盛春巖，榮艷敏，曲巧娜，范蘇丹

(山東省氣象科學(xué)研究所，山東 濟(jì)南 250031)

引言

近幾十年來(lái)，數(shù)值天氣預(yù)報(bào)和資料同化水平不斷發(fā)展進(jìn)步，數(shù)值模式對(duì)暴雨預(yù)報(bào)能力顯著提高，但是局地突發(fā)性暴雨仍然是預(yù)報(bào)難點(diǎn)。為此，世界發(fā)達(dá)國(guó)家都在致力于快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，目的是為了把各種最新的觀測(cè)資料同化到數(shù)值模式中，改進(jìn)模式初始場(chǎng)，提高數(shù)值模式預(yù)報(bào)能力，如美國(guó)的HRRR[1]，中國(guó)氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)中心的GRAPES_RAFS[2-5]，北京[6-7]、上海[8-10]、廣東[11]等中尺度模式系統(tǒng)，不少省級(jí)氣象局也在運(yùn)行本地的RUC快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以提高對(duì)本地突發(fā)災(zāi)害天氣預(yù)報(bào)能力。

然而，因不同的災(zāi)害天氣過(guò)程適合的物理參數(shù)化方案不同[12]，即使質(zhì)量很高的初始場(chǎng)也不能保證數(shù)值模式較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)大暴雨過(guò)程[13]。數(shù)值模式在動(dòng)力框架下引入了各種不同的物理過(guò)程參數(shù)化方案，以合理描述各種尺度的天氣過(guò)程，如顯式的微物理參數(shù)化方案、積云對(duì)流參數(shù)化方案等。選擇適合本地的物理參數(shù)化方案，對(duì)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果同樣有著重要影響。WRF(Weather Research and Forecasting)模式已在我國(guó)廣泛應(yīng)用，關(guān)于WRF模式不同物理參數(shù)化方案對(duì)預(yù)報(bào)影響的研究也較多。王田田等[14]研究了WRF模式不同過(guò)程物理參數(shù)化方案對(duì)甘肅一次暴雨的影響，認(rèn)為微物理方案對(duì)暴雨強(qiáng)度和落區(qū)預(yù)報(bào)的影響較積云對(duì)流參數(shù)化方案更為敏感。閆之輝和鄧蓮堂[15]試驗(yàn)了WRF模式不同物理參數(shù)化方案對(duì)暴雨預(yù)報(bào)的影響，結(jié)果表明，總體預(yù)報(bào)效果 LIN et al.[16]方案(簡(jiǎn)稱“LIN方案”)較好, 而對(duì)流參數(shù)化方案從降水落區(qū)預(yù)報(bào)和對(duì)流降水對(duì)總降水的貢獻(xiàn)兩方面看則是 K-F(Kain-Fritsch) 和新的K-F 方案的預(yù)報(bào)效果較好。郭云云等[17]通過(guò)批量試驗(yàn)研究了Kain-Fritsch Eta和BMJ(Betts-Miller-Janjic)兩種積云對(duì)流參數(shù)化方案對(duì)GRAPES_meso降水預(yù)報(bào)的影響，結(jié)果表明，兩種方案預(yù)報(bào)差異不大，夏季差異稍明顯，Kain-Fritsch Eta總體優(yōu)于BMJ。

盡管相關(guān)領(lǐng)域的研究較多，但研究中使用的模式分辨率大都在10 km以上，針對(duì)5 km以下高分辨率模式預(yù)報(bào)的敏感性試驗(yàn)較少。同時(shí)，由于各地的災(zāi)害天氣不同，還需要結(jié)合本地災(zāi)害天氣特點(diǎn)研究適合本地災(zāi)害天氣的物理參數(shù)化方案。盛春巖等[13]基于WRF模式，采用36、12、4 km三層嵌套網(wǎng)格進(jìn)行逐3 h資料同化和快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)，對(duì)2011年5月山東一次局地突發(fā)性大暴雨過(guò)程進(jìn)行了資料同化敏感性試驗(yàn)。結(jié)果表明，地面觀測(cè)資料同化和快速更新循環(huán)對(duì)本次降水的預(yù)報(bào)起到了關(guān)鍵性作用。在快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)時(shí)不同化地面觀測(cè)資料，或同化全部觀測(cè)資料進(jìn)行冷啟動(dòng)預(yù)報(bào)，模式均不能預(yù)報(bào)出山東的降水。同化地面觀測(cè)資料后，顯著改進(jìn)了模式降水落區(qū)預(yù)報(bào)，但預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度較實(shí)況明顯偏弱。對(duì)于不同物理參數(shù)化方案對(duì)降水預(yù)報(bào)的影響尚未研究。

鑒于初始場(chǎng)和物理參數(shù)化方案對(duì)模式降水預(yù)報(bào)均有重要影響，本文將在前期研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步開(kāi)展不同微物理參數(shù)化方案以及積云對(duì)流參數(shù)化方案對(duì)本次大暴雨預(yù)報(bào)的敏感性試驗(yàn)，并與不同初始場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以分析造成模式對(duì)本次暴雨強(qiáng)度預(yù)報(bào)偏弱的原因。

1 大暴雨過(guò)程概述

2011年5月7日20時(shí)—8日20時(shí)(北京時(shí))，山東省出現(xiàn)了一次局地大暴雨過(guò)程，大暴雨中心出現(xiàn)在魯中地區(qū)，最大降水量超過(guò)了100 mm。降水實(shí)況分析表明，大暴雨主要出現(xiàn)在8日凌晨到上午，02—14時(shí)，最大降水量出現(xiàn)在淄川，為105.9 mm(圖1)。

圖1 2011年5月8日02—14時(shí)山東局地大暴雨過(guò)程累計(jì)降水量(單位：mm；紅色三角位置為最大降水點(diǎn))Fig.1 Cumulative precipitation of the local rainstorm in Shandong from 02:00 BST to 14:00 BST on 8 May 2011 (units: mm; red triangle for location of the maximum precipitation)

本次過(guò)程降水持續(xù)時(shí)間短、降水量集中、局地性強(qiáng)。由降水發(fā)生前的高低空形勢(shì)(圖2、圖3)看，局地大暴雨發(fā)生前(7日20時(shí))，850 hPa為偏南風(fēng)，有較強(qiáng)風(fēng)速向山東輻合，850 hPa以下為倒槽，存在偏南風(fēng)風(fēng)速輻合，700 hPa為反氣旋環(huán)流，500 hPa為弱高空槽后。大暴雨發(fā)生時(shí)(8日08時(shí))，850 hPa的風(fēng)速輻合區(qū)進(jìn)一步向北推進(jìn)，出現(xiàn)在山東，850 hPa出現(xiàn)了經(jīng)向切變線，850 hPa 以下的倒槽也向北推進(jìn)，風(fēng)速輻合顯著增強(qiáng)，700 hPa為西南氣流，輻合區(qū)在山東北部。500 hPa為偏西風(fēng)，山東南部為弱的西南風(fēng)氣流。由大暴雨發(fā)生前和大暴雨發(fā)生時(shí)的環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)可以看出，近地層倒槽和較強(qiáng)的風(fēng)速輻合是造成暴雨的主要?jiǎng)恿σ蛩亍?/p>

圖2 2011年5月7日20時(shí)(a. 500 hPa，b. 850 hPa，c. 925 hPa)和8日08時(shí)(d. 500 hPa，e. 850 hPa，f. 925 hPa)高空形勢(shì)場(chǎng)(棕實(shí)線為高度場(chǎng)，單位：dagpm；紅虛線為溫度場(chǎng)，單位：℃；風(fēng)矢為風(fēng)場(chǎng)，單位：m·s-1)Fig.2 Synoptic situation at 20:00 BST on 7 (a. 500 hPa, b. 850 hPa, c. 925 hPa) and 08:00 BST on 8 (d. 500 hPa, e. 850 hPa, f. 925 hPa) May 2011 (brown solid line for geopotential height, units: dagpm; red dashed line for temperature, units: ℃; wind barb for wind field, units: m·s-1)

2 數(shù)值試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

圖3 2011年5月7日20時(shí)(a)和8日08時(shí)(b)地面形勢(shì)場(chǎng)(棕實(shí)線為氣壓場(chǎng)，單位：hPa；風(fēng)矢為風(fēng)場(chǎng)，單位：m·s-1)Fig.3 Surface synoptic situation at 20:00 BST on 7 (a) and 08:00 BST on 8 (b) May 2011 (brown solid line for sea-level pressure, units: hPa; wind barb for wind field, units: m·s-1)

為對(duì)比分析不同的物理參數(shù)化方案對(duì)本次暴雨預(yù)報(bào)的影響，并與不同初始場(chǎng)的影響進(jìn)行對(duì)比，基于WRF模式及其3Dvar資料同化系統(tǒng)，共進(jìn)行8組敏感性試驗(yàn)。試驗(yàn)1(Exp-W_pK)為控制試驗(yàn)。根據(jù)盛春巖等[13]對(duì)本次大暴雨過(guò)程資料同化和快速更新循環(huán)預(yù)報(bào)的對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，選擇最佳預(yù)報(bào)方案作為本次控制試驗(yàn)方案，即采用36、12、4 km三層嵌套網(wǎng)格，三層網(wǎng)格格點(diǎn)數(shù)分別為126×101、151×121、181×127，內(nèi)層網(wǎng)格中心點(diǎn)為36°N，117.8°E。模式采用的微物理方案為WSM-6，積云對(duì)流參數(shù)化方案為舊的K-F方案，邊界層方案為YSU方案。模式起報(bào)時(shí)間為2011年5月7日08時(shí)，采用7日08時(shí)GFS分析場(chǎng)作為全球背景場(chǎng)，GFS逐3 h預(yù)報(bào)場(chǎng)作為外層側(cè)邊界，進(jìn)行逐3 h同化循環(huán)預(yù)報(bào)，同化的資料包括全國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站、探空、山東省25個(gè)GPS/MET站水汽資料、船舶資料，預(yù)報(bào)時(shí)效為24 h，同化循環(huán)到7日14時(shí)進(jìn)行預(yù)報(bào)對(duì)比試驗(yàn)。

由于WRF模式本身的物理參數(shù)化方案較多，本文結(jié)合不同方案特點(diǎn)[15]及業(yè)務(wù)常用的較好方案進(jìn)行試驗(yàn)，主要對(duì)模式降水預(yù)報(bào)偏弱的原因進(jìn)行研究。試驗(yàn)2(Exp-L_pK)在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，微物理參數(shù)化方案改為L(zhǎng)IN方案。試驗(yàn)3(Exp-W_K)是在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，積云對(duì)流參數(shù)化方案改為K-F方案。試驗(yàn)4(Exp-W_0)是在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，4 km網(wǎng)格不使用積云對(duì)流。試驗(yàn)5(Exp-L_K)是在控制試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，微物理參數(shù)化方案改為L(zhǎng)IN方案，積云對(duì)流參數(shù)化方案改為K-F方案。試驗(yàn)6、7與試驗(yàn)5采用完全相同的物理參數(shù)化方案，但試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)在7日14時(shí)模式啟動(dòng)時(shí)不同化任何觀測(cè)資料。試驗(yàn)7、8(分別為Exp-L_K-00、Exp-W_pK-00)為模式自7日08時(shí)冷啟動(dòng)預(yù)報(bào)結(jié)果，但采用不同的微物理參數(shù)化方案和積云對(duì)流參數(shù)化方案。數(shù)值試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)見(jiàn)表1。

表1 數(shù)值試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

Table 1 Design of numerical experiments

試驗(yàn)序號(hào)試驗(yàn)名稱起報(bào)時(shí)間微物理方案積云對(duì)流方案同化的資料1Exp-W_pK7日14時(shí)WSM-6舊 K-F地面、船舶、GPS/MET2Exp-L_pK7日14時(shí)LIN舊K-F地面、船舶、GPS/MET3Exp-W_K7日14時(shí)WSM-6K-F地面、船舶、GPS/MET4Exp-W_07日14時(shí)WSM-60地面、船舶、GPS/MET5Exp-L_K7日14時(shí)LINK-F地面、船舶、GPS/MET6Exp-L_K-no7日14時(shí)LINK-F無(wú)7Exp-L_K-007日08時(shí)LINK-F地面、船舶、GPS/MET、探空8Exp-W_pK-007日08時(shí)WSM-6舊K-F地面、船舶、GPS/MET、探空

3 不同試驗(yàn)降水量預(yù)報(bào)對(duì)比

3.1 不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的時(shí)段降水量對(duì)比

由于降水主要集中在8日02—14時(shí)，為此，分別對(duì)不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的8日02—14時(shí)降水量與實(shí)況降水量進(jìn)行對(duì)比。由圖4可以發(fā)現(xiàn)，不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的降水落區(qū)分布總體上較為接近，強(qiáng)降水主要位于魯中，與實(shí)況降水量也較為一致，但不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度差異較大。其中，試驗(yàn)1(控制預(yù)報(bào)，Exp-W_pK)預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度最弱，最強(qiáng)降水不到30 mm，試驗(yàn)2(Exp-L_pK)預(yù)報(bào)結(jié)果與試驗(yàn)1基本相當(dāng)，但強(qiáng)度略有增強(qiáng)。試驗(yàn)3—6(Exp-W_K、Exp-W_0、Exp-L_K、Exp-L_K-no)預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度較好，最強(qiáng)降水超過(guò)85 mm，強(qiáng)降水中心位置略有差異。試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)預(yù)報(bào)的降水中心偏南。對(duì)于魯西北的降水中心，試驗(yàn)3—7均預(yù)報(bào)有降水，但降水強(qiáng)度不同。試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)預(yù)報(bào)的降水主要出現(xiàn)在魯西北及滄州、衡水一帶，山東降水很弱，只在魯中山區(qū)出現(xiàn)5 mm左右的降水。

3.2 不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的降水量檢驗(yàn)評(píng)分

由3.1節(jié)的分析可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)1—5采用的是相同的初始場(chǎng)和側(cè)邊界數(shù)據(jù)，但模式使用不同的物理參數(shù)化方案，除試驗(yàn)4(Exp-W_0)預(yù)報(bào)的降水落區(qū)略偏北外，其他試驗(yàn)預(yù)報(bào)的降水落區(qū)類(lèi)似，但降水強(qiáng)度差異較大。使用K-F積云對(duì)流參數(shù)化方案(試驗(yàn)3 Exp-W_K、試驗(yàn)5 Exp-L_K)或4 km不使用積云對(duì)流參數(shù)化方案(試驗(yàn)4)，預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度明顯增強(qiáng)，最強(qiáng)降水中心達(dá)85 mm以上，與實(shí)況較為接近。試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)、試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)為自7日08時(shí)冷啟動(dòng)的預(yù)報(bào)，二者使用完全相同的初始場(chǎng)和側(cè)邊界數(shù)據(jù)，但因使用不同的微物理和積云對(duì)流參數(shù)化方案，降水落區(qū)和強(qiáng)度預(yù)報(bào)仍然差異很大。結(jié)合盛春巖等[13]研究可知，試驗(yàn)8與試驗(yàn)1(Exp-W_pK)降水預(yù)報(bào)差異的主要原因是試驗(yàn)8使用冷啟動(dòng)導(dǎo)致初始場(chǎng)信息不足。而試驗(yàn)7雖然與試驗(yàn)8使用了同樣初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件，但降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)明顯增加，顯然是由于使用了適合的微物理方案和積云對(duì)流參數(shù)化方案而造成的。

同樣，試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)、試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)與試驗(yàn)5(Exp-L_K)采用完全相同的物理參數(shù)化方案，但初始場(chǎng)有所不同，預(yù)報(bào)的降水量仍然有差異，主要表現(xiàn)為降水落區(qū)差異較大。結(jié)合盛春巖等[13]研究可知，主要是由于試驗(yàn)5(Exp-L_K)的初始場(chǎng)采用了快速更新循環(huán)同化和同化地面觀測(cè)資料，對(duì)降水落區(qū)預(yù)報(bào)有顯著改善，體現(xiàn)出模式初始場(chǎng)對(duì)降水落區(qū)預(yù)報(bào)的重要影響。

為定量分析不同試驗(yàn)降水預(yù)報(bào)情況，這里分別采用TS評(píng)分和目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)方法，對(duì)8個(gè)敏感性試驗(yàn)預(yù)報(bào)的8日02—14時(shí)降水量進(jìn)行檢驗(yàn)。

圖5給出了8個(gè)試驗(yàn)預(yù)報(bào)的8日02—14時(shí)山東省降水量TS評(píng)分對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)不同等級(jí)降水預(yù)報(bào)總體較好的為試驗(yàn)3(Exp-W_K)，其次為試驗(yàn)5(Exp-L_K)，大雨以上強(qiáng)降水TS評(píng)分較高的為試驗(yàn)4(Exp-W_0)。

圖5 2011年5月7日14時(shí)各試驗(yàn)預(yù)報(bào)的12～24 h降水TS評(píng)分(單位：%)Fig.5 Threat score of 12-24 h precipitation forecast at 14:00 BST on 7 May 2011 by 8 experiments (units: %)

目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)為從實(shí)況中甄別出大于一定強(qiáng)度等級(jí)的降水目標(biāo)并進(jìn)行編碼，然后分別計(jì)算每個(gè)目標(biāo)對(duì)象的面積、重心位置、形狀和強(qiáng)度參數(shù)，將預(yù)報(bào)與實(shí)況識(shí)別的對(duì)象進(jìn)行搜索匹配，最后運(yùn)用加權(quán)法綜合四項(xiàng)評(píng)分，評(píng)分最高即為預(yù)報(bào)(匹配)最好[18-19]。為評(píng)估不同試驗(yàn)對(duì)強(qiáng)降水預(yù)報(bào)情況，這里分別對(duì)各試驗(yàn)預(yù)報(bào)的降水量R≥10 mm、R≥25 mm、R≥50 mm進(jìn)行目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)評(píng)分，綜合不同等級(jí)降水總評(píng)分(圖6)可以看出，降水預(yù)報(bào)總體較好的方案為試驗(yàn)5(Exp-L_K)和試驗(yàn)4(Exp-W_0)，其次為試驗(yàn)3(Exp-W_K)、試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)、試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)，試驗(yàn)1(Exp-W_pK)和試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)預(yù)報(bào)最差，強(qiáng)度明顯偏弱。目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)和TS評(píng)分從不同角度說(shuō)明，試驗(yàn)5(Exp-L_K)、試驗(yàn)4(Exp-W_0)均有較好的預(yù)報(bào)，試驗(yàn)3(Exp-W_K)對(duì)降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)略弱，其他預(yù)報(bào)更差一些。

綜合8個(gè)試驗(yàn)降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，快速更新循環(huán)同化地面觀測(cè)資料，對(duì)降水落區(qū)預(yù)報(bào)影響最大，而不同的物理參數(shù)化方案對(duì)降水強(qiáng)度有很大影響。從本次對(duì)比的微物理參數(shù)化方案和積云對(duì)流參數(shù)化方案來(lái)看，微物理參數(shù)化方案WSM-6和LIN方案對(duì)降水預(yù)報(bào)都有較好的預(yù)報(bào)效果，LIN方案降水預(yù)報(bào)較WSM-6略好。4 km網(wǎng)格使用K-F積云對(duì)流參數(shù)化方案或不使用積云對(duì)流參數(shù)化方案，預(yù)報(bào)的降水均較好。4 km網(wǎng)格使用舊的K-F積云對(duì)流參數(shù)化方案，預(yù)報(bào)的降水明顯偏弱。

圖6 各試驗(yàn)預(yù)報(bào)的2011年5月8日02—08時(shí)降水量R≥10 mm、R≥25 mm、R≥50 mm降水目標(biāo)對(duì)象檢驗(yàn)評(píng)分結(jié)果Fig.6 Object-based verification score of precipitation equal to or higher than 10 mm, 25 mm, and 50 mm from 02:00 BST to 08:00 BST on 8 May 2011 by 8 experiments

3.3 不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的逐3 h降水量演變

對(duì)不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的8日02—05、05—08、08—11、11—14時(shí)逐3 h降水量演變進(jìn)行了對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)1、2、3、5預(yù)報(bào)的逐3 h降水量落區(qū)和演變特征非常接近，降水首先從魯中開(kāi)始，增強(qiáng)后向東北方向移動(dòng)，但不同方案預(yù)報(bào)的降水強(qiáng)度差異較大。試驗(yàn)4(Exp-W_0)預(yù)報(bào)的降水落區(qū)總體略偏北，主要在魯中以北，強(qiáng)度預(yù)報(bào)較好。試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)、試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)預(yù)報(bào)的降水量落區(qū)總體偏西偏南，降水首先從魯西南開(kāi)始，降水落區(qū)和強(qiáng)度均有不同。試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)幾乎未預(yù)報(bào)出山東的降水。

圖7給出了淄川站各試驗(yàn)逐3 h降水量預(yù)報(bào)及降水實(shí)況，可以發(fā)現(xiàn)，逐3 h降水量單站演變曲線也較好地說(shuō)明，試驗(yàn)5(Exp-L_K)、試驗(yàn)3(Exp-W_K)預(yù)報(bào)的降水發(fā)生時(shí)間和降水強(qiáng)度均較好，3 h降水量在35～45 mm之間。試驗(yàn)4(Exp-W_0)預(yù)報(bào)的降水落區(qū)稍偏北，試驗(yàn)1(Exp-W_pK)、試驗(yàn)2(Exp-L_pK)預(yù)報(bào)的降水時(shí)間也較好，但強(qiáng)度明顯偏弱，3 h降水量不足20 mm。逐3 h降水量演變特征再次表明，試驗(yàn)1—5預(yù)報(bào)的降水量差異主要是降水強(qiáng)度，體現(xiàn)出不同的物理參數(shù)化方案對(duì)降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)的影響。試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)與試驗(yàn)5(Exp-L_K)降水量預(yù)報(bào)的差異反映了初始場(chǎng)差異對(duì)降水落區(qū)預(yù)報(bào)的影響。

圖7 不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的淄川站8日02—14時(shí)段內(nèi)逐3 h降水量預(yù)報(bào)及實(shí)況(單位：mm) Fig.7 Observed and forecast 3-h cumulative precipitation at Zichuan Station from 02:00 BST to 14:00 BST on 8 May 2011 by 8 experiments (units: mm)

4 不同試驗(yàn)降水預(yù)報(bào)差異原因分析

上述分析表明，模式使用不同的物理參數(shù)化方案，是造成模式降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)差異的主要原因。不同參數(shù)化方案是如何影響模式降水預(yù)報(bào)的，下面將從大氣熱力和動(dòng)力場(chǎng)預(yù)報(bào)進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1 不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的大氣熱力場(chǎng)對(duì)比分析

首先，對(duì)不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的大氣熱力場(chǎng)進(jìn)行分析，圖8給出了沿降水發(fā)生區(qū)(118°E)的大氣假相當(dāng)位溫和相對(duì)濕度場(chǎng)經(jīng)向垂直剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)1—5預(yù)報(bào)的降水開(kāi)始時(shí)(8日02時(shí))大氣假相當(dāng)位溫分布類(lèi)似，在35°N，118°E上空約850 hPa附近有一個(gè)高能中心，高能舌向北傾斜向高空伸展，對(duì)應(yīng)高能舌底部約750 hPa附近為高濕區(qū)，相對(duì)濕度均在90%以上。僅從大氣熱力場(chǎng)來(lái)看，試驗(yàn)1—5的大氣潛在不穩(wěn)定條件是類(lèi)似的，無(wú)顯著區(qū)別。試驗(yàn)6—8預(yù)報(bào)的降水開(kāi)始時(shí)大氣假相當(dāng)位溫中心明顯偏南，位于34°N以南，中心位于900 hPa附近，試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)預(yù)報(bào)的大氣高濕區(qū)位于34.5°N，118°E上空約600 hPa附近，而試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)和試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)預(yù)報(bào)的大氣明顯偏干，高濕區(qū)位于36°N，118°E上空約550 hPa附近，最大相對(duì)濕度在85%左右。試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)在700 hPa以下的相對(duì)濕度較試驗(yàn)7還要低，大氣熱力條件較差。

降水發(fā)生過(guò)程(圖略)中，不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的大氣假相當(dāng)位溫和相對(duì)濕度分布總體差異仍不大。試驗(yàn)6—8預(yù)報(bào)的大氣相對(duì)濕度略偏低，濕區(qū)更偏西些。

4.2 不同試驗(yàn)預(yù)報(bào)的大氣動(dòng)力場(chǎng)對(duì)比分析

分析暴雨發(fā)生過(guò)程中(8日05時(shí))高空環(huán)流場(chǎng)發(fā)現(xiàn)，近地層存在三支氣流向魯中地區(qū)輻合(圖略)，950 hPa附近為偏東風(fēng)輻合氣流，850 hPa附近為偏南風(fēng)輻合氣流，700 hPa為西南風(fēng)輻合氣流。近地層風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)力抬升作用是局地大暴雨的觸發(fā)機(jī)制。

為分析各試驗(yàn)預(yù)報(bào)的大氣動(dòng)力場(chǎng)結(jié)構(gòu)及差異，沿對(duì)流啟動(dòng)區(qū)域(117°E)做魯中以南大氣風(fēng)場(chǎng)和垂直速度場(chǎng)垂直剖面，可以發(fā)現(xiàn)，8日02時(shí)降水剛剛開(kāi)始時(shí)(圖9)，試驗(yàn)1(Exp-W_pK)預(yù)報(bào)的魯南地區(qū)近地層大氣風(fēng)速較大，且35°N以北850 hPa以下為東南風(fēng)、850 hPa以上為西南風(fēng)，存在較明顯的風(fēng)速輻合。由風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)看，魯中以南近地層風(fēng)速大值中心與大氣高能舌相對(duì)應(yīng)，主要在850 hPa高度以下35°～35.5°N附近向南伸展，900 hPa以下為東南風(fēng)氣流，900～850 hPa為南風(fēng)氣流，風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)力抬升作用為降水的發(fā)生提供了有利條件。試驗(yàn)2—5的風(fēng)場(chǎng)垂直分布與試驗(yàn)1(Exp-W_pK)類(lèi)似，但與高能舌相對(duì)應(yīng)的大風(fēng)區(qū)的風(fēng)速偏強(qiáng)，特別是900 hPa以下貼地層風(fēng)速偏強(qiáng)2 m·s-1左右。試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)預(yù)報(bào)的大氣近地層大風(fēng)區(qū)略不同，兩個(gè)風(fēng)速大值中心，分別位于34.5°N和36°N上空約900 hPa附近。試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)、試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)垂直結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)1(Exp-W_pK)雖然也類(lèi)似，但風(fēng)速總體偏小，大風(fēng)區(qū)高度更低，在950 hPa以下，試驗(yàn)8預(yù)報(bào)的風(fēng)速更小。

降水開(kāi)始后(圖10)，高空西南風(fēng)進(jìn)一步增強(qiáng)，最大風(fēng)速中心位于800 hPa左右，風(fēng)速最大值達(dá)14 m·s-1，試驗(yàn)2(Exp-L_pK)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)與試驗(yàn)1(Exp-W_pK)類(lèi)似。試驗(yàn)3—5高空急流強(qiáng)度更強(qiáng)，最大風(fēng)速值較試驗(yàn)1偏強(qiáng)3～5 m·s-1，在36.5°N上空不同高度層風(fēng)速輻合更加明顯，大氣垂直運(yùn)動(dòng)更強(qiáng)。試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)因初始場(chǎng)不同，預(yù)報(bào)的低空急流中心位置偏南，相應(yīng)地，降水預(yù)報(bào)也偏南。而試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)雖與試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)采用同樣的初始場(chǎng)，因使用了不同的物理參數(shù)化方案，風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)明顯偏弱，差異很大。

圖9 各試驗(yàn)預(yù)報(bào)的8日02時(shí)沿117°E大氣垂直風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)、全風(fēng)速(藍(lán)色實(shí)線)和垂直速度場(chǎng)(紅色實(shí)線，只畫(huà)上升區(qū))剖面圖(單位：m·s-1；a.試驗(yàn)1 Exp-W_pK，b.試驗(yàn)2 Exp-L_pK，c.試驗(yàn)3 Exp-W_K，d.試驗(yàn)4 Exp-W_0，e.試驗(yàn)5 Exp-L_K，f.試驗(yàn)6 Exp-L_K-no，g.試驗(yàn)7 Exp-L_K-00，h.試驗(yàn)8 Exp-W_pK-00)Fig.9 Cross section of vertical wind field (wind barb), wind speed (blue solid line), and vertical velocity (red solid line, only for the updraft area) along 117°E at 02:00 BST on 8 May 2011 by 8 experiments (units: m·s-1; a. Exp-W_pK, b. Exp-L_pK, c. Exp-W_K, d. Exp-W_0, e. Exp-L_K, f. Exp-L_K-no, g. Exp-L_K-00, h. Exp-W_pK-00)

圖10 各試驗(yàn)預(yù)報(bào)的8日05時(shí)沿117°E大氣垂直風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)、全風(fēng)速(藍(lán)色實(shí)線)和垂直速度場(chǎng)(紅色實(shí)線，只畫(huà)上升區(qū))剖面圖(單位：m·s-1；a.試驗(yàn)1 Exp-W_pK，b.試驗(yàn)2 Exp-L_pK，c.試驗(yàn)3 Exp-W_K，d.試驗(yàn)4 Exp-W_0，e.試驗(yàn)5 Exp-L_K，f.試驗(yàn)6 Exp-L_K-no，g.試驗(yàn)7 Exp-L_K-00，h.試驗(yàn)8 Exp-W_pK-00)Fig.10 The same as Fig.9, but for 05:00 BST on 8 May 2011

由850 hPa風(fēng)場(chǎng)(圖11)可以清楚地發(fā)現(xiàn)，在暴雨發(fā)生過(guò)程中，魯南地區(qū)存在一支較強(qiáng)的偏南風(fēng)急流向魯中地區(qū)輻合，且試驗(yàn)3—5預(yù)報(bào)的風(fēng)速更強(qiáng)。風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)力作用有利于降水預(yù)報(bào)增強(qiáng)。試驗(yàn)6(Exp-L_K-no)對(duì)流開(kāi)始晚，8日05時(shí)大風(fēng)中心仍主要位于貼地層，850 hPa風(fēng)速偏小、大風(fēng)區(qū)偏南。試驗(yàn)7(Exp-L_K-00)對(duì)流觸發(fā)后風(fēng)速進(jìn)一步增強(qiáng)，最大風(fēng)速中心位于700 hPa以上，且同樣存在850 hPa以下東南風(fēng)和850 hPa以上西南風(fēng)的輻合，但850 hPa大風(fēng)區(qū)位置也偏南。試驗(yàn)8(Exp-W_pK-00)整個(gè)過(guò)程風(fēng)速明顯偏小，動(dòng)力條件不足，造成降水明顯偏弱。

圖11 各試驗(yàn)預(yù)報(bào)的8日05時(shí)850 hPa風(fēng)場(chǎng)(風(fēng)矢)和全風(fēng)速(藍(lán)色線)分布(單位：m·s-1；a.試驗(yàn)1 Exp-W_pK，b.試驗(yàn)2 Exp-L_pK，c.試驗(yàn)3 Exp-W_K，d.試驗(yàn)4 Exp-W_0，e.試驗(yàn)5 Exp-L_K，f.試驗(yàn)6 Exp-L_K-no，g.試驗(yàn)7 Exp-L_K-00，h.試驗(yàn)8 Exp-W_pK-00)Fig.11 Wind field (wind barb) and wind speed (blue dotted line) at 850 hPa at 05:00 BST on 8 May 2011 by 8 experiments (units: m·s-1; a. Exp-W_pK, b. Exp-L_pK, c. Exp-W_K, d. Exp-W_0, e. Exp-L_K, f. Exp-L_K-no, g. Exp-L_K-00, h. Exp-W_pK-00)

上述分析可見(jiàn)，同樣初始場(chǎng)情況下，由于不同的微物理方案和積云對(duì)流參數(shù)化方案的差異，導(dǎo)致模式預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)強(qiáng)度發(fā)生變化。由風(fēng)場(chǎng)垂直剖面和近地層風(fēng)場(chǎng)來(lái)看，主要是近地層風(fēng)的強(qiáng)度變化，導(dǎo)致觸發(fā)暴雨的動(dòng)力條件發(fā)生變化，是不同物理參數(shù)化方案預(yù)報(bào)的暴雨強(qiáng)度差異的主要原因。

5 結(jié)論

本文基于WRF模式及其3Dvar同化系統(tǒng)，采用不同物理參數(shù)化方案和不同初始場(chǎng)對(duì)2011年5月山東一次局地大暴雨預(yù)報(bào)的影響進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，可以得出以下結(jié)論：

1)資料同化和不同的物理參數(shù)化方案對(duì)模式降水預(yù)報(bào)均有影響。在本次大暴雨預(yù)報(bào)中，快速更新循環(huán)同化地面觀測(cè)資料對(duì)山東降水落區(qū)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性起到了關(guān)鍵作用，不同物理參數(shù)化方案主要影響降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)。

2)LIN方案和WSM-6微物理參數(shù)化方案對(duì)降水預(yù)報(bào)均較好，LIN方案降水預(yù)報(bào)較WSM-6略強(qiáng)。

3)4 km網(wǎng)格使用K-F積云對(duì)流參數(shù)化方案或不使用積云對(duì)流參數(shù)化方案，預(yù)報(bào)的降水均較好。4 km網(wǎng)格使用舊的K-F積云對(duì)流參數(shù)化方案，預(yù)報(bào)的近地層大氣風(fēng)場(chǎng)偏弱，導(dǎo)致大氣動(dòng)力抬升作用偏弱，是造成模式降水預(yù)報(bào)偏弱的主要原因。

4)不同的物理參數(shù)化方案預(yù)報(bào)的大氣熱力場(chǎng)差異不大，主要改變了大氣風(fēng)場(chǎng)等動(dòng)力條件預(yù)報(bào)，從而影響模式降水強(qiáng)度預(yù)報(bào)。