WRF模式產(chǎn)品精細化預報初探

高 偉,胡振菊,彭柏池,陳 科

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

WRF模式產(chǎn)品精細化預報初探

高 偉,胡振菊,彭柏池,陳 科

(湖南省常德市氣象局,湖南 常德 415000)

以新一代中尺度模式WRF模式產(chǎn)品為基礎(chǔ),將各鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點轉(zhuǎn)換成平面坐標,通過反距離加權(quán)法插值得到精細化預報要素值。采用 GIS系統(tǒng)對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)預報要素進行地圖、表格、時序圖方式顯示,可以直觀、精確的得到WRF精細化預報產(chǎn)品。通過個例分析,表明WRF精細化雨量預報在時間、空間、量級上與實況基本一致,對于過程降水、對流性降水的降水趨勢、降水分布及過程技術(shù)總結(jié)都具有一定的指導意義,做到了WRF模式產(chǎn)品與 GIS相結(jié)合,將預報產(chǎn)品精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

精細化預報;WRF;反距離加權(quán)法

1 引言

面臨目前氣象公共服務均等化與城鄉(xiāng)一體化的迫切需求,隨著社會不斷發(fā)展和科技不斷進步,精細化預報已成為未來天氣預報發(fā)展的必然趨勢,發(fā)展完善精細化預報業(yè)務已成為天氣業(yè)務改革的重點任務之一。

2 模式簡介

高分辨率的中尺度數(shù)值預報模式是精細化預報的基礎(chǔ)。作為中尺度氣象的一個重要的研究和應用手段,中尺度數(shù)值模式已日趨成熟且普及。在國內(nèi)外采用的眾多中尺度數(shù)值預報模式中,WRF (Weather Research and Forecasting)模式是美國氣象界在繼開發(fā)MM5數(shù)值模式之后,再一次聯(lián)合開發(fā)的新一代高分辨率中尺度數(shù)值模式,它的設計目的是用于業(yè)務天氣預報和大氣研究需要。模式結(jié)合了先進的數(shù)值方法和資料同化處理技術(shù)、經(jīng)過改進的物理過程方案(尤其是對流和中尺度降水系統(tǒng)的處理部分),同時具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力。WRF模式系統(tǒng)具有可移植,可擴充,高效率,方便等特點,將成為改進從云尺度到各種天氣尺度的重要天氣特征預報精度的工具。

3 產(chǎn)品開發(fā)目的

常德市氣象局于 2009年5月引入WRFv3.1,每天運行 2次,運算時間大概 6h。WRF模式運算完后,生成模式層原始數(shù)據(jù),然后通過WRFTOGRADS將netCDF格式的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成 GRADS格式的等壓面數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)文件有 13個預報要素,其中 8個要素有 19層,5個要素 1層,預報時效 72h,分 13個時段,每段 6h,格點數(shù) 120＊120,格點間距 9Km。

WRF模式產(chǎn)品一般用 Grads畫圖,不能直觀反映站點預報,我們對WRF產(chǎn)品進行精細化開發(fā),目的是:

①以網(wǎng)格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),通過相應算法進行插值,得到指定經(jīng)緯度站點(各鄉(xiāng)鎮(zhèn))的氣象要素值;

②建立數(shù)據(jù)庫,對所需要素值進行自動入庫保存;

③采用 GIS平臺通過地圖、表格、曲線圖形式顯示各站點氣象要素。

4 插值算法

反距離加權(quán)插值 (Inverse Distance to a Power),也稱距離倒數(shù)乘方法。距離倒數(shù)乘方格網(wǎng)化方法是一個加權(quán)平均插值法,可以進行確切的或者圓滑的方式插值。其公式為

式 (1)中,Z是估計值,Zi是第 i(i=1,…n)個樣本,Di是距離,ρ是距離的冪,它顯著影響內(nèi)插的結(jié)果,它的選擇標準是最小平均絕對誤差。

考慮到全市各鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點不同的地理位置和環(huán)境的差異,在獲取WRFTOGRADS網(wǎng)格數(shù)據(jù)后,我們將各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點的經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換為平面坐標,通過反距離加權(quán)法對數(shù)據(jù)進行插值。

圖 1 桃源縣佘家坪所處平面網(wǎng)格層中的坐標

根據(jù)式(1)、圖 1所示對佘家坪最近 4個格點插值為:

5 數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)

采用 SQLServer數(shù)據(jù)庫,由WRF精細化預報產(chǎn)品庫、中小尺度臺站實況庫和臺站參數(shù)庫組成。WRF精細化預報產(chǎn)品庫由站號、預報要素名、預報起始日期、預報時效、要素高度層組成;中小尺度實況庫直接用全市中小尺度實況數(shù)據(jù)庫;臺站參數(shù)庫由各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點的站名、站號、經(jīng)緯度、海拔高度、省、市州、縣等組成。

WRF模式運轉(zhuǎn)完畢,生成的數(shù)據(jù)產(chǎn)品經(jīng)過插值后,可通過后臺程序自動或者手動入庫到 SQLServer的WRF精細化預報產(chǎn)品庫,如圖 2所示。

圖2 WRF產(chǎn)品數(shù)據(jù)自動入庫平臺

6 產(chǎn)品顯示平臺

WRF精細化產(chǎn)品應用顯示平臺是基于 GIS的平面顯示系統(tǒng),采用ADO組件與數(shù)據(jù)庫連接,通過選擇日期時間、要素類型、要素層次、時間段可方便快捷查詢WRF精細化預報產(chǎn)品。

查詢顯示有地圖查詢、表格查詢和時序查詢 3種類型。地圖查詢有對地圖放大縮小、顯示站名、要素名、等值線劃分、色斑著色、導出產(chǎn)品等功能;表格查詢可以對查詢結(jié)果進行要素類型、區(qū)域、要素值過濾顯示,對要素值進行分級統(tǒng)計顯示,對所需結(jié)果進行文檔導出打印;時序查詢可對單個鄉(xiāng)鎮(zhèn)站點進行單要素類型未來 72h、13個時段的曲線圖或柱狀圖顯示,對單要素的多層數(shù)值可以同時顯示在同一曲線圖上,可對顯示結(jié)果進行導出和打印。

圖 3 WRF精細化產(chǎn)品應用顯示平臺地圖顯示

7 個例檢驗

2010年6月6—8日,受高空低槽和地面倒槽的共同影響,常德澧水流域普降暴雨,沅水流域以大雨為主,并伴隨有雷暴天氣,強降水主要集中在 7日晚到 8日上午。據(jù)全市區(qū)域自動氣象站資料分析,7日 08時—8日 08時,常德全市共出現(xiàn) 51站次暴雨,37站次大暴雨,最大降水出現(xiàn)在臨澧文家鄉(xiāng),達152.8mm。

從圖 4的雨量預報和實況可以看出:整體落區(qū)與實況基本一致,南部普降大雨,北部普降暴雨。特別是大暴雨、暴雨區(qū)域分布預報與實況吻合,集中在北部的澧水流域。

從圖 5的站點雨量預報與實況可以看出:除澧縣、安鄉(xiāng)雨量預報與實況相差較大,其它站點雨量預報基本上與實況一致。

圖 4 2010年6月7日 8時 -8日 8時雨量預報與實況

圖 5 6月7日 08時 -8日 08時站點雨量預報與實況柱狀圖

從圖 4、圖 5分析可知,WRF精細化降水預報對這次過程的降水趨勢、降水分布及降水量級基本上與實況吻合,雖然降水區(qū)域預報上整體稍微偏西、偏南,降水量級上個別站點與實況有一定相差,但是預報效果整體較好。通過 GIS平臺顯示,無論是在數(shù)值化還是可視化上,WRF精細化降水預報產(chǎn)品相對 GRADS畫圖都具有更加精確、更加直觀、更加明朗的優(yōu)勢,對于全市的這次降水過程預報具有一定的指導意義。

8 結(jié)論與改進

相對于常規(guī)觀測資料,數(shù)值預報模式是提高預報質(zhì)量的基礎(chǔ)。WRF精細化預報產(chǎn)品將WRF模式產(chǎn)品通過插值結(jié)合 GIS系統(tǒng)準確、直觀的展示在預報員面前,做到了將預報精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn),在預報業(yè)務應用和技術(shù)總結(jié)中,具有一定的指導意義。雖然預報的結(jié)果還有一定的偏差,但在今后的WRF精細化預報開發(fā)中,我們將繼續(xù)完善預報質(zhì)量檢驗方法,根據(jù)中小尺度站網(wǎng)資料和其他觀測資料的實況對預報進行插值和訂正。方法僅僅是初步研究的結(jié)果,隨著資料的積累和WRF模式精細化開發(fā)應用在實踐中不斷改進和完善,相信精細化預報效果會不斷提高,預報質(zhì)量會不斷提升。

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B

2010-09-10

高偉(1979-),男,助工,主要從事短時預報、雷達機務和業(yè)務系統(tǒng)研發(fā)與應用工作。

1003-6598(2010)增刊 -0012-03