新一代中尺度預(yù)報(bào)模式( WRF)

1、新一代中尺度預(yù)報(bào)模式新一代中尺度預(yù)報(bào)模式( WRF) 的國(guó)內(nèi)應(yīng)用進(jìn)展的國(guó)內(nèi)應(yīng)用進(jìn)展講解講解：秦宇燾（：秦宇燾（1303006）中尺度大氣數(shù)值模式 ETA( ) 模式，美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心( National Centers for Environmental Prediction，NCEP) 用于業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)； MM5( Mesoscale Model 5) 模式，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)和國(guó)家大氣研究中心( Pennsylvania State University / National Center for Atmospheric Research，PSU/ NCAR)合作研制； RAMS ( Re

2、gional Atmospheric Modeling System)，科羅拉多州立大學(xué)( Colorado State University，CSU) 研發(fā)的區(qū)域大氣模擬系統(tǒng)；中尺度大氣數(shù)值模式 中尺度大氣數(shù)值模式在20世紀(jì)80、90年代已有相當(dāng)發(fā)展，目前發(fā)展得相當(dāng)成熟； 其中MM5 模式是目前全球用戶(hù)最多的中尺度大氣模式，但由于其開(kāi)發(fā)時(shí)間較早，動(dòng)力學(xué)框架陳舊，程序規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化程度不高，一直未被美國(guó)最大的用戶(hù)NCEP 采用； ETA 模式雖然作為NCEP 的業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)模式，但難以及時(shí)吸收各所科研部門(mén)和大學(xué)的優(yōu)秀研究成果，因此其推廣也受到限制。WRF WRF 模式( Weather Resea

3、rch and Forecasting Model，WRF Model)，美國(guó)多所科研機(jī)構(gòu)的科學(xué)家們共同研發(fā)，繼承了各個(gè)研究機(jī)構(gòu)的最新研究成果，業(yè)務(wù)與研究共用的新一代高分辨率中尺度預(yù)報(bào)模式； WRF 模式是一種完全可壓非靜力模式，采用Arakawa C 網(wǎng)格，集數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、大氣模擬及數(shù)據(jù)同化于一體的模式系統(tǒng)，能夠更好地改善對(duì)中尺度天氣的模擬和預(yù)報(bào)，目前主要應(yīng)用于有限區(qū)域的天氣研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。WRF版本 2000 年推出第一個(gè)版本； 2004 年5 月發(fā)布的第二版WRF V2.0 包含了單重和雙重嵌套以及三維變分?jǐn)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)( 3-Dimensional Variational data As

4、similation System，3DVAR)； WRF V2.2 提出WRF 的預(yù)處理系統(tǒng)( WRF Preprocessing System，WPS) ，以期取代WRF 標(biāo)準(zhǔn)初始化模塊( WRStandard Initialization，WRF SI)； WRF V3 版本中WPS 才得到正式使用； 2011 年3 月推出的WRF V3.3，它更新了4DVAR,是目前最新版本?；赪RF模式的中尺度模擬研究 對(duì)模式內(nèi)部不同物理參數(shù)化方案的對(duì)比檢驗(yàn)，以尋求在后期模擬中取得最佳效果; 在選用合理物理參數(shù)化方案基礎(chǔ)上針對(duì)不同天氣形勢(shì)進(jìn)行實(shí)時(shí)模擬與預(yù)報(bào)，驗(yàn)證模式的模擬效果; 與MM5 模式的對(duì)

5、比模擬，探討WRF 模式的優(yōu)勢(shì)與不足。物理參數(shù)化方案研究 WRF 模式內(nèi)部參數(shù)化方案較其他中尺度模式豐富，考慮的物理過(guò)程也更為細(xì)致。對(duì)于WRF 模式的研究主要是圍繞不同物理參數(shù)化方案的選擇問(wèn)題展開(kāi)的，運(yùn)用何種參數(shù)化方案能夠達(dá)到最優(yōu)模擬效果，不同天氣形勢(shì)下參數(shù)化方案的選取對(duì)模式的模擬能力都影響，WRF 模式中引入的物理參數(shù)化方案主要包括： 微物理過(guò)程方案 積云對(duì)流方案 邊界層方案 陸面方案微物理過(guò)程方案 微物理過(guò)程可以通過(guò)調(diào)整溫濕場(chǎng)結(jié)構(gòu)及過(guò)程中水汽相變潛熱的釋放、降水粒子的拖曳作用，影響積云對(duì)流發(fā)生發(fā)展的條件，進(jìn)而影響積云降水的預(yù)報(bào)，這在一定程度上說(shuō)明了微物理過(guò)程方案選取的重要性。微物理過(guò)程方案

6、 WRF V3 版本中提供了7 種微物理過(guò)程方案： Kessler 方案是一種簡(jiǎn)單的暖云方案; Purdue Lin 方案是WRF 模式中相對(duì)比較復(fù)雜、成熟的一種方案; WSM3、WSM5 及WSM6 方案是在簡(jiǎn)單冰方案的基礎(chǔ)上延伸發(fā)展出來(lái)的3 種方案; Eta Ferrier 方案在進(jìn)行大時(shí)間步長(zhǎng)積分時(shí)計(jì)算結(jié)果比較穩(wěn)定; Thompson 方案則是為了提高凍雨事件的預(yù)報(bào)水平、為飛機(jī)安全預(yù)警服務(wù)而設(shè)計(jì)。微物理過(guò)程方案結(jié)論：在多種微物理方案中，究竟哪種方案的模擬效果較好，閆之輝等和李嘉鵬等分別針對(duì)不同的天氣個(gè)例進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果都表明由于Lin 方案更精細(xì)地刻畫(huà)了云中水汽、云水、降水及云冰等微物

7、理過(guò)程，為降水模擬提供了更為科學(xué)的物理機(jī)制，使其在模擬降水落區(qū)、降水量和降水強(qiáng)度等方面較接近實(shí)況，優(yōu)于其他微物理過(guò)程方案。積云對(duì)流參數(shù)化方案 WRF V3 版本中積云對(duì)流參數(shù)化方案包括: Kain-Fritsch ( KF) 方案 Betts-Miller-Janjic( BMJ) 方案 Grell-Devenyi( GD) 集合方案 Grell-3 方案,Grell-3 方案是WRF V3 版本中提出的新方案，目前在很多物理場(chǎng)景中的試驗(yàn)效果不太理想，所以應(yīng)用很少。積云對(duì)流參數(shù)化方案積云對(duì)流參數(shù)化方案BMJ 方案模擬的強(qiáng)降水范圍偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng); 此外GD 方案下強(qiáng)降水范圍和強(qiáng)度都偏小，只有KF

8、 方案對(duì)強(qiáng)降水位置和強(qiáng)度的模擬與實(shí)況比較接近，從而進(jìn)一步說(shuō)明采用KF 方案能較好地反映觀測(cè)實(shí)況。分析原因，伍華平等認(rèn)為，KF方案是專(zhuān)為水平分辨率約為20 km 的中尺度模式設(shè)計(jì)的，在該分辨率下，其模擬效果會(huì)優(yōu)于其他方案，這在某種程度上說(shuō)明模式的水平分辨率也將直接影響積云對(duì)流參數(shù)化方案的效果。邊界層參數(shù)化方案 邊界層在大氣模式中的地位十分重要； 影響低層大氣要素； 通過(guò)邊界層的垂直輸送也能對(duì)高層大氣產(chǎn)生影響邊界層參數(shù)化方案 WRF V3 版本中邊界層參數(shù)化方案有4 種選擇： MRF( Medium Range ForecastModel) 及YSU( Yonsei University) 邊界層

9、參數(shù)化方案都采用了K 閉合技術(shù)； MYJ( Mellor-Yamada-Janjic) 方案采用的則是TKE ( Turbulent KineticEnergy) 閉合技術(shù)； ACM2 ( Asymmetrical ConvectiveModel version 2) 是在簡(jiǎn)單突變模式ACM 的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，是WRF V3 版本的新增方案。邊界層參數(shù)化方案 陳炯等通過(guò)模擬2003 年江淮暴雨個(gè)例發(fā)現(xiàn)采用邊界層方案能大大改善降水模擬結(jié)果，邊界層物理過(guò)程對(duì)格點(diǎn)尺度降水的影響不大，但對(duì)對(duì)流性降水的影響卻很明顯。 研究還指出各種邊界層參數(shù)化方案雖然原理上有所不同，但采用不同的邊界層方案并沒(méi)有顯著的

10、差別。陸面過(guò)程方案WRF 模式比較細(xì)致地考慮了陸面過(guò)程( Land Surface Model，LSM) ，給出的參數(shù)化方案： 5 層熱擴(kuò)散方案； Noah 陸面方案； RUC 模式陸面方案( Rapid Update Cycle Model) ； Pleim-Xiu LSM； 城市冠層模式( Urban Canopy Model，UCM) ； 海洋混合層模式( Ocean Mixed-Layer Model)。陸面過(guò)程方案 馬紅云等研究表明: 采用耦合陸面方案可以有效改善降水模擬結(jié)果; 但是由于不同陸面方案考慮的要素和物理過(guò)程存在一定差異，它們對(duì)降水的模擬各有所長(zhǎng)，綜合比較各試驗(yàn)結(jié)果，Noa

11、h 方案的模擬效果較其他方案更為穩(wěn)定與合理。當(dāng)考慮城市下墊面時(shí)，UCM 方案的模擬效果略?xún)?yōu)于其他方案，說(shuō)明是否考慮城市地區(qū)的影響應(yīng)當(dāng)成為選擇陸面方案的依據(jù)之一。集合預(yù)報(bào) 模擬結(jié)果的優(yōu)越性依賴(lài)于各種物理過(guò)程參數(shù)化方案的協(xié)同貢獻(xiàn)，因此不能認(rèn)為一次成功的模擬僅僅是模式中某類(lèi)參數(shù)化方案中某個(gè)選項(xiàng)的貢獻(xiàn)，要實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模擬預(yù)報(bào)必須綜合考慮各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，找到使模擬達(dá)到最優(yōu)的各種物理過(guò)程參數(shù)化方案的優(yōu)化組合。集合預(yù)報(bào)就是一種能夠產(chǎn)生更加穩(wěn)定和準(zhǔn)確預(yù)報(bào)結(jié)果的試驗(yàn)方法，它基于多個(gè)樣本進(jìn)行多次預(yù)報(bào)，從而在概率意義上保證了預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確性。集合預(yù)報(bào) 集合預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)之上，進(jìn)一步研究得出: 在不同量級(jí)降水的

12、Ts( Threat score) 和Bs( Bias score) 評(píng)分中，不同積云對(duì)流參數(shù)化方案和邊界層方案對(duì)降水的影響程度也各不相同。對(duì)于不同天氣形勢(shì)，模擬過(guò)程中所依賴(lài)的參數(shù)化方案也不盡相同，正確選擇參數(shù)化方案有助于提高模擬精度，使預(yù)報(bào)結(jié)果更加準(zhǔn)確。個(gè)例模擬應(yīng)用 就WRF 模式的應(yīng)用現(xiàn)狀來(lái)看，對(duì)不同中尺度天氣形勢(shì)進(jìn)行個(gè)例模擬成為其應(yīng)用最廣泛的一個(gè)領(lǐng)域，包括對(duì)各種降水過(guò)程( 如區(qū)域性強(qiáng)降雨、降雪過(guò)程、深對(duì)流系統(tǒng)引起的降水等) 和臺(tái)風(fēng)個(gè)例的模擬，此外近幾年海霧的研究工具也由RAMS 模式和MM5 模式逐漸轉(zhuǎn)向WRF 模式。中國(guó)南方低溫雨雪冰凍天氣過(guò)程模擬個(gè)例模擬應(yīng)用結(jié)論 WRF 模式能夠描述弱強(qiáng)迫天氣尺度系統(tǒng)中的中小尺度對(duì)流系統(tǒng)，無(wú)論是從模擬不同類(lèi)型降水，還是對(duì)臺(tái)風(fēng)和海霧等的模擬，結(jié)果都展現(xiàn)了WRF 模式較好的模擬性能。WRF計(jì)算環(huán)境優(yōu)勢(shì) 首先，WRF 的計(jì)算網(wǎng)格形式采用Arakawa C 網(wǎng)格; 其次，WRF 模式支持更高的網(wǎng)格分辨率( 1 10km) ，采用比ETA 模式更好的地形數(shù)據(jù)，并且在更長(zhǎng)的時(shí)間步長(zhǎng)下也能保證計(jì)算的穩(wěn)定性; 再次，模式源程序多采用Fortran 90 編寫(xiě)，輸出格式為NetCDF格式，程序的通用性較好。與傳統(tǒng)模式MM5的對(duì)比與傳統(tǒng)模式MM5的對(duì)比 通過(guò)不同的暴雨個(gè)例模擬發(fā)現(xiàn)WRF 對(duì)中尺度天氣系統(tǒng)的高度場(chǎng)、風(fēng)場(chǎng)、