孫啟振，丁卓銘，沈輝，楊清華，張林

我國極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的初步建立與應(yīng)用

孫啟振，丁卓銘，沈輝，楊清華，張林

（國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京100081）

國家海洋環(huán)境預(yù)報中心的極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)基于Polar WRF極地中尺度數(shù)值大氣模式和3DVAR資料同化方法，預(yù)報區(qū)域的最高水平分辨率設(shè)置為3.3 km。檢驗表明：該數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)較好地反映了極地地區(qū)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(yùn)氣象保障需求。五年多以來，該數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)除了提供極地地區(qū)常規(guī)數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品外，還陸續(xù)在“雪龍”破冰船冰區(qū)脫困、我國商船北極航道開拓、固定翼飛機(jī)南極內(nèi)陸飛行等氣象保障工作中發(fā)揮了重要作用。未來，極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)將在數(shù)據(jù)源、模式方案、產(chǎn)品開發(fā)、服務(wù)體系等方面繼續(xù)完善，以期為我國極地考察事業(yè)和極地航運(yùn)事業(yè)提供更加可靠的氣象保障。

極地天氣；數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)；極地考察

1 引言

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

應(yīng)用于極地地區(qū)的數(shù)值天氣預(yù)報模式包括業(yè)務(wù)化的全球預(yù)報模式和有限區(qū)域預(yù)報模式。然而，全球預(yù)報模式在預(yù)報極地地區(qū)的天氣時存在一定的局限性，特別是在南極地區(qū)，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(tǒng)的特性，而這些中尺度過程對于短期預(yù)報（6～24 h）和飛行預(yù)報至關(guān)重要；（2）不能很好地描述影響南極大氣（行星邊界層等）的關(guān)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(qū)的數(shù)值預(yù)報業(yè)務(wù)和研究工作重點在于區(qū)域模式的研發(fā)和改進(jìn)，例如歐洲中期天氣預(yù)報中心（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts，ECMWF）的中期數(shù)值天氣預(yù)報[6]、美國南極計劃中的南極中尺度預(yù)報系統(tǒng)（Antarctic Mesoscale Prediction System，AMPS）[7-9]、澳大利亞氣象局研究中心開發(fā)的針對南極地區(qū)的有限區(qū)域預(yù)報系統(tǒng)（Limited Area Prediction System，LAPS）和全球同化預(yù)報模式（Global Assimilation Prediction mode，GASP），目前均在穩(wěn)定地業(yè)務(wù)化運(yùn)行，其中歐洲和澳大利亞的預(yù)報系統(tǒng)覆蓋范圍較廣，而美國的預(yù)報系統(tǒng)在重點區(qū)域有較高的水平分辨率。

國家海洋環(huán)境預(yù)報中心于2011年建立并業(yè)務(wù)化運(yùn)行我國的極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)，該系統(tǒng)的目標(biāo)是：（1）為我國的極區(qū)科學(xué)考察活動和商業(yè)船舶在北極航道航行提供準(zhǔn)實時數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品；（2）基于該系統(tǒng)積累的的預(yù)報數(shù)據(jù)，為極地天氣和氣候研究提供數(shù)據(jù)支持。

2 極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的構(gòu)建

2011年6月，國家海洋環(huán)境預(yù)報中心建立了極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)，并開展了極地數(shù)值天氣預(yù)報業(yè)務(wù)，每天定時提供極地地區(qū)數(shù)值天氣預(yù)報產(chǎn)品。根據(jù)我國極地考察實際需求，極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)以極地中尺度大氣數(shù)值模式Polar WRF為基礎(chǔ)，預(yù)報區(qū)域分為南極和北極兩個區(qū)域（見圖1），粗網(wǎng)格區(qū)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(qū)，將嵌套區(qū)域設(shè)置為兩個重點關(guān)注地區(qū)：普里茲灣海域及沿岸地區(qū)和南極半島及周邊海域（水平分辨率為10 km），并且根據(jù)需要在中山站和長城站設(shè)置更高分辨率的嵌套區(qū)域（水平分辨率為3.3 km）。在北極地區(qū)，按船舶計劃航線設(shè)置多個嵌套區(qū)域，分辨率為10 km。系統(tǒng)在南北極兩個區(qū)域的垂直方向上均為51層，在邊界層進(jìn)行垂直加密，頂層氣壓設(shè)置為10 hPa。

根據(jù)極地地區(qū)天氣氣候特點和地形下墊面特點，我們通過對多種參數(shù)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(zhǔn)實時獲取包括我國南、北極科學(xué)考察站點在內(nèi)的南、北極區(qū)域現(xiàn)場觀測GTS氣象數(shù)據(jù)，資料同化方案采用三維變分資料同化系統(tǒng)（3DVAR）。極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)每天在南極和北極區(qū)域各運(yùn)行一次，模式啟動方式為冷啟動，預(yù)報時效設(shè)置為72 h，圖2為預(yù)報系統(tǒng)運(yùn)行流程示意圖。

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

圖1 極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的區(qū)域配置

圖2 極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)運(yùn)行流程

圖3 極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)產(chǎn)品示例

圖3 （續(xù)）

3 極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)產(chǎn)品檢驗和應(yīng)用

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

3.1 南極預(yù)報產(chǎn)品檢驗

我們使用南極長城站氣象觀測站的實測數(shù)據(jù)，對極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)在長城站的預(yù)報結(jié)果進(jìn)行了檢驗，檢驗對象包括10 m風(fēng)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(nèi)長城站數(shù)值預(yù)報的風(fēng)速與實測值趨勢一致，但總體偏大，尤其是48h預(yù)報結(jié)果與實測值的相關(guān)系數(shù)僅為0.42。數(shù)值預(yù)報的風(fēng)速與實測值有偏差，主要原因是風(fēng)速易受局地地形影響，如果模式下墊面數(shù)據(jù)的分辨率不夠高，不足以為模式運(yùn)行提供足夠精細(xì)的地形數(shù)據(jù)，則會產(chǎn)生較明顯的風(fēng)向風(fēng)速預(yù)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(fēng)處，因此測站的風(fēng)速可能低于周邊環(huán)境的風(fēng)速。但是數(shù)值預(yù)報結(jié)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(xiàn)象，說明數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)可以較好地把握當(dāng)?shù)靥鞖獾臅r間演變特征。對于同一預(yù)報時刻，模式運(yùn)行24 h的數(shù)值預(yù)報誤差平均為2.16 m/s，運(yùn)行48 h的誤差平均為1.99 m/s（見表1），48 h預(yù)報效果好于24 h預(yù)報效果，是由于模式在運(yùn)行前期需要對初始條件進(jìn)行熱力動力調(diào)整，使之達(dá)到平衡狀態(tài)，因此前期的預(yù)報效果并不是一定會好于后期。但二者比較接近，表明該數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)有較好的穩(wěn)定性。

氣溫方面，無論是24 h還是48 h的數(shù)值預(yù)報結(jié)果都與實測值吻合較好，相關(guān)系數(shù)超過0.82，但夏季（1—3月）時的氣溫預(yù)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(xiàn)場氣溫觀測產(chǎn)生了影響，而預(yù)報系統(tǒng)沒能較好地模擬出下墊面的變化產(chǎn)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(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的24 h和48 h運(yùn)行結(jié)果均準(zhǔn)確地預(yù)報出了氣壓值和變化趨勢（見圖4c），相關(guān)系數(shù)分別為0.88和0.86。

3.2 北極預(yù)報產(chǎn)品檢驗

我們使用ECMWF的ERA-interim再分析資料，對極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的北極預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行了檢驗，檢驗對象是2012年8月5日出現(xiàn)在北極地區(qū)的一個大尺度低壓系統(tǒng)。由于極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)使用的初始場是GFS數(shù)據(jù)，我們對比初始場數(shù)據(jù)和ECMWF再分析資料，可以發(fā)現(xiàn)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(fēng)速的差別較大（見圖5）。

圖4 南極長城站極地數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)對比曲線

表1 南極長城站極地數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)產(chǎn)品與實測數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)、平均絕對誤差和均方根誤差

隨著極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的向前計算積分，預(yù)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(xiàn)一個明顯的正異常中心。根據(jù)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(qū)存在一個很強(qiáng)的低壓，之后低壓逐漸減弱、消亡，500 hPa位勢高度對比結(jié)果（圖略）也有類似狀況，表明極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)對該低壓的預(yù)報在60 h之后偏弱，并超前于系統(tǒng)實際發(fā)展情況。

3.3 “永盛”輪首航北極預(yù)報檢驗

圖5 北極地區(qū)2012年8月5日00時（世界時，下同）數(shù)值預(yù)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(yè)航行的安全（航道見圖7），我們利用極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)提供了氣象保障服務(wù)。

對比分析該商船航行期間代表性站點的極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)預(yù)報結(jié)果和歐洲中心的再分析數(shù)據(jù)，我們對進(jìn)行了時間序列對比。發(fā)現(xiàn)在地面、850 hPa、700 hPa以及500 hPa等不同高度，風(fēng)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(guān)注的海平面風(fēng)場，數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)給出了較好的預(yù)報結(jié)果。

3.4 “雪龍”船南極冰區(qū)脫困期間預(yù)報系統(tǒng)的應(yīng)用

圖8 2013年8月28—30日“永盛”輪航線上數(shù)值預(yù)報結(jié)果與ERA-interim再分析數(shù)據(jù)對比

圖8 （續(xù)）

圖9 極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)關(guān)于“雪龍”船附近海域的預(yù)報圖

2014年1月初“雪龍”船在南極冰區(qū)脫困和2015年12月我國南極固定翼飛機(jī)首次在南極內(nèi)陸飛行期間，極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)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(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)對“雪龍”船及其附近海域的平均海平面氣壓場、風(fēng)場、降水量場、500 hPa位勢高度場進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報（見圖9），根據(jù)預(yù)報結(jié)果，分析和預(yù)測了天氣發(fā)展過程。

為了更加直觀地預(yù)報“雪龍”船受困位置風(fēng)的變化趨勢，根據(jù)“雪龍”船受困位置信息，在系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)中提取了量化的風(fēng)向風(fēng)速預(yù)報結(jié)果，繪制了風(fēng)向轉(zhuǎn)變的時間窗口示意圖（見圖10）。

圖10 極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)對“雪龍”船所在位置風(fēng)的預(yù)報

4 問題與討論

當(dāng)前國際上針對極地地區(qū)的數(shù)值天氣預(yù)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(fù)雜性、極地氣象觀測資料的缺乏性。國外相關(guān)機(jī)構(gòu)的極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)在觀測數(shù)據(jù)實時性方面具有相對優(yōu)勢，而在國內(nèi)很難接收到可以實時同化到模式中的相關(guān)衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)；也很難實時接收到兩極地區(qū)的船舶、浮標(biāo)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(shù)值天氣預(yù)報精確度。如果能夠?qū)崟r獲取更多實測資料和準(zhǔn)實時衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，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(yù)報產(chǎn)品的準(zhǔn)確性。

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

極地數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)的發(fā)展方向是采用多重網(wǎng)格嵌套技術(shù)和資料同化技術(shù)，建成和完善能夠自動進(jìn)行資料接收、資料同化、模式運(yùn)行、產(chǎn)品發(fā)布的高分辨率數(shù)值天氣預(yù)報系統(tǒng)。為增強(qiáng)極地預(yù)報的業(yè)務(wù)能力，需在以下方面改進(jìn)該數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)：

（1）使用極區(qū)現(xiàn)有的氣象觀測站資料和船舶及浮標(biāo)觀測資料，對模式預(yù)報產(chǎn)品進(jìn)行檢驗，定期給出檢驗報告，分析模式的優(yōu)勢和缺點，為現(xiàn)場預(yù)報員提供參考；

（2）改善模式地形和冰雪等下墊面數(shù)據(jù)；準(zhǔn)實時同化多種實測數(shù)據(jù)，使模式的初始場不斷逼近實際觀測值；增加預(yù)報系統(tǒng)運(yùn)行頻次，并使用循環(huán)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(guī)數(shù)值天氣預(yù)報保障需求外，將繼續(xù)完善航空天氣預(yù)報和極端天氣預(yù)警服務(wù)，如提升對雪暴、下降風(fēng)、低能見度、風(fēng)切變、災(zāi)害性氣旋等災(zāi)害性天氣及系統(tǒng)的預(yù)報水平。

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

[2]Hines K M,Bromwich D H.Development and testing of polar weather research and forecasting(WRF)model.Part I:Greenland ice sheet meteorology[J].Monthly Weather Review,2008,136(6): 1971-1989.

[3]Bromwich D H,Hines K M,Bai L S.Development and testing of polar weather research and forecasting model:2.arctic ocean[J]. Journal of Geophysical Research:Atmospheres,2009,114(D8): D08122.

[4]Hines,K.M.,D.H.Bromwich,L.-S.Bai,M.Barlage,and A.G. Slater,Development and testing of Polar WRF.Part III.Arctic land.J.Climate,2011,24:26-48.

[5]孫啟振，楊清華，張林.南極數(shù)值天氣預(yù)報應(yīng)用與研究進(jìn)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.

[7]D.H.Bromwich,A.J.Monaghan,K.W.Manning,and J.G. Powers,Real-Time Forecasting for the Antarctic:An Evaluation of the Antarctic Mesoscale Prediction System(AMPS).Mon.Weather Rev.,2005.133:579-603

[8]Powers J G,Manning K W,Bromwich D H,et al.A decade of Antarctic science support through AMPS[J].Bulletin of the American Meteorological Society,2012,93(11):1699-1712.

[9]Powers J G,Monaghan A J,Cayette A M,et al.Real-time mesoscale modeling over Antarctica:The Antarctic mesoscaleprediction system[J].Bulletin of the American Meteorological Society,2003,84(11):1533-1545.

[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(huán)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(xué)基金（41206185）；國家海洋局“南北極環(huán)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(yù)報。E-mail：sunqizhen@nmefc.gov.cn