蒋林杉
摘 要：实现对中尺度现象的有效预测要用到MM5，该项技术在中国范围内有深入应用，本文研究WRF和MM5模式对辽宁暴雨模拟的对比，概述WRF和MM5模式功能特征，讨论对天气过程的描述和试验方案的设计，在此基础上对比分析WRF和MM5模式对辽宁暴雨模拟的结果，希望本文的观点能为关注此话题的研究者提供参考意见。
关键词：WRF和MM5 天气过程 低压中心
中图分类号：P458 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2019）09（a）-0111-02
在当前的发展阶段中，暴雨、台风这一类的短时天气研究项目会用到MM5技术，除此之外，该技术还被运用于预报空气污染情况。WRF是在MM5的基础上研发而来，是新一代的中尺度预报模式，优势更为明显，有望替代已经应用多年的区域模式，属于新一代的中尺度预报模式，能准确预报多种天气情况，分析环流形式，准确预测雨带分布特点。
1 WRF和MM5模式
美国国家大气研究中心和美国宾州大学合作研究了MM5，该模型在有限区域中的尺度气象模式中有广泛应用，MM5模型比较突出的两项功能是能给出数值形式的天气预报信息;研究天气过程机理。而WRF是在MM5的基础上研发而来，属于中尺度气象模式，研发该系统最初的目标是建立理想化的动力学系统，所提供的信息涉及到全部的物理过程，除此之外，还能提供一个公用的模式框架，用来预报空气的质量，并模拟区域内的气候。WRF是更新MM5模式而来，同时也代替了MM5模式。相比于MM5模式，WRF的各项性能都更加先进，主要表现在应用范围、数据格式、核心的动力模块等方面。原则上WRF所获得的模拟结果与MM5相比更接近大气情况，研究者对此展开分析，发现二者对大气的模拟结果几乎是相同的，都能比较好地模拟大气的运动过程。而在模拟暴雨、云微物理过程以及城市热岛效应方面，WRF所获得的模拟结果更为准确[1]。
MM5的模式设置在研究中小尺度系统方面有明显的优势，就水平分辨率而言，MM5的值是5km，而垂直分辨率可达40层。MM5所提供的降水处理显示计算方案非常可靠，方案的设计是从云和降水形成的微物理过程入手。WRF在工作时会用到增量方法，保证把所有的引入非平衡量都控制比较小的范围内。在此基础上初始的猜测场会添加全部的增量，从而得到比原始场分析更加可靠的数据结果。就四维变分同化过程而言，不管是切线性模式，还是伴随式的模式，都有非常大的计算量。
2 对天气过程的描述和试验方案的设计
2017年的8月5日的晚上8点到6日晚上8点，辽宁省的多个市区出现了大暴雨天气，其中出现特大暴雨天气的站有3个。期间形成了两个强降水中心，其中一个强降水中心位于海城，降水量达293.4mm，另外一个强降水中心位于大石桥，降水量达245.4mm。在汛期出现的最强降水过程中，降水比较集中的时间是8月6日的早上10点。设计试验方案用到NCEP全球再分析资料，每日需要检测4次，并确定水平分辨率。就中尺度模式而言，在一定程度上依赖初始场和边界条件。会对模式结果产生影响的初期的处理过程。为了避免这一不良情况的发生，试验的过程对WRF和MM5的前处理运用了相同的模式。保证试验所生成的初始场和侧边界是相同的。所使用的模拟区域把120°E、43°N作为网格中心，该网格的格距为30km，水平格点上东西的方向是61，而南北方向为57。整个模拟过程会持续36h，每隔1h系统会将监测的信息输出。
3 WRF和MM5模式对辽宁暴雨模拟的对比
3.1 降水区域和降水量
其中最大降水中心的降水量达到了293.4mm，从整体情况来看，总的降水区域是南北走向，呈椭圆形状。而中心位置是圆形的。降水区域把辽宁地区东部的大部分沿海地区都覆盖了。以24h为界限，给出四种模拟模型。与实际情况相比，每一个模拟试验的雨带都非常大，但是给出的最大值却比实际情况小。在控制中心的模拟方面，模拟试验也出现了明显的偏差。偏离的幅度是1.5经度，方向为东。不仅如此，降水量也与实际情况不相符合，比实际情况少近70mm。在其中的一个虚拟中心位置处，降水量的预测值为100mm，该中心位于实况中心北侧的1个纬度上。从整体情况来看，预测的整个降水区域的基本形状基本符合实际情况，都是南北走向。在方案B中发现对降水中心的预测与方案C有相同的结果，都表明有两个强降水中心。其中的一个中心与实际情况相比有一定偏差，偏离的方向是北侧，偏离的幅度是1个纬度。对降水区域的描述也同样是南北方向，呈椭圆形。
3.2 对低压中心和风速的预测
环流背景会对暴雨天气的出现产生深刻的影响，经过分析发现此次降水的产生是从低压中心向着低空转变，诱发的地点是辽宁省内的南部地区。模拟暴雨的成功率由高度场和风场的模拟决定。运用MM5和WRF模拟暴雨天气的高度场，除此之外还要模拟风场和急流。对比相应时刻的实际情况。其中MM5给出的低压中心与实际情况相比有一定偏离，偏离的方向是西，偏离的距离为130km。而WRF给出的模拟结果则比较准确。不管是中心位置，还是数值大小都与实际情况高度一致。在低压中心位置上，WRF给出的数值为1390gpm，这一数值为低压中心的最大强度。
3.3 温度、风向和相对湿度
运用WRF和MM5预测温度、风向和相对湿度的变化情况，共选择了3个预测点，距离地面的高度分别是30m、100m和500m。从预测的结果中发现，两种模拟方式给出的结果是几乎相同的。这些相同之处主要表现在温度、露点和日变化趋势上[2]。峰值都是出现在8月这个时间节点上，最低点都是出现在冬季。除此之外，日变化趋势会频繁出现一个弱小的波动，两种模拟方式对此也给出了相同的预测结果。在露点的温度结果预测工作中，不管是MM5还是WRF给出的温度结果相关系数都是98%以上。这充分说明两种预测模式对温度和露点的预测结果是完全一致的。而在风向和日变化方面，WRF和MM5给出的结果与实际风向日变化的趋势是基本一致的。
3.4 预测高空流场和水汽通量
运用MM5和WRF预测暴雨天气，有一定优势，从一个时间节点到另一个时间节点的預测并不能对某一问题有充分的说明。6h之内在不同的高度上平均流场和水汽的通量散度的预测结果说明这两种预测模型有着良好的配置关系。就850hPa低层负荷强度而言，WRF给出的模拟值大于MM5，而在高空流场上，二者给出的预测结果几乎是相同的。在强对流活动中，水汽通量的散度与大气之间有着非常密切的联系，促使暴雨形成的一个重要条件是大气低层水汽通量，不管是水汽通量低空幅合还是水汽通量高空幅合，WRF给出的模拟结果都是比较强烈的。在垂直方向上，水汽的交换有了良好的实现条件，加大对流活动实现的可能性[3]。
4 结语
综上所述，本文从降水区域和降水量;对低压中心和风速的预测;温度、风向和相对湿度;预测高空流场和水汽通量四方面入手，对比分析WRF和MM5模式对辽宁暴雨模拟效果。认为WRF的动力框架具有一定优越性，使得最终获得预测结果有所改善，对降水落区的预测，WRF在高空形势场的动力条件和热力条件上更有优势。
参考文献
[1] 石春娥，李耀孙，杨元建.MM5和WRF对中国东部地区冬季边界层模拟效果比较[J].高原气象，2015，34（2）：389-400.
[2] 吴萌萌，万莉颖，邢建勇.WRF与MM5在印度洋海域业务化预报结果的对比分析[J].海洋预报，2014，31（3）：66-71.
[3] 王庆改，何友江，赵晓宏.MM5和WRF模式对高空气象数据模拟的对比分析[J].安全与环境学报，2014，14（1）：278-284.
