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摘要 利用WRF模式设计3种不同分辨率试验方案研究不同分辨率下湖南强降水预报效果，结果表明：两层嵌套分辨率为90、30 km时，对强降水预报效果最差；分辨率为36、12 km时，24 h模拟的大暴雨中心和实况一致，48 h模拟出了雨带的东移，但是范围较实况缩小很多；采用120、40 km分辨率时，24、48 h雨区和雨带位置一致，模拟结果基本不可信。
关键词 WRF模式；不同分辨率；强降水；湖南省
中图分类号 P426 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）14-0211-02
Study on Serious Rain of Hunan Based on the WRF Model Different Resolution
ZHANG Xiang-Ling 1 GAO Yi 1 ZHANG Xiang-hua 2
（1 Zhuzhou City Bureau of Meteorology in Hunan Province，Zhuzhou Hunan 412003； 2 Xiangxi Prifecture Bureau of Meteorology）
Abstract Using WRF model to design three different test schemes to research strong precipitation forecast effect of hunan under different resolution.The results showed that heavy rain forecast effect was the worst when two layers of nested resolution was 90，30 km，simulation of heavy rain center 24 hours a day and live was consistent when resolution was 36，12 km.，48 hours to simulate the rain belt in the east，but the actual narrowed down a lot，Using 120，40 km resolution，24，48 hours area and stretching position were consistent，the simulation results were not be trusted.
Key words WRF model；different resolution；strong precipitation；Hunan Province
WRF模式是由多所科研机构共同研发的新一代高分辨率中尺度预报模式[1]，它继承各个研究机构的最新研究成果，集数值天气预报、大气模拟及数据同化于一体，能够更好地改善对中尺度天气的模拟和预报[2]，目前主要应用于有限区域的天气研究和业务预报。
湖南自2007年引进美国中尺度数值预报模式WRF（weather research and forecasting model），并投入业务运行，从运行情况看，模式对暴雨短期预报和强降水临近预报有较好的预报能力，具有一定的参考价值。按照中国气象局要求，发展完善精细化预报业务已成为天气业务改革的重点任务之一，因此，选择WRF中尺度模式开展不同分辨率下的湖南强降水研究，期望得到分辨率更高、准确率更高的精细化预报产品。
1 研究方法
1.1 模式简介
WRF模式系统为业务工作人员和研究人员提供先进的物理过程、数值计算、数据同化等模块化的组件，具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等众多特性和使用界面友好的特点。
WRF模式系统实现并行、模块化的程序界面，在分工计算时，具有较高的效率。模式框架被设计成一个完全可压缩非静力模式[3]，控制方程组都为通量形式；网格形式采用Arakawa C格点，有利于在重力波速解析中提高准确性；时间积分采用3阶Runge-Kutta，模拟支持one-way、two-way以及移动嵌套模拟；模式有一整套先进的物理参数化方案，包括辐射参数化、边界层参数化、对流参数化、次网格涡旋扩散以及微物理过程参数化。由于使用模块化设计、标准化语言（如采用F90及并行计算），使其具有更为先进的数值计算和资料同化技术、多重移动网格以及更为完善的物理过程（尤其是对流和中尺度降水过程）。WRF模式将成为改进从小尺度到综合尺度等不同尺度重要天气特征预报精确度的工具，使其在天气预报、大气化学、区域气候、单纯对比研究等方面具有广泛的应用前景。
1.2 试验方案设计
采用的模式版本为WRF2.2的RUC系统，模式网格设两重嵌套，区域选择如图1所示。经过多次试验，设计了3个试验方案，粗网格和细网格分辨率分别如下：方案1为120、40 km，方案2为90、30 km，方案3为36、12 km。两重网格都采用BMJ积云对流参数化方案，其他物理过程及参数化方案分别是高率YSU边界层方案，Goddard短波和RRTM长波辐案，Lin微物理过程，Noah陆面过程。模式从2011年6月8日0：00开始积分，共积分72 h，积分步长分别为720、540、216，每1 h输出1次结果，垂直分层为28层，使用NCEP/NCAR的1X1°资料作为模式初始场和边界条件。
BMJ方案是对Betts-Miller方案进行了调整，其最初的基本思想是：在对流区存在着特征温湿结当判断有对流活动时，对流调整使得大气的温湿结构得以调整，调整速度和特征结构的具体形式可大量试验得出。分别考虑深对流和浅对流过程的作用并采用虚湿绝热线，即根据观测试验修正的湿绝热线参数调整温湿场的参考廓线，该积云对流方案确保式中收到对流强烈影响的局地垂直温湿结构是逼真新方案中深对流特征廓线及松弛时间随积云效率变化，积云效率取决于云中熵的变化、降水及平均温度；浅对流水汽特征廓线中熵的变化较小且为非负值[4]。 2 研究结果
2.1 选取降水过程介绍
受高空低槽和中低层低涡切变的影响，2011年6月8—11日湖南很多地区出现了暴雨，岳阳甚至因此出现了人员死亡。湖南2011年6月9—10日、10—11日8：00—8：00 24 h降水实况如图2所示，可以看出，10日降水主要在湘中以北，湘中以北大致有3个降水中心：张家界地区，中心雨量达88 mm（桑植）；岳阳地区，中心降水量达167 mm（临湘）；益阳地区，中心降水量112 mm（安化）。11日雨区南压至湘中地区，雨势减弱，雨区中心在怀化—娄底—株洲一线，其中心降水量分别为怀化58 mm，娄底的新化85 mm，株洲的醴陵75 mm，郴州、衡阳地区也出现了小降水中心。
2.2 试验结果分析
2011年6月8—11日降水过程中，10日8：00至11日8：00降水最强，因此模式输出9日8：00至10日8：00、10日8：00至11日8：00 24 h降水。
各个试验方案模拟结果如图3所示。从模拟结果看，方案1：10日8：00（图3a）、11日8：00雨区位置一致，均在张家界、常德、岳阳、益阳、长沙、湘潭、娄底地区，雨区中心也都在常德北部地区，中心雨量达115 mm，长沙南部有一个40 mm的小中心。方案2：降水从8日开始，9日结束，雨区主要在湘南，中心雨量超过100 mm，达到了大暴雨量级（图3b）。方案3（图3c、d）：10日雨区分布比较散，但基本在湘中以北，雨区中心主要有3个，即张家界西部、常德北部、岳阳，长沙、邵阳、怀化各有一个小中心。和实况比较来看，主要雨区模式模拟出来，雨区中心也有些接近，尤其岳阳的大暴雨模式模拟的比较好，虽然中心位置和实况比略偏西；张家界的雨区中心较实况也偏西；实况益阳的雨区中心和岳阳的中心连在一起，模拟的结果二者连在一起。11日模拟的雨区在东部：长沙东部的浏阳地区和株洲的东北部地区，实况在湘中一线，二者差别比较大。总体来说，10日模式模拟结果较好，主要雨区和雨区的主要特征模式都有所体现，但是11日二者差别变大。
3 结论与讨论
利用WRF模式采用2层嵌套，设计3个不同分辨率的试验方案，经过分析模拟结果和实况对比，得出以下结论。
当采用方案2（粗细网格分别为90、30 km），模式模拟结果最差，过程开始时间和实况差别1 d，雨区位置南北差异非常明显。
方案1和方案3的模拟结果和实况接近，但是方案1模拟的9—10日和10—11日8：00—8：00的降水差别不大，说明模式在这个分辨率下基本没有调整，方案3的结果10日模式模拟效果最好，主要雨区、雨区特征和中心基本模拟出来，11日模拟结果和实况差别非常明显，模式运行48 h或以后结果基本变得不可信。比较而来，方案3的效果相对最好。
模式模拟效果的好坏和很多因素有关，比如参数化方案[5]，下垫面[6]等，不同分辨率下的模拟试验结果好坏只是某种条件下的分析结果，将来还有待于开展更多的试验来论证模拟效果。
4 参考文献
[1] 王晓君，马浩.新一代中尺度预报模式（WRF）国内应用进展[J].地球科学进展，2011，26（11）：1191-1199.
[2] SKAMAROCK W C，KLEMP J B，DUDHIA J，et al. A description of the advanced research WRF Version 3[Z].Ncar Technical Note，NCAR/TN-475 STR，2008.
[3] 王腾蛟，张镭，胡向军，等.WRF模式对黄土高原丘陵地形条件下夏季边界层结构的数值模拟[J].高原气象，2013，32（5）：1261-1271.
[4] 李响.WRF 模式中积云对流参数化方案对西北太平洋台风路径与强度模拟的影响[J].中国科学：地球科学，2012，42（12）：1966-1978.
[5] 屠妮妮，何光碧，张利红.WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验[J].高原山地气象研究，2011，31（2）：18-25.
[6] 李强，李永华，周锁铨，等.基于WRF模式的三峡地区局地下垫面效应的数值试验[J].高原气象，2011，30（1）：83-93.
关键词 WRF模式；不同分辨率；强降水；湖南省
中图分类号 P426 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2015）14-0211-02
Study on Serious Rain of Hunan Based on the WRF Model Different Resolution
ZHANG Xiang-Ling 1 GAO Yi 1 ZHANG Xiang-hua 2
（1 Zhuzhou City Bureau of Meteorology in Hunan Province，Zhuzhou Hunan 412003； 2 Xiangxi Prifecture Bureau of Meteorology）
Abstract Using WRF model to design three different test schemes to research strong precipitation forecast effect of hunan under different resolution.The results showed that heavy rain forecast effect was the worst when two layers of nested resolution was 90，30 km，simulation of heavy rain center 24 hours a day and live was consistent when resolution was 36，12 km.，48 hours to simulate the rain belt in the east，but the actual narrowed down a lot，Using 120，40 km resolution，24，48 hours area and stretching position were consistent，the simulation results were not be trusted.
Key words WRF model；different resolution；strong precipitation；Hunan Province
WRF模式是由多所科研机构共同研发的新一代高分辨率中尺度预报模式[1]，它继承各个研究机构的最新研究成果，集数值天气预报、大气模拟及数据同化于一体，能够更好地改善对中尺度天气的模拟和预报[2]，目前主要应用于有限区域的天气研究和业务预报。
湖南自2007年引进美国中尺度数值预报模式WRF（weather research and forecasting model），并投入业务运行，从运行情况看，模式对暴雨短期预报和强降水临近预报有较好的预报能力，具有一定的参考价值。按照中国气象局要求，发展完善精细化预报业务已成为天气业务改革的重点任务之一，因此，选择WRF中尺度模式开展不同分辨率下的湖南强降水研究，期望得到分辨率更高、准确率更高的精细化预报产品。
1 研究方法
1.1 模式简介
WRF模式系统为业务工作人员和研究人员提供先进的物理过程、数值计算、数据同化等模块化的组件，具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等众多特性和使用界面友好的特点。
WRF模式系统实现并行、模块化的程序界面，在分工计算时，具有较高的效率。模式框架被设计成一个完全可压缩非静力模式[3]，控制方程组都为通量形式；网格形式采用Arakawa C格点，有利于在重力波速解析中提高准确性；时间积分采用3阶Runge-Kutta，模拟支持one-way、two-way以及移动嵌套模拟；模式有一整套先进的物理参数化方案，包括辐射参数化、边界层参数化、对流参数化、次网格涡旋扩散以及微物理过程参数化。由于使用模块化设计、标准化语言（如采用F90及并行计算），使其具有更为先进的数值计算和资料同化技术、多重移动网格以及更为完善的物理过程（尤其是对流和中尺度降水过程）。WRF模式将成为改进从小尺度到综合尺度等不同尺度重要天气特征预报精确度的工具，使其在天气预报、大气化学、区域气候、单纯对比研究等方面具有广泛的应用前景。
1.2 试验方案设计
采用的模式版本为WRF2.2的RUC系统，模式网格设两重嵌套，区域选择如图1所示。经过多次试验，设计了3个试验方案，粗网格和细网格分辨率分别如下：方案1为120、40 km，方案2为90、30 km，方案3为36、12 km。两重网格都采用BMJ积云对流参数化方案，其他物理过程及参数化方案分别是高率YSU边界层方案，Goddard短波和RRTM长波辐案，Lin微物理过程，Noah陆面过程。模式从2011年6月8日0：00开始积分，共积分72 h，积分步长分别为720、540、216，每1 h输出1次结果，垂直分层为28层，使用NCEP/NCAR的1X1°资料作为模式初始场和边界条件。
BMJ方案是对Betts-Miller方案进行了调整，其最初的基本思想是：在对流区存在着特征温湿结当判断有对流活动时，对流调整使得大气的温湿结构得以调整，调整速度和特征结构的具体形式可大量试验得出。分别考虑深对流和浅对流过程的作用并采用虚湿绝热线，即根据观测试验修正的湿绝热线参数调整温湿场的参考廓线，该积云对流方案确保式中收到对流强烈影响的局地垂直温湿结构是逼真新方案中深对流特征廓线及松弛时间随积云效率变化，积云效率取决于云中熵的变化、降水及平均温度；浅对流水汽特征廓线中熵的变化较小且为非负值[4]。 2 研究结果
2.1 选取降水过程介绍
受高空低槽和中低层低涡切变的影响，2011年6月8—11日湖南很多地区出现了暴雨，岳阳甚至因此出现了人员死亡。湖南2011年6月9—10日、10—11日8：00—8：00 24 h降水实况如图2所示，可以看出，10日降水主要在湘中以北，湘中以北大致有3个降水中心：张家界地区，中心雨量达88 mm（桑植）；岳阳地区，中心降水量达167 mm（临湘）；益阳地区，中心降水量112 mm（安化）。11日雨区南压至湘中地区，雨势减弱，雨区中心在怀化—娄底—株洲一线，其中心降水量分别为怀化58 mm，娄底的新化85 mm，株洲的醴陵75 mm，郴州、衡阳地区也出现了小降水中心。
2.2 试验结果分析
2011年6月8—11日降水过程中，10日8：00至11日8：00降水最强，因此模式输出9日8：00至10日8：00、10日8：00至11日8：00 24 h降水。
各个试验方案模拟结果如图3所示。从模拟结果看，方案1：10日8：00（图3a）、11日8：00雨区位置一致，均在张家界、常德、岳阳、益阳、长沙、湘潭、娄底地区，雨区中心也都在常德北部地区，中心雨量达115 mm，长沙南部有一个40 mm的小中心。方案2：降水从8日开始，9日结束，雨区主要在湘南，中心雨量超过100 mm，达到了大暴雨量级（图3b）。方案3（图3c、d）：10日雨区分布比较散，但基本在湘中以北，雨区中心主要有3个，即张家界西部、常德北部、岳阳，长沙、邵阳、怀化各有一个小中心。和实况比较来看，主要雨区模式模拟出来，雨区中心也有些接近，尤其岳阳的大暴雨模式模拟的比较好，虽然中心位置和实况比略偏西；张家界的雨区中心较实况也偏西；实况益阳的雨区中心和岳阳的中心连在一起，模拟的结果二者连在一起。11日模拟的雨区在东部：长沙东部的浏阳地区和株洲的东北部地区，实况在湘中一线，二者差别比较大。总体来说，10日模式模拟结果较好，主要雨区和雨区的主要特征模式都有所体现，但是11日二者差别变大。
3 结论与讨论
利用WRF模式采用2层嵌套，设计3个不同分辨率的试验方案，经过分析模拟结果和实况对比，得出以下结论。
当采用方案2（粗细网格分别为90、30 km），模式模拟结果最差，过程开始时间和实况差别1 d，雨区位置南北差异非常明显。
方案1和方案3的模拟结果和实况接近，但是方案1模拟的9—10日和10—11日8：00—8：00的降水差别不大，说明模式在这个分辨率下基本没有调整，方案3的结果10日模式模拟效果最好，主要雨区、雨区特征和中心基本模拟出来，11日模拟结果和实况差别非常明显，模式运行48 h或以后结果基本变得不可信。比较而来，方案3的效果相对最好。
模式模拟效果的好坏和很多因素有关，比如参数化方案[5]，下垫面[6]等，不同分辨率下的模拟试验结果好坏只是某种条件下的分析结果，将来还有待于开展更多的试验来论证模拟效果。
4 参考文献
[1] 王晓君，马浩.新一代中尺度预报模式（WRF）国内应用进展[J].地球科学进展，2011，26（11）：1191-1199.
[2] SKAMAROCK W C，KLEMP J B，DUDHIA J，et al. A description of the advanced research WRF Version 3[Z].Ncar Technical Note，NCAR/TN-475 STR，2008.
[3] 王腾蛟，张镭，胡向军，等.WRF模式对黄土高原丘陵地形条件下夏季边界层结构的数值模拟[J].高原气象，2013，32（5）：1261-1271.
[4] 李响.WRF 模式中积云对流参数化方案对西北太平洋台风路径与强度模拟的影响[J].中国科学：地球科学，2012，42（12）：1966-1978.
[5] 屠妮妮，何光碧，张利红.WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验[J].高原山地气象研究，2011，31（2）：18-25.
[6] 李强，李永华，周锁铨，等.基于WRF模式的三峡地区局地下垫面效应的数值试验[J].高原气象，2011，30（1）：83-93.