基于WRF模式对西安夏季不同性质降水的数值模拟检验

2016-04-23郭庆元丁治英杜萌萌南京信息工程大学江苏南京0044陕西省西安市气象局陕西西安7006

安徽农业科学 2016年6期

郭庆元, 丁治英, 杜萌萌　 (.南京信息工程大学,江苏南京 0044;.陕西省西安市气象局,陕西西安 7006)

郭庆元1,2, 丁治英1, 杜萌萌2(1.南京信息工程大学,江苏南京 210044;2.陕西省西安市气象局,陕西西安 710016)

摘要[目的]了解WRF模式对西安地区夏季不同性质降水的预报能力。[方法]基于西安地区气象观测站的实况数据、Micaps观测资料、WRF实时预报数据，采用西安市气象台业务化运行的WRFV3.1对2011年7月21日和8月15日2次强对流天气过程及9月5～6日区域性暴雨过程进行模拟分析。[结果]在暴雨预报中，模式对暴雨雨带走向、落区、强度、强降雨中心位置以及强降水出现的时间段均与实况基本吻合,也可以较为准确地预报暴雨中对流层中低层风场的演变；在短时局地强降水中，模式对于降水的落区、发生时间有较为准确的预报，预报时效可达24～36 h。[结论]WRF模式能够对西安地区夏季不同类型降水进行预报，为气象服务提供较为准确的预报支持。

关键词WRF模式；夏季降水；模拟检验；西安地区

Numerical Simulation Test on Different Natures of Precipitation in Summer in Xi’an City Based on WRF

GUO Qing-yuan1,2, DING Zhi-ying1, DU Meng-meng2

(1. Nanjing University of Information Science and Technology, Nanjing, Jiangsu 210044; 2. Xi’an Meteorological Bureau of Shaanxi Province, Xi’an, Shaanxi 710016)

Abstract[Objective] To research the predictive capability of WRF mode to different natures of precipitation in summer in Xi’an City. [Method] Based on real-time data, Micaps observational data and WRF real-time prediction in meteorological station of Xi’an, we used WRFV3.1 business operation of meteorological station in Xi’an City to simulate and analyze the regional rainstorm process from September 5 to September 6, and the two strong convection weather processes from July 21 to August 15, 2011. [Result] During heavy rainfall forecast, rainband trend, falling area, intensity, heavy rainfall center, and occurrence time of heavy rainfall in modes were basically consistent with those of actual situation. It could accurately forecast the evolution of the low-level wind field in rainstorm troposphere. During short-term local heavy rainfall, this mode could accurately forecast the falling area and occurrence time of rainfall. And the period of validity reached 24-36 h. [Conclusion] WRF can forecast the different types of rainfall in summer in Xi’an City, and provide accurate forecast support for meteorological service.

Key wordsWRF model; Summer rainfall; Simulated test; Xi’an City

数值预报产品在天气预报工作中的应用越来越广泛，但存在一定的误差，因此对数值预报产品进行定性和定量的检验就显得十分必要[1-2]。汪君等[1]对比分析站点资料与WRF预报结果发现，WRF模式对江苏如东地区72 h时效内预报的风速时间序列和观测资料的相关系数随预报时效的增加而减小，但均能通过置信度检验，且冬季风速的预报结果相对于夏季更好。另外，模式的预报性能具有明显的地域差别[2-3]。侯建忠等[2]对WRF模式5 km分辨率的降水预报结果进行检验，发现2005年8月1日～10月7日WRF模式对连续降水、晴转雨、冰雹降水3种类型降水过程的模拟以及对于暴雨落区和强度的模拟效果均较好，利用逐6 h降水产品还可以确定集中降水的主要时段，为预报陕西暴雨和转折性天气提供新的参考依据。西安地区灾害性天气频发，特别是暴雨和短时强降水天气易造成城市内涝等天气，给人民的生活和生产带来很大的影响。但前人有关WRF模式对西安地区降水的数值模拟研究较少，为此，笔者基于西安地区气象观测站的实况数据、Micaps观测资料、WRF实时预报数据，利用新一代中尺度WRF模式对2011年汛期的区域性暴雨和短时强对流天气过程进行模拟分析，了解WRF模式对西安地区夏季不同性质降水的预报能力，为气象服务提供技术支持。

1资料与方法

WRF是新一代的非静力中尺度气象模式，目前被广泛应用于国内科研和气象预报业务中[4-6]。西安市气象台业务化运行的WRFV3.1在水平方向为三层嵌套、垂直方向为σ坐标不等距36层。模式初始场和边界场均利用GFS资料(global forecasting system),资料的水平分辨率为1°×1°,时间间隔为6 h。模拟区域的中心经纬度为108.93°E、34.30°N；三层区域的水平网格点数分别为100×100、112×100和100 ×100，相应的水平网格距分别为45、15、5 km。模式每天运行2次，积分分别由08：00和20:00起至72 h后结束。

基于西安地区气象观测站的实况数据、Micaps观测资料、WRF实时预报数据，采用西安市气象台业务化运行的WRFV3.1对2011年7月21日和8月15日2次强对流天气过程及9月5～6日区域性暴雨过程的降水、风场、物理量场等要素进行模拟分析,检验该模式在西安地区的模拟预报精度及其在气象服务中精细化预报能力。

2结果与分析

2.12011年9月5～6日区域性暴雨过程模拟分析

图1　2011年9月5日降水量实况(a)和WRF模拟(b)Fig. 1　Real-time rainfall (a) and WRF simulation (b) on September 5, 2011

图2　2011年9月5日08：00～6日07:00模拟与实况的逐小时降水量对比Fig. 2　Comparison of hourly rainfall between simulated and real-time rainfalls from 08：00 of September 5 to 07:00 of September 6

2.1.1降水模拟。9月5～6日区域性暴雨落区主要集中在陕西关中地区，暴雨站数33县(市)，最大降水量为宝鸡眉县的101 mm，此次降水是连阴雨过程中的暴雨, 雨强相对较均匀, 主要降水时段在5日15:00～19:00和6日02:00～04:00。以4月20日的GFS数据作为初始场模拟未来12～36 h(5日08:00～6日08:00)的降水量，将其与实况对比。结果显示(图1)，无论是WRF模式所预报的暴雨雨带走向、落区、强度、强降雨中心位置以及强降水出现的时间段均与实况基本吻合；该模式能够很好地模拟强降水发生在关中至陕南北部一带，且在量级上与实况也较为一致，这对实际预报具有非常好的参考意义。类似于世园会的重大活动气象服务对降水的精细化预报提出更高的要求，WRF可以提供逐小时的降水量预报，这为精细化服务提供了技术支持。从图2可以看出，WRF模式很好地模拟了5日15:00～19:00和6日02:00～04:00的2次强降水时段，以及5日夜间降水相对较弱的时段，但模拟的2个强降水时段与实况略有时间差。暴雨中的强降水一般是中尺度对流云团的发展和移动所引起的，模拟与实况的时间偏差与对流参数化方案有关，选择合适的参数化方案和参数化方案本身的精确性对精细化降水预报有重要意义。2.1.2暴雨过程中低层风场演变的模拟。研究发现，出现在陕西地区的大范围的暴雨过程大多数均有低层(700、850 hPa) 偏南急流配合(即中尺度辐合系统存在)和高空(300 hPa)急流存在(即高空辐散和抽吸作用)，其低空急流和高空急流的位置对预报陕西暴雨的落区有较好的指示意义[7-9]。因此在分析WRF对9月5～6日区域性暴雨过程降水模拟的同时，重点模拟分析2次过程的700、850 hPa 系统演变和强弱变化。

9月5日暴雨过程发生的主要影响系统为700 hPa低涡切变线的东移和850 hPa偏东气流的建立维持。5日20:00 700 hPa探空图显示(图3a1)，陕南至关中有一低涡形成，6日20：00风场切变线东移南压至陕南西部(图3a3)，陕西省降水逐渐减弱停止。WRF对于低涡的形成和切变线的移动均有很好的模拟预报(图3a2、a4)，同时由于WRF可以提供逐小时、5 km分辨率的风场演变图，使预报员对于暴雨的产生和维持有更明确的认识。此次暴雨过程中850 hPa偏东气流为暴雨的产生提供了至关重要的水汽条件。5日20：00(图3b1)偏东北气流与偏南气流在陕西境内汇合为一致偏东气流，6日20：00冷空气南下，一致偏东气流被破坏，水汽通道阻断，降水逐渐减弱(图3b3)；WRF对850 hPa偏东气流的建立、维持、加强与破坏的演变过程有较为准确和精细的模拟(图3b2、b4)，特别是对偏东气流被破坏时间的模拟，更有助于降水结束的预报。

2.22011年夏季强对流天气过程的模拟分析夏季对流性降水以其尺度小、时间短、强度大成为预报中的难点，利用常规气象资料来预报很难把握降水时间、强度和落区。高时空分辨率的WRF为短时强天气的预报预警提供了很好的技术支持。在此选取西安地区夏季2011年7月21日和8月15日2个对流性天气过程，分析WRF对于时间短、局地性强的中尺度天气模拟能力。

7月21日04：00～07：00西安地区仅周至、户县、长安出现短时强降水。WRF以7月19日的初始场对此次短时强降水的落区、量值预报做出很好的预报(图4)，表明模式有较长和较准确的预报时效,对实际预报具有很好的参考意义。8月15日21：00左右，西安出现雷暴，并伴有阵雨(21：27和21：46观测到雷暴)。WRF以8月14日的初始场模拟15日21：00K指数、SI指数和垂直速度均表明西安地区发生强对流天气的可能性很大(图5)。K指数在西安存在一个45 ℃的高值中心，SI指数则存在一个-2 ℃的低值中心，2个能量指数均说明模式预报21:00西安地区存在较强的位势不稳定能量。模拟的垂直速度显示(图5c)，西安地区处于速度上升区，具备强天气发生的条件。

注：a1、a2、b1、b2为5日20：00；a3、a4、b3、b4为6日20:00。a1、a3、b1、b3为实况；a2、a4、b2、b4为WRF模拟。Note: a1, a2, b1 and b2 were 20：00 on September 5. a3， a4, b3 and b4 were 20:00 on September 6. a1, a3, b1 and b3 were real time. a2, a4, b2 and b4 were WRF simulation.图3　2011年9月5～6日700 hPa(a)和850 hPa(b)风场的实况及WRF模拟Fig. 3　Real time and WRF simulation of 700 hPa(a)and 850 hPa(b) wind fields from September 5 to September 6, 2011

图4　2011年7月21日04:00～07:00区域站雨量实况(a)和WRF模式模拟(b)Fig. 4　Rainfall real time (a) and WRF simulation (b) in regional station from 04:00 to 07:00 of July 21, 2011

图5　2011年8月14日20：00 WRF预报15日21:00的K指数(a)、SI指数(b)和垂直速度(c)Fig. 5　WRF forecast of K index (a), SI index (b) and vertical speed (c) of 21:00 of August 15 on 20：00 of August 14, 2011

3结论

该研究基于西安地区气象观测站的实况数据、Micaps观测资料、WRF实时预报数据，采用西安市气象台业务化运行的WRFV3.1对2011年7月21日和8月15日2次强对流天气过程及9月5～6日区域性暴雨过程进行模拟分析,了解WRF模式对西安地区夏季不同性质降水的预报能力。结果表明，在暴雨预报中，模式对暴雨雨带走向、落区、强度、强降雨中心位置以及强降水出现的时间段均与实况基本吻合,也可以较为准确地预报暴雨中对流层中低层风场的演变；在短时局地强降水中，模式对于降水的落区、发生时间有较为准确的预报，预报时效较长，可达24～36 h。由此可见，WRF模式能够对西安地区夏季不同类型降水进行预报，对于短时强降水的落区、发生时间有较为准确的模拟，这对实际预报和中尺度天气的机理分析具有一定的参考意义。

参考文献

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中图分类号S 161.6

文献标识码A