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	23.6
18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。

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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

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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

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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。

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）