ADAS-WRF中尺度数值降水预报在海河流域洪水预报中的应用及分析

杨 鹏，周 波，马金一

（海河水利委员会水文局，天津 300170）

1 概述

在众多降水预报方法中，随着数值预报理论与方法、大气探测技术和计算机技术的快速发展，数值预报模式表现出对客观定量降水预报的巨大潜力，已经成为目前气象业务预报领域不可替代的方法。但由于数值预报结果受地形、植被以及模式初始场、边界条件、物理过程等诸多方面影响，数值模式的降水要素预报无论是在时间、空间分布还是量级大小方面都不可避免地出现一些差异。天津市气象局目前使用的ADAS-WRF中尺度数值天气预报模式采用了当今国际上技术先进的ADAS气象资料同化系统与WRF中小尺度数值预报模式相结合的形式，具有同化雷达、卫星等资料功能的中尺度数值预报模式，在总浮点运算峰值高达1.88GFLOPS的IBM Cluster 1600高性能计算机集成系统上运行，能够满足海河流域洪水预报对降水的空间、时间密度要求以及预报时效要求。

2 ADAS-WRF中尺度数值降水预报技术

WRF（Weather Research and Forecast）模式系统是美国气象界联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统。该模式采用高度模块化、并行化和分层设计技术，集成了迄今为止国际上最先进的中尺度气象研究成果。模拟预报试验表明，WRF模式在预报各种天气系统中都具有较高的精度，特别在精细的中小尺度天气系统预报上具有良好的表现和广阔的应用前景。

WRF模式预报准确率高于其他模式，主要在于数据同化技术。ADAS（ARPSData Analysis System）是由Oklahoma州立大学国家强风暴试验室（CAPS，the Center for Analysis and Prediction of Storms）开发的气象数据分析与同化系统（ARPS，Advanced Regional Prediction System），目的主要是为数值模式提供初始场。ADAS具有非绝热初始技术（Diabatic Initialization Technique），主要是依靠复杂云分析模块（Complex Could Analysis System）实现的。该系统对不同数据进行预处理，建立区域资料同化平台，完成地面观测站资料、探空AMDAR资料、民航气象观测资料METAR、AWOS资料、卫星和雷达等高时空分辨率资料的同化，从而改进模式初始场，特别是通过同化处理多普勒雷达基数据和卫星观测资料对风场、水汽场进行调整。资料同化系统ADAS架构，如图1所示。

图1 ADAS资料同化系统的架构

ADAS中包含一些质量控制步骤，对各种观测资料进行质量监控评估，通过时间、空间连续性检查等方法，将差别过大、有明显错误的观测站点过滤掉。在处理多普勒雷达基数据和卫星观测资料同化时，采用了双多普勒风速算法和多普勒恢复方案以及综合云分析方案。在处理卫星观测资料时，通过使用地表观测的云面积和云高以及雷达和卫星资料来进行完整的云分析，把来自测站和遥感平台的不同观测数据拟合到一起，建立三维云和降水场，由此获得三维云量、云高、云厚、云状、云中各种水物质含量、云中垂直风速、云和降水类型等数据。

ADAS-WRF中尺度数值降水预报产品充分考虑了区域气候特征，并通过对雷达资料、自动站实况信息等分析，提高了预报的时空分辨率及准确性，具有时间尺度短、空间网格密度大等特点。其时间分辨率为1 h，空间分辨率为5×5 km。利用ADAS-WRF中尺度数值预报技术制作的海河流域网格面雨量预报产品，可以大大延长洪水预报预见期。

为满足海河流域数值降水预报需求，天津市气象局在现有的ADAS-WRF中尺度数值预报模式基础上，扩大了模式预报的空间范围（369×401网格扩展为368×440网格），并将模式预报时效由48 h延长至72 h。每天于15时发布当天8时起报、3时发布前日20时起报的未来72 h海河流域范围内的5×5 km逐小时降水客观预报产品。

3 预报结果检验

选取了2场降水对全流域降水预报进行检验，图2—3左图是数值预报降水、右图是实测降水。对于2012年7月21日降水，从图2可以看出：数值降水预报量级比实测降水略小，暴雨中心位置与实测降水一致。

图2 2012年7月21日降水预报与实况对比

对于2012年8月1日降水，从图3可以看出：数值预报降水量级与实测降水的量级基本一致，数值预报暴雨中心位置略偏南。

目前，海河水利委员会水文局洪水预报应用了中国气象局、日本、天津气象局3家数值降水预报产品。其中，中国气象局和日本的数值降水预报时间分辨率为3 h，空间分辨率为20×20 km。为检验这3家数值降水预报产品精度，以海河流域2012年8月1日一场降水为例，进行了对比分析，结果如下：

图4是潘家口水库的对比情况，实测降水45 mm，天津气象局预报50 mm，中国气象局预报26 mm，日本预报20 mm；用实测降水预报的洪峰2 544 m3/s，用天津气象局降水预报的洪峰3 035 m3/s，用中国气象局降水预报的洪峰1 831 m3/s，用日本降水预报的洪峰1 175 m3/s。

图5是大黑汀水库的对比情况，实测降水56mm，天津气象局预报69 mm，中国气象局预报76 mm，日本预报46 mm；用实测降水预报的洪峰为463 m3/s，用天津气象局降水预报的洪峰为563 m3/s，用中国气象局降水预报的洪峰为737 m3/s，用日本降水预报的洪峰为268 m3/s。

图3 2012年8月1日降水预报与实况对比

图4 潘家口洪水预报与实况对比

图6是滦县的对比情况，实测降水96 mm，天津气象局预报105 mm，中国气象局预报115 mm，日本预报60 mm；用实测降水预报的洪峰为2 393 m3/s，用天津气象局降水预报的洪峰为2 521 m3/s，用中国气象局降水预报的洪峰为3 012 m3/s，用日本降水预报的洪峰为1 176 m3/s。

表1—2是3家单位的预报结果对比表，从表1可以看出，潘家口、滦县，天津气象局的降水预报精度要高于其他2家，对于大黑汀来说日本的降水预报精度要高于天津气象局。从表2可以看出，对于洪峰预报来说，天津气象局的预报精度最高。虽然大黑汀降水日本预报精度高于天津气象局，但由于影响洪峰的因素不仅是降水量，还与降水的时空分布有关，天津气象局数值预报的时空分辨率要高于其他2家，所以其洪峰预报精度体现了较大的优势。

4 结论

综合上述降水预报精度检验表明：ADAS-WRF模式是目前国际上较先进的中尺度数值天气预报模式，其时空分辨率和预报准确率较高，能够较好地预报出海河流域降水的分布和量级，预报结果具有一定的可参考性。

图5 大黑汀洪水预报与实况对比

图6 滦县洪水预报与实况对比

表1 降水实测与预报结果对比 mm

表2 洪峰实测与预报结果对比 m3/s

ADAS-WRF模式对流域大范围降水的总体分布及量级模拟效果较好，但对局部地区模拟效果并不理想，如流域2012年8月1日强降水模拟中表现为中心位置明显偏移，2012年7月21日强降水中心强度明显偏弱，即ADAS-WRF模式对于局部强降水中心的模拟可能出现位置和强度偏差等问题，仍需要通过模式优化对其进行改进。另外，目前的预报模式主要是客观预报，今后还需加入主观预报，以对客观预报结果进行修正，不断提高数值降水预报的精度。