云南快速更新循环数值预报系统及其12小时降水预报检验与改进

王 曼，张瑾文，邢 冬

(云南省气象科学研究所，云南 昆明 650034)

0 引言

云南省气象科学研究所自2006年开展中尺度WRF模式的本地化应用研究工作，2009年实现了10 km分辨率中尺度WRF模式的业务运行。2013年把该系统升级为3 km分辨率，模式的预报时效从48 h延长到72 h。之前的中尺度数值模式注重短期天气预报业务中的应用[1，2]，模式只在初始实况进行资料同化，有较多的高频观测资料未应用到模式系统中，比如卫星、雷达和GPS水汽等资料，且模式输出的产品比较单一，主要针对降水和温度的预报。随着短临天气预报业务的需求和开展，以及计算条件的改善，为了定量地应用卫星、GPS等非常规资料，丰富数值模式预报产品丰富，满足对短临预报业务的支撑，自1994年美国NOAA/NCEP开始业务应用第一个快速更新循环系统(RUC，Rapid Update Cycle)以来，多年来不断发展完善[3]，该系统所提供的0～12 h预报已成为航空气象、强对流灾害天气等主要的中尺度预报指导产品。该系统通过高频次的资料同化吸收最新的观测信息，不断更新模式背景场，形成更准确的初始场并进行短期预报。

2006年北京城市气象研究所建立了北京地区高分辨率快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC)，为2008年的奥运气象服务保障中发挥了极其重要的作用。在北京地区进行了大量应用，取得较好的效果[4,5]。RUC系统也广泛应用在其他地区[6-13]和其他模式，如GRAPES模式[14]，均为短临预报提供了较好的产品。因此，2015年云南省气象科研所与北京城市气象研究所合作，在云南开展了WRF快速更新循环同化(WRF-RUC)系统引进和安装工作，目前已经实现了常规资料、GPS水汽等资料的3 h快速更新循环同化系统的运行。该系统能够提供3 km分辨率，逐小时的地面和高空要素预报产品。本文对WRF-RUC系统云南2016年预报结果进行了检验和评估，介绍该系统在云南地区的预报情况，加深对系统预报性能的了解，为进一步改进和完善系统奠定工作基础。

1 WRF-RUC系统简介

WRF-RUC系统基于WRF-ARW3.5.1模式和GSI(Gridpoint Statistical Interpolation System)同化系统，更新周期3 h，它通过WRF三维变分同化系统每隔3 h同化一次最新的通过全球通讯交换系统获得的探空、地面、船舶观测资料、GPS等资料。模式的区域配置为12 km、3 km二重嵌套，第一重格点数为601×401，中心经纬度为25.7°N，109.9°E，垂直层次为51层；第二重格点数为321×301，中心经纬度为25.25°N，101.13°E，垂直层次51层。区域范围如图1。

图1 WRF-RUC模式覆盖区域Fig.1 The overlay region of WRF-RUC

模式物理过程的设置如下：Thompson微物理过程方案，YSU 边界层参数化方案，Kain-Fritsch 积云参数化方案，The Noah LSM陆面参数化方案，RRTM长波和Dudhia短波辐射方案。每日世界时12时冷启动，将GFS资料作为背景场。在世界时00、06、12、18时，12 km区域进行36 h预报，而3 km区域进行24 h的预报。取12 km的12～36 h进行形势预报，取3 km的12～24 h的预报作为要素预报。模式产品间隔为逐小时。与现有的“区域WRF数值预报系统”相比，系统的同化模块为GSI，能够同化更多的资料种类，同时提供的要素产品更丰富，增加的要素种类有125站的探空层结曲线预报图、2 m露点温度、能见度和云量。预报产品可以以网页的形式提供。

2 系统预报结果检验

2.1 强降水个例检验

为了检验WRF-RUC系统对强降水的预报性能，选取2次过程进行检验。对预报的12 h降水与实况和“区域WRF数值预报系统”(WRF-3 km)相同时刻起报的12 h预报进行对比。两次过程分别为2016年6月12日低槽切变过程和2016年7月6日低涡切变过程。这两次过程，雨带分布差异较大，一个为东西向，一个为南北向，影响的主要系统均为切变线，但2个系统对预报效果差异较大。其中2016年6月11日20时～12日08时，受低槽切变和西南暖湿气流共同影响，出现3站大暴雨、14站暴雨、22站大雨和33站中雨。降水带主要分布在滇中24°～26°N，特大暴雨出现在滇东的罗平站83.5 mm和滇西的陇川站70.8 mm。滇东北北部和滇南的降水较小，局部有小雨(图2a)。WRF-RUC的预报(图2b)，主要的降水带也在24°～26°N之间，但大雨和暴雨的区域略有差异，其中滇西和滇东的大暴雨为漏报，预报的最大量级为暴雨。滇西北和滇南均为降水较小区域，较实况降水有空报小雨和漏报滇南边缘的中雨。WRF-3 km的预报(图2c)，降水带不明显。只有滇东和滇南边缘的降水，滇中的主要雨带漏报明显。这次过程两个系统的预报相比，WRF-RUC的预报更接近实况。

2016年7月5日12时～6日00时，受低涡切变影响，出现3站大暴雨、10站暴雨、8站大雨和19站中雨。实况强降水带呈南北走向，主要分布在102°E附近。其次雨带位于滇东和滇西南和滇西北区域(图3a)。WRF-RUC的预报(图3b)，滇中102°E附近有大到暴雨预报，其中中雨区域较实况范围大，而大雨和暴雨的区域明显小于实况，未报出大暴雨量级。同时，滇东北有大到暴雨的漏报，滇西有小到中雨的空报。WRF-3 km的预报(图3c)，报出了102°E附近主要的强降水带，大暴雨的范围较实况略大；滇东有小到中雨的漏报，而滇西有小到中雨的空报。这次过程两系统的预报相比，WRF-RUC系统预报降水强度偏小，WRF-3 km的预报更接近实况。

图2 2016年6月11日12时～12日00时12 h降水(模式系统均为2016年6月11日00时的预报，单位：mm)

(a)实况；(b)WRF-RUC预报；(c)WRF-3 km

Fig.2 The 12 hours rainfall from 12UTC on 11 to 00UTC on 12 June 2016(forecast for model system at 00UTC on 11 June 2016，unit：mm)(a)observation ；(b)forecast from WRF-RUC ；(c)forecast from WRF-3 km

图3 2016年7月5日12时～6日00时12 h降水(模式系统均为2016年7月5日00时的预报，单位：mm) (a)实况；(b)WRF-RUC预报；(c)WRF-3 kmFig.3 The 12 hours rainfall from 12UTC on 5 to 00UTC on 6 July 2016 (forecast for model system at 00UTC on 5 July 2016，unit：mm)(a)observation；(b)forecast from WRF-RUC；(c)forecast from WRF-3 km

2.2 2016年6、7月逐日平均检验结果

从以上2个个例看，2016年6月12日个例WRF-RUC系统预报较好，而2016年7月6日个例WRF-3 km系统预报较好，为了更好的了解WRF-RUC系统的预报性能，进行了2016年6～7月逐日评分比较，即取系统每日12 h的预报结果与实况进行检验，再累加平均得到预报评分。表1为评分结果。从TS评分看，虽然2016年6月12日个例WRF-RUC预报效果较WRF-3 km系统的预报好，但整月平均的预报效果特征，6月和7月的类似。WRF-RUC预报的小雨到暴雨量级的评分均低于WRF-3 km系统的预报，大暴雨2个系统的评分均为0。从预报偏差看，小雨到大雨量级的偏差均大于1，其中WRF-RUC系统预报的偏差更大。暴雨和大暴雨的偏差均为偏小，其中WRF-RUC系统的偏差更接近1。从2016年6、7月份的12 h降水评分上看，WRF-RUC系统的预报效果差于WRF-3 km系统。

表1 WRF-RUC 和WRF-3 km系统2016年6～7月份12 h评分Tab.1 Scores of 12 hours rainfall in June and July，2016 of WRF-RUC and WRF-3 km system

3 个例数值试验

WRF-RUC系统虽然在模式版本、同化系统、运行方式和系统输出产品种类等方面相对本地化的“区域WRF数值预报系统”有所改进，但从降水预报的检验结果看，无明显优势。大量研究证明，不同物理过程参数化方案对降水预报差异较大，优化系统的物理参数化方案，可以改进系统的预报性能[15-20]。因此，选取2016年7月6日强降水天气过程，根据之前本地化研究结果[19]，选取WRF模式中2种陆面参数化方案Thermal Diffusion(TD)

和Unified Noah land-surface Model(UNM)，3种微物理降水参数化方案WSM 6-class graupel scheme(WSM6)，WSM 3-class simple ice scheme(WSM3)和Morrison 2 Moments(MM)，2种边界层参数化方案YSU scheme(YSU)和Mellor-Yamada-Janjic TKE scheme(MYJ)，进行组合形成如下4种不同参数化降水试验方案。具体试验方案如表2。

表2 WRF-RUC系统不同参数化试验方案Tab.2 Parameterization schemes for comparative experiment in WRF-RUC system

图4为2016年7月5日12时～6日00时不同试验方案12 h降水预报。从图上看，相比WRF-RUC系统预报的降水，试验方案预报的降水，西部空报小雨量级的降水明显减少，滇中的南北向雨带更加明显，其中方案D的降水强度达到70 mm，与实况一致。从2016年7月6日个例试验结果看，调整物理过程参数化方案，降水预报效果有所改善。因此，进行物理过程参数化方案的本地化优选试验是改善WRF-RUC系统预报效果的有效途径。

图4 2016年7月5日12时～6日00时不同方案12 h降水(模式系统均为2016年7月5日00时的预报，单位：mm) (a)方案A；(b)方案B；(c)方案C；(d)方案DFig.4 The 12 hours rainfall from 12UTC on 5 to 00UTC on 6 July 2016 in different schemes(forecast for model system at 00UTC on 5 July 2016，unit：mm)(a)scheme A；(b)scheme B；(c)scheme C；(d)scheme D

4 结论和讨论

WRF-RUC系统引进云南后，通过2015～2016年的运行，在云南省运行基本稳定，能提供多种要素预报。

通过对WRF-RUC系统预报强降水个例的检验，并与“区域WRF数值预报系统”的预报结果比较，发现2个系统在个例预报上各有优劣。其中2016年6月12日个例WRF-RUC系统预报较好，而2016年7月6日个例WRF-3 km系统预报较好。7月6日个例，通过调整WRF-RUC系统的物理过程参数化方案，可以改进预报效果。

通过2016年6、7月逐日平均的12 h降水评分看，WRF-RUC系统预报的TS评分在4个量级上均低于WRF-3 km系统，小雨到大雨的偏差WRF-RUC系统的预报高于WRF-3 km系统的预报，预报面积明显偏大。暴雨和大暴雨的偏差均为偏小，相对WRF-RUC系统的预报面积更接近实况。

从降水检验的结果看，WRF-RUC系统的预报效果并不理想，这与系统引进后，未进行本地化的试验优选物理过程参数化方案有关。另一方面，相对北京运行的快速更新循环系统，在云南运行的该系统所用的本地化资料较少，特别是高频率的雷达资料，这两方面的原因均对快速更新循环同化系统预报效果有较大的影响，将是下一步完善该系统需要进行的工作。