ADAS-WRF中尺度數(shù)值降水預(yù)報(bào)在海河流域洪水預(yù)報(bào)中的應(yīng)用及分析

楊 鵬，周 波，馬金一

（海河水利委員會(huì)水文局，天津 300170）

1 概述

在眾多降水預(yù)報(bào)方法中，隨著數(shù)值預(yù)報(bào)理論與方法、大氣探測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值預(yù)報(bào)模式表現(xiàn)出對(duì)客觀(guān)定量降水預(yù)報(bào)的巨大潛力，已經(jīng)成為目前氣象業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)領(lǐng)域不可替代的方法。但由于數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果受地形、植被以及模式初始場(chǎng)、邊界條件、物理過(guò)程等諸多方面影響，數(shù)值模式的降水要素預(yù)報(bào)無(wú)論是在時(shí)間、空間分布還是量級(jí)大小方面都不可避免地出現(xiàn)一些差異。天津市氣象局目前使用的ADAS-WRF中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式采用了當(dāng)今國(guó)際上技術(shù)先進(jìn)的ADAS氣象資料同化系統(tǒng)與WRF中小尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式相結(jié)合的形式，具有同化雷達(dá)、衛(wèi)星等資料功能的中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式，在總浮點(diǎn)運(yùn)算峰值高達(dá)1.88GFLOPS的IBM Cluster 1600高性能計(jì)算機(jī)集成系統(tǒng)上運(yùn)行，能夠滿(mǎn)足海河流域洪水預(yù)報(bào)對(duì)降水的空間、時(shí)間密度要求以及預(yù)報(bào)時(shí)效要求。

2 ADAS-WRF中尺度數(shù)值降水預(yù)報(bào)技術(shù)

WRF（Weather Research and Forecast）模式系統(tǒng)是美國(guó)氣象界聯(lián)合開(kāi)發(fā)的新一代中尺度預(yù)報(bào)模式和同化系統(tǒng)。該模式采用高度模塊化、并行化和分層設(shè)計(jì)技術(shù)，集成了迄今為止國(guó)際上最先進(jìn)的中尺度氣象研究成果。模擬預(yù)報(bào)試驗(yàn)表明，WRF模式在預(yù)報(bào)各種天氣系統(tǒng)中都具有較高的精度，特別在精細(xì)的中小尺度天氣系統(tǒng)預(yù)報(bào)上具有良好的表現(xiàn)和廣闊的應(yīng)用前景。

WRF模式預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率高于其他模式，主要在于數(shù)據(jù)同化技術(shù)。ADAS（ARPSData Analysis System）是由Oklahoma州立大學(xué)國(guó)家強(qiáng)風(fēng)暴試驗(yàn)室（CAPS，the Center for Analysis and Prediction of Storms）開(kāi)發(fā)的氣象數(shù)據(jù)分析與同化系統(tǒng)（ARPS，Advanced Regional Prediction System），目的主要是為數(shù)值模式提供初始場(chǎng)。ADAS具有非絕熱初始技術(shù)（Diabatic Initialization Technique），主要是依靠復(fù)雜云分析模塊（Complex Could Analysis System）實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)對(duì)不同數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，建立區(qū)域資料同化平臺(tái)，完成地面觀(guān)測(cè)站資料、探空AMDAR資料、民航氣象觀(guān)測(cè)資料METAR、AWOS資料、衛(wèi)星和雷達(dá)等高時(shí)空分辨率資料的同化，從而改進(jìn)模式初始場(chǎng)，特別是通過(guò)同化處理多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料對(duì)風(fēng)場(chǎng)、水汽場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整。資料同化系統(tǒng)ADAS架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 ADAS資料同化系統(tǒng)的架構(gòu)

ADAS中包含一些質(zhì)量控制步驟，對(duì)各種觀(guān)測(cè)資料進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控評(píng)估，通過(guò)時(shí)間、空間連續(xù)性檢查等方法，將差別過(guò)大、有明顯錯(cuò)誤的觀(guān)測(cè)站點(diǎn)過(guò)濾掉。在處理多普勒雷達(dá)基數(shù)據(jù)和衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料同化時(shí)，采用了雙多普勒風(fēng)速算法和多普勒恢復(fù)方案以及綜合云分析方案。在處理衛(wèi)星觀(guān)測(cè)資料時(shí)，通過(guò)使用地表觀(guān)測(cè)的云面積和云高以及雷達(dá)和衛(wèi)星資料來(lái)進(jìn)行完整的云分析，把來(lái)自測(cè)站和遙感平臺(tái)的不同觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)擬合到一起，建立三維云和降水場(chǎng)，由此獲得三維云量、云高、云厚、云狀、云中各種水物質(zhì)含量、云中垂直風(fēng)速、云和降水類(lèi)型等數(shù)據(jù)。

ADAS-WRF中尺度數(shù)值降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品充分考慮了區(qū)域氣候特征，并通過(guò)對(duì)雷達(dá)資料、自動(dòng)站實(shí)況信息等分析，提高了預(yù)報(bào)的時(shí)空分辨率及準(zhǔn)確性，具有時(shí)間尺度短、空間網(wǎng)格密度大等特點(diǎn)。其時(shí)間分辨率為1 h，空間分辨率為5×5 km。利用ADAS-WRF中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)制作的海河流域網(wǎng)格面雨量預(yù)報(bào)產(chǎn)品，可以大大延長(zhǎng)洪水預(yù)報(bào)預(yù)見(jiàn)期。

為滿(mǎn)足海河流域數(shù)值降水預(yù)報(bào)需求，天津市氣象局在現(xiàn)有的ADAS-WRF中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式基礎(chǔ)上，擴(kuò)大了模式預(yù)報(bào)的空間范圍（369×401網(wǎng)格擴(kuò)展為368×440網(wǎng)格），并將模式預(yù)報(bào)時(shí)效由48 h延長(zhǎng)至72 h。每天于15時(shí)發(fā)布當(dāng)天8時(shí)起報(bào)、3時(shí)發(fā)布前日20時(shí)起報(bào)的未來(lái)72 h海河流域范圍內(nèi)的5×5 km逐小時(shí)降水客觀(guān)預(yù)報(bào)產(chǎn)品。

3 預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)

選取了2場(chǎng)降水對(duì)全流域降水預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，圖2—3左圖是數(shù)值預(yù)報(bào)降水、右圖是實(shí)測(cè)降水。對(duì)于2012年7月21日降水，從圖2可以看出：數(shù)值降水預(yù)報(bào)量級(jí)比實(shí)測(cè)降水略小，暴雨中心位置與實(shí)測(cè)降水一致。

圖2 2012年7月21日降水預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比

對(duì)于2012年8月1日降水，從圖3可以看出：數(shù)值預(yù)報(bào)降水量級(jí)與實(shí)測(cè)降水的量級(jí)基本一致，數(shù)值預(yù)報(bào)暴雨中心位置略偏南。

目前，海河水利委員會(huì)水文局洪水預(yù)報(bào)應(yīng)用了中國(guó)氣象局、日本、天津氣象局3家數(shù)值降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品。其中，中國(guó)氣象局和日本的數(shù)值降水預(yù)報(bào)時(shí)間分辨率為3 h，空間分辨率為20×20 km。為檢驗(yàn)這3家數(shù)值降水預(yù)報(bào)產(chǎn)品精度，以海河流域2012年8月1日一場(chǎng)降水為例，進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果如下：

圖4是潘家口水庫(kù)的對(duì)比情況，實(shí)測(cè)降水45 mm，天津氣象局預(yù)報(bào)50 mm，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)26 mm，日本預(yù)報(bào)20 mm；用實(shí)測(cè)降水預(yù)報(bào)的洪峰2 544 m3/s，用天津氣象局降水預(yù)報(bào)的洪峰3 035 m3/s，用中國(guó)氣象局降水預(yù)報(bào)的洪峰1 831 m3/s，用日本降水預(yù)報(bào)的洪峰1 175 m3/s。

圖5是大黑汀水庫(kù)的對(duì)比情況，實(shí)測(cè)降水56mm，天津氣象局預(yù)報(bào)69 mm，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)76 mm，日本預(yù)報(bào)46 mm；用實(shí)測(cè)降水預(yù)報(bào)的洪峰為463 m3/s，用天津氣象局降水預(yù)報(bào)的洪峰為563 m3/s，用中國(guó)氣象局降水預(yù)報(bào)的洪峰為737 m3/s，用日本降水預(yù)報(bào)的洪峰為268 m3/s。

圖3 2012年8月1日降水預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比

圖4 潘家口洪水預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比

圖6是灤縣的對(duì)比情況，實(shí)測(cè)降水96 mm，天津氣象局預(yù)報(bào)105 mm，中國(guó)氣象局預(yù)報(bào)115 mm，日本預(yù)報(bào)60 mm；用實(shí)測(cè)降水預(yù)報(bào)的洪峰為2 393 m3/s，用天津氣象局降水預(yù)報(bào)的洪峰為2 521 m3/s，用中國(guó)氣象局降水預(yù)報(bào)的洪峰為3 012 m3/s，用日本降水預(yù)報(bào)的洪峰為1 176 m3/s。

表1—2是3家單位的預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比表，從表1可以看出，潘家口、灤縣，天津氣象局的降水預(yù)報(bào)精度要高于其他2家，對(duì)于大黑汀來(lái)說(shuō)日本的降水預(yù)報(bào)精度要高于天津氣象局。從表2可以看出，對(duì)于洪峰預(yù)報(bào)來(lái)說(shuō)，天津氣象局的預(yù)報(bào)精度最高。雖然大黑汀降水日本預(yù)報(bào)精度高于天津氣象局，但由于影響洪峰的因素不僅是降水量，還與降水的時(shí)空分布有關(guān)，天津氣象局?jǐn)?shù)值預(yù)報(bào)的時(shí)空分辨率要高于其他2家，所以其洪峰預(yù)報(bào)精度體現(xiàn)了較大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

綜合上述降水預(yù)報(bào)精度檢驗(yàn)表明：ADAS-WRF模式是目前國(guó)際上較先進(jìn)的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，其時(shí)空分辨率和預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率較高，能夠較好地預(yù)報(bào)出海河流域降水的分布和量級(jí)，預(yù)報(bào)結(jié)果具有一定的可參考性。

圖5 大黑汀洪水預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比

圖6 灤縣洪水預(yù)報(bào)與實(shí)況對(duì)比

表1 降水實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比 mm

表2 洪峰實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比 m3/s

ADAS-WRF模式對(duì)流域大范圍降水的總體分布及量級(jí)模擬效果較好，但對(duì)局部地區(qū)模擬效果并不理想，如流域2012年8月1日強(qiáng)降水模擬中表現(xiàn)為中心位置明顯偏移，2012年7月21日強(qiáng)降水中心強(qiáng)度明顯偏弱，即ADAS-WRF模式對(duì)于局部強(qiáng)降水中心的模擬可能出現(xiàn)位置和強(qiáng)度偏差等問(wèn)題，仍需要通過(guò)模式優(yōu)化對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。另外，目前的預(yù)報(bào)模式主要是客觀(guān)預(yù)報(bào)，今后還需加入主觀(guān)預(yù)報(bào)，以對(duì)客觀(guān)預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行修正，不斷提高數(shù)值降水預(yù)報(bào)的精度。