飛機(jī)積冰形勢場數(shù)值模擬試驗(yàn)的參數(shù)化方案效果評估

卞雙雙，何宏讓，張　云，繆子青，白仕剛，謝　菲

(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇　南京　211101)

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飛機(jī)積冰形勢場數(shù)值模擬試驗(yàn)的參數(shù)化方案效果評估

卞雙雙，何宏讓，張?jiān)?，繆子青，白仕剛，謝菲

(解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇南京211101)

摘要：利用WRF模式對飛機(jī)積冰時(shí)的形勢場進(jìn)行模擬，通過雙線性插值法對模擬的要素進(jìn)行降尺度處理，比較不同參數(shù)化方案時(shí)形勢場的預(yù)報(bào)值和實(shí)況值之間的相關(guān)性，研究不同參數(shù)化方案對飛機(jī)積冰形勢場的模擬能力。結(jié)果表明：不同參數(shù)化方案的選擇影響模擬效果，當(dāng)微物理過程方案采用WRF Single-Moment 3-class scheme及積云參數(shù)化方案采用Betts-Miller-Janjic scheme時(shí)，形勢場預(yù)報(bào)值和實(shí)況值間相關(guān)系數(shù)最大，均方根誤差最小，預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之間變化趨勢和特征最接近；且根據(jù)飛機(jī)積冰實(shí)測報(bào)告，利用假霜點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)法驗(yàn)證，此時(shí)積冰的預(yù)報(bào)效果和實(shí)際報(bào)告結(jié)果最相符。

關(guān)鍵詞：積冰；參數(shù)化方案；數(shù)值模擬；相關(guān)系數(shù)；評估

引言

飛機(jī)積冰是指當(dāng)飛機(jī)在含有過冷卻水滴的云雨層中飛行，機(jī)體表面溫度在0 ℃以下時(shí)，機(jī)身表面一些部位產(chǎn)生冰層聚積的現(xiàn)象。它主要由飛機(jī)在云中或降水區(qū)中飛行時(shí)，過冷云滴或降水中的雨滴碰撞機(jī)身后產(chǎn)生凍結(jié)而形成，也可由水汽直接在飛機(jī)外表面上凝華而形成[1-3]。飛機(jī)積冰將使飛機(jī)空氣動力學(xué)性能惡化，表現(xiàn)為升力減小、阻力增大，增加飛行的油耗，妨礙靜壓系統(tǒng)儀表指示，嚴(yán)重影響飛機(jī)的安全性和操縱性[4]。準(zhǔn)確識別飛機(jī)積冰發(fā)生區(qū)域，可以為規(guī)劃航線提供有效信息。近年來，隨著我國航空領(lǐng)域的不斷進(jìn)步，民航的飛行量日益增多，飛行速度和飛行高度也明顯提高，飛機(jī)遭遇積冰的概率也逐漸增多。通過統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)飛行過程中，由于飛機(jī)積冰造成的事故概率超過15%[5]。因此，正確分析積冰產(chǎn)生的天氣形勢，做出飛機(jī)積冰或積冰強(qiáng)度的預(yù)報(bào)，是航空氣象保障的一項(xiàng)重要內(nèi)容和任務(wù)[6]。

國內(nèi)許多學(xué)者對飛機(jī)積冰發(fā)生時(shí)的環(huán)流形勢進(jìn)行了研究。如黃麗娟[7]通過大量積冰實(shí)例，統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)形成華北地區(qū)飛機(jī)積冰的主要天氣形勢為槽前型、槽后脊前和高壓底部回流+倒槽型，指出華北地區(qū)12月為飛機(jī)積冰現(xiàn)象的相對高發(fā)期；劉開宇等[8]通過個(gè)例分析認(rèn)為，華北地面高壓和河套地區(qū)高空槽形成的“回流+倒槽”是民航太原機(jī)場飛機(jī)積冰發(fā)生的天氣背景；龐朝云等[9]在分析影響飛機(jī)積冰的氣象因素時(shí)，統(tǒng)計(jì)了36個(gè)樣本，將有利于發(fā)生飛機(jī)積冰的天氣形勢分為西北氣流、高原低槽及西南氣流3種類型。近年來，數(shù)值預(yù)報(bào)模式已經(jīng)成為氣象工作者研究天氣、氣候的重要手段之一[10-11]，也有很多學(xué)者通過數(shù)值預(yù)報(bào)模式對飛機(jī)積冰進(jìn)行了研究[12-15]。如遲竹萍[6]發(fā)現(xiàn)通過MM5模式預(yù)報(bào)的垂直上升運(yùn)動和積冰指數(shù)的疊加，能較好地反映積冰發(fā)生區(qū)域、積冰強(qiáng)度等；王鵬云等[16]利用中尺度數(shù)值模式MM5中的Reisner顯示方案對華南對流云中過冷水的空間分布與時(shí)間演變特征等進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。這些研究對進(jìn)一步理解和認(rèn)識飛機(jī)積冰時(shí)的環(huán)流背景有一定的啟發(fā)作用，同時(shí)也說明利用數(shù)值模式對飛機(jī)積冰進(jìn)行預(yù)報(bào)有一定的可行性。

針對WRF模式不同參數(shù)化方案對模擬結(jié)果的影響研究方面，國內(nèi)目前大多結(jié)合研究對象如降雨過程、臺風(fēng)過程等，對不同參數(shù)化方案的模擬效果進(jìn)行分析。許多數(shù)值模擬試驗(yàn)表明，采用不同的參數(shù)化方案，其模擬效果也會有差異。如陳炯等[17]指出對于降水的模擬，模式中的微物理過程起主要作用，其次是積云參數(shù)化過程，邊界層參數(shù)化過程的影響相對較?。恢旄窭萚18]研究發(fā)現(xiàn)不同云微物理方案對不同量級降水的模擬效果總體較好，云微物理過程比模式分辨率對暴雨模擬的影響更大；徐慧燕等[19]通過分析7種不同邊界層參數(shù)化方案對降水總量分布等的模擬能力發(fā)現(xiàn)，QNSE方案的模擬能力相對優(yōu)于其他邊界層參數(shù)化方案；河惠卿等[20]指出積云對流參數(shù)化方案對臺風(fēng)路徑影響較大，使用KF方案時(shí)，選擇微物理方案比不選微物理方案對于0514號臺風(fēng)路徑有更好的模擬效果；劉永強(qiáng)等[21]通過不同積云對流參數(shù)化方案的對比試驗(yàn)，指出模式對降水模擬的不足可能與所采用的參數(shù)化方案有關(guān)。由于不同的動力和物理過程對降水有很大的影響,合理選擇參數(shù)化方案能很大程度地改善模擬結(jié)果[18]。可見，結(jié)合天氣過程，研究不同參數(shù)化方案進(jìn)而得出較優(yōu)的參數(shù)化方案組合對于提高數(shù)值模擬效果具有重要意義。

然而，利用WRF模式對飛機(jī)積冰過程的研究，特別是WRF模式中不同物理過程參數(shù)化方案[22-23]對飛機(jī)積冰的敏感性以及飛機(jī)積冰形勢場模擬效果的研究相對較少。本文從甘肅省人工增雨作業(yè)時(shí)的一次飛機(jī)積冰個(gè)例入手，選取2002年4月4日發(fā)生的積冰過程，通過WRF模式對發(fā)生飛機(jī)積冰的形勢場(包括高度場、溫度場和濕度場)進(jìn)行模擬研究。由于模式中選用不同的物理過程參數(shù)化方案會影響模擬效果，本文旨在探索最佳的參數(shù)化方案組合，即在該參數(shù)化方案組合情況下形勢場的預(yù)報(bào)值和實(shí)況值最接近，以此為今后利用WRF模式進(jìn)行飛機(jī)積冰的精確預(yù)報(bào)提供技術(shù)支撐。

1飛機(jī)積冰環(huán)流形勢

1.1過程簡介

2002年4月4日09:50~10:56(北京時(shí)，下同)，甘肅東部地區(qū)進(jìn)行飛機(jī)增雨作業(yè)時(shí)，飛機(jī)飛行高度5 000 m左右，在天水、定西、白銀附近發(fā)生積冰現(xiàn)象，積冰厚度達(dá)到2~6 cm。

本文選取2002年4月4日08時(shí)的NCEP資料進(jìn)行天氣形勢分析。

1.2天氣形勢

2002年4月4日08時(shí)500 hPa高空的高度場、溫度場和濕度場見圖1。槽線位于青海東部—四川西部—云南西邊界一線(95°E~100°E)，甘肅省東部地區(qū)處于槽前，槽前有明顯的偏南暖濕氣流北上進(jìn)入甘肅。影響甘肅東部地區(qū)的低壓槽系統(tǒng)比較深厚，天水、定西、白銀恰好處于槽前的西南氣流中，上升運(yùn)動強(qiáng)烈，且西南暖濕氣流不斷輸送到甘肅東部地區(qū)，導(dǎo)致整層大氣水汽聚集，濕度大，水汽較為充沛。

飛機(jī)飛行區(qū)域溫度在0~-14 ℃時(shí)，最有利于飛機(jī)積冰產(chǎn)生[24]。從圖1中可見天水、定西、白銀地區(qū)溫度在-12~-10 ℃之間，說明此時(shí)的溫度條件有利于飛機(jī)積冰發(fā)生。圖1中陰影區(qū)域?yàn)橄鄬穸?60%的區(qū)域，甘肅省東部地區(qū)處于陰影區(qū)內(nèi)，該區(qū)域有云層分布，濕度較大。由于云層中存在大量的過冷水滴，飛機(jī)穿過云層時(shí)，容易引起飛機(jī)積冰。

圖1　2002年4月4日08時(shí)500 hPa

2數(shù)值模擬試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)及方案

采用WRF模式進(jìn)行飛機(jī)積冰的數(shù)值模擬試驗(yàn)。初始場使用美國國家氣候環(huán)境預(yù)測中心(NCEP)逐6 h FNL再分析資料，水平分辨率為1°×1°。模擬時(shí)段為2002年4月3日18:00 UTC至4日18:00 UTC，共24 h；模擬區(qū)域網(wǎng)格中心點(diǎn)為37.5°N、100°E。模式水平方向采用二重雙向嵌套，粗網(wǎng)格區(qū)域格點(diǎn)數(shù)221×184，網(wǎng)格距為30 km；細(xì)網(wǎng)格區(qū)域格點(diǎn)數(shù)265×232，網(wǎng)格距10 km?？刂圃囼?yàn)基本參數(shù)見表1。

表1　WRF-ARW模式基本參數(shù)設(shè)置

2.2資料處理

由于對飛機(jī)積冰強(qiáng)度的研究缺乏相關(guān)的物理量，選用WRF模式模擬所需的物理量顯得尤為重要，而獲取更接近實(shí)況的物理量前提是采取最優(yōu)的參數(shù)化方案組合。然而，要得出形勢場的模擬結(jié)果與實(shí)況最接近時(shí)所選用的參數(shù)化方案組合，就需要對形勢場的模擬值與實(shí)況值進(jìn)行定量分析。由于模式模擬出的形勢場精度較高，為了定量地比較不同參數(shù)化方案組合對模擬效果的影響，需要將模式輸出的模擬值用合理的方法插值到精度為1°×1°的網(wǎng)格點(diǎn)上。為此，采用雙線性插值法[25-26]對模擬值進(jìn)行處理，插值后的值將作為模擬值與實(shí)況值進(jìn)行對比分析。

3不同參數(shù)化方案效果評估

3.1評估方法

為定量分析WRF模式對飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)模擬的效果，計(jì)算了模式模擬區(qū)域第一層網(wǎng)格中500 hPa高度上高度場、溫度場及濕度場的預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)R及均方根誤差S：

(1)

S=1N∑ni=1(xf-x0)2i1/2(2)

為了直觀地比較WRF模式對500 hPa形勢場的模擬能力，對于控制試驗(yàn)所模擬的形勢場結(jié)果進(jìn)行插值處理，將處理后的高度場、溫度場及濕度場值作為模擬值與實(shí)況值進(jìn)行相關(guān)性分析。圖2給出500 hPa高度場、溫度場和濕度場的模擬值與實(shí)況值之間的相關(guān)性散點(diǎn)分布及趨勢分布。

由圖2可見，高度場、溫度場的模擬值與實(shí)況值之間相關(guān)系數(shù)的散點(diǎn)較均勻地分布在相關(guān)系數(shù)為1的直線周圍，模擬值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到99%以上；濕度場的模擬值和實(shí)況值間相關(guān)系數(shù)的散點(diǎn)雖沒集中在相關(guān)系數(shù)為1的直線周圍，但大部分點(diǎn)均勻地分布在直線兩端，其相關(guān)系數(shù)也達(dá)到94%以上，且模擬值與實(shí)況值之間具有一致的趨勢。說明WRF模式能夠?qū)︼w機(jī)積冰的形勢場作出較準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)。

3.2參數(shù)化方案效果對比

由于模式中選用不同的參數(shù)化方案會影響模擬結(jié)果，因此，下面分析不同參數(shù)化方案組合對飛機(jī)積冰形勢場預(yù)報(bào)效果的影響，進(jìn)而選出預(yù)報(bào)效果最好的參數(shù)化方案組合，即最優(yōu)參數(shù)化方案組合。

飛機(jī)產(chǎn)生積冰的影響因子主要包括溫度、濕度、水滴大小等，而飛機(jī)增雨作業(yè)主要在冷云中進(jìn)行，冰相云微物理過程對積冰的形成有重要作用，過冷水也是造成飛機(jī)積冰的主要條件和強(qiáng)度指標(biāo)。因此，這里重點(diǎn)對WRF模式中不同微物理過程方案和積云參數(shù)化方案對飛機(jī)積冰形勢場的模擬效果進(jìn)行研究。

選擇不同的參數(shù)化方案組合進(jìn)行14組模擬試驗(yàn)，試驗(yàn)具體參數(shù)化方案設(shè)置見表2。計(jì)算出的形勢場模擬值與實(shí)況值之間的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差見表3。

圖2　2002年4月4日08時(shí)500 hPa形勢場的模擬值和實(shí)況值相關(guān)性的散點(diǎn)分布(左)及趨勢分布(右)

由表3可見，試驗(yàn)T12中500 hPa高度上與飛機(jī)積冰發(fā)生密切相關(guān)的溫度場及濕度場模擬值和實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)均較高、均方根誤差均最小。因此，與控制試驗(yàn)相比，其它參數(shù)化方案保持不變，當(dāng)微物理過程方案采用WRF Single-Moment 3-class scheme以及積云參數(shù)化方案采用Betts-Miller-Janjic scheme時(shí)，模擬值與實(shí)況值之間相關(guān)系數(shù)最大、均方根誤差最小，表明此時(shí)的參數(shù)化方案模擬效果最好，與實(shí)況形勢場變化趨勢和特征最為接近。

因此，當(dāng)WRF模式中所選擇的物理過程參數(shù)化方案滿足表4中所選的參數(shù)化方案組合時(shí)，所選的方案為最優(yōu)參數(shù)化方案組合。

3.3參數(shù)化方案效果驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證上述WRF模式最優(yōu)參數(shù)化方案組合，利用本次飛機(jī)積冰實(shí)測報(bào)告的結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。此次飛行過程中，天水、白銀、定西均有中度以上積冰。利用假霜點(diǎn)溫度經(jīng)驗(yàn)法對14組模擬試驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行分析，并分別針對天水、定西、白銀的積冰強(qiáng)度進(jìn)行效果檢驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果見表5。

經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)T12中天水、定西、白銀的積冰強(qiáng)度預(yù)報(bào)與實(shí)況相符合，其余試驗(yàn)中至少有一個(gè)地區(qū)的預(yù)報(bào)與實(shí)況積冰強(qiáng)度不符。由此可見，當(dāng)WRF模式中所選擇的物理過程參數(shù)化方案為最優(yōu)參數(shù)化方案組合時(shí)，對此次飛機(jī)積冰模擬及預(yù)報(bào)效果最好。

表2　不同參數(shù)化方案試驗(yàn)

表3　不同參數(shù)化方案試驗(yàn)高度場、溫度場及濕度場模擬值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)及均方根誤差

注：T0為控制試驗(yàn)

表4　T12的參數(shù)化方案

表5　天水、定西、白銀積冰強(qiáng)度效果檢驗(yàn)

4結(jié)論

(1)WRF模式對此次積冰時(shí)500 hPa環(huán)流形勢場的模擬能力較好，高度場、溫度場的預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)都達(dá)99%以上，濕度場的預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)也達(dá)到94%以上，較準(zhǔn)確地再現(xiàn)了飛機(jī)積冰時(shí)的大尺度環(huán)流背景特征及其變化。

(2)當(dāng)微物理過程方案采用WRF Single-Moment 3-class scheme以及積云參數(shù)化方案采用Betts-Miller-Janjic scheme(即最優(yōu)參數(shù)化方案組合)時(shí)，預(yù)報(bào)值與實(shí)況值的相關(guān)系數(shù)最大、均方根誤差最小，此時(shí)形勢場的預(yù)報(bào)值與實(shí)況值之間的變化特征和趨勢最為接近。

(3)根據(jù)飛機(jī)積冰實(shí)測報(bào)告，對最優(yōu)參數(shù)化方案組合的模擬效果進(jìn)行驗(yàn)證后得出，該方案組合的預(yù)報(bào)效果最好，能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)出飛機(jī)積冰強(qiáng)度。

不同的參數(shù)化方案對形勢場的模擬效果有所不同，選擇合適的參數(shù)化方案在一定程度上有效地提高了積冰發(fā)生時(shí)形勢場的模擬效果，這也有利于提高飛機(jī)積冰強(qiáng)度預(yù)報(bào)的效果。本文僅選用甘肅地區(qū)一次飛機(jī)積冰個(gè)例進(jìn)行WRF模式的模擬分析，考慮了不同微物理過程方案和積云參數(shù)化方案對模擬結(jié)果的影響，但未涉及模式區(qū)域、模式分辨率、驅(qū)動場等因素對模擬結(jié)果的影響，未來有待于進(jìn)一步深入研究。

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Effect Evaluation of Parameterization Schemes in Numerical Simulation Test About Aircraft Icing Situation Field

BIAN Shuangshuang，HE Hongrang，ZHANG Yun，MIAO Ziqing，BAI Shigang，XIE Fei

(CollegeofMeterologyandOceanography，PLAUniversityofScienceandTechnology，Nanjing211101，China)

Abstract:The situation field of aircraft icing was simulated by using WRF model. The bilinear interpolation was performed to drop the scale of the simulated elements. The correlations between forecast value and actual value of situation field on 500 hPa were compared for different parameterization schemes, and the ability of simulating situation field of aircraft icing was investigated about different parameterization schemes. The results indicated that different parameterization schemes would influence the simulation results, when microphysical process scheme used WRF Single-Moment 3-class scheme and cumulus parameterization scheme used Betts-Miller-Janjic scheme, the correlation coefficient between forecast value and actual value of situation field was maximum, and their root mean square error was minimum, and the trend and characteristics of the forecast value were the most close to the actual value. Based on aircraft icing measured report and the false frost point discriminate method, aircraft icing’s forecast results were the most consistent with the measured report.

Key words:icing；parameterization schemes；numerical simulation；correlation coefficient；evaluation

中圖分類號：P435

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1006-7639(2016)-01-0106-07

doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0106

作者簡介：卞雙雙(1990-)，女，碩士研究生，主要從事數(shù)值模擬與數(shù)值預(yù)報(bào)研究.E-mail:bianss0130@163.com通信作者：何宏讓，教授，主要從事數(shù)值模擬與數(shù)值預(yù)報(bào)研究.E-mail:hehongrang@aliyun.com

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(41375106)資助

收稿日期：2015-07-08；改回日期：2015-10-30

卞雙雙，何宏讓，張?jiān)疲?飛機(jī)積冰形勢場數(shù)值模擬試驗(yàn)的參數(shù)化方案效果評估[J].干旱氣象，2016，34(1)：106-112, [BIAN Shuangshuang, HE Hongrang, ZHANG Yun, et al. Effect Evaluation of Parameterization Schemes in Numerical Simulation Test About Aircraft Icing Situation Field[J]. Journal of Arid Meteorology, 2016, 34(1):106-112], doi:10.11755/j.issn.1006-7639(2016)-01-0106