高山，江崇波，劉桂艷，郭敬天，任林凱（國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島266061）

WRF模式在“大洋一號(hào)”隨船預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

高山，江崇波，劉桂艷，郭敬天，任林凱
（國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島266061）

摘要：首次使用WRF模式對(duì)“大洋一號(hào)”科考船第二十六航次第二航段大西洋工作海區(qū)進(jìn)行了風(fēng)場(chǎng)和氣壓場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)，并對(duì)預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)況資料進(jìn)行了對(duì)比分析。結(jié)果表明，在資料稀少的大洋科考工作海區(qū)，WRF模式預(yù)報(bào)的天氣形勢(shì)變化與實(shí)況完全吻合，其定點(diǎn)的風(fēng)速、風(fēng)向和氣壓預(yù)報(bào)誤差都比較小。尤其是風(fēng)場(chǎng)能較好的反映出北大西洋10 m風(fēng)的變化趨勢(shì)，可以有效彌補(bǔ)大洋科考海區(qū)資料短缺的不足。根據(jù)WRF模式數(shù)值預(yù)報(bào)圖做出的主觀預(yù)報(bào)與船測(cè)實(shí)況吻合程度較高，為大洋科考海區(qū)風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)提供了一種新的途徑，為今后開(kāi)展大洋考察工作海區(qū)精細(xì)化業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)打下基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：WRF；大洋科考；數(shù)值預(yù)報(bào)

1　引言

自2005—2006年“大洋一號(hào)”環(huán)球航行以來(lái)，我國(guó)的大洋科學(xué)考察已涉足太平洋、大西洋、印度洋世界三大洋[1]。在各大洋開(kāi)展深水取樣品、環(huán)境調(diào)查等各種作業(yè)。大洋作業(yè)技術(shù)含量高、作業(yè)設(shè)備昂貴，需要較高的氣象條件保障。

目前國(guó)內(nèi)大洋科考海區(qū)氣象預(yù)報(bào)均為傳統(tǒng)預(yù)報(bào)方式，使用氣象傳真機(jī)（FAX408）接收國(guó)外的氣象傳真圖（如：日本、夏威夷氣象傳真等），根據(jù)預(yù)報(bào)圖做工作海區(qū)的天氣預(yù)報(bào)。大洋科考主要作業(yè)區(qū)多在遠(yuǎn)離主航線的偏僻海區(qū)，氣象傳真圖無(wú)法完全覆蓋工作海域，預(yù)報(bào)員只能根據(jù)周邊狀況來(lái)推測(cè)天氣形勢(shì)的發(fā)展，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率偏低。大風(fēng)天氣對(duì)海上作業(yè)有著嚴(yán)重的危害，例如：（1）大洋船舶作業(yè)需要起重機(jī)進(jìn)行吊、放重達(dá)幾噸的設(shè)備，大風(fēng)會(huì)引起設(shè)備在吊放過(guò)程中嚴(yán)重?cái)[動(dòng)；（2）很多作業(yè)過(guò)程中需要?jiǎng)恿Χㄎ唬按笱笠惶?hào)”船動(dòng)力定位系統(tǒng)在風(fēng)速大于6級(jí)時(shí)將滿負(fù)荷運(yùn)作，長(zhǎng)時(shí)間大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)會(huì)造成設(shè)備損壞；（3）大多作業(yè)設(shè)備是通過(guò)鋼纜下放到幾千米的深海，收放時(shí)大風(fēng)帶來(lái)的大浪會(huì)引起鋼纜升沉劇烈，這對(duì)工作人員及設(shè)備的帶來(lái)危險(xiǎn)。在復(fù)雜多變的大洋氣候中，氣象傳真圖已經(jīng)無(wú)法滿足需要。亟需引入一種全海區(qū)覆蓋的數(shù)值預(yù)報(bào)模式，為大洋科考提供強(qiáng)有力的氣象安全保障。

WRF模式（The Weather Research and Forecasting Model）作為新一代中尺度天氣預(yù)報(bào)模式，目前在我國(guó)許多地區(qū)和近海得到大量的應(yīng)用[2]，但在大洋環(huán)球科考保障中尚未使用。本文在“大洋一號(hào)”第二十六航次第二航段首次嘗試使用WRF模式對(duì)大西洋工作海區(qū)開(kāi)展數(shù)值預(yù)報(bào)，并利用隨船氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)和NCEP再分析資料對(duì)風(fēng)場(chǎng)與氣壓場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2　WRF模式與資料

WRF模式是一種完全可壓非靜力模式，采用Arakawa C網(wǎng)格，集數(shù)值天氣預(yù)報(bào)、大氣模擬及數(shù)據(jù)同化與一體的模式系統(tǒng)，能夠更好的改善對(duì)中尺度天氣的模擬和預(yù)報(bào)，目前主要應(yīng)用于有限區(qū)域的天氣研究和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)[2]。模式重點(diǎn)考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預(yù)報(bào)，水平分辨率重點(diǎn)考慮1—10 km，其對(duì)風(fēng)、降水、能見(jiàn)度、霧、氣溫、等天氣要素預(yù)報(bào)有較好的表現(xiàn)[3-4]。WRF模式能夠比較成功地再現(xiàn)中尺度過(guò)程中的環(huán)流形勢(shì)演變和雨帶分布特征以及中小尺度天氣系統(tǒng)，可以應(yīng)用于模擬和業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)。就中尺度模式之間的比較而言，WRF的模擬效果普遍優(yōu)于MM5，在選用合適的物理參數(shù)化方案下，WRF模式具有較好的模擬和預(yù)報(bào)性能，體現(xiàn)了其在中尺度模擬中的普適性和優(yōu)越性[5]。

本文所使用實(shí)況資料為NCEP DOE AMIP-2再分析資料和NCEP FNL再分析資料[6]，時(shí)間分辨率均為6h（00、06、12、18）UTC，DOE AMIP-2資料的水平分辨率為2.5°×2.5°，F(xiàn)NL資料為1°×1°。如不特殊說(shuō)明，本文所指時(shí)間均為世界時(shí)。

隨船觀測(cè)資料按照《海洋調(diào)查規(guī)范》（GB 12763—91）和《船舶海洋水文氣象輔助測(cè)報(bào)規(guī)范》（GB/T 17838—1999）的規(guī)定，每天定時(shí)觀測(cè)4次（00、06、12、18）時(shí)，內(nèi)容包括天空狀況、天氣現(xiàn)象、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度等氣象條件和波高、波向、水溫等水文條件。

大洋科學(xué)考察第二航段時(shí)間為2012年6月18日—7月1日。

3　數(shù)值預(yù)報(bào)

第二航段工作海區(qū)位于北大西洋（西三區(qū)），由于時(shí)差原因，WRF模式48 h數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果即為本海區(qū)未來(lái)24 h預(yù)報(bào)。首先采用WRF模式構(gòu)建大氣模式，模式采用前一天12時(shí)美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球分析資料為初始場(chǎng)和邊界條件，（GFS，水平分辨率1°×1°），時(shí)間間隔為6 h（00、06、12、18）時(shí)，之后進(jìn)行高空站、地面站、ASCAT風(fēng)場(chǎng)[7]等資料24 h同化時(shí)間窗的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同化。模式在每天02時(shí)啟動(dòng)，使用12×8個(gè)CPU，使用IB （InfiniBand）網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行并行運(yùn)算[8]，在2 h內(nèi)完成北大西洋海區(qū)未來(lái)48 h氣壓場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)數(shù)值計(jì)算。然后使用Grads進(jìn)行繪圖，繪圖范圍是（經(jīng)度0°—60°W）、（緯度10°S—40°N）。最終將繪制的預(yù)報(bào)圖發(fā)送到“大洋一號(hào)”船。

4　大洋工作海區(qū)天氣實(shí)況分析

4.1北大西洋天氣形勢(shì)分析

根據(jù)NCEP再分析資料繪制的實(shí)況圖分析，在“大洋一號(hào)”第二十六航次第二航段大西洋工作海區(qū)，6月19日有一高壓系統(tǒng)，其中心位于（44°W，28°N），中心氣壓1026 hPa。在高壓中心的東北（26°W，38°N）和西北（56°W，40°N）兩側(cè)分別有一低壓，中心氣壓均為1012 hPa（見(jiàn)圖1 a）。在25°N以南的北大西洋地區(qū)以東到東北風(fēng)為主，45°—55°W有一風(fēng)速大于9 m/s的偏東風(fēng)大值區(qū)，在北非西岸附近（20°W，20°N）有一小范圍的東北風(fēng)大值區(qū)（見(jiàn)圖1d）。6月19—23日，高壓和兩個(gè)低壓系統(tǒng)逐漸向東北方向移動(dòng)。高壓由準(zhǔn)橢圓緯向型逐漸變?yōu)闁|北-西南帶狀分布，強(qiáng)度先減弱后加強(qiáng)。在高壓西北方向的低壓則在移動(dòng)過(guò)程中發(fā)展，22日低壓中心氣壓最低為994 hPa（見(jiàn)圖1b）。在低壓東南象限30°—40°N范圍內(nèi)有西南風(fēng)的大風(fēng)區(qū)存在，并隨低壓自西向東移動(dòng)（見(jiàn)圖1e）。22—23日，北非西岸東北風(fēng)明顯增大，風(fēng)速大于10 m/s的大風(fēng)區(qū)向西擴(kuò)大到30°W附近。同時(shí)，在（15°W，30°—35°W）有新生的東北風(fēng)大風(fēng)區(qū)，風(fēng)速最大值達(dá)13 m/s。6月24—25日，高低壓系統(tǒng)均減弱北抽，北非西岸的東北風(fēng)也明顯減弱。在此期間，北大西洋西部25°N以南的偏東風(fēng)變化不大，風(fēng)速大值區(qū)的主體始終位于40°W以西。

6月26日在（50°W，34°N）附近有新生高壓，6 月27—29日新生高壓系統(tǒng)發(fā)展加強(qiáng)，并向東北方向移動(dòng)，北大西洋西部的偏東風(fēng)大值區(qū)逐漸消失，25°N以南30°W以西的洋面上為比較均一的東到東北風(fēng)。6月30日—7月2日，高壓中心穩(wěn)定于33°W，37°N附近，7月1日高壓中心氣壓達(dá)到1031 hPa（見(jiàn)圖1c）。北非西岸10°—25°W，20°—35°N的東北風(fēng)再次增大，形成較大范圍的風(fēng)速在10 m/s以上的東北大風(fēng)區(qū)（見(jiàn)圖1f）。

4.2船舶實(shí)測(cè)資料分析

根據(jù)觀測(cè)資料可以看出，工作海區(qū)氣壓值在1011—1026 hPa之間變動(dòng)，風(fēng)力以3—5級(jí)為主。6 月19日工作海區(qū)偏東風(fēng)5級(jí)；6月20—21日工作海區(qū)位于高壓中心附近，風(fēng)速較?。?月25—26日工作海區(qū)位于高壓底部，東北風(fēng)4—5級(jí)；6月27—28日高壓系統(tǒng)逐漸增強(qiáng)，工作海區(qū)出現(xiàn)了14 m/s的東北大風(fēng)。6月29日—7月2日，船舶航行至低緯度地區(qū)，天氣系統(tǒng)較弱，氣壓逐漸降低，風(fēng)速較?。ㄒ?jiàn)表1）。

圖1　海平面氣壓場(chǎng)（a—c）和10 m風(fēng)場(chǎng)（d—f）實(shí)況圖（▲：“大洋一號(hào)”考察船位置）

表1　第2航段船舶氣象觀測(cè)資料

5　WRF模式預(yù)報(bào)結(jié)果分析

5.1預(yù)報(bào)天氣形勢(shì)分析

根據(jù)WRF模式48h海平面氣壓場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果分析，6月19日北大西洋主要受一個(gè)龐大的高壓系統(tǒng)控制，其中心位于（44°W，29°N），中心氣壓1025 hPa。在高壓中心的東北和西北方向各有一個(gè)低壓中心，分別位于（25°W，39°N）和（59°W，38°N），中心氣壓分別為1011 hPa、1012 hPa（見(jiàn)圖2a）。6月19—23日，高低壓逐漸向東北方向移動(dòng)，高壓系統(tǒng)由準(zhǔn)橢圓緯向型逐漸變?yōu)闁|北-西南帶狀分布，強(qiáng)度先減弱再加強(qiáng)。在移動(dòng)過(guò)程中，位于高壓西北方向的低壓系統(tǒng)則先加強(qiáng)后減弱，22日低壓中心位于（46°W，39°N），中心氣壓為998 hPa（見(jiàn)圖2b）。6月24—25日高低壓逐漸減弱北抽。6月26日在（50°W，33°N）附近有一高壓生成，6月27—29日新生高壓發(fā)展加強(qiáng)，并向東北方向移動(dòng)，6月30日—7月2日，高壓中心穩(wěn)定于33°W，37°N附近，7月1日高壓中心氣壓達(dá)到1030 hPa（見(jiàn)圖2c）。

通過(guò)與實(shí)況（見(jiàn)4.1）的對(duì)比分析不難看出，在海平面氣壓場(chǎng)的變化趨勢(shì)、高低壓系統(tǒng)范圍和強(qiáng)度等方面，WRF模式48 h氣壓預(yù)報(bào)場(chǎng)與實(shí)況場(chǎng)趨于一致，高低壓中心位置預(yù)報(bào)與實(shí)況的誤差只有約1°，中心氣壓值的預(yù)報(bào)絕對(duì)誤差較小。

圖2　WRF模式48 h海平面氣壓場(chǎng)預(yù)報(bào)圖

5.2預(yù)報(bào)10 m風(fēng)場(chǎng)分析

根據(jù)WRF模式48小時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)[9]預(yù)報(bào)結(jié)果分析，6月19日在25°N以南的北大西洋地區(qū)為東到東北風(fēng)，風(fēng)速在8 m/s以上。其中，在40°W以西，20°N以南的北大西洋洋面上盛行偏東風(fēng)，風(fēng)速約10 m/s。同時(shí)在（22°W，17°N）附近有一小范圍的東北風(fēng)大值區(qū)，最大風(fēng)速約10 m/s（見(jiàn)圖3a）。6月19—24日，在28°N以北有風(fēng)速大于10 m/s的西南風(fēng)大風(fēng)區(qū)發(fā)展東移。22—23日，北非西岸20°N和33°N附近的東北風(fēng)明顯增大，形成南北兩個(gè)大風(fēng)區(qū)，最大風(fēng)速約12 m/s（見(jiàn)圖3b）。6月24日，北非西岸北部的東北風(fēng)繼續(xù)增大，大風(fēng)區(qū)向西南方向擴(kuò)展至25°N附近，南部東北大風(fēng)區(qū)則減弱消失。6月25—26日，20°N以南，40°W以西的偏東風(fēng)略有增大，北非西岸的東北風(fēng)減弱。6月27日—7月2日，北大西洋風(fēng)場(chǎng)表現(xiàn)出穩(wěn)定的反氣旋環(huán)流形勢(shì)，以東到東北風(fēng)為主，風(fēng)速逐漸增大。北非西岸的東北風(fēng)增大較快，風(fēng)速在10 m/s左右的大風(fēng)區(qū)沿北非西岸向東北-西南方向擴(kuò)展，形成較大范圍的東北大風(fēng)區(qū)。35°W以西，25°N以南則維持穩(wěn)定的偏東風(fēng)，風(fēng)速約8—10 m/s（見(jiàn)圖3c）。

通過(guò)與實(shí)況（見(jiàn)4.1）的對(duì)比可見(jiàn)，WRF模式48小時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)場(chǎng)能較好的反映出北大西洋10 m風(fēng)的變化趨勢(shì)，特別是對(duì)北大西洋西部偏東大風(fēng)和北非西岸東北大風(fēng)的刻畫(huà)，與實(shí)況基本一致，風(fēng)速絕對(duì)誤差小于等于2 m/s，大風(fēng)區(qū)范圍基本吻合。

5.3WRF格點(diǎn)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)驗(yàn)證及誤差分析

根據(jù)“大洋一號(hào)”科考船所在的經(jīng)緯度，利用WRF模式輸出的格點(diǎn)數(shù)據(jù)（12 h），選取距離該船舶最近的4個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行差值計(jì)算，得到船舶所在位置WRF模式的定時(shí)、定點(diǎn)風(fēng)速與氣壓預(yù)報(bào)值。本航段工作海區(qū)無(wú)小尺度天氣擾動(dòng)，風(fēng)向符合地轉(zhuǎn)風(fēng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，根據(jù)連續(xù)性原理，近似取網(wǎng)格差值為風(fēng)向預(yù)報(bào)值。為量化的分析WRF模式的預(yù)報(bào)精度，對(duì)本航次風(fēng)場(chǎng)、氣壓場(chǎng)相對(duì)誤差、平均誤差、絕對(duì)誤差與均方根誤差進(jìn)行了計(jì)算。

平均誤差(Mean Error or bias，ME):

平均絕對(duì)誤差(Mean-Absolute error, MAE):

均方根誤差(Root-Mean-Square Error, RMSE):

圖3　WRF模式48小時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)圖

圖4　航線風(fēng)速預(yù)報(bào)值、實(shí)況值及誤差分析圖

式中，xi模式輸出數(shù)據(jù)，oi觀測(cè)數(shù)據(jù)，n表示樣本個(gè)數(shù)。

通過(guò)對(duì)比分析6月19日—7月2日“大洋一號(hào)”的船載觀測(cè)實(shí)況數(shù)據(jù)與WRF模式預(yù)報(bào)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，WRF模式的風(fēng)速預(yù)報(bào)相對(duì)誤差在-1.2—1.5 m/s之間，平均誤差為0.19 m/s，絕對(duì)誤差為0.62 m/s，均方根誤差為0.76 m/s，風(fēng)向預(yù)報(bào)相對(duì)誤差在-15°—11°之間，平均誤差為-0.64°，絕對(duì)誤差為6.21°，均方根誤差為7.30°，氣壓預(yù)報(bào)相對(duì)誤差在-0.3—0.3 hPa之間，平均誤差為-0.0642 hPa，絕對(duì)誤差為0.1786 hPa，均方根誤差為0.1909 hPa，（見(jiàn)表2、圖4、圖5）。從誤差統(tǒng)計(jì)情況來(lái)看，該模型在風(fēng)速、風(fēng)向、氣壓的預(yù)報(bào)方面表現(xiàn)出較為合理結(jié)果?？梢?jiàn)在本航段的大西洋工作海區(qū)，由于下墊面單一，側(cè)邊界相對(duì)遠(yuǎn)離海岸線，在不考慮側(cè)邊界影響的條件下，該預(yù)報(bào)模式可以得到較好的結(jié)果，能相對(duì)真實(shí)的反映出工作海區(qū)的天氣形勢(shì)和風(fēng)場(chǎng)變化。對(duì)于類(lèi)似海區(qū)，預(yù)報(bào)員可以嘗試參考使用WRF模式的預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)訂正預(yù)報(bào)員主觀預(yù)報(bào)，提高隨船預(yù)報(bào)的精細(xì)化程度。

圖5　航線氣壓預(yù)報(bào)值、實(shí)況值及誤差分析圖

表2　預(yù)報(bào)結(jié)果誤差分析

6　結(jié)論

此次大洋環(huán)球科考海區(qū)隨船預(yù)報(bào)首次引入了WRF數(shù)值預(yù)報(bào)模式，從初步的對(duì)比分析可以看出，WRF模式作為新一代中尺度模式[10]在大洋預(yù)報(bào)中有很好的表現(xiàn)，預(yù)報(bào)的天氣形勢(shì)與實(shí)況完全吻合，預(yù)報(bào)的風(fēng)速風(fēng)向與隨船實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本一致。其指定預(yù)報(bào)場(chǎng)可以覆蓋大洋科考的所有工作海區(qū)，這可以較好的解決偏遠(yuǎn)工作海區(qū)無(wú)法接收氣象傳真圖，以及預(yù)報(bào)圖不能完全覆蓋工作海區(qū)的現(xiàn)狀，驗(yàn)證了WRF模式在隨船預(yù)報(bào)中的可用性。該模式給大洋科考隨船預(yù)報(bào)提供了一種新的預(yù)報(bào)途徑，能為大洋科考船舶與設(shè)備提供更好的氣象安全保障，為今后開(kāi)展大洋科考工作海區(qū)精細(xì)化業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)提供依據(jù)。

本文僅對(duì)WRF模式48 h預(yù)報(bào)場(chǎng)做了較短時(shí)間的對(duì)比檢驗(yàn)，海區(qū)也僅限定為大西洋。將來(lái)在“大洋一號(hào)”環(huán)球航次中，仍需對(duì)南大西洋、印度洋、太平洋等其他大洋做長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用檢驗(yàn)，并適當(dāng)延長(zhǎng)預(yù)報(bào)時(shí)效，從而進(jìn)一步驗(yàn)證WRF模式在大洋預(yù)報(bào)中的可行性與準(zhǔn)確性。

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Weather forecasting with WRF model for“Da yang No.1”

GAO Shan, JIANG Chong-bo，LIU Gui-yan，GUO Jing-tian, REN Lin-kai
(North China Sea Marine Forecasting center of State Oceanic Administration, Qingdao 266100 China)

Abstract：In this paper, the WRF model is used in weather forecasting for Scientific Ocean expeditions for the first time. According to analysis of sea level pressure and 10 m wind outputted by the WRF model, the results from the WRF model are almost agreement with actual weather over the scientific investigation sea. Wind outputted by the WRF Model could indicate variation characteristics of actual 10 m wind over the North Atlantic Ocean. Error analysis shows that absolute error of wind speed is about between 0.1 m/s to 1.5 m/s. The absolute error of wind direction is about between 1°to 15°. As for sea level pressure, its absolute error is about 0.1 hPa to 0.3 hPa. Subjective forecasting based on the WRF model is in close proximity to ship observation. The WRF model could be a useful tool in weather forecasting for the marine scientific study.

Key words：WRF；scientific ocean expeditions；numerical prediction

作者簡(jiǎn)介：高山（1979-），男，工程師，主要從事海洋預(yù)報(bào)與大洋科考海區(qū)預(yù)報(bào)。E-mail: 91gs@163.com

基金項(xiàng)目：大洋科考海區(qū)精細(xì)化預(yù)報(bào)研究（2014B13）；國(guó)家海洋局青年海洋科學(xué)基金（2012207）

收稿日期：2014-02-18

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.007

中圖分類(lèi)號(hào)：P732

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0239（2015）01-0046-07