WRF模式及WRF三維變分同化系統(tǒng)在BMB應(yīng)用報(bào)告

1、WRF模式及WRF三維變分同化系統(tǒng)在BMB應(yīng)用報(bào)告范水勇仲躋芹WRF三維變分同化系統(tǒng)（WRFvar）經(jīng)NCAR/MMM 科學(xué)家的不斷研發(fā)，在同時(shí)兼容 MM5和WRF兩個(gè)模式數(shù)據(jù)接口的基礎(chǔ)上，比 MM5三維變分同化系統(tǒng)（MM53dvar ）增加 了許多新的技術(shù)，如加入了新的地面資料同化方法（sfc-assi-options=2 ）,可同化更多的地面觀測資料；支持多種控制變量的配置 （cv-option=2/3/4/5）,滿足區(qū)域和全球模式的需求；集成 新的背景場誤差計(jì)算軟件（gen_be）,可以結(jié)合本模式生成更優(yōu)的背景場；支持 MPI并行計(jì) 算，極大提高計(jì)算效率。通過前期在NCAR計(jì)算環(huán)境的測試

2、（05年7-11月）及05年12月在BMB計(jì)算環(huán)境的測試，表明 WRFvar與MM5模式系統(tǒng)的兼容性不存在問題。從 06年1月 15日起，北京市氣象局的 MM5中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的重要部分一三維變分同化系統(tǒng)由 原來的MM5三維變分系統(tǒng)更新為最新釋放的WRF三維變分系統(tǒng)（WRFvar）。該系統(tǒng)目前在27和9km兩個(gè)模式區(qū)域運(yùn)行（ 3km區(qū)不做同化），同化常規(guī)探空和地面觀測料 （TEMP/SYNOP ）及北京地區(qū)90多個(gè)地面自動(dòng)站觀測資料（ AWS , 06年5月加入同化）， 由于北京地區(qū)的復(fù)雜地形，地面觀測同化選項(xiàng)仍采用sfc-assi-options = 1，考慮剔除模式最低層和觀測站點(diǎn)的

3、高度差超過100米的觀測；利用1月15日至2月15日的模式預(yù)報(bào)場，采用gen_be軟件包計(jì)算了 2至5月份系統(tǒng)運(yùn)行所需的冷季背景場誤差（1月份系統(tǒng)運(yùn)行的背景場誤差采用原T213為背景場的模式預(yù)報(bào)計(jì)算出的冷季背景場誤差）；控制變量選項(xiàng) cv-option=5,采用流函數(shù)、非平衡速度勢、非平衡溫度、假比濕和非平衡地面氣壓為控制變量。經(jīng)過半年的業(yè)務(wù)運(yùn)行，WRFvar保持了很穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。單線程運(yùn)行完成同化分析 的時(shí)間約2分鐘（由于單線程運(yùn)行時(shí)間已能滿足要求，故未采用并行運(yùn)行） ，迭代基本在20 步左右收斂，體現(xiàn)了該系統(tǒng)在 BMB的曙光高性能計(jì)算環(huán)境（AMD opetron CPU，主頻2.0Ghz

4、, Redhat linux 8系統(tǒng)，pgf6.0編譯軟件）的適應(yīng)能力；資料同化過程基本正常，同化分析及預(yù) 報(bào)效果較MM53dvar有所提高，達(dá)到了預(yù)期水平，顯示了該系統(tǒng)本身的同化能力及與MM5模式的很好的兼容性。06年5月份，研究人員在BMB另一臺(tái)高性能計(jì)算機(jī) （16個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)2個(gè)AMD opetron CPU ,主頻 1.6G, Suse linux 8 系統(tǒng)，pgf6.0 編譯軟件，MPI 并行）建立了 WRF 數(shù) 值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并于6月4日開始與MM5數(shù)值預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行并行運(yùn)行測試。該系統(tǒng)包含 最新釋放的 WRF前處理（WRFSI）、WRF模式（WRFV2.1 ）和 WRFvar

5、系統(tǒng)，采用27-9km兩重嵌套，格點(diǎn)數(shù)151x151、142x184，物理方案配置為：Lin微物理，KF積云參數(shù)化，RRTM 長波輻射，Duhdia短波輻射，YSU邊界層，積分步長150s, 48h預(yù)報(bào)。WRFvar同化在兩個(gè)區(qū)域運(yùn)行，同化常規(guī)探空和地面觀測( TEMP/SYNOP )，尚未同化自動(dòng)站資料(AWS ),單 線程運(yùn)行約2分30秒(未并行運(yùn)行)；WRF模式積分在25個(gè)CPU上運(yùn)行(13個(gè)節(jié)點(diǎn)，其 中一個(gè)節(jié)點(diǎn)只使用一個(gè) CPU)，耗時(shí)約2小時(shí)。在WRF數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)的并行運(yùn)行測試中，研究人員發(fā)現(xiàn)地面2米溫度的預(yù)報(bào)比實(shí)況偏低很多(尤其在夜間)，比MM5業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)也偏低。于是針對(duì) WRF模式

6、的邊界層方案和輻 射方案進(jìn)行了敏感性試驗(yàn)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)如下：試驗(yàn)個(gè)例為6月17日00UTC的預(yù)報(bào)，17日和18日北京受高脊控制，天氣晴好，該次WRF預(yù)報(bào)和MM5業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)情況及實(shí)況見下表；WRF 9kmMM5 9km氣象臺(tái)預(yù)報(bào)觀象臺(tái)實(shí)況18日05點(diǎn)(BJT) 2m溫度1422夜間最低2123.618日14點(diǎn)(BJT) 2m溫度3132白天取同3537.1試驗(yàn)采用AVN分析場作背景場，不同化任何觀測資料。對(duì)邊界層方案(YSU、MYJ、MRF)和輻射方案(RRTM長波輻射，Dudhia、Goddard短波輻射)進(jìn)行敏感性試驗(yàn)，試驗(yàn)1 (exp1) 為 YSU + Duhdia，試驗(yàn) 2 (exp2)為

7、YSU + Goddard，試驗(yàn) 3 (exp3)為 MYJ + Dudhia,試 驗(yàn) 4 (exp4)為 MYJ + Goddard，試驗(yàn) 5 (exp5)為 MRF + Dudhia，試驗(yàn) 6 (exp6)為 MRF + Goddard;同化試驗(yàn)分兩組，第一組試驗(yàn)采用27-9km兩重嵌套，9km區(qū)動(dòng)、靜態(tài)信息都直接由27km插值而成，分別進(jìn)行試驗(yàn)1至5;第二組試驗(yàn)采用 27km單重嵌套，分別進(jìn)行試驗(yàn)1至6。試驗(yàn)情況如下： 第一組試驗(yàn)：圖1a和1b是采用MYJ和YSU邊界層方案 WRF模式2m溫度預(yù)報(bào)的差值(exp3-exp1)，圖2a和2b是采用MYJ和MRF邊界層方案 WRF模式2m溫度

8、預(yù)報(bào)的差值 (exp4-exp6) , a是模式18日02 BJT的預(yù)報(bào)，b是模式18日14 BJT的預(yù)報(bào)，實(shí)線為正值， 虛線為負(fù)值，等值線間隔 0.1度。可以看出 MYJ比YSU和MRF方案在夜間的溫度要高， 在白天的溫度要低， YSU邊界層方案使白天的地面溫度升高很快，使夜間地面溫度降溫很 快，MRF方案同樣使白天的地面溫度升高很快，使夜間地面降溫很快，但升降溫幅度略小 于YSU，而MYJ方案的溫度日變化較 YSU和MRF平緩。圖3a和b是采用Dudhia和Goddard 短波輻射方案 WRF模式2m溫度預(yù)報(bào)的差值(exp1-exp2)，可以看出采用 Goddard方案后 白天的增溫比Du

9、dhia快很多，其原因是Goddard方案的短波加熱率比 Dudhia要大，同時(shí)這 種增溫產(chǎn)生的效應(yīng)也影響到夜間，使夜間的低溫 Goddard也比Dudhia要稍高。Dbtiuel. wrf WYJ-IXidhSh RIP: MHDnK: ODDO UTC 5At IT JhJ為(HlFMt; 19430 HViBAs IlflQO UTC 3虻 口 Jjh W皿00 LOT 知H 16 AJft 09)2uri»cfl air UmpaTHLuNam" Idlfi. Erert iiAiQ-wTC-mi-IXjdbkt. Unw- 33.00DaUL TFf MYJ Du

10、dbln KF dliflull COQC UTC Sbt 1? Jun D6FM； 30 hftlid; QKO UTC Sva 】H Jllii M (1400 LD7 SUH IS 臨間Surfaca aJr LBaiparajniBai I(dUL It*m caBfl-wrf-raJ-Eiidlilri, tbri&»- 3D.(KI)DeLu el: irrf-MYJ-tkjd.Mrd 3JT: 土ffPest: M.g liS-jrfMt 41r tdmpeirfituH>仙扉.h-nrr. n圖1 MYJ和YSU方案的2m溫度預(yù)報(bào)差值(exp3-exp1

11、), a： 18日02BJT預(yù)報(bào)；b: 18日14BJT預(yù)報(bào)，間隔0.1度InH:眥(M I7TC Sai I 十 Juzi 睥 UhUjwt: wrf HYJ Cddard THF:tn IL MC® EC 51 IT Ju 加 Vnild: IflCti tPC Sai !*> Ju Ofi理Dfi Utt 加r» :S hin dn) Fm： M.M h假lid; D&00 TTC 南H LH JlDi 睥 1JDT Stub L6 ；US 00)Sur.rREn bJf LKnaana.urHam I(dUF. c*M-wI-HHF-C>!jdJ

12、±ir-d, 33.03圖2 MYJ和MRF方案的2m溫度預(yù)報(bào)差值(exp4-exp6) , a： 18日02BJT預(yù)報(bào)；b: 18日14BJT預(yù)報(bào)，間隔0.1度Dbtue-t. wif YE¥ OudhlA RIF: dinIhIL. DODO UTC S&L 17 Jdfl D6Fart; h.VKJd IBOC UTC Sit 押 JUh l» (OSCO LETT Sun IB JUTa 網(wǎng)SuKd akr LamparHluniB3i= Ifdifi. Eran gwMrf-招BE.OC)DatAMt: wrf YBU- Dudhld SIP.

13、d'.ffUnfit: 0CO0 UTC Ent 111 Jun GEFMl； 30.00 hlld; 9800 VTC 如It LS Jim <W (1400 IDT An 16 JUnSuf/heb hIf L*sipHr&lu.ra.am*1 I(dUr Jtom cawwrT-raJ-C&diUM. U- WELgj1EKE I V：»圖3 Dudhia和Goddard方案的2m溫度預(yù)報(bào)差值exp1-exp2), a： 18 日 02BJT 預(yù)報(bào)；b: 18 日 14BJT 預(yù)報(bào)，間隔 0.1 度綜合來看，如白天溫度預(yù)報(bào)偏低可采用YSU或MRF

14、+ Goddard提高預(yù)報(bào)，夜間溫度預(yù)報(bào)偏低可采用MRF或MYJ + Goddard提高預(yù)報(bào)。第二組試驗(yàn)試驗(yàn)：在該組試驗(yàn)里，主要想考察采用不同的方案組合后對(duì)各預(yù)報(bào)量(u、t、p、q)的影響，并不單純看溫度的變化，因此采用NCAR的檢驗(yàn)包對(duì)各不同方案組合后的模式48h預(yù)報(bào)進(jìn)行檢驗(yàn)，考慮到SYNOP常規(guī)地面觀測的分辨率與模式的分辨率( 27km)接近，故主要對(duì)SYNOP觀測進(jìn)行檢驗(yàn)。以下是各不同方案組合的模式預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果。* YSU+Dudhia- - YSU+Goddard MYJWudhia MYJ+Goddard MRF+Dvdtiia MRF+Goddard0.0055圖4 6月17日00

15、UTC的48h預(yù)報(bào)檢驗(yàn)結(jié)果（RMS）（橫坐標(biāo)：預(yù)報(bào)時(shí)長，縱坐標(biāo)單位依次分別為：m/s, k, Pa, kg/kg）可以看出采用 MYJ + Goddard或Dudhia的組合對(duì)于2m風(fēng)的預(yù)報(bào)效果最好（V風(fēng)情況與U 相同，圖略），但對(duì)于T2m/Ps/Q2m的預(yù)報(bào)都較其他組合要差，用 YSU和MRF邊界層方案 的預(yù)報(bào)效果相差不大，WRF模式未來的發(fā)展是用YSU取代MRF ,但是從此個(gè)例看U2m/Ps/Q2m都是MRF要好一點(diǎn)，因此YSU要取代MRF還需進(jìn)一步的發(fā)展。 采用Godddar 短波方案對(duì)于白天 T2m的預(yù)報(bào)要優(yōu)于 Dudhia方案，夜間T2m預(yù)報(bào)略差，但對(duì)U2m/Ps/Q2m 的預(yù)報(bào)都要

16、比Dudhia方案差。綜合考慮，目前采用 MRF + Duhdia方案似乎要好一點(diǎn)。以上試驗(yàn)從設(shè)計(jì)到分析都還比較粗淺：邊界層方案的變換會(huì)影響到整個(gè)邊界層甚至上層大氣，與云物理方案作用影響降水，僅從地面要素來判斷方案的好壞很不夠；僅從一個(gè)晴空大氣個(gè)例來分析方案的好壞也很不夠，應(yīng)該有個(gè)長期的比較。 另外，從前期的研究（from仲躋芹）來看，WRF模式本身對(duì)地面要素的預(yù)報(bào)就要差于MM5 , WRF模式對(duì)地面要素的預(yù)報(bào)需要改進(jìn)。同時(shí)，我們繪制了WRF和MM5的初始場，發(fā)現(xiàn)在初始場里模式最低層的溫度就有1度多的差，WRF比MM5低（見圖5,為了看清楚截出模式 27km區(qū)域中間部分）， 認(rèn)為這也是 WRF地面溫度預(yù)報(bào)偏低的一個(gè)主要原因，WRF模式的初始分析（SI/real）也需要改進(jìn)。（下一步工作想請(qǐng)黃老師和郭老師幫忙設(shè)計(jì)更合理的試驗(yàn)方案來進(jìn)一步的深入，同時(shí)本人對(duì)采用MYJ方案后質(zhì)量場的預(yù)報(bào)變差但風(fēng)場的預(yù)報(bào)卻變好想不出合理的物理解釋，請(qǐng)兩 位老師幫忙看看）Dbtaiei. wiflspiiLt KIP. dl；l*Fea* O.QQ hVflBij： DDGQ UTC SM W ImVompcmLimaL k ndax "SffInit:血口DO UTC 5fit