基于WRF341中新增参数化方案的降水回报对比试验

基于WRF3.4.1中新增参数化方案的降水回报对比试验杨晓峰王铁耿利宁藏欣(南京中网卫星通信股份有限公司，江苏南京210000)摘要：利用WRF3.4.1模式和GFS资料对江苏地区2013年7月5-8日的降水过程开展了回报试验，对第二层嵌套9km分辨率条件下的积云参数化方案的应用与否对降水预报的影响进行对比分析，同时对WRF3.4.1中新增的微物理过程参数化方案以及积云对流参数化方案进行了试验评估。结果表明，在该次试验地区以及模式设置的条件下，第二层嵌套9km分辨率在使用积云对流参数化方案时的预报结果更能反映该次降水事件；新增的NSSL2-moment微物理过程参数化方案与Lin方案比较，各有优缺点，两者对于降水落区的表现均有略微的偏差，但总体表现均较好，新方案在降水量级上表现出色比Lin方案要好，但在降水中心的表现上没有Lin方案好，其预报的降水中心较为分散，与实况相比没有很明显的降水中心落区；新增的NewSimplifiedArakawa-Schubert积云对流参数化方案，不管与Lin方案还是NSSL2-moment方案搭配预报，均没有较好的表现，降水落区能较好的表现出来，但没有明显的降水中心，同时降水量级与实况有较大的出入；最后对NSSL2-moment方案四天的预报结果进行分析表明，四天降水的TS评分分别为0.72、0.70、0.65和0.51，可见该方案对于降水的预报表现具有较好的稳定性。关键词：WRF3.4.1回报参数化方案对比分析1.引言WRF模式是由美国国家大气研究中心、国家大气海洋局预报系统实验室、国家大气环境研究中心和俄克拉荷马大学暴雨分析预报中心等多单位联合发展起来的新一代肥静力平衡、高分辨率、科研和业务预报统一的中尺度预报和资料同化模式[1-2]。WRF模式对中尺度系统模拟效果较好，但是模式中提供的物理参数化方案众多，针对特定研究目的如何选择较为合适的物理过程参数化方案是WRF应用的难点，另外物理过程参数化的选择与模式模拟空间分辨率有着紧密的联系，特定的参数化方案有其特定适合的空间分辨率，因此模式的模拟的空间分辨率选择也是WRF模式应用的重点。很多学者和科研人员针对WRF模式模拟的空间分辨率选择和物理参数化的选择进行了研究。史金丽[3]等对WRF的不同分辨率对温度和降水的影响进行了研究，结果显示27km的空间分辨率比9km更能准确的模拟内蒙古地区降水的落区和强度。黄海波[4]等对WRF水平分辨率对降水预报效果的影响进行了研究，结果表明WRF模式的降水预报效果并不总是随水平分辨率的提高而提高，模式水平分辨率的提高存在明显的阈值(15km左右)，当模式的水平分辨率提高到超过这一阈值以后，预报效果开始转差。廖镜彪[5]等认为目前对降雨模拟影响较大的物理过程参数化方案主要有微物理过程、积云对流过程以及边界层参数化方案。但相对来说，对于降水的模拟，微物理过程起着主要作用，其次是积云对流过程，边界层参数化方案影响相对较小[6]。Jankov等[7]对不同物理过程的参数化进行了方案比较，认为最敏感的是对流方案，对于弱降水过程，边界层和微物理方案的敏感性是相当的，而对于强降水，微物理方案比较敏感。黄海波等认为中尺度数值模式中不同降水方案的选择对降水的模拟和预报结果，有很大的影响[8-11]，积云对流参数化方案对不同类型天气系统内发展的对流将有不同的效果，可是在某些降水过程中，积云对流参数化方案又几乎完全不起作用[12]。陈炯等[13-15]对WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验，发现分辨率为20km时，WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度，采用边界层参数化方案显然比不采用边界层参数化方案的模拟效果好，但是MYJ方案和MRF方案相比并没有明显的优越性。针对积云对流参数化方案的研究中，在多层嵌套的最里层即水平分辨率最高的嵌套层，学者们都考虑不使用积云参数化方案，张小培[16]等在复杂地形地区WRF模式四种边界层参数化方案的评估的研究中，第三层嵌套空间分辨率为1km时未使用积云参数化方案，王舒畅[17]等认为WRF模式的目标是1～10km的水平分辨率，因此一些物理方案在这样高的分辨率下可能不能起到很好的效果（例如：积云参数化方案）。周天军[18]等开展了模式水平分辨率影响积云对流参数化效果的数值试验，结果表明模式水平分辨率的变化直接影响积云对流参数化的效果。WRF模式开发团队一直在对WRF模式进行开发更新，其中最主要的一项工作就是添加新的物理过程参数化方案，目前WRF模式已经开发至3.5版本，本文使用2012年8月份发布的WRF3.4.1版本，由前文调研可知，对于降水预报最为敏感的参数化方案包括微物理参数化和积云参数化方案，与这两者相比，边界层参数化方案的影响要小得多。因此本文主要针对WRF3.4.1中新增的微物理参数化方案和积云参数化开展天气回报试验。水平空间分辨率的选择对预报精度有着较为明显的影响，研究者们认为一味的提高水平空间分辨率并不能有效地提高预报精度，因此本文选择双层嵌套预报方式，第一层水平空间分辨率设置为27km；第二层水平空间分辨率设置为9km。研究者们认为，当水平空间分辨率在1-10km时，不使用积云参数化方案的预报精度会更好一些，本文第二层嵌套的水平空间分辨率设置为了9km，因此在如此水平空间分辨率的条件下分别进行第二层嵌套使用积云参数化方案和不使用积云参数化方案两次回报试验，以验证积云参数化方案对降水预报精度的影响。2微物理和积云参数化方案介绍2.1微物理参数化方案介绍Lin方案是物理过程描述较为复杂的方案，方案中与水相物质有关的预报量有：云水、雨水、冰、雪、霰和水汽。当温度小于一40℃时，云水全部冻结成冰，当温度大于0℃时，云冰全部融化成云水，当温度介于两者之间时，云水、云冰、雨水、雪、霰可以共存。NSSL2-moment方案：该方案是在国家强风暴实验室开发的，它可预测的参数有混合比和粒子数浓度，具体包括六种云的水滴，滴雨，雪，冰晶体，霰，冰雹。它的独特的特点是对于平均霰粒子密度增加的预测，这使得霰的跨度范围从冷冻状态下降到低密度霰。该方案还具有允许一些大小排序，防止虚假的大颗粒沉淀（和自适应雷达反射率值），可能会出现两个时刻的微物理过程，特别是对于较大的降水类型（霰，冰雹，雨）。2.2积云参数化方案介绍Kain-Fritsch(eta)(KF)方案是在原Kain-Fritsch方案的基础上改进而成,该方案利用一个伴有水汽上升下沉的简单云模式,考虑了云中上升气流卷入和下曳气流卷出及相对粗糙的微物理过程的影响.新方案在边缘不稳定、干燥的环境场中考虑了最小卷入率以抑制大范围的对流,最小降水云厚度随云底温度变化,对于不能达到最小降水云厚度的上升气流,考虑浅对流。NewSimplifiedArakawa-Schubert方案是在WRF3.4.1中新增的积云参数化方案，新的质量通量方案添加了更为复杂的组件成分和动量运输。3模式设置和数据来源介绍及试验设计3.1模式设置WRF模式由空间分辨率1度的NCEP/GFS分析场和预报场资料提供初始场和边界场条件，使用每天世界时00时的分析场数据为模式提供初始条件，使用世界时00时刻的每隔12小时的预报场数据作为模式的边界条件，连续预报48小时。设置两重双向嵌套的模拟区域，水平分辨率分别为27km和9km，如图1所示，外层嵌套为我国东部地区，模拟的格点数为109*92，内层主要包括江苏地区以及周边省份85*67，垂直方向分35层，模式顶气压为50hpa。图1WRF模式预报区域在参考前人研究成果的基础上，除了微物理参数化方案和积云参数化方案外，总结发现WRF模式模拟降水过程其他的物理方案主要包括：长波和短波辐射过程参数化方案分别选择RRTM和Dudhia方案；陆面过程参数化方案有Noah、RUC、5-layers等，本文选择RUC方案；边界层和表层参数化方案分别选用MYJ/Eta、YSU/MM5。微物理参数化方案选择较为复杂的Lin方案以及在WRF3.4中新增加的NSSL2-moment方案，积云参数化方案选择Kain-Fritsch和WRF3.4中新增的NewSimplifiedArakawa-Schubert方案。3.2数据来源及介绍NCEP/GFS（全球预报系统）资料：来源于美国国家环境预报中心，该数据可提供未来192个小时的预报数据，预报数据时间间隔为3小时，空间分辨率为1°*1°的，数据每6小时更新一次，分别为每天06时，12时，18时，00时共四次实况和预报场数据，大约分别于03:30,09:30,15:30,21:30UTC更新。融合日降水产品：来源于中国气象局国家气象信息中心数据服务网，该数据集通过实时从综合库提取全国2419个站（包括国家气候观象台，国家气象观测一级站、二级站）逐日降水量（08:00-08:00），采用基于“气候背景场”的最优插值方法，实时生成中国区域逐日降水量的网格产品，共包括3种格式：GrADS标准格式、arcGIS格式和gif图形格式，产品空间分辨率为0.25°×0.25°。3.3试验设计及其分析方法3.3.1试验设计开展预报试验，使用GFS的00时刻的数据作为初始场，使用12时、24时、36时及48时的预报场作为边界条件进行48小时的预报试验。针对微物理参数化方案和积云参数化方案开展预报试验，主要开展的预报试验列表如表1所示。首先开展试验Test001和Test_003以及Test002和Test_004，在分别使用Lin方案和WRF3.4.1中新增的NSSL2-moment方案的前提下，检验第二层嵌套区域在分别未使用和使用Kain-Fritsch积云参数化方案时，对降水强度和落区预报精度的影响。其次，对比试验Test001和Test002、对比试验Test003和Test004，在分别不使用积云参数化方案和使用积云参数化方案的前提下，对NSSL2-moment微物理方案与Lin方案进行比较，来检验NSSL2-moment微物理方案的降水预报能力。第三，使用WRF3.4中新增的NewSimplifiedArakawa-Schubert积云参数化方案分别与Lin方案和NSSL2-moment方案搭配开展试验Test_005和Test_006，对NewSimplifiedArakawa-Schubert方案进行简单评价。表1预报试验列表（2：Lin方案；17：NSSL2-moment；1：Kain-Fritsch方案；84：NewSimplifiedArakawa-Schubert方案）方案试验Test_001Test_002Test_003Test_004Test_005Test_006微物理参数化217217172积云参数化001184843.3.2分析方法-TS评分为了对预报试验结果进行有效的评估，本文使用中国气象局国家气象信息中心数据网上的降水数据产品，采用TS评分方法对降水回报试验结果进行检验，具体降水检验分类如表2所示，同时对不同等级的降水进行分类评分，按照小雨(0-10mm)、中雨（10-25mm）、大雨（25-50mm）、暴雨（50-100mm）、大暴雨（100-200mm）、特大暴雨（大于200mm）的方式对降水进行分级。表2降水检验分类表实况/预报有降水无降水有降水NANC无降水NBNDTS评分及其预报偏差的计算公式如下：TS=NA/(NA+NB+NC)B=(NA+NB)/(NA+NC)4结果分析4.1降水过程实况2013年7月5日-8日，受高空槽和中低层切变的影响，江苏省经历了一次系统性连续降水过程，如图2所示，其中图2（a）表示7月4日08时至5日08时共24小时的累计降水量分布示意图。此次降水过程分布江苏省全省，5日降水量分布在江苏省中北部地区，降水中心分布在连云港和淮安境内，最大雨量大于了100mm，出现了大暴雨，6日降水量分布在江苏省南部地区，降水中心未在江苏省境内，7日降水量主要分布在江苏省中部地区，降水中心位于我省中东部和中西部地区，最大雨量大于50mm，出现了暴雨。本文针对江苏省地区进行数值模拟，模式所设置的中心区域位于江苏省境内，因此，在进行WRF模拟试验对微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行试验比较时，选择此次降水过程中的7月8日的降水过程。图22013年7月5日（a）、6日（b）、7日（c）、8日（d）降水实况4.2参数化方案对比试验4.2.1积云参数化方案对降水的影响使用Lin微物理方案对7月8日的降水过程进行预报得到Test_001的预报结果，为了检验水平分辨率为9km的第二层嵌套区域降水模拟是否需要积云对流参数化方案，因此使用Lin微物理方案和Kain-Fritsch积云参数化搭配开展预报试验得到Test_003的预报结果，两次预报试验的前24小时的降水预报结果及其差别如图3所示。由图3(c)可见，不管是使用和未使用积云参数方案，两者均预报出了相似的降水中心，但在降水量的体现上，两者降水预报差异较大，降水量的大值区(35-45mm以上)，使用积云参数化方案后，降水量整体上下降，而在降水相对较小的区域(35mm左右以下)，使用积云参数化方案后，降水量整体上被抬升了。两次预报试验的大降水落区分布较为相似，只是使用积云参数化方案的落区更为大一些，与图2(d)中大降水的落区更为相近，但两者的大降水落区均比实况要偏北一些。未使用积云参数化方案时，降水中心区域的降水量普遍在85mm以上，两次试验分别与图2(d)相比，使用积云参数化方案的降水量虽然降水量也有所偏大，但与未使用积云参数化方案相比与实况相比更为接近一些。另外在使用积云参数化方案时，江苏南部地区的0-5mm的降水与实况相符，而未使用积云参数化方案时未给出该降水。表3Test001和Test_003降水预报分级TS评分结果量级试验NANBNCTSB小雨Test00166120280.311.98Test00342187170.173.88中雨Test0012917380.350.69Test003386870.342.36大雨Test0012219290.310.8Test0034216150.581.02暴雨Test00111660.481.0Test003100130.430.43为了进一步探讨两次试验对于降水的预报精度，表三给出了两次试验各降水量级的TS评分，由表可见，使用和未使用参数化方案的区别主要在对于小雨和大雨的表现上，使用积云参数化方案后，对于小雨的预报效果较差，但是对于大雨的预报效果要好，这也与上文的分析一致。由此可见，在是否使用积云参数化方案的问题上，需要作出取舍，本文观点是本次降水量主要应关注大降水分布和预报，因此认为该次试验中第二层嵌套中应使用积云参数化方案。图3Test001(a)(未使用积云对流参数化方案)和Test_003(b)(使用积云对流参数化方案)试验结果及其差异(Test001-Test_003)(c)4.2.2WRF3.4.1中新增NSSL2-moment微物理方案的评价WRF3.4.1于2012年8月左右发布，NSSL2-moment微物理方案是在WRF模式中新增的微物理方案，其简要介绍如上文所述。本文使用该微物理方案开展降水预报试验，将其结果与Lin微物理方案进行比较，来检验其降水预报的能力。使用该微物理方案开展预报试验得到Test_002和Test_004的结果，如图4所示，Test_002和Test_004分别为未使用和使用积云参数化方案的预报结果。由图可见，NSSL2-moment微物理方案未使用积云参数化方案的结果与Lin结果比较，空间分布上大致相似，在江苏省东部地区的降水量级上，NSSL2-moment微物理方案与实况更为接近。NSSL2-moment微物理方案使用积云参数化方案的结果上看，与上文结论一致，较未使用积云参数化方案要好一些，与Lin方案结果比较，降水量级与实况也较为接近在55-65mm之间，但是其降水中心比较分散，在江苏区域内没有明显的大降水中心。另外，在小量级降水的表现上，不管是未使用还是使用积云参数化方案，NSSL2-moment微物理方案对于0-5mm的降水预报空间分布偏大，在整个预报区域内都预报了降水，这方面表现没有Lin方案好，与实况比较也较为不符。表4为新方案降水预报的TS评分，由表4与表3中的Test003进行比较发现，新方案除了在暴雨上的表现不如Lin方案外，其他降水量级条件下的TS评分均比Lin方案要略好，可见新方案对于此次降水的把握是较好的。图4Test002(a)（未使用积云对流参数化方案）和Test_004(b)（使用积云对流参数化方案）试验结果及其差异(c)表4Test_004降水预报分级TS评分结果量级NANBNCTSB小雨5925280.184.64中雨485080.451.75大雨507190.660.83暴雨10220.040.044.2.3WRF3.4.1中新增积云对流方案的评价由上文分析可见，不管是使用传统Lin方案还是WRF3.4.1新增的NSSL2-moment方案，在本文两层嵌套第二层嵌套区域分辨率9km针对江苏省地区的预报试验的条件下，使用积云参数化方案的预报结果要比不使用积云参数化方案要好，因此在这样的前提下，分别将Lin方案和NSSL2-moment方案与WRF3.4.1中新增的NewSimplifiedArakawa-Schubert积云参数化方案搭配开展Test005和Test_006预报试验，如图5所示，来对新增的积云参数化方案进行简单评价。由图5可见，两种方案下的降水预报，不管是落区还是降水量级上，均与实况有较大的差别，预报结果均不如前四次试验。图5Test005(a)(新对流方案和NSSL2-moment方案)和Test_006(b)(新对流方案和Lin方案)试验结果4.3整个降水过程回报试验根据以上分析可知，WRF3.4.1中新增的NSSL2-moment微物理方案在其对降水量量级表现上有其优点，而WRF3.4.1中新增的NewSimplifiedArakawa-Schubert积云参数化方案不管和Lin方案还是和NSSL2-moment方案搭配使用均不能较好的对此次降水过程进行有效的预报，因此本文选择NSSL2-moment微物理方案和Kain-Fritsch积云参数化搭配开展整个降水过程(2013年7月5日-7月8日)的天气回报试验，以进一步对NSSL2-moment微物理方案进行评价。天气回报结果如图5所示，由图可见，5-8日四天的预报结果均较好的反应了降水落区的变化过程。5日降水预报主要分布在江苏省北部地区，与图2的实况相比，大降水落区略微偏北，同时只表现了一个降水中心。6日降水预报表现为东西向狭长的降水区域，西部安徽境内的降水预报不管是降水落区还是降水量级均与实况有较好的一致性，江苏省内南部地区的降水预报较实况有明显的偏大。7日，降水预报主要分布在江苏省中西部地区以及安徽省境内，与实况有较好的一致性，同时降水量级也把握的较好。8日降水预报结果分析如上文所述。表5为新方案降水预报5日-8日分级TS评分，由于表可见，不管是那个量级降水的降水预报TS评分，均有较好的稳定性，同时四天不分级降水的TS评分分别为0.72、0.70、0.65和0.51，可见该方案对于此次降水的预报表现具有较好的稳定性。表5新方案降水预报5日-8日分级TS评分量级7月5日7月6日7月7日7月8日小雨0.250.300.270.18中雨0.480.680.550.45大雨0.420.340.450.66暴雨0.220.250.270.04大暴雨00.260.00-图5NSSL2-moment微物理方案模拟的5日(a)、6日(b)、7日(c)、8日(d)降水过程5总结和讨论首先开展积云参数化方案使用与否对降水预报影响试验，结果表明，在该次试验地区以及模式设置的条件下，第二层嵌套9km分辨率在使用积云对流参数化方案时的预报结果更能反映该次降水事件。然后使用WRF3.4.1中新增的NSSL2-moment微物理过程参数化方案开展降水回报试验，预报结果与Lin方案的结果作对比，结果显示两者各有优缺点，两者总体上均能较好的反应该次降水事件，但两者对于降水落区的表现均有偏差，新方案在降水量级上的表现较好，但在降水中心的表现上没有Lin方案好，其预报的降水中心也较为分散，与实况相比没有很明显的降水中心。第三将NewSimplifiedArakawa-Schubert积云对流参数化方案分别与Lin方案和NSSL2-moment方案搭配使用进行降水回报，结果显示两次回报试验均没有好的表现。最后使用新增的NSSL2-moment方案开展连续的预报，得到5-8日的预报结果，与实况比较，预报结果能较好稳定的预报处降水落区和降水量级，四天的降水不分级TS评分结果为0.72、0.70、0.65和0.51，具有较好的预报稳定性。由于天气系统的复杂性以及WRF3.4.1中物理参数化方案的多样性，因此本文所得出的结论只是针对于该次降水过程，为了进一步对WRF中的参数化方案进行研究，后期将进一步对物理方案进行研究，同时针对更多次的降水事件进行预报试验，以期得出普遍适用性的结论。参考文献[1]EmanuelKerryA,MarinaZivkovic-Rothman.Developmentandevaluationofaconvectionschemeforuseinclimatemodels[J].JournaloftheAtmosphericSciences,1999,56:1766-1782.[2]SkamarockW,KlempJ,DudhiaJ,etal.AdescriptionoftheadvancedresearchWRFversion2[J].NCARTechnicalNote,NCAR/TN-47.5+STR,2005.[3]史金丽，苏立娟等.WRF模式不同分辨率模拟分析.内蒙古气象，2012,05:19-26.[4]黄海波,陈春艳等.WRF模式不同云微物理参数化方案及水平分辨率对降水预报效果的影响.气象科技,2011,Vo1.3