WRF模式产品精细化预报初探

高 伟,胡振菊,彭柏池,陈 科

(湖南省常德市气象局,湖南 常德 415000)

WRF模式产品精细化预报初探

高 伟,胡振菊,彭柏池,陈 科

(湖南省常德市气象局,湖南 常德 415000)

以新一代中尺度模式WRF模式产品为基础,将各乡镇站点转换成平面坐标,通过反距离加权法插值得到精细化预报要素值。采用 GIS系统对各乡镇预报要素进行地图、表格、时序图方式显示,可以直观、精确的得到WRF精细化预报产品。通过个例分析,表明WRF精细化雨量预报在时间、空间、量级上与实况基本一致,对于过程降水、对流性降水的降水趋势、降水分布及过程技术总结都具有一定的指导意义,做到了WRF模式产品与 GIS相结合,将预报产品精细化到乡镇。

精细化预报;WRF;反距离加权法

1 引言

面临目前气象公共服务均等化与城乡一体化的迫切需求,随着社会不断发展和科技不断进步,精细化预报已成为未来天气预报发展的必然趋势,发展完善精细化预报业务已成为天气业务改革的重点任务之一。

2 模式简介

高分辨率的中尺度数值预报模式是精细化预报的基础。作为中尺度气象的一个重要的研究和应用手段,中尺度数值模式已日趋成熟且普及。在国内外采用的众多中尺度数值预报模式中,WRF (Weather Research and Forecasting)模式是美国气象界在继开发MM5数值模式之后,再一次联合开发的新一代高分辨率中尺度数值模式,它的设计目的是用于业务天气预报和大气研究需要。模式结合了先进的数值方法和资料同化处理技术、经过改进的物理过程方案(尤其是对流和中尺度降水系统的处理部分),同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力。WRF模式系统具有可移植,可扩充,高效率,方便等特点,将成为改进从云尺度到各种天气尺度的重要天气特征预报精度的工具。

3 产品开发目的

常德市气象局于 2009年5月引入WRFv3.1,每天运行 2次,运算时间大概 6h。WRF模式运算完后,生成模式层原始数据,然后通过WRFTOGRADS将netCDF格式的原始数据转换成 GRADS格式的等压面数据。数据文件有 13个预报要素,其中 8个要素有 19层,5个要素 1层,预报时效 72h,分 13个时段,每段 6h,格点数 120＊120,格点间距 9Km。

WRF模式产品一般用 Grads画图,不能直观反映站点预报,我们对WRF产品进行精细化开发,目的是:

①以网格数据为基础,通过相应算法进行插值,得到指定经纬度站点(各乡镇)的气象要素值;

②建立数据库,对所需要素值进行自动入库保存;

③采用 GIS平台通过地图、表格、曲线图形式显示各站点气象要素。

4 插值算法

反距离加权插值 (Inverse Distance to a Power),也称距离倒数乘方法。距离倒数乘方格网化方法是一个加权平均插值法,可以进行确切的或者圆滑的方式插值。其公式为

式 (1)中,Z是估计值,Zi是第 i(i=1,…n)个样本,Di是距离,ρ是距离的幂,它显著影响内插的结果,它的选择标准是最小平均绝对误差。

考虑到全市各乡镇站点不同的地理位置和环境的差异,在获取WRFTOGRADS网格数据后,我们将各个乡镇站点的经纬度转换为平面坐标,通过反距离加权法对数据进行插值。

图 1 桃源县佘家坪所处平面网格层中的坐标

根据式(1)、图 1所示对佘家坪最近 4个格点插值为:

5 数据库结构

采用 SQLServer数据库,由WRF精细化预报产品库、中小尺度台站实况库和台站参数库组成。WRF精细化预报产品库由站号、预报要素名、预报起始日期、预报时效、要素高度层组成;中小尺度实况库直接用全市中小尺度实况数据库;台站参数库由各个乡镇站点的站名、站号、经纬度、海拔高度、省、市州、县等组成。

WRF模式运转完毕,生成的数据产品经过插值后,可通过后台程序自动或者手动入库到 SQLServer的WRF精细化预报产品库,如图 2所示。

图2 WRF产品数据自动入库平台

6 产品显示平台

WRF精细化产品应用显示平台是基于 GIS的平面显示系统,采用ADO组件与数据库连接,通过选择日期时间、要素类型、要素层次、时间段可方便快捷查询WRF精细化预报产品。

查询显示有地图查询、表格查询和时序查询 3种类型。地图查询有对地图放大缩小、显示站名、要素名、等值线划分、色斑着色、导出产品等功能;表格查询可以对查询结果进行要素类型、区域、要素值过滤显示,对要素值进行分级统计显示,对所需结果进行文档导出打印;时序查询可对单个乡镇站点进行单要素类型未来 72h、13个时段的曲线图或柱状图显示,对单要素的多层数值可以同时显示在同一曲线图上,可对显示结果进行导出和打印。

图 3 WRF精细化产品应用显示平台地图显示

7 个例检验

2010年6月6—8日,受高空低槽和地面倒槽的共同影响,常德澧水流域普降暴雨,沅水流域以大雨为主,并伴随有雷暴天气,强降水主要集中在 7日晚到 8日上午。据全市区域自动气象站资料分析,7日 08时—8日 08时,常德全市共出现 51站次暴雨,37站次大暴雨,最大降水出现在临澧文家乡,达152.8mm。

从图 4的雨量预报和实况可以看出:整体落区与实况基本一致,南部普降大雨,北部普降暴雨。特别是大暴雨、暴雨区域分布预报与实况吻合,集中在北部的澧水流域。

从图 5的站点雨量预报与实况可以看出:除澧县、安乡雨量预报与实况相差较大,其它站点雨量预报基本上与实况一致。

图 4 2010年6月7日 8时 -8日 8时雨量预报与实况

图 5 6月7日 08时 -8日 08时站点雨量预报与实况柱状图

从图 4、图 5分析可知,WRF精细化降水预报对这次过程的降水趋势、降水分布及降水量级基本上与实况吻合,虽然降水区域预报上整体稍微偏西、偏南,降水量级上个别站点与实况有一定相差,但是预报效果整体较好。通过 GIS平台显示,无论是在数值化还是可视化上,WRF精细化降水预报产品相对 GRADS画图都具有更加精确、更加直观、更加明朗的优势,对于全市的这次降水过程预报具有一定的指导意义。

8 结论与改进

相对于常规观测资料,数值预报模式是提高预报质量的基础。WRF精细化预报产品将WRF模式产品通过插值结合 GIS系统准确、直观的展示在预报员面前,做到了将预报精细化到乡镇,在预报业务应用和技术总结中,具有一定的指导意义。虽然预报的结果还有一定的偏差,但在今后的WRF精细化预报开发中,我们将继续完善预报质量检验方法,根据中小尺度站网资料和其他观测资料的实况对预报进行插值和订正。方法仅仅是初步研究的结果,随着资料的积累和WRF模式精细化开发应用在实践中不断改进和完善,相信精细化预报效果会不断提高,预报质量会不断提升。

[1] 李毅,潘晓滨.新一代天气研究预报模式WRF简介[J].教学与研究,2003,24(1):54-59.

[2] 王锡稳,刘治国,秘晓东,等 .基于 GIS的数值预报降水产品精细化方法研究[J].高原气象,2006,25(6):1190-1195.

[3] 王家芬,姜俊铃,矫卫兵 .烟台市精细化天气预报现状与探讨[J].山东气象,2004,24(1):23-24.

[4] 陈勇,江海生,郭蓉芳 .利用MM5开展精细化预报业务[J].广西气象,2005,26(1):93-96.

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B

2010-09-10

高伟(1979-),男,助工,主要从事短时预报、雷达机务和业务系统研发与应用工作。

1003-6598(2010)增刊 -0012-03