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WRF模式及WRF三维变分同化系统在BMB应用报告.doc

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  • 卖家[上传人]:油条
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  • 上传时间:2017-11-21
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    • WRF 模式及 WRF 三维变分同化系统在 BMB 应用报告范水勇 仲跻芹WRF 三维变分同化系统(WRFvar)经 NCAR/MMM 科学家的不断研发,在同时兼容 MM5 和 WRF 两个模式数据接口的基础上,比 MM5 三维变分同化系统(MM53dvar)增加了许多新的技术,如加入了新的地面资料同化方法(sfc-assi-options=2) ,可同化更多的地面观测资料;支持多种控制变量的配置(cv-option=2/3/4/5),满足区域和全球模式的需求;集成新的背景场误差计算软件(gen_be) ,可以结合本模式生成更优的背景场;支持MPI 并行计算,极大提高计算效率通过前期在 NCAR 计算环境的测试(05 年 7-11 月) 及05 年 12 月在 BMB 计算环境的测试,表明 WRFvar 与 MM5 模式系统的兼容性不存在问题从 06 年 1 月 15 日起,北京市气象局的 MM5 中尺度数值预报业务系统的重要部分-三维变分同化系统由原来的 MM5 三维变分系统更新为最新释放的 WRF 三维变分系统(WRFvar) 该系统目前在 27 和 9km 两个模式区域运行(3km 区不做同化) ,同化常规探空和地面观测料(TEMP/SYNOP )及北京地区 90 多个地面自动站观测资料( AWS,06 年5 月加入同化) ,由于北京地区的复杂地形,地面观测同化选项仍采用 sfc-assi-options=1,考虑剔除模式最低层和观测站点的高度差超过 100 米的观测;利用 1 月 15 日至 2 月 15 日的模式预报场,采用 gen_be 软件包计算了 2 至 5 月份系统运行所需的冷季背景场误差( 1月份系统运行的背景场误差采用原 T213 为背景场的模式预报计算出的冷季背景场误差) ;控制变量选项 cv-option=5,采用流函数、非平衡速度势、非平衡温度、假比湿和非平衡地面气压为控制变量。

      经过半年的业务运行,WRFvar 保持了很稳定的运行状态单线程运行完成同化分析的时间约 2 分钟(由于单线程运行时间已能满足要求,故未采用并行运行) ,迭代基本在20 步左右收敛,体现了该系统在 BMB 的曙光高性能计算环境( AMD opetron CPU,主频2.0Ghz,Redhat linux 8 系统,pgf6.0 编译软件)的适应能力;资料同化过程基本正常,同化分析及预报效果较 MM53dvar 有所提高,达到了预期水平,显示了该系统本身的同化能力及与 MM5 模式的很好的兼容性06 年 5 月份,研究人员在 BMB 另一台高性能计算机(16 个节点,每个节点 2 个AMD opetron CPU,主频 1.6G,Suse linux 8 系统,pgf6.0 编译软件,MPI 并行)建立了WRF 数值预报系统,并于 6 月 4 日开始与 MM5 数值预报业务系统进行并行运行测试该系统包含最新释放的 WRF 前处理( WRFSI) 、WRF 模式( WRFV2.1)和 WRFvar 系统,采用 27-9km 两重嵌套,格点数 151x151、142x184,物理方案配置为:Lin 微物理,KF 积云参数化,RRTM 长波辐射,Duhdia 短波辐射,YSU 边界层,积分步长 150s,48h 预报。

      WRFvar 同化在两个区域运行,同化常规探空和地面观测(TEMP/SYNOP) ,尚未同化自动站资料(AWS) ,单线程运行约 2 分 30 秒(未并行运行) ;WRF 模式积分在 25 个 CPU 上运行(13 个节点,其中一个节点只使用一个 CPU) ,耗时约 2 小时在 WRF 数值预报系统的并行运行测试中,研究人员发现地面 2 米温度的预报比实况偏低很多(尤其在夜间) ,比 MM5 业务预报也偏低于是针对 WRF 模式的边界层方案和辐射方案进行了敏感性试验,试验设计如下:试验个例为 6 月 17 日 00UTC 的预报,17 日和 18 日北京受高脊控制,天气晴好,该次 WRF 预报和 MM5 业务预报情况及实况见下表;WRF 9km MM5 9km 气象台预报 观象台实况18 日 05 点(BJT)2m 温度 14 22 夜间最低 21 23.618 日 14 点(BJT)2m 温度 31 32 白天最高 35 37.1试验采用 AVN 分析场作背景场,不同化任何观测资料对边界层方案(YSU、 MYJ、 MRF)和辐射方案(RRTM 长波辐射, Dudhia 、Goddard 短波辐射)进行敏感性试验,试验 1(exp1)为 YSU+Duhdia,试验 2(exp2 )为 YSU+Goddard ,试验3(exp3)为 MYJ+Dudhia,试验 4(exp4)为 MYJ+Goddard,试验 5(exp5)为MRF+Dudhia,试验 6(exp6)为 MRF+Goddard;同化试验分两组,第一组试验采用 27-9km 两重嵌套,9km 区动、静态信息都直接由 27km 插值而成,分别进行试验 1 至 5;第二组试验采用 27km 单重嵌套,分别进行试验 1 至 6。

      试验情况如下:第一组试验:图 1a 和 1b 是采用 MYJ 和 YSU 边界层方案 WRF 模式 2m 温度预报的差值(exp3-exp1) ,图 2a 和 2b 是采用 MYJ 和 MRF 边界层方案 WRF 模式 2m 温度预报的差值(exp4-exp6),a 是模式 18 日 02 BJT 的预报,b 是模式 18 日 14 BJT 的预报,实线为正值,虚线为负值,等值线间隔 0.1 度可以看出 MYJ 比 YSU 和 MRF 方案在夜间的温度要高,在白天的温度要低,YSU 边界层方案使白天的地面温度升高很快,使夜间地面温度降温很快,MRF 方案同样使白天的地面温度升高很快,使夜间地面降温很快,但升降温幅度略小于 YSU,而 MYJ 方案的温度日变化较 YSU 和 MRF 平缓图 3a 和 b 是采用 Dudhia 和Goddard 短波辐射方案 WRF 模式 2m 温度预报的差值(exp1-exp2) ,可以看出采用Goddard 方案后白天的增温比 Dudhia 快很多,其原因是 Goddard 方案的短波加热率比Dudhia 要大,同时这种增温产生的效应也影响到夜间,使夜间的低温 Goddard 也比 Dudhia要稍高。

      图 1 MYJ 和 YSU 方案的 2m 温度预报差值(exp3-exp1) ,a :18 日 02BJT 预报;b:18 日 14BJT 预报,间隔 0.1 度图 2 MYJ 和 MRF 方案的 2m 温度预报差值(exp4-exp6) ,a:18 日 02BJT 预报;b:18 日 14BJT 预报,间隔 0.1 度图 3 Dudhia 和 Goddard 方案的 2m 温度预报差值( exp1-exp2) ,a:18 日 02BJT 预报;b:18 日 14BJT 预报,间隔 0.1 度综合来看,如白天温度预报偏低可采用 YSU 或 MRF+Goddard 提高预报,夜间温度预报a ba ba b偏低可采用 MRF 或 MYJ+Goddard 提高预报第二组试验试验:在该组试验里,主要想考察采用不同的方案组合后对各预报量(u、t、p、q)的影响,并不单纯看温度的变化,因此采用 NCAR 的检验包对各不同方案组合后的模式 48h 预报进行检验,考虑到 SYNOP 常规地面观测的分辨率与模式的分辨率(27km)接近,故主要对 SYNOP 观测进行检验以下是各不同方案组合的模式预报检验结果。

      SYNOP-Q0.0020.00250.0030.00350.0040.00450.0050.00550 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30 33 36 39 42 45 48图 4 6 月 17 日 00UTC 的 48h 预报检验结果(RMS )( 横坐标:预报时长,纵坐标单位依次分别为:m/s,k,Pa,kg/kg)可以看出采用 MYJ+Goddard 或 Dudhia 的组合对于 2m 风的预报效果最好( V 风情况与 U相同,图略) ,但对于 T2m/Ps/Q2m 的预报都较其他组合要差,用 YSU 和 MRF 边界层方案的预报效果相差不大,WRF 模式未来的发展是用 YSU 取代 MRF,但是从此个例看U2m/Ps/Q2m 都是 MRF 要好一点,因此 YSU 要取代 MRF 还需进一步的发展采用Godddar 短波方案对于白天 T2m 的预报要优于 Dudhia 方案,夜间 T2m 预报略差,但对U2m/Ps/Q2m 的预报都要比 Dudhia 方案差综合考虑,目前采用 MRF+Duhdia 方案似乎要好一点以上试验从设计到分析都还比较粗浅:边界层方案的变换会影响到整个边界层甚至上层大气,与云物理方案作用影响降水,仅从地面要素来判断方案的好坏很不够;仅从一个晴空大气个例来分析方案的好坏也很不够,应该有个长期的比较。

      另外,从前期的研究(from 仲跻芹)来看,WRF 模式本身对地面要素的预报就要差于 MM5,WRF 模式对地面要素的预报需要改进同时,我们绘制了 WRF 和 MM5 的初始场,发现在初始场里模式最低层的温度就有 1 度多的差,WRF 比 MM5 低(见图 5,为了看清楚截出模式 27km 区域中间部分) ,认为这也是 WRF 地面温度预报偏低的一个主要原因,WRF 模式的初始分析(SI/real)也需要改进下一步工作想请黄老师和郭老师帮忙设计更合理的试验方案来进一步的深入,同时本人对采用 MYJ 方案后质量场的预报变差但风场的预报却变好想不出合理的物理解释,请两位老师帮忙看看)图 5 WRF 和 MM5 初始场模式最低层的温度(左:WRF,右:MM5 ,单位:度,等值线间隔 1 度)。

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