克拉瑪依大風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)中的重力波拖曳方案應(yīng)用研究

張涵斌 史永強(qiáng) 崔麗娜 楊程志

摘要 新疆克拉瑪依地區(qū)位于背風(fēng)坡，長期受翻山氣流形成的局地大風(fēng)影響。該地區(qū)日常大風(fēng)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)主要依托克拉瑪依氣象局的精細(xì)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為進(jìn)一步完善該系統(tǒng)的預(yù)報(bào)效果，本文開展了重力波拖曳參數(shù)化方案應(yīng)用試驗(yàn)，對比分析了三組試驗(yàn)方案：不開啟重力波拖曳、只開啟外層區(qū)域重力波拖曳以及兩重嵌套設(shè)置下均開啟重力波拖曳的結(jié)果。試驗(yàn)結(jié)果表明：在克拉瑪依大風(fēng)預(yù)報(bào)個例中，對于山區(qū)地形背風(fēng)坡處的克拉瑪依站，不啟動重力波拖曳會導(dǎo)致風(fēng)速偏大和起風(fēng)時間較早;開啟外層重力波拖曳方案可以延遲克拉瑪依站起風(fēng)時間，兩重區(qū)域均開啟可以進(jìn)一步延遲該站的起風(fēng)時間，使起風(fēng)時間更接近實(shí)況;對于非山區(qū)地形背風(fēng)坡處的站點(diǎn)，在內(nèi)層開啟重力波拖曳會導(dǎo)致一定的負(fù)效果;對內(nèi)層區(qū)域的統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)結(jié)果表明不開啟重力波拖曳，會使地形復(fù)雜區(qū)域風(fēng)場預(yù)報(bào)存在一定的正偏差，在外層開啟重力波拖曳會使正偏差有一定改善，而兩重嵌套均開啟重力波拖曳方案會導(dǎo)致非地形陡峭區(qū)域的負(fù)偏差增加。綜合全區(qū)域內(nèi)大風(fēng)預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果表明，只在外層開啟重力波拖曳會獲得最小的誤差和較好的預(yù)報(bào)效果。

關(guān)鍵詞重力波拖曳;數(shù)值模式;參數(shù)化方案;大風(fēng)預(yù)報(bào);克拉瑪依

隨著現(xiàn)代高分辨數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)的發(fā)展，模式中開始越來越多地考慮地形作用（王宇和黃思訓(xùn)，2018），該作用主要通過次網(wǎng)格參數(shù)化方案來實(shí)現(xiàn)，主要有“包絡(luò)地形”方案（Wallace et al.，1983;Tibaldi，1986）以及“重力波拖曳”方案（Gravity Wave Drag，GWD;Phillips，1984;Palmer et al.，1986）。對于“重力波拖曳”參數(shù)化方案，其理論是當(dāng)氣流經(jīng)過地形陡峭區(qū)時可能激發(fā)出地形重力波，從而產(chǎn)生水平動量耗散，數(shù)值模式中需要通過次網(wǎng)格參數(shù)化方案來描述這種地形引起的動量耗散過程，以使風(fēng)場的模擬更加準(zhǔn)確（McFarlane，1987;Baines and Manins，1989;Miller et al.，1989;程胡華，2017）。

Palmer et al.（1986）首次提出了歐洲中期預(yù)報(bào)中心全球模式的重力波拖曳方案，該方案主要描述了地形陡峭處的重力波激發(fā)機(jī)制，隨后許多學(xué)者對重力波拖曳方案在模式中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。Baines and Palmer（1990）利用非流線形動力學(xué)理論對重力波拖曳方案進(jìn)行了進(jìn)一步完善;Boer et al.（1984）首次實(shí)現(xiàn)了將重力波拖曳參數(shù)化引入到大尺度模式中;Kim and Arakawa（1995）對重力波拖曳方案進(jìn)一步發(fā)展（KA95方案），并引入到WRF中尺度模式中，該方案主要描述了因地形方差引起的大氣高層和低層重力波破碎將波能傳播到下層并引起拖曳力增強(qiáng)的過程;Lott and Miller（1997）對原KA95方案進(jìn)行了進(jìn)一步改進(jìn)，在重力波破碎模型的基礎(chǔ)上引入了阻塞拖曳作用，并進(jìn)行了一系列數(shù)值試驗(yàn)，結(jié)果表明新方案的預(yù)報(bào)技巧優(yōu)于原方案。此后許多研究也表明，模式通過引入重力波拖曳方案可以更好地描述大尺度山脈對對流層動量收支的影響，從而改進(jìn)預(yù)報(bào)效果（Kim and Doyle，2005;Hong et al.，2008;Sandu et al.，2013;Choi and Hong，2015）。

國內(nèi)也開展了許多地形重力波拖曳參數(shù)化相關(guān)的研究，并闡述了重力波參數(shù)化方案的作用。周天軍和錢永甫（1996）指出模式地形對于預(yù)報(bào)質(zhì)量十分關(guān)鍵，需要在數(shù)值預(yù)報(bào)中考慮地形效應(yīng);錢永甫（2000）、劉華強(qiáng)和錢永甫（2001）在氣候模式中針對重力波拖曳開展了試驗(yàn)，研究結(jié)果表明區(qū)域氣候模擬中考慮地形重力波拖曳可以有效改善模擬結(jié)果;徐國強(qiáng)等（2010）通過全球天氣模式研究了一次降水個例，指出引入地形重力波拖曳過程可以有效改善大氣風(fēng)場，對降水預(yù)報(bào)的落區(qū)有所改善。綜合而言，國內(nèi)針對重力波拖曳方案在中尺度數(shù)值模式中的研究較少，尚有待進(jìn)一步開展。

新疆克拉瑪依地區(qū)地處準(zhǔn)噶爾盆地西北邊，西有加依爾山，中部、東部為平坦戈壁，受特殊地理位置影響，大風(fēng)盛行（辛渝等，2015），其中中部及南部主要受背風(fēng)坡的強(qiáng)下坡風(fēng)影響，春季大風(fēng)較多，最大瞬時風(fēng)速可達(dá)42.2 m/s。許多學(xué)者針對大地形影響下得氣流過山及伴隨的強(qiáng)下坡風(fēng)進(jìn)行了研究，指出由于背風(fēng)波破碎而出現(xiàn)的湍流混合使得來自底層的重力內(nèi)波在波破碎區(qū)產(chǎn)生反射進(jìn)而導(dǎo)致下坡風(fēng)暴的形成（Klemp and Lilly，1975;Lilly，1978;Clark and Peltier，1984;Saito，1993）;孫東霞等（2008）指出克拉瑪依的背風(fēng)坡地形是導(dǎo)致該地區(qū)強(qiáng)大風(fēng)盛行的關(guān)鍵因素;盧冰等（2014）利用高分辨率WRF模式，重點(diǎn)闡述了克拉瑪依地區(qū)背風(fēng)坡風(fēng)暴產(chǎn)生的機(jī)理，對冬季穩(wěn)定層結(jié)及冷空氣背景下重力波破碎導(dǎo)致的背風(fēng)坡大風(fēng)進(jìn)行了細(xì)致分析，結(jié)果表明重力波效應(yīng)是克拉瑪依地區(qū)大風(fēng)預(yù)報(bào)的關(guān)鍵。

目前克拉瑪依市氣象局業(yè)務(wù)運(yùn)行數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，為克拉瑪依地區(qū)大風(fēng)天氣的預(yù)報(bào)提供有效的業(yè)務(wù)支撐，但目前對克拉瑪依地區(qū)大風(fēng)模擬的強(qiáng)度和發(fā)生時間有待改進(jìn)，本研究基于克拉瑪依業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，探索了重力波拖曳方案在克拉瑪依大風(fēng)預(yù)報(bào)的應(yīng)用效果。本研究不僅對克拉瑪依當(dāng)?shù)卮箫L(fēng)預(yù)報(bào)的發(fā)展具有重要意義，也可為業(yè)務(wù)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中大風(fēng)預(yù)報(bào)改進(jìn)提供新方法新思路，具有良好的應(yīng)用前景。

1 資料和方法

1.1 克拉瑪依精細(xì)化區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡介

克拉瑪依市氣象局發(fā)展的精細(xì)化區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)基于美國環(huán)境預(yù)測中心（NCEP）和美國國家大氣研究中心（NCAR）共同開發(fā)的非靜力中尺度模式WRF V4.2版構(gòu)建，模式區(qū)域設(shè)置為兩重嵌套，其中外層D01水平分辨率15 km，模擬區(qū)域范圍為中亞及新疆地區(qū)，共238×179個格點(diǎn)，垂直方向57層，覆蓋新疆及中亞部分區(qū)域，兩層區(qū)域單向嵌套無反饋;內(nèi)層D02水平分辨率3 km，共295×200個格點(diǎn)，主要覆蓋新疆北部區(qū)域（圖1）。該系統(tǒng)每天從00時、12時（世界時，下同）起報(bào)兩次，時間步長90 s，預(yù)報(bào)時效36 h，輸出間隔1 h。系統(tǒng)采用NCEP全球預(yù)報(bào)場GFS資料（水平分辨率0.5°×0.5°，間隔6 h）作為初值驅(qū)動場和側(cè)邊界條件，物理過程參數(shù)化方案選取為：微物理過程采用Thompson方案（Thompson et al.，2004），邊界層采用YSU方案（Hong et al.，2006），短波輻射和長波輻射采用RRTMG方案（Bae et al.，2016），D01積云方案采用New Tiedtke方案（Zhang et al.，2011），D02積云方案關(guān)閉。

1.2 重力波拖曳方案介紹

WRF次網(wǎng)格地形重力波拖曳參數(shù)化方案中，包含重力波破碎和阻塞拖曳兩種作用（Kim and Doyle，2005），即在“gwd_opt=1”設(shè)置下，可開啟兩種參數(shù)化方案。

1.2.1 重力波破碎

WRF模式中的KA95方案不僅考慮了高層波破碎對重力波拖曳的影響，也考慮了因低層波破碎對下游重力波拖曳的影響：翻越地形陡峭區(qū)域的氣流在參考層會產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)力τ0，并激發(fā)垂直傳播的重力波，重力波在不穩(wěn)定環(huán)境中波破碎，此時拖曳力會受到一定損失，剩余的拖曳應(yīng)力τ將在波破碎后繼續(xù)擴(kuò)散，使得下游也存在一定的拖曳應(yīng)力。依據(jù)Kim and Arakawa（1995），參考層上的GWD為

其中：ρ為密度;N是Brunt-Vaisala頻率;U是水平風(fēng)速;Δx為模式的水平尺度;下標(biāo)0代表是參考層，也就是重力波產(chǎn)生層;E為參考層上拖曳力的增強(qiáng)因子，用來增加受到低層波破碎或是抑制作用導(dǎo)致的拖曳力，主要受地形的非對稱以及臨界Froude數(shù)所影響;m代表網(wǎng)格內(nèi)山的數(shù)量，G是漸進(jìn)函數(shù)用來斷定氣流阻塞與否，因?yàn)榻?jīng)過修正，所以以m′、G′表示（鐘水新等，2014）。

當(dāng)重力波不滿足飽和假設(shè)時，波能在上傳過程中不損失，即上下層的GWD不變（τi=τi+1），據(jù)此獲得上層波振幅（Palmer et al.，1986），并基于計(jì)算的上層波振幅求取局地修正后的Richardson數(shù)Ri。依據(jù)Lindzen（1981）的飽和假設(shè)，當(dāng)滿足Ri<Ric（飽和臨界點(diǎn)的Richardson數(shù)）時，重力波在該層產(chǎn)生波破碎，部分能量損失使得τ減小，直至恢復(fù)到飽和臨界點(diǎn)。當(dāng)未達(dá)飽和條件時，重力波在該層不破碎，該層τ維持不變。

臨界振幅hd的計(jì)算通過將Ri代入下式獲得：

求得臨界振幅后，計(jì)算該層剩余GWD：

獲得GWD的垂直方向上所有層次（往上直到τi=0或模式層頂）的分布后，代入式（4）、（5）完成地形重力波拖曳對風(fēng)場傾向的計(jì)算（鐘水新等，2014）。

1.2.2 阻塞拖曳

拖曳參數(shù)化中的阻塞拖曳（Blocked-Layer Drag，BLD）是對KA95方案進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，公式基本上遵循Lott and Miller（1997）以及Scinocca and McFarlane（2000）的參數(shù)化研究，基于尺度分析獲得，即如下拖曳形式：

其中：Δ2x為網(wǎng)格面積;Cd為一階體積阻力系數(shù);Δ⊥x是垂直于風(fēng)向的網(wǎng)格長度;L⊥x是垂直于風(fēng)向的次網(wǎng)格地形的寬度，近似為臨界地形高度測得的地形寬度;hB為阻塞層高度，定義為：

地形的各向異性通過hB考慮，hB的計(jì)算包括Froude數(shù)Fr0，F(xiàn)rc（≈0.8）為臨界Froude數(shù)，當(dāng)Fr0>Frc時，該式應(yīng)用到最低模式面以及地面層，并往上呈線性遞減。

圖2給出了克拉瑪依數(shù)值模式D02范圍內(nèi)的地形分布以及WRF4.2中重力波拖曳參數(shù)化方案引起的地形拖曳應(yīng)力作用，由圖2a可以看出加依爾山-天山一帶為地形陡峭區(qū)，其中克拉瑪依位于加依爾山和準(zhǔn)噶爾盆地交界處（46°N一線），由圖2b可以看出次網(wǎng)格地形方差較大區(qū)域即為山區(qū)陡峭地形處，而地形重力波參數(shù)化方案引起的拖曳應(yīng)力與地形大值區(qū)對應(yīng)較好。

1.3 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為了驗(yàn)證重力波拖曳方案在克拉瑪依精細(xì)化模式系統(tǒng)中的應(yīng)用效果，基于重力波拖曳參數(shù)化方案開展了大風(fēng)預(yù)報(bào)試驗(yàn)，重點(diǎn)針對重力波拖曳參數(shù)化方案在3 km區(qū)域內(nèi)的表現(xiàn)進(jìn)行分析。系統(tǒng)模式分辨率及范圍設(shè)置均與1.1中介紹的一致。

設(shè)計(jì)了三種試驗(yàn)方案，方案一在D01和D02區(qū)域內(nèi)關(guān)閉了GWD參數(shù)化方案，其余設(shè)置與1.1中介紹的方案一致，稱為GWD00方案;方案二在D01區(qū)域開啟GWD參數(shù)化方案，D02區(qū)域關(guān)閉GWD方案，稱為GWD10方案，方案三在D01和D02范圍內(nèi)均開啟重力波拖曳，稱為GWD11方案，如表1所示。開展了2021年2月1個月的連續(xù)試驗(yàn)，其中以2月24日—25日發(fā)生在克拉瑪依的大風(fēng)天氣過程為重點(diǎn)研究個例。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 大風(fēng)個例分析

2021年2月24日，受極渦分裂短波東移影響，克拉瑪依城區(qū)發(fā)生了一次大風(fēng)天氣，25日06時，在冷空氣南下影響下，克拉瑪依城區(qū)起風(fēng)，逐小時最大風(fēng)速可達(dá)21.3 m/s，已達(dá)到大風(fēng)級別（近地面層平均風(fēng)速17.2～20.7 m/s）。圖3給出了三種重力波拖曳方案配置下，克拉瑪依站（51243）10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)和實(shí)況，預(yù)報(bào)時段為2021年2月24日15—25日12時?？梢钥闯鰧τ趯?shí)況，25日04時之前風(fēng)速僅為5 m/s，25日06時整點(diǎn)風(fēng)速增加到21.3 m/s;對于GWD00方案，其起風(fēng)時間明顯過早，25日01時已達(dá)20 m/s左右，起風(fēng)時間相對于實(shí)況提前了5 h，此后數(shù)小時基本上處于20 m/s以上，個別時間可達(dá)24 m/s，在實(shí)況起風(fēng)時刻06時之后的風(fēng)速大小也明顯強(qiáng)于實(shí)況;對于GWD10，大風(fēng)起風(fēng)時間相對于實(shí)況依然偏早，在03時其風(fēng)速也達(dá)18 m/s，比實(shí)況提前3 h左右，但在06時之后與實(shí)況風(fēng)速十分接近;對于GWD11設(shè)置，由于D02加入了重力波拖曳，起風(fēng)時間相對于GWD10進(jìn)一步延后，風(fēng)速增加到20 m/s的時間為25日05時，但06時之后風(fēng)速相對于實(shí)況也偏高。06時之后，不管是實(shí)況還是三種方案預(yù)報(bào)，均呈現(xiàn)明顯減小的趨勢。綜合以上結(jié)果，D01增加GWD可以有效改善背風(fēng)坡山腳處克拉瑪依站的起風(fēng)時間和大風(fēng)持續(xù)時段的風(fēng)速預(yù)報(bào)，而D02增加GWD可以進(jìn)一步改善大風(fēng)的起風(fēng)時間。

圖4給出了三種方案不同預(yù)報(bào)時效（19～30 h）對克拉瑪依市區(qū)風(fēng)速預(yù)報(bào)的分布，可以看出模式預(yù)報(bào)的大風(fēng)不斷越過加依爾山背風(fēng)坡侵入克拉瑪依城區(qū)，但是三種方案風(fēng)速大值區(qū)進(jìn)入的時間明顯不同，GWD00方案在21～24 h預(yù)報(bào)時效的風(fēng)速大值即位于加依爾山下坡處，侵入克拉瑪依西部的克拉瑪依主城區(qū)，在27～30 h時段風(fēng)速也明顯較強(qiáng)，在27～30 h時段可以發(fā)現(xiàn)在克拉瑪依西北部存在明顯的大值中心，量級可達(dá)24 m/s以上;GWD10方案在21～24 h風(fēng)速大值區(qū)也影響到了克拉瑪依城區(qū)，在27～30 h時段風(fēng)速也明顯較強(qiáng)，風(fēng)速大值中心可達(dá)24 m/s以上，只是大值范圍略小于GWD00方案;GWD11方案相對于前兩種方案，風(fēng)速明顯減弱，27 h預(yù)報(bào)時效之前，風(fēng)速大值區(qū)基本沒有影響到克拉瑪依城區(qū)，且量級較小，直到28 h之后，克拉瑪依城區(qū)預(yù)報(bào)才可達(dá)到18 m/s以上，說明兩重嵌套均開啟重力波拖曳，可以顯著降低風(fēng)速預(yù)報(bào)，從而影響大風(fēng)進(jìn)入克拉瑪依城區(qū)的時間和量級。

盧冰等（2014）對克拉瑪依強(qiáng)下坡風(fēng)形成機(jī)制的分析中指出，克拉瑪依上游地區(qū)中高層到低層存在強(qiáng)西風(fēng)氣流并在低層伴有冷平流的情況下，隨著風(fēng)速不斷增大，氣流能夠翻越加依爾山在背風(fēng)坡形成重力波，重力波能夠往上傳播影響到高空氣流并形成波破碎，破碎區(qū)湍流運(yùn)動可導(dǎo)致上層能量向下傳播。為進(jìn)一步研究本次大風(fēng)個例中重力波拖曳方案對克拉瑪依翻山氣流大風(fēng)降溫的影響，給出了27 h預(yù)報(bào)時效的2021年2月25日03時GWD00和GWD10方案大風(fēng)進(jìn)入城區(qū)時刻沿加依爾山至克拉瑪依市區(qū)一線46°N的風(fēng)向和位溫預(yù)報(bào)垂直剖面，如圖5所示。從三個方案的剖面可以看出，首先對于高空風(fēng)場GWD00方案（圖5a）加依爾山上空6 km處基本處于較強(qiáng)的西風(fēng)氣流之中，垂直風(fēng)切變較小，說明重力波傳播基本已經(jīng)結(jié)束;對于GWD10方案（圖5b），受外層重力波拖曳方案引起的風(fēng)場變化影響，地形背風(fēng)坡上空存在較明顯的垂直運(yùn)動，5 km以上存在上升氣流;GWD11方案（圖5c）在5 km以上垂直運(yùn)動更為劇烈，具有明顯的垂直向上分量。5 km以下，所有方案中翻山氣流均向山麓推進(jìn)，其中GWD00氣流翻山后在近地面以西風(fēng)分量為主，冷空氣快速進(jìn)入，如284 K等位溫線明顯向山腳延伸;GWD10受重力波破碎導(dǎo)致能量向下傳播影響，在5 km高度以下具有明顯的下沉氣流特征，山腳下克拉瑪依站風(fēng)速水平分量有所減弱，而垂直分量有所增加，冷空氣也明顯向山腳下延申;而GWD11方案翻山氣流水平風(fēng)速明顯小于GWD00和GWD10，風(fēng)的垂直分量更為顯著。以上分析說明當(dāng)模式內(nèi)外層均未加入重力波拖曳作用，背風(fēng)坡上空的次網(wǎng)格湍流垂直擴(kuò)散未考慮，背風(fēng)坡處的水平風(fēng)速偏強(qiáng);外層加入重力波拖曳后，重力波垂直湍流擴(kuò)散顯著，削弱水平風(fēng)速項(xiàng)，導(dǎo)致下坡風(fēng)的延遲和減弱;在內(nèi)層區(qū)域開啟重力波拖曳的方案，進(jìn)一步延緩了翻山氣流的水平風(fēng)速，并延遲了冷平流帶來的局地降溫。

利用克拉瑪依附近14個區(qū)域自動站實(shí)況資料對克拉瑪依市及其周邊的站點(diǎn)預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，計(jì)算27 h預(yù)報(bào)時效（對應(yīng)時刻為25日03時）的區(qū)域內(nèi)各站點(diǎn)上的預(yù)報(bào)偏差分布以及區(qū)域平均的平均誤差（Mean Error，ME，或稱之為偏差）以及平均絕對誤差 （Absolute Mean Error，AME），如圖6所示。對于GWD00（圖6a），加依爾山山腳下的克拉瑪依站具有明顯的風(fēng)速正偏差，可達(dá)10 m/s以上，其他站的預(yù)報(bào)偏差有正有負(fù)，范圍內(nèi)總體的ME為2.19 m/s，AME為3.45 m/s，表現(xiàn)出明顯的正偏差;對于GWD10方案（圖6b），可以看出克拉瑪依站風(fēng)速正偏差依然為10 m/s以上范圍，而總體上的偏差有一定減少，ME達(dá)到1.57 m/s;GWD11方案，克拉瑪依站預(yù)報(bào)效果進(jìn)一步改善，正偏差降到2～5 m/s范圍內(nèi)，總體偏差特征ME為-0.43 m/s，負(fù)偏差站點(diǎn)有所增多。

總體上看GWD10整體上改善了GWD00的正偏差，但對克拉瑪依站的起風(fēng)時間預(yù)報(bào)依然過早;而GWD11方案進(jìn)一步改善了克拉瑪依站及其附近站點(diǎn)的正偏差，但帶來了一定的負(fù)偏差。

2.2 檢驗(yàn)結(jié)果

對批量試驗(yàn)時段內(nèi)的預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行評分統(tǒng)計(jì)，進(jìn)一步定性和定量分析不同重力波拖曳設(shè)置下的模式預(yù)報(bào)效果。

首先，定性分析重力波拖曳方案對預(yù)報(bào)效果的影響，本節(jié)的實(shí)況分析場采用檢驗(yàn)時刻對應(yīng)的WRF初始分析場（由GFS初始場驅(qū)動并同化了相應(yīng)的探空和地面站觀測資料）。圖7給出了批量試驗(yàn)時段內(nèi)統(tǒng)計(jì)平均的24 h預(yù)報(bào)時效的D02區(qū)域內(nèi)緯向U風(fēng)場預(yù)報(bào)與預(yù)報(bào)時刻對應(yīng)的分析場之差沿85°E剖面，該剖面位置為加依爾山背風(fēng)坡。

從圖7a可知GWD00方案的U風(fēng)預(yù)報(bào)在加依爾山背風(fēng)坡相對于分析場具有明顯的正偏差，這種正偏差從高空200 hPa一直延續(xù)到地面背風(fēng)坡上，說明無GWD作用下，山區(qū)地形上空緯向風(fēng)速具有顯著偏大特征;在D01方案中開啟GWD，即GWD10方案，其對D02緯向風(fēng)速也有顯著影響，如200 hPa左右正偏差得到了顯著削弱，甚至出現(xiàn)了一定的負(fù)偏差，對于350 hPa以下，46°～47.4°N范圍內(nèi)，部分區(qū)域偏差已經(jīng)降低到-2～2 m/s;當(dāng)D02開啟GWD方案后，即GWD11，可以看出，對于高空風(fēng)正偏差區(qū)域范圍進(jìn)一步縮小，而負(fù)偏差特征進(jìn)一步增大，需要注意的是，GWD11設(shè)置下對于背風(fēng)坡近地面處的風(fēng)速偏差確實(shí)有明顯改善，如750 hPa高度的山坡區(qū)域風(fēng)速正偏差僅為2 m/s左右，顯著小于GWD00及GWD10方案，而對于無地形區(qū)域的近地面及高空風(fēng)場，GWD11相對于前兩種方案顯著增加了風(fēng)速負(fù)偏差，這也說明開啟D02的重力波拖曳作用對全場預(yù)報(bào)效果具有較大的不一致性。

為了檢驗(yàn)三種方案統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)效果，計(jì)算了三種方案試驗(yàn)時段內(nèi)D02區(qū)域不同要素統(tǒng)計(jì)平均的均方根誤差（RMSE）以及偏差（BIAS），包括2 m高度氣溫（T2m）、10 m高度緯向風(fēng)（U10m）以及10 m高度徑向風(fēng)（V10m），實(shí)況采用D02區(qū)域內(nèi)所有地面自動站，間隔6 h。圖8給出了三種方案36 h預(yù)報(bào)時效內(nèi)D02區(qū)域地面要素預(yù)報(bào)的RMSE和BIAS的演變特征，可以看出，對于RMSE，不管是溫度預(yù)報(bào)還是風(fēng)場預(yù)報(bào)，GWD10在各個預(yù)報(bào)時效均能夠獲得最低的RMSE，而GWD11方案對不同要素預(yù)報(bào)的RMSE均較大，GWD00方案居中，如對于U風(fēng)場的24 h預(yù)報(bào)，GWD00誤差為3.25 m/s，GWD10為2.86 m/s，GWD11為3.35 m/s。從BIAS可以看出，對于風(fēng)場預(yù)報(bào)（圖8b和圖8c），GWD00表現(xiàn)出一定的正偏差，尤其是12～30 h預(yù)報(bào)時效較為明顯，如18 h預(yù)報(bào)時效的BIAS為0.23 m/s;GWD10相對于GWD00風(fēng)場預(yù)報(bào)的正偏差有一定減小，18 h預(yù)報(bào)時效的BIAS為-0.16 m/s;而GWD11方案相對于GWD10方案的風(fēng)場有了明顯的負(fù)偏差，18 h預(yù)報(bào)時效的BIAS為-0.47 m/s，這也與上文中的定性分析結(jié)論相一致。以上分析說明整體上GWD10設(shè)置下的預(yù)報(bào)效果較好，而GWD11設(shè)置下會對風(fēng)場存在“過度矯正”問題，引起偏差增大。

圖9給出了試驗(yàn)時段內(nèi)探空觀測檢驗(yàn)的12、24、36 h三個預(yù)報(bào)時效平均的RMSE垂直分布，其他非整點(diǎn)時次由于探空資料較少，因此不計(jì)入統(tǒng)計(jì)。首先可以看出對于U風(fēng)預(yù)報(bào)（圖9a），三種方案各個層次誤差量級不同，其中在400 hPa誤差最大，GWD00方案誤差達(dá)到6.6 m/s，而GWD10和GWD11方案誤差為5.5 m/s左右，顯著小于GWD00方案，對于模式低層，GWD10的誤差相對也較小，如850 hPa誤差為1.63 m/s，小于GWD00的2.17 m/s和GWD11的1.87 m/s，對于另外兩個要素，兩種重力波方案相對于不加入重力波方案也顯示出一定的優(yōu)勢，綜合而言GWD10在不同等壓面均可獲得更好的要素預(yù)報(bào)，尤其是對于邊界層而言，GWD10的預(yù)報(bào)可以獲得更好的熱動力狀況，從而有效改善克拉瑪依城區(qū)翻山下坡風(fēng)的預(yù)報(bào)。

綜上所述，在外層區(qū)域D01開啟重力波拖曳，內(nèi)層區(qū)域D02關(guān)閉重力波拖曳，可以獲得較好的綜合效果。雖然對于克拉瑪依單站預(yù)報(bào)，D02也開啟重力波拖曳有可能會獲得較好的效果，但是會影響其他非地形陡峭區(qū)域的風(fēng)場預(yù)報(bào)。而D01和D02均不開啟重力波拖曳，會使風(fēng)場存在固有的系統(tǒng)性正偏差，因此從日常需求來看，在D01開啟重力波拖曳是比較合理的設(shè)置。

3 結(jié)論和討論

基于克拉瑪依數(shù)值系統(tǒng)開展了冬季大風(fēng)預(yù)報(bào)試驗(yàn)，對比了不同重力波拖曳方案設(shè)置即兩重嵌套均關(guān)閉重力波拖曳（GWD00）、僅開啟D01重力波拖曳（GWD10）和兩重嵌套均關(guān)閉重力波拖曳（GWD11）三組方案對克拉瑪依大風(fēng)預(yù)報(bào)的效果，重點(diǎn)分析了2月25日大風(fēng)預(yù)報(bào)個例，并通過地面要素檢驗(yàn)指標(biāo)對三種方案的預(yù)報(bào)效果進(jìn)行綜合評估，得出以下結(jié)論：

1）對于克拉瑪依冬季穩(wěn)定層結(jié)下的一次大風(fēng)個例，三種方案的起風(fēng)時間各不相同，其中GWD00方案起風(fēng)過早，大風(fēng)延續(xù)時間最長，大風(fēng)量級相比實(shí)況有正偏差;GWD10方案起風(fēng)時間有所延遲，且大風(fēng)量級與實(shí)況最接近;GWD11方案起風(fēng)時間最接近實(shí)況。說明本次個例，重力波拖曳可以有效減弱地形陡峭區(qū)域大風(fēng)預(yù)報(bào)正偏差。

2）對克拉瑪依周邊單站預(yù)報(bào)進(jìn)行分析，表明雖然山區(qū)背風(fēng)坡的克拉瑪依站在兩重嵌套中引入重力波拖曳可以有效減小近地面風(fēng)場誤差，但是對其他區(qū)域站點(diǎn)預(yù)報(bào)則帶來一定的負(fù)效果，說明兩重嵌套均開啟重力波拖曳并不能全面改善預(yù)報(bào)區(qū)域內(nèi)的效果。

3）進(jìn)行了批量試驗(yàn)檢驗(yàn)，定性分析表明：未開啟重力波拖曳的情況下會在山區(qū)地形處存在明顯正偏差，在外層區(qū)域開啟重力波拖曳則會在平流層至地面均有效減少風(fēng)場預(yù)報(bào)正偏差，而內(nèi)外層均開啟重力波拖曳，雖然會有效減小背風(fēng)坡近地面風(fēng)速正偏差，但會在非山地區(qū)域增加負(fù)偏差;通過統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)相對于未開啟重力波拖曳的設(shè)置，在外層開啟重力波拖曳可以有效降低不同預(yù)報(bào)時效地面要素均方根誤差，但是進(jìn)一步開啟內(nèi)層區(qū)域的重力波拖曳，會導(dǎo)致均方根誤差有所增加，主要是由于開啟外層重力波拖曳增加了一定的負(fù)偏差。

以上結(jié)論表明WRF中重力波拖曳方案，由于包含重力波破碎和阻塞拖曳的模型均針對大尺度山脈對對流層動量收支的影響，因此在外層粗分辨率區(qū)域開啟重力波拖曳，內(nèi)層關(guān)閉重力波拖曳時，區(qū)域整體預(yù)報(bào)具有較好的效果，但對于克拉瑪依這種處于山區(qū)背風(fēng)坡位置的站點(diǎn)，開啟內(nèi)層重力波拖曳可獲得更好的預(yù)報(bào)效果（而其他站點(diǎn)預(yù)報(bào)效果會變差）。如果既提高背風(fēng)坡站點(diǎn)預(yù)報(bào)，又保持其他非地形區(qū)域預(yù)報(bào)技巧，則需要引入針對高分辨率地形網(wǎng)格的重力波拖曳效應(yīng)，充分描述穩(wěn)定邊界層內(nèi)的缺失拖曳作用。Steeneveld et al.（2008）提出相對較淺的穩(wěn)定邊界層內(nèi)的拖曳作用可以通過小尺度地形來獲取，并形成了穩(wěn)定邊界層重力波拖曳方案GWDSBL，該方案已初步耦合到WRF V4.3中（Tsiringakis et al.，2017）。此種針對穩(wěn)定邊界層的重力波拖曳方案在克拉瑪依高分辨率數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的表現(xiàn)如何，未來需要進(jìn)一步開展試驗(yàn)。

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（責(zé)任編輯：袁東敏）