云南快速更新循環(huán)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)及其12小時(shí)降水預(yù)報(bào)檢驗(yàn)與改進(jìn)

王 曼，張瑾文，邢 冬

(云南省氣象科學(xué)研究所，云南 昆明 650034)

0 引言

云南省氣象科學(xué)研究所自2006年開展中尺度WRF模式的本地化應(yīng)用研究工作，2009年實(shí)現(xiàn)了10 km分辨率中尺度WRF模式的業(yè)務(wù)運(yùn)行。2013年把該系統(tǒng)升級(jí)為3 km分辨率，模式的預(yù)報(bào)時(shí)效從48 h延長到72 h。之前的中尺度數(shù)值模式注重短期天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用[1，2]，模式只在初始實(shí)況進(jìn)行資料同化，有較多的高頻觀測(cè)資料未應(yīng)用到模式系統(tǒng)中，比如衛(wèi)星、雷達(dá)和GPS水汽等資料，且模式輸出的產(chǎn)品比較單一，主要針對(duì)降水和溫度的預(yù)報(bào)。隨著短臨天氣預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的需求和開展，以及計(jì)算條件的改善，為了定量地應(yīng)用衛(wèi)星、GPS等非常規(guī)資料，豐富數(shù)值模式預(yù)報(bào)產(chǎn)品豐富，滿足對(duì)短臨預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的支撐，自1994年美國NOAA/NCEP開始業(yè)務(wù)應(yīng)用第一個(gè)快速更新循環(huán)系統(tǒng)(RUC，Rapid Update Cycle)以來，多年來不斷發(fā)展完善[3]，該系統(tǒng)所提供的0～12 h預(yù)報(bào)已成為航空氣象、強(qiáng)對(duì)流災(zāi)害天氣等主要的中尺度預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品。該系統(tǒng)通過高頻次的資料同化吸收最新的觀測(cè)信息，不斷更新模式背景場(chǎng)，形成更準(zhǔn)確的初始場(chǎng)并進(jìn)行短期預(yù)報(bào)。

2006年北京城市氣象研究所建立了北京地區(qū)高分辨率快速更新循環(huán)同化預(yù)報(bào)系統(tǒng)(BJ-RUC)，為2008年的奧運(yùn)氣象服務(wù)保障中發(fā)揮了極其重要的作用。在北京地區(qū)進(jìn)行了大量應(yīng)用，取得較好的效果[4,5]。RUC系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用在其他地區(qū)[6-13]和其他模式，如GRAPES模式[14]，均為短臨預(yù)報(bào)提供了較好的產(chǎn)品。因此，2015年云南省氣象科研所與北京城市氣象研究所合作，在云南開展了WRF快速更新循環(huán)同化(WRF-RUC)系統(tǒng)引進(jìn)和安裝工作，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了常規(guī)資料、GPS水汽等資料的3 h快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)的運(yùn)行。該系統(tǒng)能夠提供3 km分辨率，逐小時(shí)的地面和高空要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品。本文對(duì)WRF-RUC系統(tǒng)云南2016年預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行了檢驗(yàn)和評(píng)估，介紹該系統(tǒng)在云南地區(qū)的預(yù)報(bào)情況，加深對(duì)系統(tǒng)預(yù)報(bào)性能的了解，為進(jìn)一步改進(jìn)和完善系統(tǒng)奠定工作基礎(chǔ)。

1 WRF-RUC系統(tǒng)簡介

WRF-RUC系統(tǒng)基于WRF-ARW3.5.1模式和GSI(Gridpoint Statistical Interpolation System)同化系統(tǒng)，更新周期3 h，它通過WRF三維變分同化系統(tǒng)每隔3 h同化一次最新的通過全球通訊交換系統(tǒng)獲得的探空、地面、船舶觀測(cè)資料、GPS等資料。模式的區(qū)域配置為12 km、3 km二重嵌套，第一重格點(diǎn)數(shù)為601×401，中心經(jīng)緯度為25.7°N，109.9°E，垂直層次為51層；第二重格點(diǎn)數(shù)為321×301，中心經(jīng)緯度為25.25°N，101.13°E，垂直層次51層。區(qū)域范圍如圖1。

圖1 WRF-RUC模式覆蓋區(qū)域Fig.1 The overlay region of WRF-RUC

模式物理過程的設(shè)置如下：Thompson微物理過程方案，YSU 邊界層參數(shù)化方案，Kain-Fritsch 積云參數(shù)化方案，The Noah LSM陸面參數(shù)化方案，RRTM長波和Dudhia短波輻射方案。每日世界時(shí)12時(shí)冷啟動(dòng)，將GFS資料作為背景場(chǎng)。在世界時(shí)00、06、12、18時(shí)，12 km區(qū)域進(jìn)行36 h預(yù)報(bào)，而3 km區(qū)域進(jìn)行24 h的預(yù)報(bào)。取12 km的12～36 h進(jìn)行形勢(shì)預(yù)報(bào)，取3 km的12～24 h的預(yù)報(bào)作為要素預(yù)報(bào)。模式產(chǎn)品間隔為逐小時(shí)。與現(xiàn)有的“區(qū)域WRF數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)”相比，系統(tǒng)的同化模塊為GSI，能夠同化更多的資料種類，同時(shí)提供的要素產(chǎn)品更豐富，增加的要素種類有125站的探空層結(jié)曲線預(yù)報(bào)圖、2 m露點(diǎn)溫度、能見度和云量。預(yù)報(bào)產(chǎn)品可以以網(wǎng)頁的形式提供。

2 系統(tǒng)預(yù)報(bào)結(jié)果檢驗(yàn)

2.1 強(qiáng)降水個(gè)例檢驗(yàn)

為了檢驗(yàn)WRF-RUC系統(tǒng)對(duì)強(qiáng)降水的預(yù)報(bào)性能，選取2次過程進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)預(yù)報(bào)的12 h降水與實(shí)況和“區(qū)域WRF數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)”(WRF-3 km)相同時(shí)刻起報(bào)的12 h預(yù)報(bào)進(jìn)行對(duì)比。兩次過程分別為2016年6月12日低槽切變過程和2016年7月6日低渦切變過程。這兩次過程，雨帶分布差異較大，一個(gè)為東西向，一個(gè)為南北向，影響的主要系統(tǒng)均為切變線，但2個(gè)系統(tǒng)對(duì)預(yù)報(bào)效果差異較大。其中2016年6月11日20時(shí)～12日08時(shí)，受低槽切變和西南暖濕氣流共同影響，出現(xiàn)3站大暴雨、14站暴雨、22站大雨和33站中雨。降水帶主要分布在滇中24°～26°N，特大暴雨出現(xiàn)在滇東的羅平站83.5 mm和滇西的隴川站70.8 mm。滇東北北部和滇南的降水較小，局部有小雨(圖2a)。WRF-RUC的預(yù)報(bào)(圖2b)，主要的降水帶也在24°～26°N之間，但大雨和暴雨的區(qū)域略有差異，其中滇西和滇東的大暴雨為漏報(bào)，預(yù)報(bào)的最大量級(jí)為暴雨。滇西北和滇南均為降水較小區(qū)域，較實(shí)況降水有空?qǐng)?bào)小雨和漏報(bào)滇南邊緣的中雨。WRF-3 km的預(yù)報(bào)(圖2c)，降水帶不明顯。只有滇東和滇南邊緣的降水，滇中的主要雨帶漏報(bào)明顯。這次過程兩個(gè)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)相比，WRF-RUC的預(yù)報(bào)更接近實(shí)況。

2016年7月5日12時(shí)～6日00時(shí)，受低渦切變影響，出現(xiàn)3站大暴雨、10站暴雨、8站大雨和19站中雨。實(shí)況強(qiáng)降水帶呈南北走向，主要分布在102°E附近。其次雨帶位于滇東和滇西南和滇西北區(qū)域(圖3a)。WRF-RUC的預(yù)報(bào)(圖3b)，滇中102°E附近有大到暴雨預(yù)報(bào)，其中中雨區(qū)域較實(shí)況范圍大，而大雨和暴雨的區(qū)域明顯小于實(shí)況，未報(bào)出大暴雨量級(jí)。同時(shí)，滇東北有大到暴雨的漏報(bào)，滇西有小到中雨的空?qǐng)?bào)。WRF-3 km的預(yù)報(bào)(圖3c)，報(bào)出了102°E附近主要的強(qiáng)降水帶，大暴雨的范圍較實(shí)況略大；滇東有小到中雨的漏報(bào)，而滇西有小到中雨的空?qǐng)?bào)。這次過程兩系統(tǒng)的預(yù)報(bào)相比，WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)降水強(qiáng)度偏小，WRF-3 km的預(yù)報(bào)更接近實(shí)況。

圖2 2016年6月11日12時(shí)～12日00時(shí)12 h降水(模式系統(tǒng)均為2016年6月11日00時(shí)的預(yù)報(bào)，單位：mm)

(a)實(shí)況；(b)WRF-RUC預(yù)報(bào)；(c)WRF-3 km

Fig.2 The 12 hours rainfall from 12UTC on 11 to 00UTC on 12 June 2016(forecast for model system at 00UTC on 11 June 2016，unit：mm)(a)observation ；(b)forecast from WRF-RUC ；(c)forecast from WRF-3 km

圖3 2016年7月5日12時(shí)～6日00時(shí)12 h降水(模式系統(tǒng)均為2016年7月5日00時(shí)的預(yù)報(bào)，單位：mm) (a)實(shí)況；(b)WRF-RUC預(yù)報(bào)；(c)WRF-3 kmFig.3 The 12 hours rainfall from 12UTC on 5 to 00UTC on 6 July 2016 (forecast for model system at 00UTC on 5 July 2016，unit：mm)(a)observation；(b)forecast from WRF-RUC；(c)forecast from WRF-3 km

2.2 2016年6、7月逐日平均檢驗(yàn)結(jié)果

從以上2個(gè)個(gè)例看，2016年6月12日個(gè)例WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)較好，而2016年7月6日個(gè)例WRF-3 km系統(tǒng)預(yù)報(bào)較好，為了更好的了解WRF-RUC系統(tǒng)的預(yù)報(bào)性能，進(jìn)行了2016年6～7月逐日評(píng)分比較，即取系統(tǒng)每日12 h的預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況進(jìn)行檢驗(yàn)，再累加平均得到預(yù)報(bào)評(píng)分。表1為評(píng)分結(jié)果。從TS評(píng)分看，雖然2016年6月12日個(gè)例WRF-RUC預(yù)報(bào)效果較WRF-3 km系統(tǒng)的預(yù)報(bào)好，但整月平均的預(yù)報(bào)效果特征，6月和7月的類似。WRF-RUC預(yù)報(bào)的小雨到暴雨量級(jí)的評(píng)分均低于WRF-3 km系統(tǒng)的預(yù)報(bào)，大暴雨2個(gè)系統(tǒng)的評(píng)分均為0。從預(yù)報(bào)偏差看，小雨到大雨量級(jí)的偏差均大于1，其中WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)的偏差更大。暴雨和大暴雨的偏差均為偏小，其中WRF-RUC系統(tǒng)的偏差更接近1。從2016年6、7月份的12 h降水評(píng)分上看，WRF-RUC系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果差于WRF-3 km系統(tǒng)。

表1 WRF-RUC 和WRF-3 km系統(tǒng)2016年6～7月份12 h評(píng)分Tab.1 Scores of 12 hours rainfall in June and July，2016 of WRF-RUC and WRF-3 km system

3 個(gè)例數(shù)值試驗(yàn)

WRF-RUC系統(tǒng)雖然在模式版本、同化系統(tǒng)、運(yùn)行方式和系統(tǒng)輸出產(chǎn)品種類等方面相對(duì)本地化的“區(qū)域WRF數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)”有所改進(jìn)，但從降水預(yù)報(bào)的檢驗(yàn)結(jié)果看，無明顯優(yōu)勢(shì)。大量研究證明，不同物理過程參數(shù)化方案對(duì)降水預(yù)報(bào)差異較大，優(yōu)化系統(tǒng)的物理參數(shù)化方案，可以改進(jìn)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)性能[15-20]。因此，選取2016年7月6日強(qiáng)降水天氣過程，根據(jù)之前本地化研究結(jié)果[19]，選取WRF模式中2種陸面參數(shù)化方案Thermal Diffusion(TD)

和Unified Noah land-surface Model(UNM)，3種微物理降水參數(shù)化方案WSM 6-class graupel scheme(WSM6)，WSM 3-class simple ice scheme(WSM3)和Morrison 2 Moments(MM)，2種邊界層參數(shù)化方案YSU scheme(YSU)和Mellor-Yamada-Janjic TKE scheme(MYJ)，進(jìn)行組合形成如下4種不同參數(shù)化降水試驗(yàn)方案。具體試驗(yàn)方案如表2。

表2 WRF-RUC系統(tǒng)不同參數(shù)化試驗(yàn)方案Tab.2 Parameterization schemes for comparative experiment in WRF-RUC system

圖4為2016年7月5日12時(shí)～6日00時(shí)不同試驗(yàn)方案12 h降水預(yù)報(bào)。從圖上看，相比WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)的降水，試驗(yàn)方案預(yù)報(bào)的降水，西部空?qǐng)?bào)小雨量級(jí)的降水明顯減少，滇中的南北向雨帶更加明顯，其中方案D的降水強(qiáng)度達(dá)到70 mm，與實(shí)況一致。從2016年7月6日個(gè)例試驗(yàn)結(jié)果看，調(diào)整物理過程參數(shù)化方案，降水預(yù)報(bào)效果有所改善。因此，進(jìn)行物理過程參數(shù)化方案的本地化優(yōu)選試驗(yàn)是改善WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)效果的有效途徑。

圖4 2016年7月5日12時(shí)～6日00時(shí)不同方案12 h降水(模式系統(tǒng)均為2016年7月5日00時(shí)的預(yù)報(bào)，單位：mm) (a)方案A；(b)方案B；(c)方案C；(d)方案DFig.4 The 12 hours rainfall from 12UTC on 5 to 00UTC on 6 July 2016 in different schemes(forecast for model system at 00UTC on 5 July 2016，unit：mm)(a)scheme A；(b)scheme B；(c)scheme C；(d)scheme D

4 結(jié)論和討論

WRF-RUC系統(tǒng)引進(jìn)云南后，通過2015～2016年的運(yùn)行，在云南省運(yùn)行基本穩(wěn)定，能提供多種要素預(yù)報(bào)。

通過對(duì)WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)強(qiáng)降水個(gè)例的檢驗(yàn)，并與“區(qū)域WRF數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)”的預(yù)報(bào)結(jié)果比較，發(fā)現(xiàn)2個(gè)系統(tǒng)在個(gè)例預(yù)報(bào)上各有優(yōu)劣。其中2016年6月12日個(gè)例WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)較好，而2016年7月6日個(gè)例WRF-3 km系統(tǒng)預(yù)報(bào)較好。7月6日個(gè)例，通過調(diào)整WRF-RUC系統(tǒng)的物理過程參數(shù)化方案，可以改進(jìn)預(yù)報(bào)效果。

通過2016年6、7月逐日平均的12 h降水評(píng)分看，WRF-RUC系統(tǒng)預(yù)報(bào)的TS評(píng)分在4個(gè)量級(jí)上均低于WRF-3 km系統(tǒng)，小雨到大雨的偏差WRF-RUC系統(tǒng)的預(yù)報(bào)高于WRF-3 km系統(tǒng)的預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)面積明顯偏大。暴雨和大暴雨的偏差均為偏小，相對(duì)WRF-RUC系統(tǒng)的預(yù)報(bào)面積更接近實(shí)況。

從降水檢驗(yàn)的結(jié)果看，WRF-RUC系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果并不理想，這與系統(tǒng)引進(jìn)后，未進(jìn)行本地化的試驗(yàn)優(yōu)選物理過程參數(shù)化方案有關(guān)。另一方面，相對(duì)北京運(yùn)行的快速更新循環(huán)系統(tǒng)，在云南運(yùn)行的該系統(tǒng)所用的本地化資料較少，特別是高頻率的雷達(dá)資料，這兩方面的原因均對(duì)快速更新循環(huán)同化系統(tǒng)預(yù)報(bào)效果有較大的影響，將是下一步完善該系統(tǒng)需要進(jìn)行的工作。