资料同化技术：优化地球模型的方法

数值天气预报的大气模型误差越小，初始和边界条件越准确，预报质量越好。大气初始状态信息是来自各种气象要素的实际观测和模式本身的预报结果。资料同化的过程就是利用各种气象信息，融合观测资料和模式预报结果，得到最优化的大气初始状态信息。

随着数值天气预报的日趋精细化，资料同化的重要性也越来越突出。目前，资料同化方法在全球天气预报系统和有限区域的中尺度预报系统中都得到了广泛的应用，其中全球预报系统中最为著名的是欧洲中期天气预报中心的Integrated Forecasting System（IFS）和美国国家大气研究中心的Global Forecast System（GFS）。面向风力发电、光伏发电功率预测的中尺度预报模式中应用最广泛的是集成了资料同化的WRF模式。

4.2.2.1　资料同化模块

WRF资料同化（WRF Data Assimilation，WRFDA）模块是在WRF天气预报系统的基础上开发的一套工具集，提供了服务于资料同化的各种功能，包括观测数据预处理、模式背景场误差生成、同化算法的运行、同化后初始场和边界条件的生成等。由于WRF模式的开放性，目前WRF模式已经成为全球范围内应用最为广泛的中尺度天气预报模式，在科学研究和业务预报领域都得到了很高认可。

WRF资料同化模块目前主要支持三维变分同化和四维变分同化算法，同时也对卡尔曼滤波、混合同化等算法有一定支持，用户可根据需要选择相应的编译参数，编译生成对应的可执行程序。

作为WRF模式系统的一个模块，WRFDA的程序主框架与WRF模式保持一致，而且能够与WRF模式进行无缝衔接，为用户提供便捷有效的资料同化方案。WRFDA资料同化模块如图4-4所示，包括OBSPROC、gen＿be、UPDATE＿BC以及WRFDA等单元。WRFDA的运行，首先要利用OBSPROC进行观测资料的处理，去除重复和无效的观测资料，并转换为WRFDA可识别的ASCII格式，然后利用gen＿be生成模式背景场误差数据；其次，由WRFDA读入处理后的观测数据y0、观测误差R、由WPS和real程序生成的模式背景场xb，以及背景场误差B0，计算得到同化后的分析场xa；最后，运行UPDATE＿BC单元，更新模式边界条件，这样就完成了一次完整的WRFDA流程。

图4-4　WRFDA资料同化模块示意图

4.2.2.2　WRFDA资料同化试验

采用WRFDA系统对2013年6月26日12时（UTC）的我国内陆地区进行数据同化试验。WRF模式以及WRFDA同化系统的版本为V3.5.1，初始场采用GFS模式的00h分析场，同化的观测场数据包括地面观测、高空气球、飞机航空报以及GPS水汽观测数据等NCEP　GDAS观测数据，数据格式为BUFR格式。采用四维变分同化算法，背景场误差协方差矩阵选择NCEP模式背景协方差。同化系统所采用的观测资料的时间窗口为从26日12时至15时，模式水平分辨率为27km×27km，模拟范围网格数为200×171。模式的物理过程参数化方案采用以下配置：

mp＿physics=3，

ra＿lw＿physics=1，(www.xing528.com)

ra＿sw＿physics=1，

radt=30，

sf＿sfclay＿physics=1，

sf＿surface＿physics=2，

bl＿pbl＿physics=1，

cu＿physics=1，

cudt=5，

num＿soil＿layers=4，

mp＿zero＿out=2，

co2tf=0

图4-5为未经WRFDA同化的风速场和经过WRFDA同化后的风速场对比，其中实线表示同化前与同化后风速差值为正的曲线，虚线表示同化前与同化后风速差值为负的曲线。可以看出，经过WRFDA同化后风速场有改变，这说明WRFDA对背景场的调整能够改变WRF模式运行结果。图中，北纬33°～36°、东经116°～122°区域风速有明显改变。