WRF模式在“大洋一号”随船预报中的应用

高山，江崇波，刘桂艳，郭敬天，任林凯（国家海洋局北海预报中心，山东青岛266061）

WRF模式在“大洋一号”随船预报中的应用

高山，江崇波，刘桂艳，郭敬天，任林凯
（国家海洋局北海预报中心，山东青岛266061）

摘要：首次使用WRF模式对“大洋一号”科考船第二十六航次第二航段大西洋工作海区进行了风场和气压场数值预报，并对预报结果与实况资料进行了对比分析。结果表明，在资料稀少的大洋科考工作海区，WRF模式预报的天气形势变化与实况完全吻合，其定点的风速、风向和气压预报误差都比较小。尤其是风场能较好的反映出北大西洋10 m风的变化趋势，可以有效弥补大洋科考海区资料短缺的不足。根据WRF模式数值预报图做出的主观预报与船测实况吻合程度较高，为大洋科考海区风场预报提供了一种新的途径，为今后开展大洋考察工作海区精细化业务预报打下基础。

关键词：WRF；大洋科考；数值预报

1　引言

自2005—2006年“大洋一号”环球航行以来，我国的大洋科学考察已涉足太平洋、大西洋、印度洋世界三大洋[1]。在各大洋开展深水取样品、环境调查等各种作业。大洋作业技术含量高、作业设备昂贵，需要较高的气象条件保障。

目前国内大洋科考海区气象预报均为传统预报方式，使用气象传真机（FAX408）接收国外的气象传真图（如：日本、夏威夷气象传真等），根据预报图做工作海区的天气预报。大洋科考主要作业区多在远离主航线的偏僻海区，气象传真图无法完全覆盖工作海域，预报员只能根据周边状况来推测天气形势的发展，预报准确率偏低。大风天气对海上作业有着严重的危害，例如：（1）大洋船舶作业需要起重机进行吊、放重达几吨的设备，大风会引起设备在吊放过程中严重摆动；（2）很多作业过程中需要动力定位，“大洋一号”船动力定位系统在风速大于6级时将满负荷运作，长时间大负荷运转会造成设备损坏；（3）大多作业设备是通过钢缆下放到几千米的深海，收放时大风带来的大浪会引起钢缆升沉剧烈，这对工作人员及设备的带来危险。在复杂多变的大洋气候中，气象传真图已经无法满足需要。亟需引入一种全海区覆盖的数值预报模式，为大洋科考提供强有力的气象安全保障。

WRF模式（The Weather Research and Forecasting Model）作为新一代中尺度天气预报模式，目前在我国许多地区和近海得到大量的应用[2]，但在大洋环球科考保障中尚未使用。本文在“大洋一号”第二十六航次第二航段首次尝试使用WRF模式对大西洋工作海区开展数值预报，并利用随船气象观测数据和NCEP再分析资料对风场与气压场数值预报结果进行检验。

2　WRF模式与资料

WRF模式是一种完全可压非静力模式，采用Arakawa C网格，集数值天气预报、大气模拟及数据同化与一体的模式系统，能够更好的改善对中尺度天气的模拟和预报，目前主要应用于有限区域的天气研究和业务预报[2]。模式重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报，水平分辨率重点考虑1—10 km，其对风、降水、能见度、雾、气温、等天气要素预报有较好的表现[3-4]。WRF模式能够比较成功地再现中尺度过程中的环流形势演变和雨带分布特征以及中小尺度天气系统，可以应用于模拟和业务预报。就中尺度模式之间的比较而言，WRF的模拟效果普遍优于MM5，在选用合适的物理参数化方案下，WRF模式具有较好的模拟和预报性能，体现了其在中尺度模拟中的普适性和优越性[5]。

本文所使用实况资料为NCEP DOE AMIP-2再分析资料和NCEP FNL再分析资料[6]，时间分辨率均为6h（00、06、12、18）UTC，DOE AMIP-2资料的水平分辨率为2.5°×2.5°，FNL资料为1°×1°。如不特殊说明，本文所指时间均为世界时。

随船观测资料按照《海洋调查规范》（GB 12763—91）和《船舶海洋水文气象辅助测报规范》（GB/T 17838—1999）的规定，每天定时观测4次（00、06、12、18）时，内容包括天空状况、天气现象、气压、风向、风速、气温、相对湿度、能见度等气象条件和波高、波向、水温等水文条件。

大洋科学考察第二航段时间为2012年6月18日—7月1日。

3　数值预报

第二航段工作海区位于北大西洋（西三区），由于时差原因，WRF模式48 h数值预报结果即为本海区未来24 h预报。首先采用WRF模式构建大气模式，模式采用前一天12时美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球分析资料为初始场和边界条件，（GFS，水平分辨率1°×1°），时间间隔为6 h（00、06、12、18）时，之后进行高空站、地面站、ASCAT风场[7]等资料24 h同化时间窗的实时数据同化。模式在每天02时启动，使用12×8个CPU，使用IB （InfiniBand）网络进行并行运算[8]，在2 h内完成北大西洋海区未来48 h气压场和风场数值计算。然后使用Grads进行绘图，绘图范围是（经度0°—60°W）、（纬度10°S—40°N）。最终将绘制的预报图发送到“大洋一号”船。

4　大洋工作海区天气实况分析

4.1北大西洋天气形势分析

根据NCEP再分析资料绘制的实况图分析，在“大洋一号”第二十六航次第二航段大西洋工作海区，6月19日有一高压系统，其中心位于（44°W，28°N），中心气压1026 hPa。在高压中心的东北（26°W，38°N）和西北（56°W，40°N）两侧分别有一低压，中心气压均为1012 hPa（见图1 a）。在25°N以南的北大西洋地区以东到东北风为主，45°—55°W有一风速大于9 m/s的偏东风大值区，在北非西岸附近（20°W，20°N）有一小范围的东北风大值区（见图1d）。6月19—23日，高压和两个低压系统逐渐向东北方向移动。高压由准椭圆纬向型逐渐变为东北-西南带状分布，强度先减弱后加强。在高压西北方向的低压则在移动过程中发展，22日低压中心气压最低为994 hPa（见图1b）。在低压东南象限30°—40°N范围内有西南风的大风区存在，并随低压自西向东移动（见图1e）。22—23日，北非西岸东北风明显增大，风速大于10 m/s的大风区向西扩大到30°W附近。同时，在（15°W，30°—35°W）有新生的东北风大风区，风速最大值达13 m/s。6月24—25日，高低压系统均减弱北抽，北非西岸的东北风也明显减弱。在此期间，北大西洋西部25°N以南的偏东风变化不大，风速大值区的主体始终位于40°W以西。

6月26日在（50°W，34°N）附近有新生高压，6 月27—29日新生高压系统发展加强，并向东北方向移动，北大西洋西部的偏东风大值区逐渐消失，25°N以南30°W以西的洋面上为比较均一的东到东北风。6月30日—7月2日，高压中心稳定于33°W，37°N附近，7月1日高压中心气压达到1031 hPa（见图1c）。北非西岸10°—25°W，20°—35°N的东北风再次增大，形成较大范围的风速在10 m/s以上的东北大风区（见图1f）。

4.2船舶实测资料分析

根据观测资料可以看出，工作海区气压值在1011—1026 hPa之间变动，风力以3—5级为主。6 月19日工作海区偏东风5级；6月20—21日工作海区位于高压中心附近，风速较小；6月25—26日工作海区位于高压底部，东北风4—5级；6月27—28日高压系统逐渐增强，工作海区出现了14 m/s的东北大风。6月29日—7月2日，船舶航行至低纬度地区，天气系统较弱，气压逐渐降低，风速较小（见表1）。

图1　海平面气压场（a—c）和10 m风场（d—f）实况图（▲：“大洋一号”考察船位置）

表1　第2航段船舶气象观测资料

5　WRF模式预报结果分析

5.1预报天气形势分析

根据WRF模式48h海平面气压场预报结果分析，6月19日北大西洋主要受一个庞大的高压系统控制，其中心位于（44°W，29°N），中心气压1025 hPa。在高压中心的东北和西北方向各有一个低压中心，分别位于（25°W，39°N）和（59°W，38°N），中心气压分别为1011 hPa、1012 hPa（见图2a）。6月19—23日，高低压逐渐向东北方向移动，高压系统由准椭圆纬向型逐渐变为东北-西南带状分布，强度先减弱再加强。在移动过程中，位于高压西北方向的低压系统则先加强后减弱，22日低压中心位于（46°W，39°N），中心气压为998 hPa（见图2b）。6月24—25日高低压逐渐减弱北抽。6月26日在（50°W，33°N）附近有一高压生成，6月27—29日新生高压发展加强，并向东北方向移动，6月30日—7月2日，高压中心稳定于33°W，37°N附近，7月1日高压中心气压达到1030 hPa（见图2c）。

通过与实况（见4.1）的对比分析不难看出，在海平面气压场的变化趋势、高低压系统范围和强度等方面，WRF模式48 h气压预报场与实况场趋于一致，高低压中心位置预报与实况的误差只有约1°，中心气压值的预报绝对误差较小。

图2　WRF模式48 h海平面气压场预报图

5.2预报10 m风场分析

根据WRF模式48小时10 m风场[9]预报结果分析，6月19日在25°N以南的北大西洋地区为东到东北风，风速在8 m/s以上。其中，在40°W以西，20°N以南的北大西洋洋面上盛行偏东风，风速约10 m/s。同时在（22°W，17°N）附近有一小范围的东北风大值区，最大风速约10 m/s（见图3a）。6月19—24日，在28°N以北有风速大于10 m/s的西南风大风区发展东移。22—23日，北非西岸20°N和33°N附近的东北风明显增大，形成南北两个大风区，最大风速约12 m/s（见图3b）。6月24日，北非西岸北部的东北风继续增大，大风区向西南方向扩展至25°N附近，南部东北大风区则减弱消失。6月25—26日，20°N以南，40°W以西的偏东风略有增大，北非西岸的东北风减弱。6月27日—7月2日，北大西洋风场表现出稳定的反气旋环流形势，以东到东北风为主，风速逐渐增大。北非西岸的东北风增大较快，风速在10 m/s左右的大风区沿北非西岸向东北-西南方向扩展，形成较大范围的东北大风区。35°W以西，25°N以南则维持稳定的偏东风，风速约8—10 m/s（见图3c）。

通过与实况（见4.1）的对比可见，WRF模式48小时10 m风场预报场能较好的反映出北大西洋10 m风的变化趋势，特别是对北大西洋西部偏东大风和北非西岸东北大风的刻画，与实况基本一致，风速绝对误差小于等于2 m/s，大风区范围基本吻合。

5.3WRF格点预报数据验证及误差分析

根据“大洋一号”科考船所在的经纬度，利用WRF模式输出的格点数据（12 h），选取距离该船舶最近的4个网格点进行差值计算，得到船舶所在位置WRF模式的定时、定点风速与气压预报值。本航段工作海区无小尺度天气扰动，风向符合地转风运动规律，根据连续性原理，近似取网格差值为风向预报值。为量化的分析WRF模式的预报精度，对本航次风场、气压场相对误差、平均误差、绝对误差与均方根误差进行了计算。

平均误差(Mean Error or bias，ME):

平均绝对误差(Mean-Absolute error, MAE):

均方根误差(Root-Mean-Square Error, RMSE):

图3　WRF模式48小时10 m风场预报图

图4　航线风速预报值、实况值及误差分析图

式中，xi模式输出数据，oi观测数据，n表示样本个数。

通过对比分析6月19日—7月2日“大洋一号”的船载观测实况数据与WRF模式预报结果发现，WRF模式的风速预报相对误差在-1.2—1.5 m/s之间，平均误差为0.19 m/s，绝对误差为0.62 m/s，均方根误差为0.76 m/s，风向预报相对误差在-15°—11°之间，平均误差为-0.64°，绝对误差为6.21°，均方根误差为7.30°，气压预报相对误差在-0.3—0.3 hPa之间，平均误差为-0.0642 hPa，绝对误差为0.1786 hPa，均方根误差为0.1909 hPa，（见表2、图4、图5）。从误差统计情况来看，该模型在风速、风向、气压的预报方面表现出较为合理结果。可见在本航段的大西洋工作海区，由于下垫面单一，侧边界相对远离海岸线，在不考虑侧边界影响的条件下，该预报模式可以得到较好的结果，能相对真实的反映出工作海区的天气形势和风场变化。对于类似海区，预报员可以尝试参考使用WRF模式的预报结果来订正预报员主观预报，提高随船预报的精细化程度。

图5　航线气压预报值、实况值及误差分析图

表2　预报结果误差分析

6　结论

此次大洋环球科考海区随船预报首次引入了WRF数值预报模式，从初步的对比分析可以看出，WRF模式作为新一代中尺度模式[10]在大洋预报中有很好的表现，预报的天气形势与实况完全吻合，预报的风速风向与随船实测数据基本一致。其指定预报场可以覆盖大洋科考的所有工作海区，这可以较好的解决偏远工作海区无法接收气象传真图，以及预报图不能完全覆盖工作海区的现状，验证了WRF模式在随船预报中的可用性。该模式给大洋科考随船预报提供了一种新的预报途径，能为大洋科考船舶与设备提供更好的气象安全保障，为今后开展大洋科考工作海区精细化业务预报提供依据。

本文仅对WRF模式48 h预报场做了较短时间的对比检验，海区也仅限定为大西洋。将来在“大洋一号”环球航次中，仍需对南大西洋、印度洋、太平洋等其他大洋做长时间的应用检验，并适当延长预报时效，从而进一步验证WRF模式在大洋预报中的可行性与准确性。

参考文献

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Weather forecasting with WRF model for“Da yang No.1”

GAO Shan, JIANG Chong-bo，LIU Gui-yan，GUO Jing-tian, REN Lin-kai
(North China Sea Marine Forecasting center of State Oceanic Administration, Qingdao 266100 China)

Abstract：In this paper, the WRF model is used in weather forecasting for Scientific Ocean expeditions for the first time. According to analysis of sea level pressure and 10 m wind outputted by the WRF model, the results from the WRF model are almost agreement with actual weather over the scientific investigation sea. Wind outputted by the WRF Model could indicate variation characteristics of actual 10 m wind over the North Atlantic Ocean. Error analysis shows that absolute error of wind speed is about between 0.1 m/s to 1.5 m/s. The absolute error of wind direction is about between 1°to 15°. As for sea level pressure, its absolute error is about 0.1 hPa to 0.3 hPa. Subjective forecasting based on the WRF model is in close proximity to ship observation. The WRF model could be a useful tool in weather forecasting for the marine scientific study.

Key words：WRF；scientific ocean expeditions；numerical prediction

作者简介：高山（1979-），男，工程师，主要从事海洋预报与大洋科考海区预报。E-mail: 91gs@163.com

基金项目：大洋科考海区精细化预报研究（2014B13）；国家海洋局青年海洋科学基金（2012207）

收稿日期：2014-02-18

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.007

中图分类号：P732

文献标识码：A

文章编号：1003-0239（2015）01-0046-07