WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的對比研究①

蔣林杉

摘 ? 要：實現(xiàn)對中尺度現(xiàn)象的有效預(yù)測要用到MM5，該項技術(shù)在中國范圍內(nèi)有深入應(yīng)用，本文研究WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的對比，概述WRF和MM5模式功能特征，討論對天氣過程的描述和試驗方案的設(shè)計，在此基礎(chǔ)上對比分析WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的結(jié)果，希望本文的觀點能為關(guān)注此話題的研究者提供參考意見。

關(guān)鍵詞：WRF和MM5 ?天氣過程 ?低壓中心

中圖分類號：P458 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）09（a）-0111-02

在當(dāng)前的發(fā)展階段中，暴雨、臺風(fēng)這一類的短時天氣研究項目會用到MM5技術(shù)，除此之外，該技術(shù)還被運用于預(yù)報空氣污染情況。WRF是在MM5的基礎(chǔ)上研發(fā)而來，是新一代的中尺度預(yù)報模式，優(yōu)勢更為明顯，有望替代已經(jīng)應(yīng)用多年的區(qū)域模式，屬于新一代的中尺度預(yù)報模式，能準(zhǔn)確預(yù)報多種天氣情況，分析環(huán)流形式，準(zhǔn)確預(yù)測雨帶分布特點。

1 ?WRF和MM5模式

美國國家大氣研究中心和美國賓州大學(xué)合作研究了MM5，該模型在有限區(qū)域中的尺度氣象模式中有廣泛應(yīng)用，MM5模型比較突出的兩項功能是能給出數(shù)值形式的天氣預(yù)報信息;研究天氣過程機理。而WRF是在MM5的基礎(chǔ)上研發(fā)而來，屬于中尺度氣象模式，研發(fā)該系統(tǒng)最初的目標(biāo)是建立理想化的動力學(xué)系統(tǒng)，所提供的信息涉及到全部的物理過程，除此之外，還能提供一個公用的模式框架，用來預(yù)報空氣的質(zhì)量，并模擬區(qū)域內(nèi)的氣候。WRF是更新MM5模式而來，同時也代替了MM5模式。相比于MM5模式，WRF的各項性能都更加先進(jìn)，主要表現(xiàn)在應(yīng)用范圍、數(shù)據(jù)格式、核心的動力模塊等方面。原則上WRF所獲得的模擬結(jié)果與MM5相比更接近大氣情況，研究者對此展開分析，發(fā)現(xiàn)二者對大氣的模擬結(jié)果幾乎是相同的，都能比較好地模擬大氣的運動過程。而在模擬暴雨、云微物理過程以及城市熱島效應(yīng)方面，WRF所獲得的模擬結(jié)果更為準(zhǔn)確[1]。

MM5的模式設(shè)置在研究中小尺度系統(tǒng)方面有明顯的優(yōu)勢，就水平分辨率而言，MM5的值是5km，而垂直分辨率可達(dá)40層。MM5所提供的降水處理顯示計算方案非?？煽?，方案的設(shè)計是從云和降水形成的微物理過程入手。WRF在工作時會用到增量方法，保證把所有的引入非平衡量都控制比較小的范圍內(nèi)。在此基礎(chǔ)上初始的猜測場會添加全部的增量，從而得到比原始場分析更加可靠的數(shù)據(jù)結(jié)果。就四維變分同化過程而言，不管是切線性模式，還是伴隨式的模式，都有非常大的計算量。

2 ?對天氣過程的描述和試驗方案的設(shè)計

2017年的8月5日的晚上8點到6日晚上8點，遼寧省的多個市區(qū)出現(xiàn)了大暴雨天氣，其中出現(xiàn)特大暴雨天氣的站有3個。期間形成了兩個強降水中心，其中一個強降水中心位于海城，降水量達(dá)293.4mm，另外一個強降水中心位于大石橋，降水量達(dá)245.4mm。在汛期出現(xiàn)的最強降水過程中，降水比較集中的時間是8月6日的早上10點。設(shè)計試驗方案用到NCEP全球再分析資料，每日需要檢測4次，并確定水平分辨率。就中尺度模式而言，在一定程度上依賴初始場和邊界條件。會對模式結(jié)果產(chǎn)生影響的初期的處理過程。為了避免這一不良情況的發(fā)生，試驗的過程對WRF和MM5的前處理運用了相同的模式。保證試驗所生成的初始場和側(cè)邊界是相同的。所使用的模擬區(qū)域把120°E、43°N作為網(wǎng)格中心，該網(wǎng)格的格距為30km，水平格點上東西的方向是61，而南北方向為57。整個模擬過程會持續(xù)36h，每隔1h系統(tǒng)會將監(jiān)測的信息輸出。

3 ?WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬的對比

3.1 降水區(qū)域和降水量

其中最大降水中心的降水量達(dá)到了293.4mm，從整體情況來看，總的降水區(qū)域是南北走向，呈橢圓形狀。而中心位置是圓形的。降水區(qū)域把遼寧地區(qū)東部的大部分沿海地區(qū)都覆蓋了。以24h為界限，給出四種模擬模型。與實際情況相比，每一個模擬試驗的雨帶都非常大，但是給出的最大值卻比實際情況小。在控制中心的模擬方面，模擬試驗也出現(xiàn)了明顯的偏差。偏離的幅度是1.5經(jīng)度，方向為東。不僅如此，降水量也與實際情況不相符合，比實際情況少近70mm。在其中的一個虛擬中心位置處，降水量的預(yù)測值為100mm，該中心位于實況中心北側(cè)的1個緯度上。從整體情況來看，預(yù)測的整個降水區(qū)域的基本形狀基本符合實際情況，都是南北走向。在方案B中發(fā)現(xiàn)對降水中心的預(yù)測與方案C有相同的結(jié)果，都表明有兩個強降水中心。其中的一個中心與實際情況相比有一定偏差，偏離的方向是北側(cè)，偏離的幅度是1個緯度。對降水區(qū)域的描述也同樣是南北方向，呈橢圓形。

3.2 對低壓中心和風(fēng)速的預(yù)測

環(huán)流背景會對暴雨天氣的出現(xiàn)產(chǎn)生深刻的影響，經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)此次降水的產(chǎn)生是從低壓中心向著低空轉(zhuǎn)變，誘發(fā)的地點是遼寧省內(nèi)的南部地區(qū)。模擬暴雨的成功率由高度場和風(fēng)場的模擬決定。運用MM5和WRF模擬暴雨天氣的高度場，除此之外還要模擬風(fēng)場和急流。對比相應(yīng)時刻的實際情況。其中MM5給出的低壓中心與實際情況相比有一定偏離，偏離的方向是西，偏離的距離為130km。而WRF給出的模擬結(jié)果則比較準(zhǔn)確。不管是中心位置，還是數(shù)值大小都與實際情況高度一致。在低壓中心位置上，WRF給出的數(shù)值為1390gpm，這一數(shù)值為低壓中心的最大強度。

3.3 溫度、風(fēng)向和相對濕度

運用WRF和MM5預(yù)測溫度、風(fēng)向和相對濕度的變化情況，共選擇了3個預(yù)測點，距離地面的高度分別是30m、100m和500m。從預(yù)測的結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，兩種模擬方式給出的結(jié)果是幾乎相同的。這些相同之處主要表現(xiàn)在溫度、露點和日變化趨勢上[2]。峰值都是出現(xiàn)在8月這個時間節(jié)點上，最低點都是出現(xiàn)在冬季。除此之外，日變化趨勢會頻繁出現(xiàn)一個弱小的波動，兩種模擬方式對此也給出了相同的預(yù)測結(jié)果。在露點的溫度結(jié)果預(yù)測工作中，不管是MM5還是WRF給出的溫度結(jié)果相關(guān)系數(shù)都是98%以上。這充分說明兩種預(yù)測模式對溫度和露點的預(yù)測結(jié)果是完全一致的。而在風(fēng)向和日變化方面，WRF和MM5給出的結(jié)果與實際風(fēng)向日變化的趨勢是基本一致的。

3.4 預(yù)測高空流場和水汽通量

運用MM5和WRF預(yù)測暴雨天氣，有一定優(yōu)勢，從一個時間節(jié)點到另一個時間節(jié)點的預(yù)測并不能對某一問題有充分的說明。6h之內(nèi)在不同的高度上平均流場和水汽的通量散度的預(yù)測結(jié)果說明這兩種預(yù)測模型有著良好的配置關(guān)系。就850hPa低層負(fù)荷強度而言，WRF給出的模擬值大于MM5，而在高空流場上，二者給出的預(yù)測結(jié)果幾乎是相同的。在強對流活動中，水汽通量的散度與大氣之間有著非常密切的聯(lián)系，促使暴雨形成的一個重要條件是大氣低層水汽通量，不管是水汽通量低空幅合還是水汽通量高空幅合，WRF給出的模擬結(jié)果都是比較強烈的。在垂直方向上，水汽的交換有了良好的實現(xiàn)條件，加大對流活動實現(xiàn)的可能性[3]。

4 ?結(jié)語

綜上所述，本文從降水區(qū)域和降水量;對低壓中心和風(fēng)速的預(yù)測;溫度、風(fēng)向和相對濕度;預(yù)測高空流場和水汽通量四方面入手，對比分析WRF和MM5模式對遼寧暴雨模擬效果。認(rèn)為WRF的動力框架具有一定優(yōu)越性，使得最終獲得預(yù)測結(jié)果有所改善，對降水落區(qū)的預(yù)測，WRF在高空形勢場的動力條件和熱力條件上更有優(yōu)勢。

參考文獻(xiàn)

[1] 石春娥，李耀孫，楊元建.MM5和WRF對中國東部地區(qū)冬季邊界層模擬效果比較[J].高原氣象，2015，34（2）：389-400.

[2] 吳萌萌，萬莉穎，邢建勇.WRF與MM5在印度洋海域業(yè)務(wù)化預(yù)報結(jié)果的對比分析[J].海洋預(yù)報，2014，31（3）：66-71.

[3] 王慶改，何友江，趙曉宏.MM5和WRF模式對高空氣象數(shù)據(jù)模擬的對比分析[J].安全與環(huán)境學(xué)報，2014，14（1）：278-284.