WRF模式同化系统在_碧利斯_台风暴雨数值模拟中的应用

WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

陈业国，何冬燕

（广西区气象台，广西南宁530022）

摘要：利用美国高分辨率中尺度模式WRF(WeatherResearchandForecast)式和WRF三维同化系统(WRF3DVAR)，以2006年“碧利斯”台风低压引发的暴雨天气过程为例，通过控制试验和同化试验的对比分析，探讨了高空和地面实况资料同化对台风低压“碧利斯”暴雨过程分析和预报的影响。初步的结果显示，同化高空和地面实况资料后对模式的初始场有明显的改进、对暴雨过程的降水落区和强度有不同程度的正反馈，更接近实况的降水。关键词：WRF同化系统；台风暴雨；数值模拟中图分类号：P456

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2009）01-0062-08

1引言

暴雨作为最严重的自然灾害之一，在过去的几十年里，许多气象工作者从暴雨的大

尺度环流形势、中尺度特征、物理量诊断、能量转换和数值模拟以及地形作用等方面，对暴雨进行了天气学分析和形成机理探讨[1～4]。美国高分辨率中尺度数值模式WRF(WeatherResearchandForecast)作为研究中尺度系统的主要数值模式之一，近年来在我国得到不断的应用。张朝林等[5]分析了WRF三维变分系统在北京及周边地区大气观(遥)测资料同化中的初步应用。孙健等[6]和刘宁微等[7]利用WRF与MM5对多个暴雨过程进行对比分析，结果均表明，WRF模式能更好模拟暴雨的中尺度系统。赵洪等[8]利用WRF与MM5对2007年3月初强冷空气数值预报结果的对比分析。这些研究工作，有助于加深对暴雨形成机理的认识，对提高暴雨的业务预报水平，起到了非常重要的作用。

对于2006年由“碧利斯”台风引发的暴雨天气过程，很多学者进行了研究，陈业国等[9]

用WRF对该暴雨过程进行了数值模拟研究，黄莉等[10]分析了0604号强热带风暴造成异常降水的内在因由。本文利用WRF高分辨率数值预报模式，通过控制试验和同化试验，对“碧利斯”在7月17～18日造成的暴雨过程进行了数值模拟，并对控制试验和同化试验结果进行对比分析。

2过程概况

受0604号台风“碧利斯”的影响，从2006年7月14日开始，福建、江西、湖南、广东

收稿日期：2008-01-07

基金项目：广西自然科学基金项目(桂科攻0632006—1D)

作者简介：陈业国(1974-)，男，高级工程师，主要从事天气预报和数值模拟研究工作。

1期陈业国等：WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用63

和广西等地出现了不同程度的大范围暴雨天气过程。受该低气压环流和西南暖湿气流共同影响，16日08时～19日08时，广西出现了2006年入汛以来最强的一次暴雨天气过程，累计过程总降雨量：250mm以上的有7个市县，100～249.9mm的有30个市县；50～99.9mm的有35个市县。上述降水主要集中在7月16日20时到18日20时，由此可见，这次暴雨过程具有强度大、地域广等特点。

3

3.1

数值模式及同化方案

数值模式方案

文中采用中尺度数值模式WRF(WeatherResearchandForecast)，对“碧利斯”在7月

17～18日造成的暴雨过程进行了数值模拟。该模式是由NCAR、NCEP等多个部门共同研发的新一代中尺度预报模式，它集MM5、RAMS、ETA等模式优势为一体,提供了一个研究和业务数值天气预报的通用框架，既可用于分辨率在1～10km的系统模拟,又可用于分辨率较低的业务预报。文中模式使用NCEP提供的水平分辨率为1°×1°的再分析资料作为模式的初始场。我们在模式中采用了双重嵌套方案(见图1)，(25°N，110°E)是模拟区域的中心位置。粗网格格点数为121×121,格距为45km；细网格格点数为121×121,格距为15km；积分步长均为120s。模式垂直方向为31层,模式顶气压为50hPa；从2006年7月17日20时积分到18日20时，共24小时，模式每1h输出一次结果。

45°N40°35°30°25°20°15°10°5°

80°85°90°95°100°105°110°115°120°125°130°135°140°E

图1模式模拟区域(框内为模式细网格区域)

在模式物理过程的参数选择上，两重区域都采用云微物理过程选用LIN方案；长波辐射选用RRTM方案，短波辐射采用Dudhi方案，每10分钟调用一次辐射过程；积云对流采用Kain-Fritsch方案，每5分钟调用一次。

本次数值模拟试验分为试验A和试验B，其中试验A为控制试验，模式初始场为NCEP的1°×1°再分析资料，试验B为同化试验，利用WRF模式自身的三维同化系统同化高空和地面实况资料后作为模式的初始场。

海洋预报26卷

3.2WRF同化系统简介

WRF三维变分同化系统(WRF3dvar)经NCAR/MMM科学家的不断研发，在同时兼容

MM5和WRF两个模式数据接口的基础上，比MM5三维变分同化系统(MM53dvar)增加了许多新的技术，如加入了新的地面资料同化方法(sfc-assi-options=2)，可同化更多的地面观测资料；支持多种控制变量的配置(cv-option=2/3/4/5)，满足区域和全球模式的需求；集成新的背景场误差计算软件(gen_be)，可以结合本模式生成更优的背景场。

本次试验的同化系统采用Courtier等[11]提出的增量法来求目标函数的极小化问题，即对目标函数：

（1）

Y=H(X)

式中X是分析变量；Xb是背景场；B是背景误差协方差；O是观测误差协方差；y是由分析变量导出的观测值；y0是观测值。

采用增量Xn=Xn-1+S-1δXn，这里分析变量Xn在高分辨率上更新，Xn-1是低分辨率上值，S-1是广义算子S的逆算子，S是从高分辨率模式空间到低分辨率模式空间变换算子。分析增量δXn通过目标函数最优化问题在低分辨率得到。那么，目标函数变为：

（2）

式中H是观测算子，作用于高分辨率；H'为观测算子的切线性算子，作用于低分辨率，H'=􀆟H/􀆟X，目标函数梯度为：

（3）

其中δXg=S（Xn-1）９－S（Xb），d=Xn-1－y0。整个系统采用迭代方法求极小化问题。

4结果分析

利用同化系统对2006年7月18日发生在广西境内的暴雨天气过程进行了控制试验和

同化试验。控制试验为未经同化系统初始场利用WRF模式预报，同化试验利用WRF模式自身的三维同化系统同化高空和地面实况资料后作为模式的初始场并利用WRF模式预报。4.1

初始场环流分析

由于本次暴雨天气过程“碧利斯”台风是由低压引发的，所以模式的初始场对低压环流的真实反映是模拟成功的关键。图2分别给出了控制试验850hPa高度场的分析场(见图2a)和同化试验850hPa高度场的分析场(见图2b)以及实况850hPa高度场的分析场(见图

1期

30°N28°26°24°22°20°18°16°14°30°N28°26°24°22°20°18°16°14°30°N28°26°24°22°20°18°16°14°

96°

100°

陈业国等：WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

30°N28°26°24°22°20°18°16°

100°102°104°106°108°110°112°114°116°118°E

a.控制试验

14°30°N28°26°24°22°20°18°16°

100°102°104°106°108°110°112°114°116°118°E

b.同化试验

14°30°N28°26°24°22°20°18°16°

104°

108°c.实况

112°

116°

120°E

14°

96°

100°

104°

108°c.实况

112°

65

100°102°104°106°108°110°112°114°116°118°E

a.控制试验

100°102°104°106°108°110°112°114°116°118°E

b.同化试验

116°120°E

图27月17日20时850hPa高度场(单位：10gpm)图37月17日20时500hPa高度场(单位：10gpm)

66海洋预报26卷

2c)。通过对比发现，是否通过资料同化对模式的低层(850hPa)的初始场有明显的差异，主要表现在低压环流的反映。从实况850hPa高度场的分析场可知，在24°N，104°E附近存在一个明显的低压环流，强度为139·10gpm，在控制实验中，850hPa高度场的分析场在该位置只分析出小环的140·10gpm闭合线，而在同化试验中，该位置明显能分析出138·10gpm的闭合线，140·10gpm的低压环流也明显比控制试验明显，更加接近实况分析场。分析高层500hPa高度场的分析场(见图3)，发现控制试验中仅能分析出582·10gpm的低压环流闭合线，而在同化实验中能分析出580·10gpm的低压环流闭合线，更加接近实况分析场。通过对850hPa和500hPa高度场的分析场与实况分析场的对比，同化试验的初始场更接近实况分析场，即同化试验对该过程的高度场分析有正的影响。4.2

初始场水汽分析

根据陈业国等[9]和黄莉等[10]对2006年0604号台风造成的暴雨进行的分析结果表明，暴雨的产生和发展与低层的水汽条件有密切的关系。同化试验中的水汽通量与控制试验中的水汽通量之差为水汽通量增量，图4为初始时刻低层925hPa水汽通量增量分布(见图4a)和实况水汽通量场(见图4b)。从图4a中可以看出，初始时刻水汽通量增量全部为正值，在广西的北部和西南部有两个增量中心，中心最大值达到5g/(s·hPa·cm)，资料同化后增加了低层的水汽含量，整个场平均的水汽通量增量为0.293g/(s·hPa·cm)，可见经过WRF三维同化系统同化高空和地面实况资料后，模式初始场低层的水汽有明显的改善，更加接近实况值(见图4b)，同化试验对水汽场的分布有正的作用。

30°N30°N29°29°28°28°

27°27°

26°26°

25°25°

24°24°

23°23°

22°22°

21°21°

20°20°

19°19°

18°18°

17°17°

ab16°16°

15°15°102°104°106°108°110°112°114°116°118°120°E102°104°106°108°110°112°114°116°118°120°E

图4为初始时刻925hPa水汽通量增量分布(a)与实况水汽通量(b)

(单位：g／(s·hPa·cm))

4.3降水模拟分析

图5给出7月17日20时～18日20时雨量图，从实况雨量图(见图5c)分析，广西境内

的暴雨中心分布在22°～24°N，108°E附近，中心最大值为154mm(上思县：22.15°N，

1期

28°N27°26°25°24°23°22°21°20°104°28°N27°26°25°24°23°22°21°20°104°

106°106°

陈业国等：WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

28°N27°26°25°24°23°22°21°

108°110°

a.控制试验

112°

114°E

20°104°

106°

108°

110°

112°

67

114°E

b.同化试验

107.97°E)。对于这个降水中心，控制试验(见图5a)和同化试验(见图5b)的预报结果都有反映，但降水中心的位置较实况都偏东南，水平误差大概50～80km。然而对于降水强度，同化试验的结果明显优于控制试验，同化试验中的中心最大降水量达160mm,而控制试验仅为100mm，实况值为154mm，所以，同化试验的中心降水强度更接近实况值。对同化试验和控制试验的雨量预报结果进一步分析表明，在同化

108°c.实况

110°

112°

114°E

试验中，109°E以西，23°N附近有3个50mm以上的降水中心，同样在此地带控制试验最大的降水中心仅为30mm,而实况雨量图显示，该地带有2个50mm以上的降

图5

7月17日20时～18日20时雨量图(单位：mm)

水中心，分别为南宁(152mm)和靖西(56mm)。不管是同化试验还是控制试验都预报了广西东南部沿海50mm以上的降水中心，而该地区的实况降水量较小，这个明显的预报误差可能是由于模式本身而引起的。由上述分析可知，同化试验对本次过程暴雨中心的降水强度有明显的提高，几乎与实况值一样，对强对降水的分布也有一定的改善，所以同化试验对该过程的降水预报有正的影响。

5小结与讨论

本文利用美国高分辨率中尺度数值模式WRF，把高空和地面实况资料通过WRF三

维变分同化方案同化模式的初始场，通过控制试验和同化试验，对“碧利斯”台风低压

68海洋预报26卷

在7月17～18日造成的暴雨过程进行了数值模拟，并对控制试验和同化试验结果进行对比分析，分析发现：

（1）通过对850hPa和500hPa高度场的分析场与实况分析场的对比，同化试验的初始场更接近实况分析场，即同化试验对该过程的高度场分析有正的影响，通过同化后的模式初始场更接近真实大气。

（2）经过WRF三维同化系统同化高空和地面实况资料后，模式初始场低层的水汽有明显的改善，更加接近实况值，同化试验对水汽场的分布有正的作用。

（3）同化试验对本次过程暴雨中心的降水强度有明显的提高，几乎与实况值一样，对强对降水的分布也有一定的改善，同化试验对该过程的降水预报有正的影响。

总的说来，高空和地面实况资料同化后可以明显改善模式的初始分析场，但对于预报场的改进相对较小。究其原因，我们发现高空和地面实况资料是有限的，仅存在于在陆地上，而由于缺少高空和地面实况资料的海洋，在模式中只能用到原有的NCEP再分析资料。所以为更好提高初始分析场的质量，更大程度提高模式预报水平，在模式中应该同化卫星、雷达、自动观测站等非常规资料，因而这些还是值得我们做进一步的研究。参考文献：

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三个登陆浙江热带气旋数值试验及暴雨过程的湿位涡分析[J]．海洋预报，2006，一次罕见的特大暴雨物理量场的特征分析[J].

南京气象学院学报,2002，25(2)：

1期陈业国等：WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用69

AnApplicationofWRFAssimilationSystemintheNumericalSimulationofHeavyRainsCausedByTyphoon“BILIS”

CHENYe-guo，HEDong-yan

（GuangxiMeteorologicalObservatory,Nanning530022China）

Abstract:UsingthehighresolutionmesoscalemodelWRF(WeatherResearchandForecast)ofUSAandits3Dassimilationsystem,takingtherainstormcausingbythetyphoonlowof“Bilis”in2006foranexample,wecomparedandanalyzedtheresultsofthecontrolledandassimilationexperiment,andthendiscussedtheinfluenceoftheassimilationofthereal-timedatainhighlayerandsurfaceonouranalysisandforecasting.Thenweelementarilyfindthattheassimilationofthereal-timedatainhighlayerandsurfaceimprovestheinitialfieldobviouslyandgivesuspositivefeedbackofthedroppingfieldandintensityinsomedegree,andtheresultisclosertotherealrainfall.

Keywords:WRF；Assimilationsystem；Typhoonrainstorm；Numericalsimulation