WRF模式在“大洋一號”隨船預報中的應用

高山，江崇波，劉桂艷，郭敬天，任林凱（國家海洋局北海預報中心，山東青島266061）

WRF模式在“大洋一號”隨船預報中的應用

高山，江崇波，劉桂艷，郭敬天，任林凱
（國家海洋局北海預報中心，山東青島266061）

摘要：首次使用WRF模式對“大洋一號”科考船第二十六航次第二航段大西洋工作海區進行了風場和氣壓場數值預報，并對預報結果與實況資料進行了對比分析。結果表明，在資料稀少的大洋科考工作海區，WRF模式預報的天氣形勢變化與實況完全吻合，其定點的風速、風向和氣壓預報誤差都比較小。尤其是風場能較好的反映出北大西洋10 m風的變化趨勢，可以有效彌補大洋科考海區資料短缺的不足。根據WRF模式數值預報圖做出的主觀預報與船測實況吻合程度較高，為大洋科考海區風場預報提供了一種新的途徑，為今后開展大洋考察工作海區精細化業務預報打下基礎。

關鍵詞：WRF；大洋科考；數值預報

1　引言

自2005—2006年“大洋一號”環球航行以來，我國的大洋科學考察已涉足太平洋、大西洋、印度洋世界三大洋[1]。在各大洋開展深水取樣品、環境調查等各種作業。大洋作業技術含量高、作業設備昂貴，需要較高的氣象條件保障。

目前國內大洋科考海區氣象預報均為傳統預報方式，使用氣象傳真機（FAX408）接收國外的氣象傳真圖（如：日本、夏威夷氣象傳真等），根據預報圖做工作海區的天氣預報。大洋科考主要作業區多在遠離主航線的偏僻海區，氣象傳真圖無法完全覆蓋工作海域，預報員只能根據周邊狀況來推測天氣形勢的發展，預報準確率偏低。大風天氣對海上作業有著嚴重的危害，例如：（1）大洋船舶作業需要起重機進行吊、放重達幾噸的設備，大風會引起設備在吊放過程中嚴重擺動；（2）很多作業過程中需要動力定位，“大洋一號”船動力定位系統在風速大于6級時將滿負荷運作，長時間大負荷運轉會造成設備損壞；（3）大多作業設備是通過鋼纜下放到幾千米的深海，收放時大風帶來的大浪會引起鋼纜升沉劇烈，這對工作人員及設備的帶來危險。在復雜多變的大洋氣候中，氣象傳真圖已經無法滿足需要。亟需引入一種全海區覆蓋的數值預報模式，為大洋科考提供強有力的氣象安全保障。

WRF模式（The Weather Research and Forecasting Model）作為新一代中尺度天氣預報模式，目前在我國許多地區和近海得到大量的應用[2]，但在大洋環球科考保障中尚未使用。本文在“大洋一號”第二十六航次第二航段首次嘗試使用WRF模式對大西洋工作海區開展數值預報，并利用隨船氣象觀測數據和NCEP再分析資料對風場與氣壓場數值預報結果進行檢驗。

2　WRF模式與資料

WRF模式是一種完全可壓非靜力模式，采用Arakawa C網格，集數值天氣預報、大氣模擬及數據同化與一體的模式系統，能夠更好的改善對中尺度天氣的模擬和預報，目前主要應用于有限區域的天氣研究和業務預報[2]。模式重點考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預報，水平分辨率重點考慮1—10 km，其對風、降水、能見度、霧、氣溫、等天氣要素預報有較好的表現[3-4]。WRF模式能夠比較成功地再現中尺度過程中的環流形勢演變和雨帶分布特征以及中小尺度天氣系統，可以應用于模擬和業務預報。就中尺度模式之間的比較而言，WRF的模擬效果普遍優于MM5，在選用合適的物理參數化方案下，WRF模式具有較好的模擬和預報性能，體現了其在中尺度模擬中的普適性和優越性[5]。

本文所使用實況資料為NCEP DOE AMIP-2再分析資料和NCEP FNL再分析資料[6]，時間分辨率均為6h（00、06、12、18）UTC，DOE AMIP-2資料的水平分辨率為2.5°×2.5°，FNL資料為1°×1°。如不特殊說明，本文所指時間均為世界時。

隨船觀測資料按照《海洋調查規范》（GB 12763—91）和《船舶海洋水文氣象輔助測報規范》（GB/T 17838—1999）的規定，每天定時觀測4次（00、06、12、18）時，內容包括天空狀況、天氣現象、氣壓、風向、風速、氣溫、相對濕度、能見度等氣象條件和波高、波向、水溫等水文條件。

大洋科學考察第二航段時間為2012年6月18日—7月1日。

3　數值預報

第二航段工作海區位于北大西洋（西三區），由于時差原因，WRF模式48 h數值預報結果即為本海區未來24 h預報。首先采用WRF模式構建大氣模式，模式采用前一天12時美國國家環境預報中心(NCEP)提供的全球分析資料為初始場和邊界條件，（GFS，水平分辨率1°×1°），時間間隔為6 h（00、06、12、18）時，之后進行高空站、地面站、ASCAT風場[7]等資料24 h同化時間窗的實時數據同化。模式在每天02時啟動，使用12×8個CPU，使用IB （InfiniBand）網絡進行并行運算[8]，在2 h內完成北大西洋海區未來48 h氣壓場和風場數值計算。然后使用Grads進行繪圖，繪圖范圍是（經度0°—60°W）、（緯度10°S—40°N）。最終將繪制的預報圖發送到“大洋一號”船。

4　大洋工作海區天氣實況分析

4.1北大西洋天氣形勢分析

根據NCEP再分析資料繪制的實況圖分析，在“大洋一號”第二十六航次第二航段大西洋工作海區，6月19日有一高壓系統，其中心位于（44°W，28°N），中心氣壓1026 hPa。在高壓中心的東北（26°W，38°N）和西北（56°W，40°N）兩側分別有一低壓，中心氣壓均為1012 hPa（見圖1 a）。在25°N以南的北大西洋地區以東到東北風為主，45°—55°W有一風速大于9 m/s的偏東風大值區，在北非西岸附近（20°W，20°N）有一小范圍的東北風大值區（見圖1d）。6月19—23日，高壓和兩個低壓系統逐漸向東北方向移動。高壓由準橢圓緯向型逐漸變為東北-西南帶狀分布，強度先減弱后加強。在高壓西北方向的低壓則在移動過程中發展，22日低壓中心氣壓最低為994 hPa（見圖1b）。在低壓東南象限30°—40°N范圍內有西南風的大風區存在，并隨低壓自西向東移動（見圖1e）。22—23日，北非西岸東北風明顯增大，風速大于10 m/s的大風區向西擴大到30°W附近。同時，在（15°W，30°—35°W）有新生的東北風大風區，風速最大值達13 m/s。6月24—25日，高低壓系統均減弱北抽，北非西岸的東北風也明顯減弱。在此期間，北大西洋西部25°N以南的偏東風變化不大，風速大值區的主體始終位于40°W以西。

6月26日在（50°W，34°N）附近有新生高壓，6 月27—29日新生高壓系統發展加強，并向東北方向移動，北大西洋西部的偏東風大值區逐漸消失，25°N以南30°W以西的洋面上為比較均一的東到東北風。6月30日—7月2日，高壓中心穩定于33°W，37°N附近，7月1日高壓中心氣壓達到1031 hPa（見圖1c）。北非西岸10°—25°W，20°—35°N的東北風再次增大，形成較大范圍的風速在10 m/s以上的東北大風區（見圖1f）。

4.2船舶實測資料分析

根據觀測資料可以看出，工作海區氣壓值在1011—1026 hPa之間變動，風力以3—5級為主。6 月19日工作海區偏東風5級；6月20—21日工作海區位于高壓中心附近，風速較小；6月25—26日工作海區位于高壓底部，東北風4—5級；6月27—28日高壓系統逐漸增強，工作海區出現了14 m/s的東北大風。6月29日—7月2日，船舶航行至低緯度地區，天氣系統較弱，氣壓逐漸降低，風速較小（見表1）。

圖1　海平面氣壓場（a—c）和10 m風場（d—f）實況圖（▲：“大洋一號”考察船位置）

表1　第2航段船舶氣象觀測資料

5　WRF模式預報結果分析

5.1預報天氣形勢分析

根據WRF模式48h海平面氣壓場預報結果分析，6月19日北大西洋主要受一個龐大的高壓系統控制，其中心位于（44°W，29°N），中心氣壓1025 hPa。在高壓中心的東北和西北方向各有一個低壓中心，分別位于（25°W，39°N）和（59°W，38°N），中心氣壓分別為1011 hPa、1012 hPa（見圖2a）。6月19—23日，高低壓逐漸向東北方向移動，高壓系統由準橢圓緯向型逐漸變為東北-西南帶狀分布，強度先減弱再加強。在移動過程中，位于高壓西北方向的低壓系統則先加強后減弱，22日低壓中心位于（46°W，39°N），中心氣壓為998 hPa（見圖2b）。6月24—25日高低壓逐漸減弱北抽。6月26日在（50°W，33°N）附近有一高壓生成，6月27—29日新生高壓發展加強，并向東北方向移動，6月30日—7月2日，高壓中心穩定于33°W，37°N附近，7月1日高壓中心氣壓達到1030 hPa（見圖2c）。

通過與實況（見4.1）的對比分析不難看出，在海平面氣壓場的變化趨勢、高低壓系統范圍和強度等方面，WRF模式48 h氣壓預報場與實況場趨于一致，高低壓中心位置預報與實況的誤差只有約1°，中心氣壓值的預報絕對誤差較小。

圖2　WRF模式48 h海平面氣壓場預報圖

5.2預報10 m風場分析

根據WRF模式48小時10 m風場[9]預報結果分析，6月19日在25°N以南的北大西洋地區為東到東北風，風速在8 m/s以上。其中，在40°W以西，20°N以南的北大西洋洋面上盛行偏東風，風速約10 m/s。同時在（22°W，17°N）附近有一小范圍的東北風大值區，最大風速約10 m/s（見圖3a）。6月19—24日，在28°N以北有風速大于10 m/s的西南風大風區發展東移。22—23日，北非西岸20°N和33°N附近的東北風明顯增大，形成南北兩個大風區，最大風速約12 m/s（見圖3b）。6月24日，北非西岸北部的東北風繼續增大，大風區向西南方向擴展至25°N附近，南部東北大風區則減弱消失。6月25—26日，20°N以南，40°W以西的偏東風略有增大，北非西岸的東北風減弱。6月27日—7月2日，北大西洋風場表現出穩定的反氣旋環流形勢，以東到東北風為主，風速逐漸增大。北非西岸的東北風增大較快，風速在10 m/s左右的大風區沿北非西岸向東北-西南方向擴展，形成較大范圍的東北大風區。35°W以西，25°N以南則維持穩定的偏東風，風速約8—10 m/s（見圖3c）。

通過與實況（見4.1）的對比可見，WRF模式48小時10 m風場預報場能較好的反映出北大西洋10 m風的變化趨勢，特別是對北大西洋西部偏東大風和北非西岸東北大風的刻畫，與實況基本一致，風速絕對誤差小于等于2 m/s，大風區范圍基本吻合。

5.3WRF格點預報數據驗證及誤差分析

根據“大洋一號”科考船所在的經緯度，利用WRF模式輸出的格點數據（12 h），選取距離該船舶最近的4個網格點進行差值計算，得到船舶所在位置WRF模式的定時、定點風速與氣壓預報值。本航段工作海區無小尺度天氣擾動，風向符合地轉風運動規律，根據連續性原理，近似取網格差值為風向預報值。為量化的分析WRF模式的預報精度，對本航次風場、氣壓場相對誤差、平均誤差、絕對誤差與均方根誤差進行了計算。

平均誤差(Mean Error or bias，ME):

平均絕對誤差(Mean-Absolute error, MAE):

均方根誤差(Root-Mean-Square Error, RMSE):

圖3　WRF模式48小時10 m風場預報圖

圖4　航線風速預報值、實況值及誤差分析圖

式中，xi模式輸出數據，oi觀測數據，n表示樣本個數。

通過對比分析6月19日—7月2日“大洋一號”的船載觀測實況數據與WRF模式預報結果發現，WRF模式的風速預報相對誤差在-1.2—1.5 m/s之間，平均誤差為0.19 m/s，絕對誤差為0.62 m/s，均方根誤差為0.76 m/s，風向預報相對誤差在-15°—11°之間，平均誤差為-0.64°，絕對誤差為6.21°，均方根誤差為7.30°，氣壓預報相對誤差在-0.3—0.3 hPa之間，平均誤差為-0.0642 hPa，絕對誤差為0.1786 hPa，均方根誤差為0.1909 hPa，（見表2、圖4、圖5）。從誤差統計情況來看，該模型在風速、風向、氣壓的預報方面表現出較為合理結果。可見在本航段的大西洋工作海區，由于下墊面單一，側邊界相對遠離海岸線，在不考慮側邊界影響的條件下，該預報模式可以得到較好的結果，能相對真實的反映出工作海區的天氣形勢和風場變化。對于類似海區，預報員可以嘗試參考使用WRF模式的預報結果來訂正預報員主觀預報，提高隨船預報的精細化程度。

圖5　航線氣壓預報值、實況值及誤差分析圖

表2　預報結果誤差分析

6　結論

此次大洋環球科考海區隨船預報首次引入了WRF數值預報模式，從初步的對比分析可以看出，WRF模式作為新一代中尺度模式[10]在大洋預報中有很好的表現，預報的天氣形勢與實況完全吻合，預報的風速風向與隨船實測數據基本一致。其指定預報場可以覆蓋大洋科考的所有工作海區，這可以較好的解決偏遠工作海區無法接收氣象傳真圖，以及預報圖不能完全覆蓋工作海區的現狀，驗證了WRF模式在隨船預報中的可用性。該模式給大洋科考隨船預報提供了一種新的預報途徑，能為大洋科考船舶與設備提供更好的氣象安全保障，為今后開展大洋科考工作海區精細化業務預報提供依據。

本文僅對WRF模式48 h預報場做了較短時間的對比檢驗，海區也僅限定為大西洋。將來在“大洋一號”環球航次中，仍需對南大西洋、印度洋、太平洋等其他大洋做長時間的應用檢驗，并適當延長預報時效，從而進一步驗證WRF模式在大洋預報中的可行性與準確性。

參考文獻

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Weather forecasting with WRF model for“Da yang No.1”

GAO Shan, JIANG Chong-bo，LIU Gui-yan，GUO Jing-tian, REN Lin-kai
(North China Sea Marine Forecasting center of State Oceanic Administration, Qingdao 266100 China)

Abstract：In this paper, the WRF model is used in weather forecasting for Scientific Ocean expeditions for the first time. According to analysis of sea level pressure and 10 m wind outputted by the WRF model, the results from the WRF model are almost agreement with actual weather over the scientific investigation sea. Wind outputted by the WRF Model could indicate variation characteristics of actual 10 m wind over the North Atlantic Ocean. Error analysis shows that absolute error of wind speed is about between 0.1 m/s to 1.5 m/s. The absolute error of wind direction is about between 1°to 15°. As for sea level pressure, its absolute error is about 0.1 hPa to 0.3 hPa. Subjective forecasting based on the WRF model is in close proximity to ship observation. The WRF model could be a useful tool in weather forecasting for the marine scientific study.

Key words：WRF；scientific ocean expeditions；numerical prediction

作者簡介：高山（1979-），男，工程師，主要從事海洋預報與大洋科考海區預報。E-mail: 91gs@163.com

基金項目：大洋科考海區精細化預報研究（2014B13）；國家海洋局青年海洋科學基金（2012207）

收稿日期：2014-02-18

DOI:10.11737/j.issn.1003-0239.2015.01.007

中圖分類號：P732

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0239（2015）01-0046-07