文摘

香港天文台(HKO)正计划来实现高分辨率的数值天气预报(NWP)模型支持航空天气应用程序在香港国际机场的客流量。这个新NWP模型系统,称为航空模型(AVM),配置的水平网格间距600米和200米。它是基于WRF-ARW(高级研究WRF)模型,可以有足够的计算效率,以产生每小时更新的预测提前9个小时在未来的高性能计算机系统理论峰值大约10 TFLOPS的性能。AVM将内嵌套操作中尺度数值天气预报模式的女童教育活动2公里水平分辨率。本文初步的数值实验结果预测的风剪事件由于海风和地形效应进行了讨论。模拟sea-breeze-related风剪很成功,阻力变化观察到从飞行数据可以复制模型预测。一些物理过程在生成精细循环风的影响和发展重要的对流。本文还讨论了限制在当前的模型设置和AVM的未来发展提出了方法。

1。介绍

香港国际机场(1)是位于大屿山附近气流干扰是由于生成复杂的山区山岳志。山的峰会离地面近1000米高的榴弹炮和山谷海拔在400米左右的发现香港建筑师学会东南约4公里。Terrain-disrupted气流可能发生,在香港建筑师学会当盛行风从东向西南,特别是在春天当strong-east-to-southeasterly风吹到机场下稳定边界层。另外,海风环流通常在上午晚些时候由于日晒形成的天气气候模式下形成的轻度到中度的干冷的风。风收敛和扰动导致低层风剪和动荡1]。

在夏天,明显的对流系统或组织雷暴影响香港建筑师学会和香港地区航班信息(HKFIR)(图1入境)导致空中交通中断和出入境航班。此外,机场操作将大大影响广泛的或长期的雷暴和闪电。因此,它是特别重要的提供准确的预测对流天气的时间和严重性等航空用户空中交通管制,以确保效率和安全的航班和机场操作,以及减少航班延误和娱乐,和最大化能力和优化HKFIR空中交通流。

目前在女童教育活动,中尺度数值天气预报模式系统,即空气/ NHM [2使用Nonhydrostatic模型)的日本气象厅(JMA-NHM [3),提供了每小时更新模型预测在2公里水平分辨率(称为2公里NHM以后)。观测等中尺度观测网络的自动气象站对香港和广东和地面遥感数据,如雷达、风分析器和GPS总可沉淀的水蒸气在三维变分同化数据同化(3 dvar)系统。雷达多普勒速度和检索使用马赛克风数据的雷达在香港,深圳,广州也在吸收2公里NHM改善显著的短期预测对流(4]。而在一般的2公里NHM可以提供一些有用的指导发展的中尺度天气特征,这是不足以解决局部影响由于地形在大屿山和小型陆地/海洋对比周围的机场。因此,精细建模系统需要提供改进的指导土地/海风的影响和其他的形成中尺度现象。

本文发展的航空模型(AVM)系统基于天气的研究和预测(WRF)模型(5讨论了]。部分2介绍了AVM的一般设置。案例研究提出了风剪的部分3包括描述模型优化的影响。性能预测的AVM重要的对流和云粒子物理学的影响方案中描述的部分4。结束语,包括当前的局限性和可能的AVM的发展领域,介绍了部分5。

2。航空模型的设计(AVM)系统

2.1。一般模型设置

AVM是基于WRF-ARW(高级研究WRF)——欧拉mass-coordinate动力核心。AVM的初始设置,本文提出基于版本3.2.1(见部分4)。整个动静脉系统包含两个域与横向分辨率在600米和200米覆盖珠江三角洲(PRD)和香港机场(HKA)地区。为简便起见,他们称为PRD-AVM HKA-AVM。的空间覆盖PRD-AVM (HKA-AVM)约350公里(50公里)的东西和南北方向(图1)。AVM将在每小时更新基础:每小时运行的初始条件的PRD-AVM来源于预测2公里NHM边界更新频率为1小时。采用单向嵌套的初始和边界条件HKA-AVM PRD-AVM预测的。PRD-AVM的预测范围和HKA-AVM是9小时。

更好的代表近地表气象条件和边界层特征,大约15垂直级别的数据在1000榴弹炮模型的地形生成从2公里NHM预测生产PRD-AVM的初始和边界条件。影响主要用于PRD-AVM和HKA-AVM来源于航天飞机雷达地形测绘任务(SRTM)的数据集(http://srtm.usgs.gov/3角秒)的水平分辨率(约90米),以解决空间变化的地形高度在香港建筑师学会近年在大屿山和对比。

2.2。模型物理过程

WRF-ARW,可用的选项数量在每个模型的物理过程进行数值模拟不同尺度的大气过程。例如,设置运行WRF-ARW之一中尺度天气模拟(和地区气候运行,看到6)是基于以下几点:(NCAR社区大气模型)凸轮或(快速辐射传输模型)RRTM长波和短波辐射Mellor-Yamada-Janjic (MYJ)行星边界层(PBL),基于相似理论和表层过程采用“埃塔”模型。在MYJ方案中,这是一个外地PBL参数化,湍流动能(TKE)是一种预后变量,和云混合效应包括占冰云液态水和云的影响。MYJ方案应用的案例研究terrain-induced风剪使用以前版本的WRF-ARW(2.2版)和水平分辨率高达200米。模拟风模式是与风来自激光雷达观测(1]。

前配置使用WRF-ARW版本3.2.1 AVM,二维变形(WRF“km_opt”选项)被选为了提供一致的治疗选择的行星边界层过程,以及估计的所需计算资源实时运行在每小时更新的基础。然而,这将是下一节所示,虽然选择的选项在前面的段落通常可以产生中尺度环流的特点导致sea-breeze-induced风剪,他们还不足以预测能细微变化的温度和风力预测局部风在香港建筑师学会收敛,大屿山的地形效应可能导致形成。因此,最近物理参数化方案对短波和长波辐射过程,PBL,地表模型、近地表物理,和更先进的数值程序计算扩散、热通量,水分和动量通量在WRF-ARW已经应用于调查他们对模型仿真的影响。

鉴于AVM配置分辨率subkilometre,积云参数化方案(“cu_physics”选项)PRD-AVM和HKA-AVM是关闭的。显式云粒子物理学使用五级云粒子物理学(WSM5)最初在AVM选择使用WRF-ARW 3.2.1版本,因为它已经广泛采用对流系统的数值模拟。水蒸气的特定的湿度,云液态水,雨水,云冰和雪是预后变量在模型中对流过程和网格尺度降水。最初的实验使用更高级的double-moment云粒子物理学的新版本WRF-ARW(3.4.1)将讨论部分4。

3所示。模型案例研究风剪由于海风和局部收敛

3.1。Sea-Breeze-Induced风剪(2011年2月25日)

风剪事件发生主要在香港建筑师学会nonrainy天气条件下。在日晒下,海风环流形式对珠江河口和附近的机场在上午晚些时候或者下午早些时候。举个例子,在2011年2月25日,高压在中国东部的一个山脉了轻度到中度的东风在香港(图2(一个))和广东的沿海地区。建立了海风风收敛是哪里就在跑道(图的西端2 (b))在12 - 13 HKT (04 - 05 UTC;HKT = UTC + 8小时)。风剪导致阻力显著增加15 - 20节遇到了超过10飞机着陆跑道从西南北(07 la走廊)。图3(一个)从常规2显示了预测公里NHM。轻度到中度的东风的支持来west-to-northwesterly风对西部附近海域被4模型中的模型预测。然而,风融合从香港建筑师学会的西端。图3 (b)显示了从HKA-AVM预测。它可以看到AVM运行演示了一些改善预测风收敛的位置。finer-resolution模型更真实的描述地形和近年对比改进的预测位置风收敛。

这将是有用的飞行员和航空提供预先警告用户如果模型可以提供突然阻力变化的迹象在降落或起飞或发生重大风剪的情况。图4显示了模拟逆风剖面沿滑移路径HKA-AVM(绿线)选择飞机。数值模拟也重复使用NHM相同的网格大小(200米)生成逆风概要文件进行比较。产生的阻力概要文件使用直接模型输出的三维风沿着飞机的滑行路径组件和投射。相应的飞机逆风概要和下滑道的高度从04:43:50 04:45:20 UTC是红色和紫色线所示,分别。应该注意的是,天气预报资料从HKA-AVM NHM从各自的模型预测的快照UTC(凌晨5T+ 4 h预报)。逆风概要文件的模型预测和实际时间跟踪显示彼此良好的协议。两个模型预测表明早期改变逆风顺风(04:44:15 UTC 04:44:40 UTC)比实际04:44:50 UTC。HKA-AVM和NHM结果之间的差异很小,但HKA-AVM能够更好的捕捉突然跳进附近的阻力的大小代表点(即。飞行高度接近于零)。高分辨率的模型模拟演示一些潜在捕捉风剪和模拟飞机对阻力的影响变化。

3.2。物理模型的影响预测的局部风收敛(2011年6月25日)

香港建筑师学会当地风融合的发展往往是复杂的影响周围的地形,提供本地化的显热交换通过近地表过程和低级流阻塞形成微尺度环流模式。一个例子可以看到从另一个风剪事件发生在6月25日下午,2011年。在6月25日上午,一个温和的西南风盛行在大屿山(数字5(一个)和5 (b))。风对东部附近海域的香港建筑师学会逐渐转向东风或者在12至13 HKT,往东南风剪(数字5 (c)和5 (d))遇到的飞机从东北和着陆北跑道(25 ra走廊)。

早上的风顺时针转向西南,西风在东北地区的香港国际机场被捕2公里NHM预测(没有显示)。使用HKA-AVM(图6(一)),由于风变得更明显的顺时针转向更好的模型解决小规模风力流的特性。然而,风收敛的东端跑道无法复制。

为了解决这一问题的发展小规模风力特性,一系列的数值实验试图通过检查影响表面风和温度预测在香港建筑师学会基于所有可用选项的近地表物理、边界层过程,地表模型的选择。总之,这些模型物理过程的一些选定的组合可以提高模型预测的风向变化的时间或空间和时间变化的温度在香港国际机场。例如,使用最近的长波和短波辐射方案基于RRTMG(一个新版本的快速辐射传输模型更有效而准确的计算的辐射过程)普遍提高了预测温度在香港国际机场和大屿山,可能由于云重叠效应的一个更好的治疗和包含多个波段短波和长波辐射。使用不同的地表计划通过切换基本五热扩散模型更复杂的地表模型(LSM)如NCEP诺亚LSM和RUC LSM导致轻微的积极影响温度预测模型(没有显示)。灵敏度测试也是使用不同的模型执行的土壤温度和土壤湿度数据。他们包括NCEP全球模型(GFS)预测的水平分辨率在0.5度纬度/经度和ECMWF的高分辨率数据产品模型预测在纬度/经度0.125度。然而,由此产生的变化预测温度和风速超过香港建筑师学会相对较小。将开展进一步的研究调查的影响在不同天气条件下模型数据。

对风的影响预测被发现,而边际使用PBL模式在现有或新WRF-ARW(例如,Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino三阶湍流闭合模式采用NHM)与相应的兼容近地表方案诊断表面风,温度和水分。限制是可能归因于湍流漩涡的不足表示这样的PBL模式WRF(和其他中尺度数值天气预报模型)是模型只适合一个或几公里水平分辨率。

最近版本的WRF,大涡模拟(LES)模型已经包含在代码中。莱斯已被广泛应用于研究湍流及其相干结构在PBL和统计。使用这个新选项(三维扩散项,1.5订单TKE闭合,RRTMG短波和长波,和默认的MM5相似近地表过程),相同的风能分布预测香港建筑师学会在图中进行了描述6 (b),这显示了一个非常令人鼓舞的结果对模型模拟风剪特性的更现实的位置和时间的局部收敛和相关的微尺度风反气旋香港建筑师学会。此外,需要注意的是,模拟风模式很敏感的近地表过程的选择(例如,改变从MM5相似埃塔模型类型),以及动量通量的计算方法,热通量和水汽通量WRF-LES。西南风力的预测速度使用这些选择,这样可以加强当地范围内反气旋的形成和风力收敛被抑制。

4所示。明显的对流使用AVM的预测

4.1。广泛的似稳重大对流在HKFIR(2011年9月18日)

PRD-AVM应用于模拟对流重大事件发生在9月18日,2011年。在早上,对流集群发展的沿海水域的存在广泛的低压区域和收敛的东风气流沿着海岸的广东。雷达回波变得更有组织性,形成广泛的重要的对流。他们似稳和阻塞的飞机从南方HKFIR。一系列的图像显示雷达CAPPI反射率在3公里海拔图给出7。

PRD-AVM预测是启动UTC时间2300年9月17日,2011年。初始和边界条件的预测是基于2公里NHM运行2200 UTC,确保更好的输入AVM的足够自旋向上的水分和其他预测模型元素。模拟最大反射率的地图从0000 - 0500年PRD-AVM UTC图7。从2小时累积降雨量预测公里NHM也显示比较。

WSM-5方案用于PRD-AVM产生一个合理的对流发展的趋势。“模拟雷达回波”被发现加强并组织成一个重要的对流集群在未来3 - 6个小时。然而,整个预测对流系统被发现的位置来定位更西南的实际雷达图像所示。模型模拟雷达反射率50 dBZ(或以上)一起获得了更高的降水量的预测相比,2公里NHM(没有显示)。在这种情况下,2公里NHM显示一个更现实的结果在一个更广泛的覆盖的雨。这可能是由于大域的2公里NHM更好地代表低压区沿海水域和对流系统。

4.2。开始孤立雷暴(2012年5月20日)比较不同的先进的云粒子物理学参数化

夏季热雷雨,特别是与海风收敛,常常迅速发展到有组织的暴雨。准确预测他们的起始和发展挑战由于中尺度过程的不确定性。例如,压力梯度条件下的疲弱,一般早晨微风和条件不稳定环境5月20日,2012年,发展风能融合当地地区和沿海地区发生在午后雷雨细胞的快速发展。雷达CAPPI反射率图像序列在12到14 HKT如图8。与更广泛的发展发现新界北部,暴雨发生和持续了几个小时,直到晚上。

预测图模拟雷达反射率的表面风PRD-AVM运行初始化0800 HKT (0000 UTC) 5月20日,2012年,在图所示9。WSM-5云粒子物理学计划使用。相当薄弱的天气迫使环境下,收敛风发达由于海风的沿海地区和表面加热下日晒内陆地区。对流的起始细胞被PRD-AVM预测这些收敛区附近还发现了不稳定。强烈的雷暴在内陆的发展广东(区域)和香港(B区)被合理的位置和趋势。WRF-ARW,几个大部分粒子物理学计划(“mp_physics”选项)发布以来的可用版本2预测云水文气象的比湿包括水和冰组件。特别是,香港等。7)相比的性能WRF一刻(WSM)三级、五级、六级模拟中尺度对流风暴。发现三个方案通常表明类似的性能而言,降雨分布和WSM-5倾向于产生更多现实的降雨强度由于包含mix-phased水文气象和更深的一层融化和冻结的过程。使用WSM-6越复杂,包括特定的湿度控制方程的霰,更本地化的分布峰值降雨模拟由于霰的脱落以及雨水。然而,该计划显示overpredicting小雨的覆盖范围的偏差。

最近,更复杂的double-moment云粒子物理学在WRF-ARW计划已经实现,可以预测的混合比和数量浓度水汽现象的物种,比如云滴,冰云,雨,雪,提高云在预测的对流天气过程的表征现象。三个数值实验进行使用WRF-ARW 3.4使用WDM-6 (WRF 6级双时刻计划(8[]),莫里森double-moment方案9)和Milbrandt-Yau double-moment计划(10]。图10显示了预测反射率地图在4 - 6小时的预测当地sea-breeze-induced收敛和雷暴发起。一般来说,所有这三个方案都能够预测的发展本地化模拟雷达反射率峰值强度在45 dBZ或以上。他们有不同的空间分布和位置虽然表面风风场预报的收敛非常类似(没有显示)。例如,WDM-6预测显示最激烈和高反射率回声或风暴的局部组织细胞相比,莫里森和Milbrandt-Yau计划。雷暴的发展被发现比其他两个方案早约2小时。这是讨论(7]WDM-6能够提供一种改进的治疗变异性的云和雨数量浓度为了改善代普遍小雨一刻版本中(WSM-6)。

在莫里森和Milbrandt-Yau计划的理由,他们有类似的预测模拟反射率的分布。发展的时间和位置,Milbrandt-Yau方案预测雷暴(≥35 dBZ)在A和B发生在13 - 14日HKT,更连贯的雷达图像(图8)。此外,Milbrandt-Yau方案更好地与对流在沿海水域T+ 4小时的预测,也出现在WSM-5(图9)。将在未来进行更多的研究来理解的机制和特征三个时刻计划的两倍。

5。结束语

本文讨论了AVM的发展。AVM的目的是提高数值天气预报的能力来支持航空在香港天文台预测。模型已成功实现审判实验来模拟风剪事件,海风收敛,明显的对流。敏感性试验使用不同的模型物理过程一直试图为了获得一个可行的设置和配置的AVM预测香港国际机场附近的本地或微尺度的天气现象。他们表现出令人鼓舞的结果,从而有利于日常运行在rapid-update周期配置可用的计算资源。然而,还有许多局限性,解决了在以下段落。

200米HKA-AVM可以繁殖更多现实的风流和预估相比,香港国际机场目前的操作中尺度数值天气预报系统(2公里NHM)。虽然很多物理PBL参数化过程的选择,近地表过程,地表模型,从WRF-ARW和云粒子物理学研究或采用其他高分辨率数值天气预报的研究中,他们可能不完全适用于高分辨率仿真水平分辨率在200米。例如培养过程、地表模型、地表类型的正确规范,甚至有些叶片必须准确地模拟风场在香港国际机场。其次,PRD-AVM的域大小可能过于局限于预测边界附近的对流系统的发展,从2提供了边界数据公里NHM。缓解矛盾,我们可以考虑延长PRD-AVM主题域的计算资源或包括另一个外部模型与粗分辨率(例如,网格间距在1或2公里)使用双向嵌套迫使更一致的更新的模型边界。事实上,双向嵌套是企图在WRF的初始设置,但偶尔发现数值不稳定。新版本的代码(版本3.4),双向嵌套将探索再次检查代码的健壮性和可能获得现有的单向嵌套方法在计算速度(又名nest-down“ndown”的方法)。

整个动静脉系统正在初始化插值的2公里NHM预测。虽然“3:1”嵌套比(2000年NHM与600年PRD-AVM)被发现是一个可行的选择从仿真实验的结果,毫无疑问,模型初始化,尤其是一些向上的问题与云粒子物理学可以减轻通过数据同化(DA)的一个实现。AVM-DA系统不是简单的实现,因为当前配置的数据利用变分同化方法(3 dvar或4 dvar)需要调优的背景协方差模型。分析的相关控制变量指定基于物理平衡的天气和subsynoptic尺度过程来生成最优模型分析作为初始条件。此外,切线性和伴随WRF模式可能不足以代表了中尺度和云微物理过程。这将是在未来追求性能的研究变分资料同化WRF-ARW,包括技术和相关的调优,如果可用,构造一个合适的DA系统PRD-AVM和HKA-AVM。

确认

本文研究工作的一部分是由第二作者对女童教育活动期间2011 - 2012。谢谢也由于Drs。βc . l .摆好阵势,艾薇刘贤黄提供技术支持建立一个实验使用WRF-ARW 3.2.1版本的动静脉系统。