Nudging方法对宁蒙河段气温的模拟试验研究

张利娜，刘 珂，刘 静

(黄河水利委员会水文局， 河南 郑州 450004)

目前，国内外日常天气预报业务中，中尺度数值天气预报模式中发挥着日趋重要的作用，在人工智能快速发展的时代，天气预报及其相关业务的准确率很大程度取决于模式预报的精度。在数值预报模式的数学物理基础已经发展非常完善的基础上，模式精度的提高主要受制于初始条件的误差[1-3]，因此对资料同化方法的研究工作是气象领域比较前沿的一个发展方向，我国中尺度数值预报模式中早期多采用三维变分法，近几年开始利用四维变分法[4-10]进行同化，但很少通过Nudging方法进行。

四维变分同化是目前比较先进的一种同化方法，但其发展还不够十分成熟，并且有极高的运算需求。与四维变分同化相比，Nudging相对较为成熟，且易于实现，可操作性强。WRF模式自2.2版开始引入Nudging技术，主要包含Grid Nudging和Spectral Nudging两种同化方案。国内外很多学者开展了关于Nudging方面的同化研究工作，如王淑莉等[11]、董美莹等[12]、王东海等[13]、Ma等[14]和苗文辉等[15]分别利用Nudging方法对模式模拟的风场、降水等进行对比分析；郭兴亮等[16]、范喜庆[17]和渠鸿宇等[18]分别利用Nudging方法模拟了台风的风场、路径等，发现其对WRF模式模拟效果均有不同程度的改进，但利用此方法对气温进行同化的工作相对开展的较少。

本文通过在WRF模式中运行不进行同化、添加Grid Nudging和Spectral Nudging三个数值试验，对2018年12月凌汛期黄河宁蒙河段的气温变化进行数值模式，对比分析不同试验对温度场模拟的差异，比较不同试验模拟气温与实况气温之间的平均误差、均方根误差和相关系数，评估不同方案对宁蒙河段气温变化的模拟性能，为提高凌汛期气温预报的准确率提供技术支撑。

1 模式与数据

本文采用的观测资料为中国气象局的气象台站气温数据；WRF模式的初始场和边界条件采用NCEP/NCAR一日四时次的1°×1°FNL全球分析资料。

同化试验模拟采用WRFV4.1.2版本，并采用双重双向嵌套方案(见图1)，区域中心为(100°E，42°N)，粗细网格的水平分辨率分别为27 km和9 km，对应网格格点数分别为D1(301×205)和D2(277×169)。模式垂直方向分为33层，模式顶层气压为50 hPa，地形数据采用MODIS全球30＇高分辨率地形资料，20类地表土地使用类型数据，时间积分方案采用三阶精度Runge-Kutta积分方案(时间分裂方案)。WRF模式在黄河流域气温预报日常化运行之前，对其主要物理参数化方案进行了多次敏感性试验，最终确定了适合宁蒙河段的最优参数化组合方案，即本文采取的物理参数化方案，具体见表1。

模拟试验时段为2018年11月30日08时至2019年1月1日08时，以下分析中均利用模式模拟内层(Domain2)模拟结果，对比不同试验方案的模拟效果。同时为了对比不同Nudging方案的同化模拟效果，在基本设置及物理参数方案保持不变的情况下，分别设计了3个试验进行验证，一个控制试验和两个同化试验(见表2)。

图1 WRF模式模拟区域

表1 WRF模式物理参数化方案设置

表2 WRF模式试验设计

控制试验是只利用初始资料NCEP再分析数据，不进行数据同化，直接运行WRF模式。两个同化试验则是在原有初始场的基础上加入观测资料，分别使用Grid Nudging、Spectral Nudging两种方法对初始场进行同化，最后运行WRF模式。Spectral Nudging通过设置波数进行滤波，只对模式中的特定波长进行松弛逼近，小于特定波长的部分在区域模式更完备的物理过程下自由发展，因此可以将模拟状态不断靠近大尺度驱动状态，减小大尺度误差。Grid Nudging是使用格点对格点的松弛强迫项逐步逼近分析场，通过同化一些天气尺度的观测信息，为所嵌套的细网格区域提供更高质量的侧边界条件，从而实现对模式场的调整[19]。

2 气温实况

2018年—2019年度黄河凌汛期间，2018年12月影响黄河宁蒙河段的冷空气活动最为频繁，势力较强，月内有五次明显降温过程，宁蒙河段重点关注的四站(惠农、磴口、包头和托克托)气温较常年同期偏低2℃～4℃。四站的气温变化趋势也基本一致，惠农站气温通常为最高，磴口次之，包头和托克托两站的气温比较接近，但有冷空气影响时，托克托站的降温幅度较为明显，气温最低。四站日均气温最低点均出现在12月28日，分别为-15.8℃、-17.5℃、-19.8℃和-24.5℃(见图2)。

图2 2018年12月黄河流域宁蒙河段四站逐日气温变化图(单位：℃)

12月上旬受连续强冷空气影响，四站气温较常年同期偏低4℃左右，7日托克托站日最低气温-20℃；中旬强冷空气影响过程较少，四站气温与常年基本持平或略偏低；下旬受两次强冷空气影响，四站气温较常年同期偏低3℃～6℃ ，包头和托克托站日均气温一直在-7℃以下。受连续强冷空气影响，12月4日内蒙古三湖河口至头道拐河段出现首凌，12月7日三湖河口水文断面上游1 km处和下游1 km处出现首封，首凌到首封历时仅4 d。12月7日首封至12月12日15时，内蒙古河段累计封冻长度约571 km，平均每日封河100多千米。此后受气温起伏波动影响，封河发展速度放缓。12月23日起受连续强冷空气影响，封河速度加快，2019年1月1日内蒙古720 km河段全线封冻，历时仅25 d。宁夏河段于2018年12月7日在石嘴山河段首次出现流凌，受气温起伏变化影响，宁夏河段出现两次流凌过程。12月18日石嘴山河段流凌消失，12月23日再次出现流凌。12月28日宁蒙交叉河段下界麻黄沟封河，12月31日石嘴山水文断面封河。

3 不同试验对气温的模拟能力检验

由2018年12月黄河流域气温实况分布图(见图3)，可以看到黄河流域气温呈现自西北向东南逐渐递增的趋势，黄河上游内蒙古河段的气温最低，内蒙古河段气温总体处于-10℃线附近，宁夏河段惠农站气温处于-8℃线附近，潼关以下地区气温在1℃附近。由3个试验模拟的12月气温分布图上可以看到(见图4)，3个试验基本上模拟出了黄河流域气温分布的基本态势，但未同化时模拟的内蒙古河段气温总体处于-12℃线附近，惠农站气温处于-10℃线附近，Grid Nudging和Spectral Nudging两种同化方案模拟的气温场分布基本一致，内蒙古河段气温处于-10℃线附近，惠农站气温处于-8℃线附近，更为接近实况分布。

图3 2018年12月黄河流域气温场空间分布图(单位：℃)

在定性比较Nudging方法对温度场模拟效果的基础上，为了定量分析3个不同试验对2018年12月黄河流域宁蒙河段逐日平均气温的模拟能力，我们选取了黄河流域凌汛期间重点关注和预报的四个气象站点(惠农、磴口、包头和托克托)，使用平均误差、均方根误差和相关系数作为指标来定量评估3个试验的模拟效果。

图5是3个试验模拟的日均气温与实况气温的平均误差和均方根误差图，明显可以看到，每个站点的平均误差和均方根误差，在未同化时均为最大，Grid Nudging和Spectral Nudging两种方案的差异非常小，接近一致，并且每种试验的平均误差均为负值，说明模式对宁蒙河段气温的预报整体偏低。惠农站的平均误差最大，包头和托克托站的平均误差比较接近，同化后的误差则更为接近，磴口站的平均误差最小，同化后误差减小最为显著，减小到0.6℃以下。惠农、包头和托克托三站未同化时的均方根误差比较接近，但同化后包头和托克托两站的均方根误差明显减小，并且基本一致，惠农站的均方根误差减小相对较小，磴口站的均方根误差在同化前和同化后均为最小，并且与平均误差的结论一样，同化对其的影响最为明显。

图6是3个试验模拟的日均气温与实况气温之间的相关系数图，明显可以看到，未同化前模拟气温与实况的相关系数均在0.85以上，同化后则提高到0.90以上，并且四个站点的相关系数差异非常小，说明同化地面观测资料之后，模拟效果得到了一定程度的提升。

图4 三个试验模拟的2018年12月黄河流域月均气温分布图(单位：℃)

同时，通过对比分析12月五次明显降温过程前后WRF模拟的500 hPa高空形势场、地面气压场与实况环流形势场的差异可见，模式对大尺度环流背景场模拟的效果整体较好，尤其是各方案对500 hPa上中高纬度西风带槽、脊的位置与实况基本一致，但对高空冷涡中心和地面冷高压的强度、位置均有所差异，尤其是未同化时模拟的高空冷涡中心位置整体略偏南、地面冷高压强度偏强，而两个同化方案模拟的位置和强度与实况比较接近，并且两者之间差异较小。

图5 三个试验模拟的宁蒙河段四站气温与实况的比较

图6 三个试验模拟的宁蒙河段四站逐日气温与实况之间的相关系数

4 结 论

本文通过在 WRF模式中运用松弛逼近方法，进行了黄河宁蒙河段9 km分辨率气温场建立的试验，同时对比分析未同化、Grid Nudging和Spectral Nudging方案对气温变化模拟的差异，结果表明：

(1) 由于WRF模式能很好地再现2018年12月宁蒙河段气温变化过程中的大尺度环流背景场，尤其对中高纬度环流形势的模拟与实况接近，使得各试验方案基本上都能模拟出黄河流域气温场的空间分布，但未同化时模拟的高空冷涡中心和地面冷高压位置和强度与实况有所差异。

(2) 对初始场进行同化后，Grid Nudging和Spectral Nudging试验模拟的高空冷涡中心和地面冷高压位置和强度与实况基本吻合，宁蒙河段三站气温变化与实况观测基本一致，并且平均误差和均方根误差均有所减小，相关系数也有所提高，说明初始场数据的改进是WRF模式预报质量提高的关键因素，且两种Nudging试验的结果基本一致，没有孰优孰劣的差异。

本文对2018年12月宁蒙河段的气温进行了分析研究，表明两种同化试验的模拟效果基本一致，并且较未同化前有明显的优越性，但研究个例相对较少，结论可能存在一定的不确定性，需要后期进行大量的模拟试验作为验证。