DOGRAFS边界层方案对新疆气象要素预报影响初探

于晓晶，李淑娟，辛渝，琚陈相，李曼，马玉芬

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

DOGRAFS边界层方案对新疆气象要素预报影响初探

于晓晶，李淑娟，辛渝，琚陈相，李曼，马玉芬

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆 乌鲁木齐 830002）

基于沙漠绿洲戈壁区域同化预报系统（Desert Oasis Gobi Regional Assimilation Forecast System，简称DOGRAFSv1.0）不同边界层方案（YSU，ACM2）对2013年1月和7月的预报结果和实况资料，利用客观检验方法，初步探究不同边界层方案对地面气象要素预报的影响，结果表明:ACM2方案对地面气象要素预报效果总体优于YSU方案，尤其对1月份ACM2方案预报结果优势显著；对于2 m温度，ACM2方案对低温预报偏高的问题有一定改善，但对高温预报偏低的问题有所加重；对于10 m风速，ACM2方案的预报误差明显低于YSU方案；对于降水，ACM2方案在一定程度上改善了1月漏报和空报的问题，但对7月改进不明显，这主要由于ACM2方案在稳定或中性层结下采用的局地闭合算法削弱了边界层顶卷挟和边界层内混合作用，进而抑制了边界层物理过程与对流过程的耦合作用。

DOGRAFS系统；边界层方案；地面气象要素；客观检验

大气边界层主要位于大气低层1～3 km，由于受下垫面影响其湍流交换作用十分显著，在地球大气各种能量、通量与物质等的输送中扮演着重要角色。与天气、气候系统相关的边界层过程、不同大气边界层模式发展以及不同层次大气数值模式中的边界层参数化问题一直是大气边界层研究中的重要分支[1]。作为中尺度数值模式中的重要物理过程之一，边界层过程对低层气象要素预报的影响尤为明显，低层大气通过湍流、扩散及平流等过程影响更高及更大范围的大气。因此，区域数值模式须引入更能准确描述本地边界层过程的边界层参数化方案，才能有效提高对本地气象要素的预报准确率。

目前数值模式中通常采用参数化方法描述大气边界层过程，根据原理的不同，不同边界层参数化方案各有特点，其预报效果也有所差异。张碧辉等[2]通过重点分析MYJ和YSU方案下温度层结、低层风场、边界层高度等气象要素的差异，比较了两种边界层方案对沈阳冬季大气边界层结构模拟的影响。张龙等[3]基于半干旱气候观测站（SACOL）冬季地面感热、潜热、温度和风速的实测资料，对比分析YSU、MYJ和ACM2三种边界层方案对各要素日变化的影响。张小培等[4]针对黄山及周边大气边界层气象要素的变化特征，探究4种边界层方案对各要素模拟的影响。另外，很多研究表明不同边界层方案对暴雨[5-8]、台风[9]以及高原低涡[10]的模拟结果也有较大影响。

以往新疆地区多针对中央气象台下发的T639、德国、ECMWF细网格等数值模式产品进行天气学检验评估[11-13]，而对本地区域数值模式的客观检验评估相对较少。新疆气候中心于2011年完成新疆快速更新循环同化数值预报系统（Rapid Update Cycle，简称“RUC”）的构建[14]，2013年9月该系统移植到中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，并进行每天4次的实时运行。考虑到新疆下垫面的复杂和特殊性，后将该系统更名为Desert Oasis Gobi RegionalAssimilationForecastSystem，简称“DOGRAFS”。该系统进行至今（DOGRAFSv1.0），只有模式版本的更新及运行流程的调整，其分辨率、各种物理参数化方案等均不变，且以往XJ-RUC系统对新疆中部地区风场[15]、辐射[16]预报性能的客观检验评估较多，而对常规天气要素的预报性能检验较少。因此，为探究DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案对地面气象要素（2 m温度、10 m风场和降水量）预报的影响，文中基于两种边界层方案（YSU和ACM2）下DOGRAFSv1.0系统对2013年1月和7月的回算预报结果和实况资料，利用均方根误差、预报偏差、降水评分等客观检验方法对各要素进行评估，以期为DOGRAFSv1.0系统本地化工作提供一定的参考依据。

1 资料与方法

1.1 DOGRAFSv1.0系统

WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式是美国多部门联合开发研究的新一代细网格中尺度预报模式和同化系统[17]。DOGRAFSv1.0系统基于WPSv3.5、WRFv3.5和WRFDAv3.4.1，通过WRF-3DVAR系统每隔6 h同化一次中国气象局下发的GTS全球观测资料（包括地面、探空、航空、卫星等观测资料），得到对大气状态的更新估计，然后利用高分辨率WRF模式进行短期预报。目前该系统每天实时运行4次，以逐3 h一次的GFS资料为初始场，其中00 UTC和12 UTC为冷启，预报时效为84 h，06 UTC和18 UTC为暖启，预报时效为36 h。由于00 UTC和12 UTC两时刻的同化资料类型和数量相比06 UTC和18 UTC两时刻较多，这两个时刻的起报对模式预报效果起着重要作用[14]，因此，文中选取这两个时次的预报结果进行检验。如图1所示，DOGRAFSv1.0系统的模拟中心为（87.85° E，43.55°N），模拟区域设置为27 km、9 km、3km三重嵌套网格，其格点数分别为211×181、289×208、76×61，其中，9 km分辨率（d02）区域覆盖全疆。模式主要物理过程参数设置如下：WSM6云微物理方案，K—F对流参数化方案，Noah陆面方案，RTMM长波辐射方案和Dudia短波辐射方案。目前日常天气业务预报中主要应用9 km分辨率的输出结果，因此，下面将针对9 km分辨率区域的模式结果进行客观检验评估。

图1 沙漠绿洲戈壁区域同化预报系统（DOGRAFSv1.0）的模拟区域

1.2 边界层参数化方案

WRF模式中，边界层过程实际上可看成一维垂直运动过程，主要负责处理一维大气柱内能量和物质的垂直交换和输送。边界层方案的不同主要体现在闭合方案的选择和不同稳定条件下处理方式的差异。文中进行对比的YSU和ACM2方案均为非局地闭合模型。

YSU方案[18]是一阶非局地闭合方案，在不稳定状态下使用反梯度通量来处理热量和水汽。利用由局地自由大气得出的Richardson数处理垂直扩散项，在边界层中使用增强的垂直扩散通量算法，以适应强风环境下更深厚的混合作用，边界层高度由浮力廓线决定。

ACM2方案[19]在由Blackadar对流模式发展形成的ACM方案基础上加入了涡动扩散模块。边界层高度由临界Richardson数得出，近地层以上主要考虑热力湍流作用，向下采用局地K混合。其特点是综合考虑局地和非局地闭合算法，在稳定或中性情况下ACM2方案会关闭非局地交换而采用局地闭合算法。

1.3 检验方法

MET（Model Evaluation Tools）是NCEP和NCAR在美国空军及NOAA的支持下共同开发的，集成世界上先进的模式检验技术，适用于WRF模式及其他数值模式输出结果的检验。文中利用MET先将检验区域内的网格点预报值采用反距离权重法插值到站点上，再与对应站点的观测资料进行比较并计算评分。对逐6 h预报的2 m温度和10 m风场进行检验，分别对00 UTC和12 UTC的48 h预报结果计算均方根误差和平均误差统计量，其定义分别为：

其中，Fi为第i点上的预报值，Oi为第i点上的观测值。

鉴于精细化预报的要求[20]，对逐6 h累积降水量预报结果进行检验。采用目前较普遍的Ts（Threat Score）评分和预报偏差（Bias Score），分别对00 UTC和12 UTC的36 h预报结果进行统计。根据新疆降水特点，6 h累积降水量的检验阈值依次取为0.1、3.1、6.1、12.1、24.1、48.1 mm，分别计算对应的评分值。

Ts定义为

对于给定的降水阈值，Na表示观测和预报中都存在降水的站点数，Nb表示空报站点数（即观测中没有降水而预报中有降水的站点数），Nc表示漏报站点数（即观测中有降水但模式没有预报出的站点数），Ts值即预报正确的站点数占所有发生降水站点数的百分比。Ts值越大，说明模式降水预报能力越强。

即统计区域内某一降水阈值的预报降水站数与观测降水站数的比值。因此，预报偏差越接近1，说明该量级预报范围越接近实况，Bias>1说明该阈值预报范围较实况偏大，Bias<1说明该阈值预报范围较实况偏小。

2 检验结果对比分析

2.1 2m温度

图2 DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年代表月2 m温度检验结果

图2为DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年代表月的2 m温度检验结果。从均方根误差来看，YSU和ACM2方案对2 m温度的模拟效果无明显差异，1月均维持在2.5℃左右，7月均维持在1.8℃之间。从预报偏差来看，1月2 m温度预报结果对边界层方案的敏感度明显高于7月，两种方案的预报偏差均随预报时效呈现出一致的周期性变化，这主要是由初始场误差引起的。在00 UTC（08:00 BJT）出现预报偏差的极大值，预报结果偏高；但极小值的时间点两代表月有所差异，1月在12 UTC（20:00 BJT）时刻为极小值，7月在06 UTC（14: 00 BJT）时刻为极小值，预报结果均偏低。在1月尤其是12 h之后的预报结果中，YSU方案的预报偏差均高于ACM2方案。对于夜间的低温预报，YSU方案较优，其预报偏差绝对值低于ACM2方案约0.2℃；对于白天的高温预报，ACM2方案较优，其预报偏差低于YSU方案0.2～0.4℃。在7月，YSU和ACM2两种方案的预报偏差非常接近，即在夏季，边界层方案对温度预报的影响不明显。

2.2 10m风速

图3为DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年代表月的10 m风场检验结果。从均方根误差和预报偏差来看，1月10 m风场对边界层方案的敏感度显著高于7月，整体而言，ACM2方案的预报效果优于YSU方案。1月ACM2方案对10 m风速预报的均方根误差和预报偏差均明显低于YSU方案约0.1 m/s，尤其随预报时效的增加，ACM2方案表现出较稳定的优势，大部分预报时效的均方根误差和预报偏差低于YSU方案。7月两种方案预报的均方根误差比较接近，维持在1.6 m/s附近；对于大部分预报时效结果，ACM2方案的预报偏差略低于YSU方案，总体维持在在1.2 m/s附近。

2.3 降水

图4为DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年1月6 h累积降水检验结果。从Ts评分来看，在大部分预报时效ACM2方案的预报结果优于YSU方案。对于0.1 mm/6 h阈值的降水，ACM2方案预报的降水Ts评分相比YSU方案均有一定提高。对于3.1和6.1 mm/6 h两个阈值的降水，12 UTC的预报结果中ACM2方案优势明显。对于12.1 mm/6 h以上的大阈值降水，在00 UTC ACM2方案有一定的预报能力。另外，两方案预报结果中Ts分值大部分均为0.0，这主要是由于新疆冬季强降水过程较为罕见所造成的。从预报偏差来看，除个别预报时效外，ACM2方案预报的降水Bias值总体优于YSU方案。相比YSU方案，尤其在00 UTC，ACM2方案结果中的Bias预报偏差高值明显降低、低值也有所升高，在一定程度上对1月份各阈值降水的空报和漏报问题有所改进。

图3 DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年代表月10 m风场检验结果

图5为DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年7月6 h累积降水检验结果。从Ts评分来看，7月降水预报结果对边界层方案的敏感程度不如1月，两种方案对6 h累积降水的预报结果差异较小，ACM2方案在部分预报时效优于YSU方案。从预报偏差来看，两种方案对6.1 mm/6 h以下的小阈值降水Bias预报偏差结果比较接近，但对于12.1 mm/6 h以上的大阈值降水，两种方案的Bias预报偏差整体偏高。在00 UTC时刻的结果中，ACM2方案Bias偏差高值相比YSU方案有所减小；但在12 UTC时刻的结果中，ACM2方案对大阈值降水出现更为严重的空报和漏报情况。

图4 DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年1月6 h累积降水检验结果

图5 DOGRAFSv1.0系统不同边界层方案预报的2013年7月6 h累积降水检验结果

3 结论

文中基于沙漠绿洲戈壁区域同化预报系统（DOGRAFSv1.0）YSU和ACM2两种不同边界层方案下2013年1月、7月的预报结果和实况资料，利用客观检验方法，初步探究不同边界层方案对新疆区域地面气象要素预报的影响，主要结论如下：

（1）ACM2方案对地面气象要素预报效果优于YSU方案，尤其在1月ACM2方案预报结果优势明显，这可能是因为1月多稳定或中性层结，ACM2方案采用局地闭合算法有效抑制了虚假对流的发生、发展；而7月多对流不稳定层结，ACM2和YSU方案均采用非局地闭合算法。

（2）对于2 m温度和10 m风场的预报，ACM2方案总体显著优于YSU方案；尤其在1月，ACM2方案对低温预报偏高的问题有一定改善，但高温预报偏低的问题有所加重，对10 m风速的预报误差也显著减小；是由于ACM2方案采用的局地闭合算法削弱了边界层顶卷挟和边界层内混合作用，在一定程度上抑制了边界层以上高温和大风的向下传播所致。

（3）对于6 h累积降水的预报，ACM2方案优势仍在1月份较为显著；对于6.1 mm/6 h以下的小阈值降水，ACM2方案较YSU方案Ts评分有所提高，而Bias预报偏差高值有所降低，即ACM2方案对降水的空报有一定改善；而对于12.1 mm/6 h以上的大阈值降水，ACM2方案一方面降低了Bias高值，另一方面又增加了Bias低值，即对强降水的空报和漏报问题均有一定改善；由于边界层物理过程对于对流性降水影响显著，而局地闭合算法抑制了边界层物理过程和对流过程的耦合作用，进而增加了层结的稳定性，使得虚假对流性降水大大减少。

通过以上分析，ACM2方案总体上较YSU方案对DOGRAFSv1.0系统的预报结果有所改进。但文中仅对2013年代表月（1月、7月）进行检验评估，评估的对象也主要针对常规地面气象要素，后面将进一步针对高空要素场进行统计检验。另外，还将选取强降水个例，深入探究不同边界层方案对低层环流形势和降水落区、量级的影响。

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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

中央级公益科研院所基本科研业务专项（IDM201302）、中国沙漠气象科学研究基金（SQJ2013014）和中国气象局气象关键技术集成与应用重点项目（CAMGJ2012Z20）共同资助。

于晓晶（1987-），女，助理研究员，主要从事数值天气预报和中尺度数值模拟等工作。E-mail：yxj1301@126.com

于晓晶，李淑娟，辛渝，等.DOGRAFS边界层方案对新疆气象要素预报影响初探[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（5）：16-22.