WRF模式同化系统在_碧利斯_台风暴雨数值模拟中的应用
基于WRF与MIKE-SW模式的连云港海域台风浪数值模拟
基于WRF与MIKE-SW模式的连云港海域台风浪数值模拟齐庆辉;刘丽丽;朱志夏;张海文;陈允才;庞亮【摘要】为准确模拟台风过境期间连云港海域波浪场分布,将大气模式WRF模拟的海面10 m风速作为波浪模式MIKE-SW的驱动风场,再现0713号台风过境期间波浪变化过程.数模与实测资料验证结果表明WRF模式成功复演了韦帕台风移动、风速变化过程,考虑风暴潮增水效应的MIKE-SW台风浪模型能够较好地反映台风过境期间海浪成长过程.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2015(000)007【总页数】6页(P36-40,55)【关键词】WRF大气模型;MIKE-SW波浪模型;韦帕台风;波浪场【作者】齐庆辉;刘丽丽;朱志夏;张海文;陈允才;庞亮【作者单位】江苏省交通规划设计院股份有限公司江苏省水运工程技术研究中心,江苏南京210014;天津市气象科学研究所,天津300074;江苏省交通规划设计院股份有限公司江苏省水运工程技术研究中心,江苏南京210014;连云港港30万吨级航道建设指挥部,江苏连云港222042;连云港港30万吨级航道建设指挥部,江苏连云港222042;连云港港30万吨级航道建设指挥部,江苏连云港222042【正文语种】中文【中图分类】U617.6连云港海域海岸类型属于淤泥质海岸，泥沙颗粒较细，一旦遭遇风暴潮、台风浪袭击，河床底部泥沙起动可能较大，风暴潮台风浪天气下泥沙骤淤量可能达到正常天气下的几倍甚至几十倍，成为连云港港30万吨级航道工程建设需要重点考虑的技术难题。
防波堤、导堤、码头等港工建筑物在风暴潮、台风浪作用下容易遭到巨大破坏，同时台风天带来的风暴增水是近海工程安全的一大隐患。
因此，本文建立考虑风暴潮增水效应的台风浪数学模型，深化研究台风天气作用下该海域的波浪特征。
该研究具有重要的意义。
国内外学者对风暴潮台风浪进行了系列的研究，美国University of Hawaii[1]建立了台风极端天气下海水入侵预报系统，采用第3代深海波浪数学模型(WAVEWATCH III)进行深海海域台风极端天气下波浪的后报与预报。
惠民一次大暴雨过程的数值模拟研究
惠民一次大暴雨过程的数值模拟研究作者：***来源：《农业灾害研究》2024年第04期收稿日期：2024-01-09作者简介：李雪（1998—），女，山东滨州人，助理工程师，主要从事大气科学。
摘要：利用WRF（Weather Research Forecasting）模式和FNL（Final Operational Global Analysis）资料，对2022年8月8日惠民县一次大暴雨过程针对积云对流参数化方案进行了敏感性试验，以考察不同积云对流参数化方案KF（new ETA）、Betts-Miller-Janjic（BMJ）和Simplified Arakawa-Schubert（SAS）对此次降水过程的模拟影响。
结果显示：3种积云对流参数化方案均能预报出整体降水过程，整体而言，KF方案模拟对此次强降水预报效果最佳。
但在对降水范围与强度、各物理量的模拟中，3种积云对流参数化方案各有优劣。
关键词：暴雨；WRF模式；敏感性试验；积云对流参数化方案中图分类号：P458 文献标志码：B 文章编号：2095–3305（2024）04–0-03暴雨是滨州市夏半年最重要的气象灾害之一，易造成道路房屋积水、农田水灾等内涝灾害。
因此，提高对暴雨的监测和预报能力是国家防灾减灾的重大需求，对保护人民生命财产和促进社会经济发展具有重要意义。
暴雨是我国中尺度灾害性天气之一，但暴雨是由中小尺度系统引起的，在不同尺度天气与环流系统相互作用下的结果[1]。
中小尺度天气系统及其引发的暴雨预报一直是气象界的一大难题，数值天气预报技术的发展为解决中尺度天气系统面临的难题提供了解决的可能[2]。
作为数值模拟中重要的非绝热加热物理过程，积云对流和大尺度環流可以通过动力作用直接影响大气质量、能量输送分布和降水过程，从而进一步影响气候变化与大气环流，因此，积云对流参数化方案对降水预报也有重要作用[3-5]。
针对2022年8月8日滨州市惠民县发生的大暴雨过程，使用WRF模式进行数值模拟，并且针对不同的积云对流参数化方案进行敏感性试验，通过对降水模拟结果进行对比分析，得出针对此次暴雨过程模拟更适合的积云对流参数化方案，以供参考。
WRF数值预报模式气象资料的同化处理与对比分析
WRF数值预报模式气象资料的同化处理与对比分析潘江勇;李发明;荆大为【期刊名称】《安徽农业科学》【年(卷),期】2010(038)017【摘要】应用WRF中尺度数值预报模式及其同化模块(WRFDA)对常规观测资料和青岛市气象台多普勒气象雷达资料进行同化试验.以山东半岛2009年7月8日夜间一次暴雨天气过程为例.首先,以7月8日00:00(文中所有时间均为国际时间)NCEP再分析资料为初始场,对00:00的常规观测资料进行同化,积分36 h;其次,将上述试验积分12 h后对7月8日12:00的常规观测资料和多普勒雷达资料进行循环同化试验,并积分24 h.将以上同化后得到的初始场结果和数值预报场结果分别进行对比分析,结果表明:常规观测数据的同化对初始场各层的风、温度、水汽等要素均有影响,但对雨水混合比影响较小;多普勒雷达资料的同化,使初始场的对流层中低层水汽增加,高层水汽减少,并且使中低层雨水混合比增大;多普勒雷达资料对初始场各层的风均有明显影响.多普勒雷达资料对初始场的调整比常规观测资料大一个量级以上,同时同化上述2种数据后显示,风、水汽、雨水混合比结果明显趋近于单独同化雷达数据的结果.以00:00为初始场同时同化常规观测资料并积分36 h的结果,对较大范围的强降水落区的修正效果最好:同化前降水中心位置和降水量与实际观测结果比较相差较大;同化后降水中心和降水量都与实况比较接近,但模式没有模拟出青岛地区小范围的暴雨天气.同化12:00雷达资料后,模式模拟的青岛地区的降水落区与降水量均与实况接近.试验结果说明,同化常规观测资料对中尺度环流形势有较好的改善,能较好地模拟出大范围的降水落区,但对小尺度的系统模拟效果较差;同化多普勒雷达资料对中小尺度强对流天气的模拟效果较好,但仅适用于短时临近预报;而循环同化可以将两者的优点相结合,综合利用2种资料能改善模拟效果,增加预报结论的可靠性.【总页数】5页(P9098-9102)【作者】潘江勇;李发明;荆大为【作者单位】北京大学物理学院大气科学系,北京,100871;民航青岛空中交通管理站气象台,山东青岛,266108;民航青岛空中交通管理站气象台,山东青岛,266108;民航青岛空中交通管理站气象台,山东青岛,266108【正文语种】中文【中图分类】P468【相关文献】1.气象数值预报模式WRF自动化业务构建系统的搭建试验 [J], 单乃超2.气象资料三维变分同化阶段区域分解并行实现 [J], 张卫民;朱小谦;赵军3.GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展 [J], 马旭林;庄照荣;薛纪善;陆维松4."00.7"北京特大暴雨模拟中气象资料同化作用的评估 [J],5.气象资料同化对PM2.5预报影响的模拟分析 [J], 胡译文;臧增亮;马晓燕;梁延飞;赵定池;尤伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
多普勒天气雷达资料在暴雨数值模拟中的同化应用
多普勒天气雷达资料在暴雨数值模拟中的同化应用赵文斌;齐琳琳;何宏让;王晓丹【期刊名称】《气象科学》【年(卷),期】2011(031)003【摘要】基于中尺度数值模式WRF及其三维变分同化系统WRF-3DVAR对2008年6月广西地区的一次强降雨过程,进行了多普勒天气雷达的多普勒径向速度和反射率因子的三维变分同化对于暴雨过程模拟效果影响研究.结果表明:(1)同化柳州、桂林和永州多普勒天气雷达观测资料后,模式对广西东北部地区特大暴雨的模拟效果明显改进;(2)WRF-3DVAR能够有效地同化多普勒天气雷达径向速度和雷达反射率因子,同化后使得模式初始场包含有更详尽的中尺度特征信息;(3)在高分辨率中尺度数值模式中有效地利用多普勒天气雷达资料,改善了分析场中尺度结构的描述,从而减轻了spin-up现象,能较好的提高中尺度降雨预报.%Based on WRF and WRF-3DVAR, the influence of Doppler radar observation assimilation in numerical simulation of heavy rainfall has been analyzed. Through investigating one heavy rainfall occurred in Guangxi Province on 12 June, 2008, results show as follows: ( 1 ) When Doppler radar observations from Liuzhou, Guilin and Yongzhou are assimilated into WRF model with 3 DVAR, remarkable improvements are made in the simulation of torrential rain in the area of Guangxi Province; (2) Doppler radial velocity and radar reflectivity can be assimilated effectively by 3DVAR,then the meso-scale characteristic of the initial field is improved; ( 3 ) Assimilation of Doppler radar observation can alleviate the spinning-up phenomenon, so therainfall simulation of assimilation experiment is better than those of the non-assimilation.【总页数】7页(P318-324)【作者】赵文斌;齐琳琳;何宏让;王晓丹【作者单位】解放军61741部队,北京100081;空军装备研究院航空气象防化研究所,北京100085;空军装备研究院航空气象防化研究所,北京100085;解放军理工大学气象学院,南京211101;解放军理工大学气象学院,南京211101【正文语种】中文【中图分类】P435.1【相关文献】1.应用多普勒天气雷达资料对四川“7·3”暴雨的变分同化试验 [J], 杨银;朱克云;张杰;戴昌明2.卫星云图资料同化中的质量控制及其在暴雨预报中的应用 [J], 郑祚芳;沈桐立;张秀丽3.迎风坡暴雨预报中多普勒天气雷达资料两种散度反演方法的应用 [J], 王丽荣;王立荣;郭卫红;赵卫亮;景华4.应用多普勒天气雷达资料对四川“7·3”暴雨的变分同化试验 [J], 杨银; 朱克云; 张杰; 戴昌明5.AMSU资料变分同化及在暴雨数值模拟中的应用研究 [J], 张利红;沈桐立;王洪利因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高分辨率WRF三维变分同化在北京地区降水预报中的应用
高分辨率WRF三维变分同化在北京地区降水预报中的应用范水勇;郭永润;陈敏;仲跻芹;楚艳丽;王薇;黄向宇;王迎春;郭英华【期刊名称】《高原气象》【年(卷),期】2008(27)6【摘要】为迎接2008年北京奥运会,改进北京地区的天气预报,建立了一个基于三重嵌套区域(27/9/3 km)的WRF三维变分同化(WRFVar)和WRF模式的高分辨率快速更新循环同化预报(Rapid-Up-date Cycle)系统,并针对2006年8月1日发生在北京地区的强对流天气进行了一系列数值试验,结果表明:高分辨率的快速更新循环系统很好地预报出了此次强降水过程;在WRF三维变分同化里调节背景场误差和观测误差,提高了降水预报的效果;插值得出的3 km背景场误差可以作为一个合理的近似在3 km分辨率的WRFVar中使用,用户可以不必积累高分辨率的预报场去计算背景场误差,从而节省大量计算资源。
3 h频次的RUC已经能满足预报要求,更高频次(1 h)的RUC并没有导致预报的进一步提高。
【总页数】8页(P1181-1188)【关键词】北京地区;WRF三维变分同化;WRF模式;高分辨率;快速更新循环【作者】范水勇;郭永润;陈敏;仲跻芹;楚艳丽;王薇;黄向宇;王迎春;郭英华【作者单位】中国气象局北京城市气象研究所,北京100089;美国国家大气研究中心(NCAR),P．O．Box 3000,Boulder,CO,80307【正文语种】中文【中图分类】P45【相关文献】1.TRMM降水率资料的三维变分同化及其对"杜鹃"(0313)台风预报的改进 [J], 丁伟钰;万齐林;端义宏2.bbGPS/PWV资料三维变分同化改进MM5降水预报连续试验的评估 [J], 丁金才;袁招洪;杨引明;叶其欣;仇欣;江飞3.三维变分同化在一η坐标中尺度模式预报中的应用 [J], 张万诚;肖子牛;郑建萌4.用一维变分方法同化GMS-5反演湿度场及其在降水预报中的应用分析 [J], 王华荣;郁凡5.基于改进GSI系统的气溶胶变分同化对WRF-Chem PM2.5分析和预报的影响评估 [J], 陈杰;李正强;常文渊;张莹;魏瑗瑗;谢一凇;葛邦宇;张驰因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
快速更新循环同化在江西暴雨数值模拟中的应用
快速更新循环同化在江西暴雨数值模拟中的应用徐星生;肖安;万明;张娟娟【摘要】基于WRF 模式三维同化(3DVar)建立每3 h 快速更新循环同化系统(简称RUC),循环同化地面常规观测资料、探空资料、船舶资料和飞机报,并以此为基础建立预报系统,对2011 年6 月4 日20 时-5 日20 时江西一次大暴雨过程进行模拟检验,初步研究RUC 在江西暴雨预报中的应用.结果表明:(1)RUC 有效改进了初始场风场结构,尤其对低层风场的改进明显.(2)RUC 改善了初始场大气层结结构,增加中低层大气层结不稳定能量积累,有利于暴雨发生.(3)预报系统更好地模拟了此次大暴雨落区、走向、中心降水强度和降水时段.(4)对比大暴雨中心逐6 h 累计雨量,预报系统模拟的4 个时段累计降水与同时段实况累计降水相吻合,预报出逐6 h 累计降水的量级和变化趋势.【期刊名称】《气象与减灾研究》【年(卷),期】2011(034)003【总页数】6页(P24-29)【关键词】数值预报;RUC;WRF;暴雨过程【作者】徐星生;肖安;万明;张娟娟【作者单位】江西省气象台,江西南昌330046;江西省气象台,江西南昌330046;江西省气象台,江西南昌330046;江西省气象台,江西南昌330046【正文语种】中文【中图分类】P456.7暴雨及其衍生的气象灾害是我国最主要的自然灾害之一。
由于其发生发展的复杂性，目前对于暴雨特别是局地突发性暴雨的预报在落区和时效上都难以满足社会和公众的需求。
近几年来，随着数值预报技术的发展和计算资源的改善，利用高分辨率数值模式产品来分析和研究暴雨的形成机理成为一种有益的尝试。
而精细模式的初始化，即如何在高分辨率数值模式的初始条件中加入更加丰富和真实的中小尺度天气信息、更加精准地刻画大气在初始时刻的运动状态对资料同化系统提出了新的要求。
单次同化卫星、雷达和常规观测资料虽然一定程度地改善了初始场以及台风路径、降水的模拟效果［1-5］，但由于同化时间窗有限，单次同化仅能融合较少的观测数据，仍无法充分使用有限的观测数据。
雷达资料的3DVAR和EnSRF直接同化方法对一次暴雨预报的影响分析
雷达资料的3DVAR和EnSRF直接同化方法对一次暴雨预报的影响分析刘寅;何光鑫;刘佳伟;赵虹;燕成玉【期刊名称】《热带气象学报》【年(卷),期】2014(030)005【摘要】利用合肥站雷达资料和NCEP再分析资料,采用WRF模式、WRF-3DVAR和WRF-EnSRF同化系统设计了直接同化雷达径向风和反射率的试验,对2003年7月4-5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟分析.结果表明:(1)同化雷达径向风资料可以增加暴雨区低层的扰动,增强对流运动,同时可以减少模拟的过量降水;(2) 3DVAR同化方法对水平风场调整明显,同化反射率改进了模式中的微物理量和动力场,同时同化径向风和反射率可以更好地调整风场,改善模拟雷达回波带的强度和位置;(3) EnSRF同化方法可以将更多小尺度的风场信息同化进入模式,单独同化反射率可以较准确预报出降水中心,同时同化径向风和反射率可以改进模拟雷达回波带的位置;(4)使用3DVAR和EnSRF同化雷达径向风和反射率可以提高降水预报,改善雨带的范围,对降水中心位置和强度的预报也有改进.【总页数】11页(P894-904)【作者】刘寅;何光鑫;刘佳伟;赵虹;燕成玉【作者单位】南京信息工程大学资料同化研究与应用中心江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044;南京信息工程大学资料同化研究与应用中心江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044;南京信息工程大学资料同化研究与应用中心江苏南京210044;南京信息工程大学气象灾害省部共建教育部重点实验室江苏南京210044;秦皇岛市气象台河北秦皇岛066000【正文语种】中文【中图分类】P456.7【相关文献】1.多普勒雷达资料三维变分直接同化方法研究 [J], 张道平;2.基于NLS-4DVar方法的雷达资料同化及其在暴雨预报中的应用 [J], 张斌;田向军;张立凤;孙建华3.EnSRF雷达资料同化在一次飑线过程中的应用研究 [J], 高士博;闵锦忠;黄丹莲4.EnSRF雷达资料同化对一次强对流天气模拟的影响研究 [J], 黄丹莲;高士博;闵锦忠5.雷达资料同化对一次浙江初春罕见飑线过程数值模拟的影响分析 [J], 陈锋; 董美莹; 苏涛; 冀春晓因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
“碧利斯”暴雨增幅高分辨率数值模拟及诊断分析
“碧利斯”暴雨增幅高分辨率数值模拟及诊断分析王黎娟;任晨平;崔晓鹏;冉令坤【摘要】利用中尺度非静力数值模式ARPS (Advanced Regional Prediction System),对2006年第4号强热带风暴“碧利斯”的登陆过程,尤其是登陆后的暴雨增幅过程开展了高分辨率数值模拟,并利用观测资料对模拟结果进行了验证,进一步基于该高分辨率模拟资料对该暴雨增幅过程开展了诊断分析.结果表明,ARPS模式较好地模拟再现了“碧利斯”的登陆过程以及登陆后在广东、江西、湖南三省交界处引发的暴雨增幅过程;散度垂直通量和湿位涡的大值区与暴雨增幅地区均有良好的对应关系,对强降水落区有较好指示意义,其中散度垂直通量的对应关系更好.湿位涡不仅很好地反映了与暴雨增幅相关的湿位涡分布,同时也很好地反映了“碧利斯”环流本身所对应的湿位涡分布特征.【期刊名称】《大气科学学报》【年(卷),期】2013(036)002【总页数】11页(P147-157)【关键词】暴雨增幅;台风;数值模拟;诊断【作者】王黎娟;任晨平;崔晓鹏;冉令坤【作者单位】中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴实验室,北京100029【正文语种】中文【中图分类】P458.1240 引言我国东邻西北太平洋，是世界上热带气旋(台风)登陆最多、灾害最严重的国家之一(陈联寿和孟智勇，2001)。
台风是自然界中最强烈的造雨系统，台风Gloria(6312号)给台湾百新带来的最大24 h雨量达1 248 mm;台风Carla(6718号)的24 h降水达1 672 mm;台风Nina(7503号)在河南林庄的24 h累积降水达到1 062 mm，为中国大陆特大暴雨之最(陶诗言，1980)。
统计分析(董美莹等，2009)显示，我国引发特大暴雨的热带气旋年频数为1.8个，占我国登陆热带气旋总数的20%，发生暴雨突然增幅的热带气旋年频数为1.9个，占登陆总数的21%。
台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验
台风暴雨数值预报中ATOVS资料的变分同化试验张亚洲;邓文彬;赵文斌【期刊名称】《气象与减灾研究》【年(卷),期】2012(35)3【摘要】利用ATOVS卫星辐射率资料和NCEP资料,采用中尺度数值模式WRF(V3.3)及其同化系统WRF-3DVar,设计了几组同化试验方案,对由0908号台风“莫拉克”导致的台湾南部2009年8月8-9日特大暴雨过程进行数值预报.结果表明,直接同化ATOVS辐射率资料对初始温度场、湿度场和风场均有较明显的改善,其中连续循环同化试验的改善效果最显著,同化后初始场增加了暴雨中心上空对流不稳定性,同时风场也表现出更强的低层辐合、高层辐散的中尺度特征.对比不同的辐射率资料发现,同化MHS资料对湿度场改进效果较好,同化AMSUA资料对温度场和风场改进效果较好,同时同化MHS和AMSUA资料改进效果整体上要好于前两者.在对降水预报定量检验中,同化试验的整体评分要高于控制试验,特别是降水临界值超过300 mm后评分提高最为显著.连续循环同化试验对这次台风暴雨的预报与实况最为接近.【总页数】10页(P8-17)【作者】张亚洲;邓文彬;赵文斌【作者单位】解放军61936部队,海南海口571100;解放军61936部队,海南海口571100;解放军61741部队,北京100085【正文语种】中文【中图分类】P457.8;P435【相关文献】1.基于雷达资料四维变分同化及云模式的中尺度对流系统数值临近预报试验 [J], 刘莲;陈明轩;王迎春2.ATOVS辐射率资料的直接变分同化试验研究 [J], 潘宁;董超华;张文建3.ATOVS资料的变分同化对一次暴雨过程预报的影响分析 [J], 闵爱荣;廖移山;王晓芳;张兵4.集合预报误差在GRAPES全球四维变分同化中的应用研究Ⅱ:参数选取与数值试验 [J], 龚建东;张林;王瑞春5.雷达资料快速更新四维变分同化中增加地面资料同化对强对流临近数值预报的影响 [J], 刘瑞婷;陈明轩;肖现;秦睿;高峰;杨璐;吴剑坤;孙娟珍因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
华南0604号“碧利斯”台风暴雨的数值模拟研究的开题报告
华南0604号“碧利斯”台风暴雨的数值模拟研究的开题报告1.选题背景和意义华南是我国一个重要的经济区，其独特的地理位置和优美的自然环境吸引了众多的游客和投资者。
然而，由于地理位置的特殊性，华南经常遭受到台风、暴雨等自然灾害的袭击。
其中2020年6月4号发生的“碧利斯”台风，给华南地区带来了巨大的影响。
据报道，该台风造成了大范围的洪涝灾害，并导致了数千万元的经济损失。
因此，对于这种类型的自然灾害的研究具有重要的现实意义。
2.选题内容和研究方法本研究将以2020年6月4号发生在华南地区的“碧利斯”台风为研究对象，使用数值模拟方法对其进行研究。
数值模拟是一种基于物理原理及数学模型的计算方法，可以定量地描述流体的运动及其相互作用规律。
研究方法如下：2.1数据收集及分析收集与“碧利斯”台风有关的气象、地理、社会、经济等数据，并对其进行分析。
重点关注洪涝灾害的发生过程、面积、灾害程度等指标。
2.2建立数值模型使用Flow-3D软件建立“碧利斯”台风的数值模型。
在建模过程中，需要考虑地形、水位、降雨量等多种因素，并通过模拟计算得出流量、速度等参数。
模型的设置需要同时考虑模拟的逼真度和计算时间的消耗。
2.3模型验证及优化对模拟结果进行验证和优化。
验证是通过与实测数据进行对比来评估模型的准确性；优化是通过对模型参数的调整来使模拟结果更加逼真。
3.预期研究成果本研究旨在通过数值模拟方法对“碧利斯”台风的暴雨过程进行分析，提供一些基本的信息。
具体研究成果如下：(1) 研究“碧利斯”台风的路径、强度、影响范围等基本特征。
(2)分析洪涝灾害发生的原因，探讨其演化过程。
针对不同地区的洪涝情况，做出一些防灾减灾的建议。
(3)通过对数值模拟结果的比对，验证模型的准确性，并对模型参数进行优化，使其更加准确地反映“碧利斯”台风的暴雨过程。
4.可行性分析数值模拟技术已经在气象、水文学等领域得到广泛应用，并取得了一定成果。
本研究所使用的Flow-3D软件，在相关领域也有着相当的应用基础。
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第26卷第1期2009年2月海洋预报MARINE FORECASTSV ol.26，No.1Feb.2009WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用陈业国，何冬燕（广西区气象台，广西南宁530022）摘要：利用美国高分辨率中尺度模式WRF(Weather Research and Forecast)式和WRF三维同化系统(WRF3DV AR)，以2006年“碧利斯”台风低压引发的暴雨天气过程为例，通过控制试验和同化试验的对比分析，探讨了高空和地面实况资料同化对台风低压“碧利斯”暴雨过程分析和预报的影响。
初步的结果显示，同化高空和地面实况资料后对模式的初始场有明显的改进、对暴雨过程的降水落区和强度有不同程度的正反馈，更接近实况的降水。
关键词：WRF同化系统；台风暴雨；数值模拟中图分类号：P456文献标识码：A文章编号：1003-0239（2009）01-0062-081引言暴雨作为最严重的自然灾害之一，在过去的几十年里，许多气象工作者从暴雨的大尺度环流形势、中尺度特征、物理量诊断、能量转换和数值模拟以及地形作用等方面，对暴雨进行了天气学分析和形成机理探讨[1～4]。
美国高分辨率中尺度数值模式WRF (Weather Research and Forecast)作为研究中尺度系统的主要数值模式之一，近年来在我国得到不断的应用。
张朝林等[5]分析了WRF三维变分系统在北京及周边地区大气观(遥)测资料同化中的初步应用。
孙健等[6]和刘宁微等[7]利用WRF与MM5对多个暴雨过程进行对比分析，结果均表明，WRF模式能更好模拟暴雨的中尺度系统。
赵洪等[8]利用WRF与MM5对2007年3月初强冷空气数值预报结果的对比分析。
这些研究工作，有助于加深对暴雨形成机理的认识，对提高暴雨的业务预报水平，起到了非常重要的作用。
对于2006年由“碧利斯”台风引发的暴雨天气过程，很多学者进行了研究，陈业国等[9]用WRF对该暴雨过程进行了数值模拟研究，黄莉等[10]分析了0604号强热带风暴造成异常降水的内在因由。
本文利用WRF高分辨率数值预报模式，通过控制试验和同化试验，对“碧利斯”在7月17～18日造成的暴雨过程进行了数值模拟，并对控制试验和同化试验结果进行对比分析。
2过程概况受0604号台风“碧利斯”的影响，从2006年7月14日开始，福建、江西、湖南、广东收稿日期：2008-01-07基金项目：广西自然科学基金项目(桂科攻0632006—1D)作者简介：陈业国(1974-)，男，高级工程师，主要从事天气预报和数值模拟研究工作。
陈业国等：WRF 模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用1期和广西等地出现了不同程度的大范围暴雨天气过程。
受该低气压环流和西南暖湿气流共同影响，16日08时～19日08时，广西出现了2006年入汛以来最强的一次暴雨天气过程，累计过程总降雨量：250mm 以上的有7个市县，100～249.9mm 的有30个市县；50～99.9mm 的有35个市县。
上述降水主要集中在7月16日20时到18日20时，由此可见，这次暴雨过程具有强度大、地域广等特点。
3数值模式及同化方案3.1数值模式方案文中采用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)，对“碧利斯”在7月17～18日造成的暴雨过程进行了数值模拟。
该模式是由NCAR 、NCEP 等多个部门共同研发的新一代中尺度预报模式，它集MM5、RAMS 、ETA 等模式优势为一体,提供了一个研究和业务数值天气预报的通用框架，既可用于分辨率在1～10km 的系统模拟,又可用于分辨率较低的业务预报。
文中模式使用NCEP 提供的水平分辨率为1°×1°的再分析资料作为模式的初始场。
我们在模式中采用了双重嵌套方案(见图1)，(25°N ，110°E)是模拟区域的中心位置。
粗网格格点数为121×121,格距为45km ；细网格格点数为121×121,格距为15km ；积分步长均为120s 。
模式垂直方向为31层,模式顶气压为50hPa ；从2006年7月17日20时积分到18日20时，共24小时，模式每1h 输出一次结果。
图1模式模拟区域(框内为模式细网格区域)在模式物理过程的参数选择上，两重区域都采用云微物理过程选用LIN 方案；长波辐射选用RRTM 方案，短波辐射采用Dudhi 方案，每10分钟调用一次辐射过程；积云对流采用Kain-Fritsch 方案，每5分钟调用一次。
本次数值模拟试验分为试验A 和试验B ，其中试验A 为控制试验，模式初始场为NCEP 的1°×1°再分析资料，试验B 为同化试验，利用WRF 模式自身的三维同化系统同化高空和地面实况资料后作为模式的初始场。
45°N 140°E80°90°25°40°35°30°15°20°5°10°100°120°110°130°85°95°105°115°125°135°63海洋预报26卷3.2WRF 同化系统简介WRF 三维变分同化系统(WRF 3dvar)经NCAR/MMM 科学家的不断研发，在同时兼容MM5和WRF 两个模式数据接口的基础上，比MM5三维变分同化系统(MM53dvar)增加了许多新的技术，如加入了新的地面资料同化方法(sfc-assi-options=2)，可同化更多的地面观测资料；支持多种控制变量的配置(cv-option=2/3/4/5)，满足区域和全球模式的需求；集成新的背景场误差计算软件(gen_be)，可以结合本模式生成更优的背景场。
本次试验的同化系统采用Courtier 等[11]提出的增量法来求目标函数的极小化问题，即对目标函数：（1）Y=H(X)式中X 是分析变量；X b 是背景场；B 是背景误差协方差；O 是观测误差协方差；y 是由分析变量导出的观测值；y 0是观测值。
采用增量X n =X n-1+S -1δX n ，这里分析变量X n 在高分辨率上更新，X n-1是低分辨率上值，S -1是广义算子S 的逆算子，S 是从高分辨率模式空间到低分辨率模式空间变换算子。
分析增量δX n通过目标函数最优化问题在低分辨率得到。
那么，目标函数变为：（2）式中H 是观测算子，作用于高分辨率；H '为观测算子的切线性算子，作用于低分辨率，H '= H / X，目标函数梯度为：（3）其中δX g =S （X n-1）９－S （X b ），d =X n-1－y 0。
整个系统采用迭代方法求极小化问题。
4结果分析利用同化系统对2006年7月18日发生在广西境内的暴雨天气过程进行了控制试验和同化试验。
控制试验为未经同化系统初始场利用WRF 模式预报，同化试验利用WRF 模式自身的三维同化系统同化高空和地面实况资料后作为模式的初始场并利用WRF 模式预报。
4.1初始场环流分析由于本次暴雨天气过程“碧利斯”台风是由低压引发的，所以模式的初始场对低压环流的真实反映是模拟成功的关键。
图2分别给出了控制试验850hPa 高度场的分析场(见图2a)和同化试验850hPa 高度场的分析场(见图2b)以及实况850hPa 高度场的分析场(见图64陈业国等：WRF 模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用1期20°108°110°112°114°116°118°E22°18°16°14°30°N 24°26°28°100°102°104°106°图27月17日20时850hPa 高度场(单位：10gpm)a.控制试验b.同化试验c.实况20°108°110°112°114°116°118°E22°18°16°14°30°N 24°26°28°100°102°104°106°20°108°112°116°22°18°16°14°30°N 24°26°28°96°100°104°120°E20°108°112°116°22°18°16°14°30°N 24°26°28°96°100°104°120°E20°108°110°112°114°116°118°E22°18°16°14°30°N 24°26°28°100°102°104°106°a.控制试验b.同化试验c.实况20°108°110°112°114°116°118°E22°18°16°14°30°N 24°26°28°100°102°104°106°图37月17日20时500hPa 高度场(单位：10gpm)65海洋预报26卷2c)。
通过对比发现，是否通过资料同化对模式的低层(850hPa)的初始场有明显的差异，主要表现在低压环流的反映。
从实况850hPa 高度场的分析场可知，在24°N ，104°E 附近存在一个明显的低压环流，强度为139·10gpm ，在控制实验中，850hPa 高度场的分析场在该位置只分析出小环的140·10gpm 闭合线，而在同化试验中，该位置明显能分析出138·10gpm 的闭合线，140·10gpm 的低压环流也明显比控制试验明显，更加接近实况分析场。