WRF和MM5模式对辽宁暴雨模拟的对比分析

WRF 和MM5模式对辽宁暴雨模拟的对比分析

刘宁微　王奉安

(中国气象局沈阳大气环境研究所,沈阳110016)

作者简介:刘宁微,女,1977年生,硕士,实习研究员,主要从事中尺度数值模拟研究,Email :lningwei @ 收稿日期:2005年3月15日;定稿日期:2005年8月29日

摘要　用近年开发的新一代中尺度预报模式WRF (Weather Research Forecast )和已被广泛应用的MM5模式分别模拟研究了2002年8月3～4日发生在辽宁的一次区域性暴雨过程。模拟结果显示WRF 模式能够比较成功地反映出导致暴雨发生的高低空环流背景和暴雨的分布状况;WRF 和MM5模拟结果的对比分析表明:由于WRF 的动力框架具有一定的优越性使得模式结果得到改善,在前处理和所选物理过程相同的情况下,WRF 模式对能够代表本次暴雨过程中中尺度天气系统的高度场、风场、散度场、水汽通量场以及垂直速度场等物理量的模拟效果要好于

MM5。高空形势场的影响使WRF 模拟的降水落区和强度更接近实况。

关键词　WRF MM5　暴雨　数值模拟

引言

近年来,国内外不断发展的各种中尺度模式已经能对不同的中尺度现象做出较好的模拟和解释[1～6],其中MM5是在中国应用范围比较广泛的中尺度数值模式。从20世纪70年代开始,中尺度数值模式MM5在不断的改进过程中逐步得到完善,在科学研究和实际天气预报中都得到了大量的应用。目前,MM5除了应用于暴雨、台风等短期天气研究以外,还应用于空气污染预报以及区域气候研究等许多领域。WRF 是由美国许多研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统,具有诸多优点,它的目标是最终代替那些复杂而又使用了许多年的区域模式。WRF 第1版的发布在2000年10月。模拟和实时预报试验表明,WRF 模式系统在预报各种天气中都具有较好的性能,能够比较成功地再现中尺度过程中环流形势的演变和雨带分布特征[7～9]。但到目前为止WRF 还不是十分成熟,还没有在中国得到大量的运用。

本文利用中尺度数值模式MM5(v3.6)和WRF (v1.3),以发生在辽宁的一次区域性暴雨为研究对

象进行数值模拟试验,通过对2组模拟结果的比较分析WRF 对辽宁暴雨中尺度系统的适用情况和预报能力。1　天气过程概述

2002年8月3日20:00至4日20:00,辽宁的

营口、鞍山、丹东等8个站出现了大暴雨天气,其中有3个站为特大暴雨,并形成2个强降水中心,一个出现在海城(122.7°E ,40.9°N )—大石桥(122.3°E ,40.7°N ),降水量分别为296.1和262.1mm ;另一个出现在东港(124.2°E ,39.9°N ),降水量为206.9mm 。这是2002年汛期出现的最强降水过程,主要

降水时间集中在8月4日02:00～20:00,图1a 为24h 降水实况。从降水较强的时刻4日14:00来看,在850hPa 风场和高度场(图1b )上,40°～41°N 存在一个1400gpm 的低压中心,并伴随着风的切变;从辽东半岛到辽宁东部有一束西南急流(阴影区),风速为10～16m/s ,宽度约5个纬距,西南急流带来的大量水汽为暴雨的产生提供了有利的条件。由此可以看出,低压中心、低空切变在辽宁南部的维持所导致的强烈上升运动以及暖湿空气大量移入所带来的丰富水汽是这次暴雨产生的主要原因。

第34卷第4期2006年8月 气　象　科　技M ETEOROLO GICAL SCIENCE AND TECHNOLO GY

Vol.34,No.4

Aug.2006

图1　(a )2002年8月3日20:00至4日20:00降水实况(mm ),

(b )8月4日14:00850hPa 高度场(gpm )、风场和急流(m/s )

2　试验方案设计本文利用的模式是WRF (v1.3)和MM5(v3.6)。选用NCEP 的全球再分析资料,一日4次,水平分辨率为1°×1°。由于中尺度模式对其初始场和边界条件的依赖性,模式的前处理过程将会影响到模式结果[7],因此本文对WRF 和MM5使用了相同的前处理方法,由此产生相同的初始场和侧边界。在WRF 和MM5中选择相同的物理过程:KF 积云参数化方案和MRF 行星边界层方案,以便后面模拟结果的对比分析。模拟区域的网格中心选取120°E 、43°N ,格距为30km ,水平格点数东西方向61,南北方向57。模式运行时间为36h (8月3日08:00至4日20:00),输出频率为1h 。

3　模拟结果的比较与分析3.1　降水的比较与分析

图2是2种模式模拟的24h (8月3日20:00到4日20:00)降水分布。与实况对比,MM5和WRF 的模拟结果都出现了若干个降水中心,但其落

区和强度有明显差别。MM5共模拟出5个大于等于100mm 的降水中心(图2a ),最大值为120mm 左右。其中122°E 、40°～41°N 附近的降水中心对应着实况图中的海城—大石桥,这一中心的位置模拟得较为准确,但强度偏小。其它几个中心有的位置偏离太远,有的则是虚假中心。WRF 模拟出2个降水中心(图2b ),分别位于122°E 、40.7°N 和124.5°E 、40.5°N ,后者比实况略偏北,降水量分别超过

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图2　MM5(a )和WRF (b )模拟的8月3日20:00至4日20:0024h 降水(mm )分布

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mm 和100mm 。与实况相比,降水落区的模拟比较

准确,但强度也偏小。

由以上对比可知,与MM5相比,WRF 模拟的降水落区要精确得多。在降水强度方面,虽然WRF 的模拟结果比MM5略大一些,但是均小于实况,其中原因之一可能是所用资料的精度不够。3.2　物理量场的比较与分析3.2.1　高度场、风场和急流

暴雨的产生总是与一定的环流背景密切相关[10],由前面的分析可知本次降水是由低压中心和低空切变在辽宁南部的维持所诱发的,因此对高度场和风场的模拟效果直接影响到对暴雨模拟的成功

与否。由MM5和WRF 模拟的2002年8月4日14:00的850hPa 高度场、风场和急流与相应时刻的实况(图1b )对比可以看出,MM5模拟的低压中心比实况偏西约130km 左右(图3a ),而WRF 模拟的低压中心位置和大小与实况基本吻合(图3b )。WRF 模拟的低压中心最大强度为1390gpm ,比MM5的结果略低,前面所述的WRF 比MM5模拟

的降水强度略大可能也与此有一定关系。MM5和WRF 模拟的风矢量切变与实况都比较接近,但MM5对低空急流(阴影区)的模拟效果不如WRF ,风速大值区域与实况差别较大,且预报出了20m/s 的过强风速中心

。

图3　MM5(a )和WRF (b )模拟的8月4日14:00850hPa 高度场(gpm )、风场和急流(m/s )

3.2.2　流场与水汽场由上述分析可见,WRF 相对于MM5对本个例

模拟的优越性,然而仅从一个时间点来比较是不足以说明问题的。图4给出了2种模式在不同高度上的6h (8月3日20:00到4日02:00)平均流场和水汽通量散度场,可以发现二者有较好的配置关系,其中WRF 模拟的850hPa 低层辐合强度(图4a )略大于MM5(图4b ),500hPa (图4c ,4d )和200hPa (图4e ,4f )中、高空流场差别不大。水汽通量散度(F )与大气的强对流活动密切相关,尤其是大气低层水汽通量的辐合是形成暴雨的重要条件之一。在850hPa 高度上,WRF 模拟的F 平均值(图4b )在降水区域达到-300～-250(10-9g ・s -1・cm -2・hPa -1,下同),同时部分地区F 为较小的正值;MM5的模拟值(图4a )为-50。在500hPa 高度上,WRF 模拟的降水区域F 平均值为0～-20

(图4d ),而MM5的模拟值除部分正值以外,F 的辐

合强度较小,只在很小范围内达到-20(图4c )。在200hPa 高度上,WRF 与MM5模拟的水汽通量均为辐散状态,WRF 模拟的最大F 值为3.2(图4f ),而MM5仅为1.2(图4e )。这说明相对于MM5,WRF 模拟的水汽通量低空辐合和高空辐散都比较

强烈,促进了水汽在垂直方向上的交换[11],有利于对流活动的发生,从而使降水量更大一些。对其余时刻的流场和水汽场做6h 平均,得出与图4相似的结果(图略)。3.2.3　散度与垂直速度

降水的变化依赖大尺度流场中的水汽输送和上升运动的变化2个因素。沿最大降水中心40.5°N 做1000～200hPa 的经度-高度垂直剖面,分别输出MM5和WRF 模拟的24h (8月3日20:00到4日20:00)平均散度和垂直速度场(图5)。可以看

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