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(yù)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(biāo),通過反距離加權(quán)法插值得到精細化預(yù)報要素值。采用 GIS系統(tǒng)對各鄉(xiāng)鎮(zhèn)預(yù)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(yù)報產(chǎn)品。通過個例分析,表明WRF精細化雨量預(yù)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(dǎo)意義,做到了WRF模式產(chǎn)品與 GIS相結(jié)合,將預(yù)報產(chǎn)品精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)。

精細化預(yù)報;WRF;反距離加權(quán)法

1 引言

面臨目前氣象公共服務(wù)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(yù)報已成為未來天氣預(yù)報發(fā)展的必然趨勢,發(fā)展完善精細化預(yù)報業(yè)務(wù)已成為天氣業(yè)務(wù)改革的重點任務(wù)之一。

2 模式簡介

高分辨率的中尺度數(shù)值預(yù)報模式是精細化預(yù)報的基礎(chǔ)。作為中尺度氣象的一個重要的研究和應(yīng)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(yù)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(shè)計目的是用于業(yè)務(wù)天氣預(yù)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(yù)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(yù)報要素,其中 8個要素有 19層,5個要素 1層,預(yù)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(yù)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(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo),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(biāo)

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(yù)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(yù)報產(chǎn)品庫由站號、預(yù)報要素名、預(yù)報起始日期、預(yù)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(yù)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(yīng)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(yù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)出和打印。

圖 3 WRF精細化產(chǎn)品應(yīng)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(yù)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(yù)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(yù)報與實況可以看出:除澧縣、安鄉(xiāng)雨量預(yù)報與實況相差較大,其它站點雨量預(yù)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(yù)報與實況

圖 5 6月7日 08時 -8日 08時站點雨量預(yù)報與實況柱狀圖

從圖 4、圖 5分析可知,WRF精細化降水預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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(yù)報具有一定的指導(dǎo)意義。

8 結(jié)論與改進

相對于常規(guī)觀測資料,數(shù)值預(yù)報模式是提高預(yù)報質(zhì)量的基礎(chǔ)。WRF精細化預(yù)報產(chǎn)品將WRF模式產(chǎn)品通過插值結(jié)合 GIS系統(tǒng)準(zhǔn)確、直觀的展示在預(yù)報員面前,做到了將預(yù)報精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn),在預(yù)報業(yè)務(wù)應(yīng)用和技術(shù)總結(jié)中,具有一定的指導(dǎo)意義。雖然預(yù)報的結(jié)果還有一定的偏差,但在今后的WRF精細化預(yù)報開發(fā)中,我們將繼續(xù)完善預(yù)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(yù)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(yīng)用在實踐中不斷改進和完善,相信精細化預(yù)報效果會不斷提高,預(yù)報質(zhì)量會不斷提升。

[1] 李毅,潘曉濱.新一代天氣研究預(yù)報模式WRF簡介[J].教學(xué)與研究,2003,24(1):54-59.

[2] 王錫穩(wěn),劉治國,秘曉東,等 .基于 GIS的數(shù)值預(yù)報降水產(chǎn)品精細化方法研究[J].高原氣象,2006,25(6):1190-1195.

[3] 王家芬,姜俊鈴,矯衛(wèi)兵 .煙臺市精細化天氣預(yù)報現(xiàn)狀與探討[J].山東氣象,2004,24(1):23-24.

[4] 陳勇,江海生,郭蓉芳 .利用MM5開展精細化預(yù)報業(yè)務(wù)[J].廣西氣象,2005,26(1):93-96.

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B

2010-09-10

高偉(1979-),男,助工,主要從事短時預(yù)報、雷達機務(wù)和業(yè)務(wù)系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用工作。

1003-6598(2010)增刊 -0012-03