別是大降水天氣的分析和研究[4-8]，在風(fēng)能資源的模擬評(píng)估中，WRF模式也發(fā)揮了很好的作用[9]。孫貞等[10]對(duì)青島的海風(fēng)環(huán)流進(jìn)行了模擬，表明WRF模式較好地模擬了海風(fēng)環(huán)流發(fā)生發(fā)展的完整過(guò)程。湯浩等[11]對(duì)新疆三十里風(fēng)區(qū)的大風(fēng)進(jìn)行了模擬，得出了有益的結(jié)論。

目前，國(guó)際上流行數(shù)值預(yù)報(bào)模式的快速更新循環(huán)（rapid updatecycle，簡(jiǎn)稱RUC）同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該系統(tǒng)每日多次啟動(dòng)，不斷吸收最新的探測(cè)資料更新初始預(yù)報(bào)場(chǎng)運(yùn)轉(zhuǎn)模式制作預(yù)報(bào)，相關(guān)研究表明，由于快速更新同化了大量的實(shí)時(shí)觀測(cè)資料而能夠得到更為準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)結(jié)果。中國(guó)氣象局北京城市氣象研究所基于WRF模式,開發(fā)北京地區(qū)精細(xì)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)[12-13]，為北京市氣象局短時(shí)臨近預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供著強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

新疆氣象局在中尺度區(qū)域模式本地化應(yīng)用研究方面取得了一定的進(jìn)展，但同其他區(qū)域中心相比仍存在較大差距，目前運(yùn)行的區(qū)域模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率仍然較低[14-15]。因此，選擇應(yīng)用效果較好的WRF展開研究，優(yōu)選適合新疆氣候和地形特征的背景場(chǎng)和物理過(guò)程，了解模式在新疆的預(yù)報(bào)能力及不足之處，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化和改進(jìn)，是迫切需要開展的一項(xiàng)工作。

1 資料與方法

1.1 物理過(guò)程敏感試驗(yàn)

模式分辨率設(shè)計(jì)為27、9 km，其中9 km分辨率覆蓋全疆；選取較常用的 Lin、WSM6、Thompson微物理過(guò)程和KF、Grell 3D積云參數(shù)化方案設(shè)計(jì)了5種敏感試驗(yàn)方案（表1），其他物理過(guò)程固定為長(zhǎng)波：RRTM，短波：Goddard，近地層：Monin-Obukhov，陸面：NOAH，邊界層：YSU。選擇 2011 年 1、4、7、10 四個(gè)月代表4個(gè)季節(jié)，使用NCEP的FNL分析資料驅(qū)動(dòng)WRFv3.1模式進(jìn)行回算，對(duì)回算結(jié)果進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)，通過(guò)對(duì)比檢驗(yàn)，確定最優(yōu)方案。

表1 物理過(guò)程敏感性試驗(yàn)方案

1.2 背景場(chǎng)對(duì)比試驗(yàn)

使用物理過(guò)程敏感試驗(yàn)確定的最優(yōu)方案，分別以中國(guó)氣象局的T639和NCEP的GFS全球模式資料驅(qū)動(dòng)WRF模式，再次進(jìn)行2011年1、4、7、10四個(gè)月代表的回算,對(duì)回算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn)。

1.3 檢驗(yàn)方案

檢驗(yàn)分站點(diǎn)要素和形勢(shì)場(chǎng)檢驗(yàn)兩部分，檢驗(yàn)內(nèi)容見表2。

表2 物理過(guò)程敏感試驗(yàn)檢驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 站點(diǎn)要素檢驗(yàn)

將27、9 km分辨率結(jié)果使用雙線性法插值到全疆105個(gè)測(cè)站，對(duì)溫度和降水進(jìn)行了評(píng)分檢驗(yàn)。

降水檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)包括Ts評(píng)分、系統(tǒng)偏差B、預(yù)報(bào)效率Eh（晴雨預(yù)報(bào)）、Ets評(píng)分，其計(jì)算公式為：

公式中的符號(hào)說(shuō)明見表3。

表3 降水的檢驗(yàn)分類

溫度檢驗(yàn)指標(biāo)為：1度準(zhǔn)確率，預(yù)報(bào)與實(shí)況的誤差的絕對(duì)值≤1的樣本個(gè)數(shù)與總樣本個(gè)數(shù)之比；2度準(zhǔn)確率，預(yù)報(bào)與實(shí)況的誤差的絕對(duì)值≤2的樣本個(gè)數(shù)與總樣本個(gè)數(shù)之比。

1.3.2 形勢(shì)場(chǎng)檢驗(yàn)

將預(yù)報(bào)場(chǎng)和對(duì)應(yīng)時(shí)刻的預(yù)報(bào)初值場(chǎng)進(jìn)行檢驗(yàn)，檢驗(yàn)的指標(biāo)有相關(guān)系數(shù)r、平均誤差ME、均方根誤差RMSE，其計(jì)算公式為：

其中，Σ為對(duì)區(qū)域內(nèi)所有網(wǎng)格點(diǎn)求和，F(xiàn)為預(yù)報(bào)值，A0為分析場(chǎng)。平均誤差計(jì)算時(shí)正負(fù)誤差抵消，它反映的是統(tǒng)計(jì)區(qū)域內(nèi)的某種系統(tǒng)性誤差。均方根誤差反映預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的平均偏離程度，因而能反映總誤差情況，其誤差越小，說(shuō)明預(yù)報(bào)值和分析場(chǎng)越接近，預(yù)報(bào)效果越好；反之，則預(yù)報(bào)越差。

2 物理過(guò)程敏感試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 站點(diǎn)降水、氣溫檢驗(yàn)結(jié)果分析

圖1所示為降水站點(diǎn)檢驗(yàn)結(jié)果，其中d1為27 km分辨率檢驗(yàn)，d2為9 km分辨率檢驗(yàn)結(jié)果，檢驗(yàn)結(jié)果表明方案1、2、3的Ts評(píng)分相當(dāng)，方案4、5略差，9 km分辨率的定性及小量級(jí)Ts評(píng)分普遍優(yōu)于27 km。其中方案2的9 km分辨率預(yù)報(bào)能力最優(yōu)。各方案對(duì)大量及暴量降水均有一定的預(yù)報(bào)能力。Ets評(píng)分的檢驗(yàn)與Ts評(píng)分檢驗(yàn)結(jié)論相似。預(yù)報(bào)偏差檢驗(yàn)表明各方案的偏差均趨于空?qǐng)?bào)，方案2的9 km分辨率的預(yù)報(bào)性能總體優(yōu)于其他方案。預(yù)報(bào)效率（晴雨預(yù)報(bào)）方案1、2、3的評(píng)分相當(dāng)，方案4、5存在明顯偏差，9 km分辨率的評(píng)分明顯優(yōu)于27 km。

逐月Ts評(píng)分（圖2）檢驗(yàn)結(jié)果表明，10月預(yù)報(bào)能力最優(yōu)，其次為4月，7月居第三，1月預(yù)報(bào)能力最差。

圖3是各方案站點(diǎn)溫度預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果，其中d01為27 km分辨率產(chǎn)品，d02為9 km分辨率產(chǎn)品，2℃準(zhǔn)確率方案1、2、3的評(píng)分相當(dāng)，方案4、5略差，1℃準(zhǔn)確率方案1略好于方案2、3，方案4、5略差。各種方案的9 km分辨率的評(píng)分都優(yōu)于27 km。

2.2 500 hPa高度場(chǎng)檢驗(yàn)

平均誤差反映的是系統(tǒng)性誤差，對(duì)高度場(chǎng)預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，當(dāng)平均誤差為正值時(shí)，說(shuō)明在預(yù)報(bào)中低壓槽偏弱，高壓脊偏強(qiáng)；相反，當(dāng)平均誤差為負(fù)值時(shí)，說(shuō)明在預(yù)報(bào)中低壓槽偏強(qiáng)，高壓脊偏弱。圖4給出各方案500 hPa高度場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果。從中可見，24 h預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)均高于48 h，方案1、2相當(dāng)，好于其他方案，方案4、5較差；平均誤差各方案均在負(fù)5～7位勢(shì)米，說(shuō)明各方案均傾向于預(yù)報(bào)低壓槽偏強(qiáng)、高壓脊偏弱，其中方案4平均誤差絕對(duì)值最小，方案5最大，48 h的誤差較24 h明顯；均方根誤差，方案2最小，方案4最大，說(shuō)明方案4的波動(dòng)較大，各方案48 h均方根大于24 h。

2.3 850 hPa風(fēng)場(chǎng)檢驗(yàn)

850 hPa風(fēng)場(chǎng)U分量平均誤差，各方案均在0.7～1.2 m/s之間，說(shuō)明預(yù)報(bào)西風(fēng)平均偏大1 m/s，東風(fēng)偏小1 m/s左右，24 h方案2最小，為0.7 m/s，48 h方案1最小，為0.9 m/s；均方根誤差方案1略優(yōu)于方案2，為7.1 m/s，較其他方案小，方案4最大，為8.8 m/s。850 hPa風(fēng)場(chǎng)V分量平均誤差絕對(duì)值，24 h方案3最小，48 h方案4最小，各方案誤差有正有負(fù)，在-0.3～0.6 m/s，隨機(jī)性較大；均方根24 h方案2最小，48 h方案1最小。

2.4 海平面氣壓場(chǎng)檢驗(yàn)

海平面氣壓場(chǎng)平均誤差絕對(duì)值，24 h方案2最小，為0.1 hPa，48 h方案1、4較其他方案小，各方案誤差有正有負(fù),在-0.9～0.8 hPa之間；均方根誤差方案1、2相當(dāng)，在3.0 hPa以內(nèi)，方案 5最大，為4.3 hPa。

2.5 敏感性試驗(yàn)結(jié)果

通過(guò)各方案形勢(shì)場(chǎng)、站點(diǎn)溫度及降水的綜合對(duì)比分析、檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)方案1、2、3總體能力相當(dāng)，其中方案2的9 km分辨率的站點(diǎn)產(chǎn)品略勝一籌；形勢(shì)場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力方案1、2能力相當(dāng)，方案4、5表現(xiàn)遜色一些，最終確定使用2號(hào)方案進(jìn)入背景場(chǎng)敏感性試驗(yàn)。

3 背景場(chǎng)敏感試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 站點(diǎn)要素檢驗(yàn)結(jié)果分析

從背景場(chǎng)敏感性試驗(yàn)降水檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出GFS為背景場(chǎng)與T639相比，在定性、小量、中量級(jí)別上都較同分便辨率的產(chǎn)品有一定優(yōu)勢(shì)，大量級(jí)別上27 km產(chǎn)品二者相當(dāng)，9 km產(chǎn)品則是GFS有優(yōu)勢(shì)，暴量?jī)烧呦喈?dāng)。兩種背景場(chǎng)的27 km分辨率的預(yù)報(bào)除大量外，其余各兩級(jí)都不及或與9 km相當(dāng)。Ets評(píng)分反映出的結(jié)果與Ts評(píng)分類似。B評(píng)分均大于1，表現(xiàn)出預(yù)報(bào)失誤以空?qǐng)?bào)為主，T639為背景場(chǎng)的空?qǐng)?bào)較之GFS更明顯些。在定性及大量以下的量級(jí)上9 km分辨率的空?qǐng)?bào)較27 km小，但在暴量量級(jí)上，9 km的空?qǐng)?bào)迅速增加，明顯高于27 km產(chǎn)品。晴雨準(zhǔn)確率GFS優(yōu)于T639，9 km分辨率產(chǎn)品優(yōu)于27 km。

背景場(chǎng)敏感性試驗(yàn)溫度檢驗(yàn)結(jié)果，可以看出GFS在1℃、2℃準(zhǔn)確率上均較T639有一定優(yōu)勢(shì)，9 km分辨率產(chǎn)品略優(yōu)于27 km。

3.2 500 hPa高度場(chǎng)檢驗(yàn)

不同背景場(chǎng)500 hPa高度場(chǎng)檢驗(yàn)結(jié)果表明，24 h預(yù)報(bào)的相關(guān)系數(shù)均高于48 h，GFS好于T639；平均誤差兩種背景場(chǎng)均為負(fù)值，為-2.8～-4位勢(shì)米，說(shuō)明均傾向于預(yù)報(bào)低壓槽偏強(qiáng)、高壓脊偏弱，其中GFS誤差的絕對(duì)值大于T639，48 h的誤差較24 h明顯；均方根誤差，GFS略小于T639，T639誤差的波動(dòng)較大，其誤差較小的原因是正負(fù)誤差相互抵消的結(jié)果。

3.3 850 hPa風(fēng)場(chǎng)檢驗(yàn)

850 hPa風(fēng)場(chǎng)的背景場(chǎng)敏感性試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果，從U分量的結(jié)果來(lái)看，平均誤差大于0，表現(xiàn)為西風(fēng)預(yù)報(bào)偏大，東風(fēng)預(yù)報(bào)偏?。籊FS的平均誤差和均方根誤差均小于T639，48 h的值大于24 h。

V分量的平均誤差24 h兩種背景場(chǎng)均為負(fù)值，表現(xiàn)為南風(fēng)預(yù)報(bào)偏小，北風(fēng)預(yù)報(bào)偏大，GFS誤差的絕對(duì)值小于T639，而48 h的檢驗(yàn)結(jié)果恰好相反；均方根誤差GFS小于T639，表現(xiàn)為其誤差更為穩(wěn)定，48 h的值大于24 h，說(shuō)明誤差增大。

3.4 海平面氣壓場(chǎng)檢驗(yàn)

兩種背景場(chǎng)的海平面氣壓場(chǎng)的檢驗(yàn)結(jié)果，GFS兩個(gè)檢驗(yàn)時(shí)次以及T639的48 h時(shí)次的平均誤差為正，為0.14～0.18 hPa，表現(xiàn)為高壓預(yù)報(bào)偏強(qiáng)，低壓偏弱，T639的24 h檢驗(yàn)結(jié)果相反；均方根誤差24 h GFS較大，48 h T639較大。

3.5 典型降水個(gè)例檢驗(yàn)

圖5是2011年3月15日20時(shí)至16日20時(shí)的T639和GFS驅(qū)動(dòng)WRF模式的預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比圖，圖中二者對(duì)北疆、東疆降水落區(qū)的預(yù)報(bào)較好，南疆落區(qū)預(yù)報(bào)偏大，其中T639偏大得更明顯，二者都較好地預(yù)報(bào)了北疆西部、天山山區(qū)、北疆沿天山一帶的暴量降水，但空?qǐng)?bào)了北疆北部的暴量，中量、大量的落區(qū)的預(yù)報(bào)也明顯偏大?？傮w來(lái)看，二者的預(yù)報(bào)能力相當(dāng)，對(duì)北疆大量級(jí)的降水及南疆的降水落區(qū)存在空?qǐng)?bào)現(xiàn)象。

圖5 2011年3月15日20時(shí)—16日20時(shí)預(yù)報(bào)和實(shí)況對(duì)比

圖6 是2011年7月1日20時(shí)—2日20時(shí)T639和GFS驅(qū)動(dòng)WRF模式的預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比圖，二者都存在較明顯的預(yù)報(bào)失誤，成功預(yù)報(bào)了北疆北部、東部、北疆沿天山的大量以上降水，空?qǐng)?bào)了北疆西部、北疆沿天山的大量以上降水，GFS漏報(bào)了北疆盆地的小量降水；對(duì)南疆盆地的降水，T639為背景場(chǎng)有一定的預(yù)報(bào)能力，但預(yù)報(bào)范圍偏大，GFS則沒有預(yù)報(bào)出來(lái)，二者都空?qǐng)?bào)了沿昆侖山暴量。

3.6 背景場(chǎng)敏感試驗(yàn)結(jié)果

分別使用GFS和T639驅(qū)動(dòng)模式，對(duì)比檢驗(yàn)站點(diǎn)降水、溫度、500 hPa高度場(chǎng)、850 hPa風(fēng)場(chǎng)、海平面氣壓場(chǎng)，GFS表現(xiàn)出更好的綜合能力，確定GFS作為模式的初始場(chǎng)。

4 結(jié)果

使用 WRF 模式 Lin、WSM6、Thompson 微物理過(guò)程和KF、Grell 3D積云參數(shù)化方案，設(shè)計(jì)了5種組合方案進(jìn)行敏感試驗(yàn)，使用GFS和T639作為背景場(chǎng)驅(qū)動(dòng)模式，進(jìn)行2011年1、4、7、10月四個(gè)月的回算，對(duì)比檢驗(yàn)了模式在新疆的站點(diǎn)要素、形勢(shì)場(chǎng)、典型個(gè)例，得到以下結(jié)果：

（1）微物理 WSM6和積云參數(shù)化Kain-Fritsch組合表現(xiàn)出的綜合預(yù)報(bào)能力最優(yōu)，可作為新疆業(yè)務(wù)運(yùn)行的首選方案。

（2）NCEP的GFS產(chǎn)品為背景場(chǎng)的預(yù)報(bào)能力總體優(yōu)于T639產(chǎn)品，可作為新疆業(yè)務(wù)運(yùn)行的首選背景場(chǎng)。

（3）使用模式9 km嵌套的產(chǎn)品插值到站點(diǎn)進(jìn)行溫度、降水預(yù)報(bào)，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率整體優(yōu)于27 km嵌套產(chǎn)品，但對(duì)暴量降水的預(yù)報(bào)存在明顯的空?qǐng)?bào)現(xiàn)象。

（4）模式在新疆的總體預(yù)報(bào)水平不高，其中秋季的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較好，春季次之，冬季、夏季較差。

（5）個(gè)例檢驗(yàn)表明，模式對(duì)北疆降水的預(yù)報(bào)能力尚可，在南疆較差，沿昆侖山的空?qǐng)?bào)現(xiàn)象明顯。

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