DOGRAFS邊界層方案對新疆氣象要素預報影響初探

于曉晶，李淑娟，辛渝，琚陳相，李曼，馬玉芬

（中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

DOGRAFS邊界層方案對新疆氣象要素預報影響初探

于曉晶，李淑娟，辛渝，琚陳相，李曼，馬玉芬

（中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，新疆 烏魯木齊 830002）

基于沙漠綠洲戈壁區域同化預報系統（Desert Oasis Gobi Regional Assimilation Forecast System，簡稱DOGRAFSv1.0）不同邊界層方案（YSU，ACM2）對2013年1月和7月的預報結果和實況資料，利用客觀檢驗方法，初步探究不同邊界層方案對地面氣象要素預報的影響，結果表明:ACM2方案對地面氣象要素預報效果總體優于YSU方案，尤其對1月份ACM2方案預報結果優勢顯著；對于2 m溫度，ACM2方案對低溫預報偏高的問題有一定改善，但對高溫預報偏低的問題有所加重；對于10 m風速，ACM2方案的預報誤差明顯低于YSU方案；對于降水，ACM2方案在一定程度上改善了1月漏報和空報的問題，但對7月改進不明顯，這主要由于ACM2方案在穩定或中性層結下采用的局地閉合算法削弱了邊界層頂卷挾和邊界層內混合作用，進而抑制了邊界層物理過程與對流過程的耦合作用。

DOGRAFS系統；邊界層方案；地面氣象要素；客觀檢驗

大氣邊界層主要位于大氣低層1～3 km，由于受下墊面影響其湍流交換作用十分顯著，在地球大氣各種能量、通量與物質等的輸送中扮演著重要角色。與天氣、氣候系統相關的邊界層過程、不同大氣邊界層模式發展以及不同層次大氣數值模式中的邊界層參數化問題一直是大氣邊界層研究中的重要分支[1]。作為中尺度數值模式中的重要物理過程之一，邊界層過程對低層氣象要素預報的影響尤為明顯，低層大氣通過湍流、擴散及平流等過程影響更高及更大范圍的大氣。因此，區域數值模式須引入更能準確描述本地邊界層過程的邊界層參數化方案，才能有效提高對本地氣象要素的預報準確率。

目前數值模式中通常采用參數化方法描述大氣邊界層過程，根據原理的不同，不同邊界層參數化方案各有特點，其預報效果也有所差異。張碧輝等[2]通過重點分析MYJ和YSU方案下溫度層結、低層風場、邊界層高度等氣象要素的差異，比較了兩種邊界層方案對沈陽冬季大氣邊界層結構模擬的影響。張龍等[3]基于半干旱氣候觀測站（SACOL）冬季地面感熱、潛熱、溫度和風速的實測資料，對比分析YSU、MYJ和ACM2三種邊界層方案對各要素日變化的影響。張小培等[4]針對黃山及周邊大氣邊界層氣象要素的變化特征，探究4種邊界層方案對各要素模擬的影響。另外，很多研究表明不同邊界層方案對暴雨[5-8]、臺風[9]以及高原低渦[10]的模擬結果也有較大影響。

以往新疆地區多針對中央氣象臺下發的T639、德國、ECMWF細網格等數值模式產品進行天氣學檢驗評估[11-13]，而對本地區域數值模式的客觀檢驗評估相對較少。新疆氣候中心于2011年完成新疆快速更新循環同化數值預報系統（Rapid Update Cycle，簡稱“RUC”）的構建[14]，2013年9月該系統移植到中國氣象局烏魯木齊沙漠氣象研究所，并進行每天4次的實時運行。考慮到新疆下墊面的復雜和特殊性，后將該系統更名為Desert Oasis Gobi RegionalAssimilationForecastSystem，簡稱“DOGRAFS”。該系統進行至今（DOGRAFSv1.0），只有模式版本的更新及運行流程的調整，其分辨率、各種物理參數化方案等均不變，且以往XJ-RUC系統對新疆中部地區風場[15]、輻射[16]預報性能的客觀檢驗評估較多，而對常規天氣要素的預報性能檢驗較少。因此，為探究DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案對地面氣象要素（2 m溫度、10 m風場和降水量）預報的影響，文中基于兩種邊界層方案（YSU和ACM2）下DOGRAFSv1.0系統對2013年1月和7月的回算預報結果和實況資料，利用均方根誤差、預報偏差、降水評分等客觀檢驗方法對各要素進行評估，以期為DOGRAFSv1.0系統本地化工作提供一定的參考依據。

1 資料與方法

1.1 DOGRAFSv1.0系統

WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度數值模式是美國多部門聯合開發研究的新一代細網格中尺度預報模式和同化系統[17]。DOGRAFSv1.0系統基于WPSv3.5、WRFv3.5和WRFDAv3.4.1，通過WRF-3DVAR系統每隔6 h同化一次中國氣象局下發的GTS全球觀測資料（包括地面、探空、航空、衛星等觀測資料），得到對大氣狀態的更新估計，然后利用高分辨率WRF模式進行短期預報。目前該系統每天實時運行4次，以逐3 h一次的GFS資料為初始場，其中00 UTC和12 UTC為冷啟，預報時效為84 h，06 UTC和18 UTC為暖啟，預報時效為36 h。由于00 UTC和12 UTC兩時刻的同化資料類型和數量相比06 UTC和18 UTC兩時刻較多，這兩個時刻的起報對模式預報效果起著重要作用[14]，因此，文中選取這兩個時次的預報結果進行檢驗。如圖1所示，DOGRAFSv1.0系統的模擬中心為（87.85° E，43.55°N），模擬區域設置為27 km、9 km、3km三重嵌套網格，其格點數分別為211×181、289×208、76×61，其中，9 km分辨率（d02）區域覆蓋全疆。模式主要物理過程參數設置如下：WSM6云微物理方案，K—F對流參數化方案，Noah陸面方案，RTMM長波輻射方案和Dudia短波輻射方案。目前日常天氣業務預報中主要應用9 km分辨率的輸出結果，因此，下面將針對9 km分辨率區域的模式結果進行客觀檢驗評估。

圖1 沙漠綠洲戈壁區域同化預報系統（DOGRAFSv1.0）的模擬區域

1.2 邊界層參數化方案

WRF模式中，邊界層過程實際上可看成一維垂直運動過程，主要負責處理一維大氣柱內能量和物質的垂直交換和輸送。邊界層方案的不同主要體現在閉合方案的選擇和不同穩定條件下處理方式的差異。文中進行對比的YSU和ACM2方案均為非局地閉合模型。

YSU方案[18]是一階非局地閉合方案，在不穩定狀態下使用反梯度通量來處理熱量和水汽。利用由局地自由大氣得出的Richardson數處理垂直擴散項，在邊界層中使用增強的垂直擴散通量算法，以適應強風環境下更深厚的混合作用，邊界層高度由浮力廓線決定。

ACM2方案[19]在由Blackadar對流模式發展形成的ACM方案基礎上加入了渦動擴散模塊。邊界層高度由臨界Richardson數得出，近地層以上主要考慮熱力湍流作用，向下采用局地K混合。其特點是綜合考慮局地和非局地閉合算法，在穩定或中性情況下ACM2方案會關閉非局地交換而采用局地閉合算法。

1.3 檢驗方法

MET（Model Evaluation Tools）是NCEP和NCAR在美國空軍及NOAA的支持下共同開發的，集成世界上先進的模式檢驗技術，適用于WRF模式及其他數值模式輸出結果的檢驗。文中利用MET先將檢驗區域內的網格點預報值采用反距離權重法插值到站點上，再與對應站點的觀測資料進行比較并計算評分。對逐6 h預報的2 m溫度和10 m風場進行檢驗，分別對00 UTC和12 UTC的48 h預報結果計算均方根誤差和平均誤差統計量，其定義分別為：

其中，Fi為第i點上的預報值，Oi為第i點上的觀測值。

鑒于精細化預報的要求[20]，對逐6 h累積降水量預報結果進行檢驗。采用目前較普遍的Ts（Threat Score）評分和預報偏差（Bias Score），分別對00 UTC和12 UTC的36 h預報結果進行統計。根據新疆降水特點，6 h累積降水量的檢驗閾值依次取為0.1、3.1、6.1、12.1、24.1、48.1 mm，分別計算對應的評分值。

Ts定義為

對于給定的降水閾值，Na表示觀測和預報中都存在降水的站點數，Nb表示空報站點數（即觀測中沒有降水而預報中有降水的站點數），Nc表示漏報站點數（即觀測中有降水但模式沒有預報出的站點數），Ts值即預報正確的站點數占所有發生降水站點數的百分比。Ts值越大，說明模式降水預報能力越強。

即統計區域內某一降水閾值的預報降水站數與觀測降水站數的比值。因此，預報偏差越接近1，說明該量級預報范圍越接近實況，Bias>1說明該閾值預報范圍較實況偏大，Bias<1說明該閾值預報范圍較實況偏小。

2 檢驗結果對比分析

2.1 2m溫度

圖2 DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年代表月2 m溫度檢驗結果

圖2為DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年代表月的2 m溫度檢驗結果。從均方根誤差來看，YSU和ACM2方案對2 m溫度的模擬效果無明顯差異，1月均維持在2.5℃左右，7月均維持在1.8℃之間。從預報偏差來看，1月2 m溫度預報結果對邊界層方案的敏感度明顯高于7月，兩種方案的預報偏差均隨預報時效呈現出一致的周期性變化，這主要是由初始場誤差引起的。在00 UTC（08:00 BJT）出現預報偏差的極大值，預報結果偏高；但極小值的時間點兩代表月有所差異，1月在12 UTC（20:00 BJT）時刻為極小值，7月在06 UTC（14: 00 BJT）時刻為極小值，預報結果均偏低。在1月尤其是12 h之后的預報結果中，YSU方案的預報偏差均高于ACM2方案。對于夜間的低溫預報，YSU方案較優，其預報偏差絕對值低于ACM2方案約0.2℃；對于白天的高溫預報，ACM2方案較優，其預報偏差低于YSU方案0.2～0.4℃。在7月，YSU和ACM2兩種方案的預報偏差非常接近，即在夏季，邊界層方案對溫度預報的影響不明顯。

2.2 10m風速

圖3為DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年代表月的10 m風場檢驗結果。從均方根誤差和預報偏差來看，1月10 m風場對邊界層方案的敏感度顯著高于7月，整體而言，ACM2方案的預報效果優于YSU方案。1月ACM2方案對10 m風速預報的均方根誤差和預報偏差均明顯低于YSU方案約0.1 m/s，尤其隨預報時效的增加，ACM2方案表現出較穩定的優勢，大部分預報時效的均方根誤差和預報偏差低于YSU方案。7月兩種方案預報的均方根誤差比較接近，維持在1.6 m/s附近；對于大部分預報時效結果，ACM2方案的預報偏差略低于YSU方案，總體維持在在1.2 m/s附近。

2.3 降水

圖4為DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年1月6 h累積降水檢驗結果。從Ts評分來看，在大部分預報時效ACM2方案的預報結果優于YSU方案。對于0.1 mm/6 h閾值的降水，ACM2方案預報的降水Ts評分相比YSU方案均有一定提高。對于3.1和6.1 mm/6 h兩個閾值的降水，12 UTC的預報結果中ACM2方案優勢明顯。對于12.1 mm/6 h以上的大閾值降水，在00 UTC ACM2方案有一定的預報能力。另外，兩方案預報結果中Ts分值大部分均為0.0，這主要是由于新疆冬季強降水過程較為罕見所造成的。從預報偏差來看，除個別預報時效外，ACM2方案預報的降水Bias值總體優于YSU方案。相比YSU方案，尤其在00 UTC，ACM2方案結果中的Bias預報偏差高值明顯降低、低值也有所升高，在一定程度上對1月份各閾值降水的空報和漏報問題有所改進。

圖3 DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年代表月10 m風場檢驗結果

圖5為DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年7月6 h累積降水檢驗結果。從Ts評分來看，7月降水預報結果對邊界層方案的敏感程度不如1月，兩種方案對6 h累積降水的預報結果差異較小，ACM2方案在部分預報時效優于YSU方案。從預報偏差來看，兩種方案對6.1 mm/6 h以下的小閾值降水Bias預報偏差結果比較接近，但對于12.1 mm/6 h以上的大閾值降水，兩種方案的Bias預報偏差整體偏高。在00 UTC時刻的結果中，ACM2方案Bias偏差高值相比YSU方案有所減小；但在12 UTC時刻的結果中，ACM2方案對大閾值降水出現更為嚴重的空報和漏報情況。

圖4 DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年1月6 h累積降水檢驗結果

圖5 DOGRAFSv1.0系統不同邊界層方案預報的2013年7月6 h累積降水檢驗結果

3 結論

文中基于沙漠綠洲戈壁區域同化預報系統（DOGRAFSv1.0）YSU和ACM2兩種不同邊界層方案下2013年1月、7月的預報結果和實況資料，利用客觀檢驗方法，初步探究不同邊界層方案對新疆區域地面氣象要素預報的影響，主要結論如下：

（1）ACM2方案對地面氣象要素預報效果優于YSU方案，尤其在1月ACM2方案預報結果優勢明顯，這可能是因為1月多穩定或中性層結，ACM2方案采用局地閉合算法有效抑制了虛假對流的發生、發展；而7月多對流不穩定層結，ACM2和YSU方案均采用非局地閉合算法。

（2）對于2 m溫度和10 m風場的預報，ACM2方案總體顯著優于YSU方案；尤其在1月，ACM2方案對低溫預報偏高的問題有一定改善，但高溫預報偏低的問題有所加重，對10 m風速的預報誤差也顯著減小；是由于ACM2方案采用的局地閉合算法削弱了邊界層頂卷挾和邊界層內混合作用，在一定程度上抑制了邊界層以上高溫和大風的向下傳播所致。

（3）對于6 h累積降水的預報，ACM2方案優勢仍在1月份較為顯著；對于6.1 mm/6 h以下的小閾值降水，ACM2方案較YSU方案Ts評分有所提高，而Bias預報偏差高值有所降低，即ACM2方案對降水的空報有一定改善；而對于12.1 mm/6 h以上的大閾值降水，ACM2方案一方面降低了Bias高值，另一方面又增加了Bias低值，即對強降水的空報和漏報問題均有一定改善；由于邊界層物理過程對于對流性降水影響顯著，而局地閉合算法抑制了邊界層物理過程和對流過程的耦合作用，進而增加了層結的穩定性，使得虛假對流性降水大大減少。

通過以上分析，ACM2方案總體上較YSU方案對DOGRAFSv1.0系統的預報結果有所改進。但文中僅對2013年代表月（1月、7月）進行檢驗評估，評估的對象也主要針對常規地面氣象要素，后面將進一步針對高空要素場進行統計檢驗。另外，還將選取強降水個例，深入探究不同邊界層方案對低層環流形勢和降水落區、量級的影響。

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The Effect of Different Boundary Layer Schemes on the Forecasting Surface Meteorological Factors

YU Xiaojing，LI Shujuan，XIN Yu，JU Chenxiang，LI Man，MA Yufen
（Institute of Desert Meteorology,China Meteorological Adnimistration，Urumqi 830002，China）

Based on the forecasts of Desert Oasis Gobi Regional Analysis and Forecast System（DOGRAFSv1.0）by two PBL schemes（namely YSU and ACM2）and observation data during January and July in 2013,using the objective verification method,the effect of different boundary layer schemes on the forecasting surface meteorological factors is analyzed preliminarily.The results indicate that the performance of the ACM2 scheme takes more advantages than the YSU scheme on the whole,especially in January.For 2 m temperature,the ACM2 scheme has reduced the bias of forecasting low temperature while magnifying the bias of forecasting high temperature.With regard to 10 m wind speed,the forecasting bias of the ACM2 scheme is considerably below the YSU scheme.And for the forecasting precipitation,the ACM2 scheme has reduced the missing rate to some extent in January.That might be given rise to the local term under the stable or neural conditions,which contributes to weakening the entrainment of the top of PBL and eddy diffusion of the inner PBL so that the coupled PBL physics and convective process is restrained to a certain degree.

DOGRAFS system；boundary layer scheme；surface meteorological factors；objective verification

P456.7

A

1002-0799（2014）05-0016-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.05.003

2014-03-30；

2014-08-07

中央級公益科研院所基本科研業務專項（IDM201302）、中國沙漠氣象科學研究基金（SQJ2013014）和中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用重點項目（CAMGJ2012Z20）共同資助。

于曉晶（1987-），女，助理研究員，主要從事數值天氣預報和中尺度數值模擬等工作。E-mail：yxj1301@126.com

于曉晶，李淑娟，辛渝，等.DOGRAFS邊界層方案對新疆氣象要素預報影響初探[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（5）：16-22.