利用WRF模式實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變要素的模擬與驗(yàn)證

王凱 李靜 達(dá)布希拉圖

（內(nèi)蒙古氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

利用WRF模式實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變要素的模擬與驗(yàn)證

王凱 李靜 達(dá)布希拉圖

（內(nèi)蒙古氣象科學(xué)研究所，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

本文主要探討了利用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式開(kāi)展風(fēng)切變要素的數(shù)值預(yù)報(bào)方法，采用對(duì)垂直風(fēng)切變和水平風(fēng)切變以不同權(quán)重相加得到風(fēng)切變指數(shù)的預(yù)報(bào)算法，分析了模式格點(diǎn)對(duì)風(fēng)切變強(qiáng)度變化的影響，利用中尺度WRF數(shù)值模式實(shí)現(xiàn)了風(fēng)切變要素的模擬與驗(yàn)證，使得定量化的風(fēng)切變預(yù)報(bào)方法得到了發(fā)展。結(jié)果表明：中尺度WRF數(shù)值模式對(duì)風(fēng)切變的時(shí)空分布具有一定得預(yù)報(bào)能力，但模式的預(yù)報(bào)檢驗(yàn)以及模式的預(yù)報(bào)精度還有待提高，定量化的氣象要素預(yù)報(bào)將成為航空氣象服務(wù)的發(fā)展趨勢(shì)。

航空氣象；風(fēng)切變；中尺度數(shù)值模式

1 引言

風(fēng)切變是一種大氣現(xiàn)象，指風(fēng)向和風(fēng)速在空中水平或垂直距離上的變化。風(fēng)切變是導(dǎo)致飛行事故的重要因素，特別是低空風(fēng)切變對(duì)飛機(jī)起飛和著陸安全威脅巨大，不僅能使飛機(jī)航跡偏離，而且會(huì)破壞飛機(jī)的穩(wěn)定性。目前我國(guó)針對(duì)風(fēng)切變的預(yù)報(bào)，一方面依賴于預(yù)報(bào)員的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)［1-3］，另一方面來(lái)自飛行員的實(shí)際感受，預(yù)報(bào)結(jié)果基本都是定性的判斷，而不是定量化預(yù)報(bào)結(jié)果。國(guó)內(nèi)對(duì)于風(fēng)切變要素對(duì)航空飛行的影響的研究還比較薄弱［4-8］，尚缺乏不同條件下的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)方法和臨界值判斷標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，隨著觀測(cè)技術(shù)的不斷完善和觀測(cè)資料的同化處理［9］，各種數(shù)值預(yù)報(bào)模式得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，其預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的逐步提高，各類數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品越來(lái)越多的應(yīng)用在在航空氣象的預(yù)報(bào)中。翟菁等［10］航空氣象要素預(yù)報(bào)算法和個(gè)例研究，對(duì)風(fēng)切變指數(shù)采用對(duì)垂直風(fēng)切變和水平風(fēng)切變以不同權(quán)重相加得到風(fēng)切變指數(shù)的預(yù)報(bào)算法，實(shí)現(xiàn)了基于中尺度數(shù)值模式MM5產(chǎn)品的風(fēng)切變的航空氣象要素的預(yù)報(bào)。李紅金等［11］直升機(jī)飛行危險(xiǎn)天氣區(qū)數(shù)值建模方法研究，探討了直升機(jī)飛行氣象要素和危險(xiǎn)天氣區(qū)--強(qiáng)風(fēng)切變區(qū)的數(shù)值建模方法，形成了適用于直升機(jī)飛行訓(xùn)練仿真的危險(xiǎn)天氣數(shù)據(jù)模型。本文基于中尺度數(shù)值模式WRF產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)了風(fēng)切變要素的預(yù)報(bào)與驗(yàn)證，并對(duì)風(fēng)切變天氣過(guò)程的模式預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)際天氣進(jìn)行了驗(yàn)證，以此說(shuō)明中尺度WRF數(shù)值模式實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變要素的預(yù)報(bào)能力。

2 中尺度數(shù)值模式WRF設(shè)計(jì)

本文所采用的模式為WRF的中尺度數(shù)值模式產(chǎn)品，以NCEP資料模式產(chǎn)品為初始場(chǎng)。模式采用三層嵌套，第一層分辨率為27km，涵蓋內(nèi)蒙古全區(qū)；第二層分辨率為9km，主要覆蓋內(nèi)蒙古中東部地區(qū)；第三層分辨率為3km，模擬區(qū)域?yàn)闉鹾C(jī)場(chǎng)附近。

3 風(fēng)切變要素算法

根據(jù)預(yù)報(bào)員的習(xí)慣，將所算得的風(fēng)切變數(shù)值轉(zhuǎn)換為風(fēng)切變等級(jí)，主要分為五個(gè)等級(jí)，并給出不同等級(jí)風(fēng)切變強(qiáng)度變化對(duì)飛行的影響，見(jiàn)表1。

表1 風(fēng)切變要素強(qiáng)度及其對(duì)航空影響

4 風(fēng)切變要素個(gè)例驗(yàn)證

根據(jù)實(shí)際情況下出現(xiàn)大風(fēng)天氣時(shí)，對(duì)WRF模式模擬結(jié)果進(jìn)行分析，給出內(nèi)蒙古烏海機(jī)場(chǎng)附近一出風(fēng)切變數(shù)值模擬結(jié)果。

2013年5月14日內(nèi)蒙古自治區(qū)烏海機(jī)場(chǎng)出現(xiàn)了一次嚴(yán)重的風(fēng)切變事件，全天機(jī)場(chǎng)飛行管制區(qū)域內(nèi)伴有風(fēng)切變及顛簸。當(dāng)日天氣實(shí)況為上午07：40為西風(fēng)，平均風(fēng)速12m/s，13：00 轉(zhuǎn)為西北風(fēng)，17：30又轉(zhuǎn)為西風(fēng)，平均風(fēng)速17m/s，此后大風(fēng)伴隨風(fēng)切變的天氣一直維持到傍晚才結(jié)束。早起08：00，由圖1WRF模式模擬2013年5月14日08時(shí)500，700，850，925hpa全區(qū)風(fēng)切變分布看出，高層風(fēng)切變強(qiáng)度較弱，范圍也比較?。坏蛯语L(fēng)切變強(qiáng)度較大，可達(dá)一級(jí)以上風(fēng)切變，影響范圍可覆蓋全區(qū)。圖2給出了2013年5月14日08時(shí)500和700hpa烏海風(fēng)切變分布情況，可以看出，烏海機(jī)場(chǎng)風(fēng)切變模擬結(jié)果能達(dá)到1級(jí)風(fēng)切變以上，局部地區(qū)較強(qiáng)，與實(shí)際情況較符。針對(duì)風(fēng)切變的發(fā)生情況，WRF模式預(yù)報(bào)的風(fēng)切變產(chǎn)品具有一定的預(yù)報(bào)能力。

圖1 2013年5月14日08時(shí)500和850hpa全區(qū)風(fēng)切變分布

圖2 2013年5月14日08時(shí)500和700hpa烏海風(fēng)切變分布5 總結(jié)

本研究主要是風(fēng)切變要素模擬的一個(gè)初步嘗試，對(duì)風(fēng)切變指數(shù)采用對(duì)垂直風(fēng)切變和水平風(fēng)切變以不同權(quán)重相加得到風(fēng)切邊指數(shù)的預(yù)報(bào)算法，并對(duì)風(fēng)切變的模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，基于中尺度大氣數(shù)值模式WRF的高分辨率模擬結(jié)果，對(duì)風(fēng)切變的時(shí)空分布具有一定的預(yù)報(bào)能力，開(kāi)展模式預(yù)報(bào)將是開(kāi)展航空氣象強(qiáng)有力的技術(shù)手段，也是提高航空氣象服務(wù)的基礎(chǔ)。同時(shí)由于實(shí)際風(fēng)切變不僅空間尺度小、存在時(shí)間短、變化大，而且風(fēng)切變高度低，預(yù)報(bào)以臨近預(yù)報(bào)為主。因此利用WRF中尺度模式的風(fēng)切變預(yù)報(bào)能力還存在許多不足，一方面，需要預(yù)報(bào)效果的長(zhǎng)期積累來(lái)做一些統(tǒng)計(jì)；另一方面，中尺度數(shù)值模式對(duì)天氣過(guò)程的精細(xì)化程度還有待提高。

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王凱（1987.2-） ，男， 碩士， 助理工程師， 研究方向：人工影響天氣。

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1003-5168（2015）11-074-02