BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

刘梦娟陈 敏

1）（北京大学物理学院大气科学系，北京100871）2）（中国气象局北京城市气象研究所，北京100089）

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

刘梦娟1）陈 敏2）*

1）（北京大学物理学院大气科学系，北京100871）2）（中国气象局北京城市气象研究所，北京100089）

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次（08：00，14：00，20：00，北京时，下同）L波段探空秒间隔数据为实况，对BJ-RUC系统（rapid updated cycle system for the Beijing area）分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明：BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力，但也存在明显的系统性误差。08：00边界层偏冷；14：00和20：00 1 km以下的边界层则显著偏暖，边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨（08：00）从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后（14：00）到日落后（20：00）1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14：00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高，这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。

边界层；L波段探空；业务数值预报

引 言

近年来，数值模式对大气边界层的模拟和预报能力越来越受到人们的关注［1-4］，尤其是对某一特定地区（几公里到几十公里范围）大气边界层气象要素（风、温、湿）的空间分布和时间演变进行短时预报，已成为边界层气象应用的一个重要方面［5］。虽然针对业务模式自由大气和地面要素预报性能的客观检验和评估工作已经广泛开展［6-10］，但业务模式在大气边界层内预报和同化质量如何尚缺乏系统的研究，较多的是通过分析典型个例［11-14］或者对地面气象要素预报性能评估来间接了解［15-17］。一个重要原因是缺少与模式可以直接对比的、能够反映边界层内风、温、湿特征的实况资料。目前直接用于业务天气分析应用的探空观测资料在边界层内垂直分辨率低，不能分辨边界层内细致的垂直结构；且常规探空观测时间为08：00（北京时，下同）和20：00，缺少午后对流边界层发展旺盛时刻以及夜间边界层稳定时刻的实况资料。

近年来，我国自行研制的L波段高空探测系统逐步投入业务化应用。2010年底，我国探空站的探空系统升级为L波段探空系统，其电子探空仪采用电子感应元件，采样周期约为1.2 s，因此也称L波段探空基数据为秒间隔数据，全国120个站点可连续自动测定高空气温、湿度、气压、风向、风速等气象要素值，按照400 m/min的升速计算，探空数据垂直采样间隔为8 m，探测高度可达10 hPa，且资料中有时偏差、经度差和纬度差，气球升空直至爆炸，每一时刻的位置都能获知，因此同传统的探空资料相比，L波段探空秒间隔数据具有高时空分辨率、定位准确的特点，能对全国高空大气进行同步立体探测，其总体性能优于59-701高空气象探测系统［18］。

目前针对L波段探空秒间隔数据已开展了一些应用，例如周毓荃等［19］利用探空秒间隔数据设计制作了云垂直结构探空分析显示图，初步形成基于我国业务探空的云结构分析技术；杨湘婧等［20］对比分析了L波段探空秒间隔数据与JICA-PBL通量铁塔梯度观测系统，构造了L波段探空再分析与通量铁塔近地层气象信息相关模型，认为L波段探空垂直高分辨率廓线近地层数据能够较好地描述大气边界层内近地层温、湿、压特征。陶士伟等［21］认为L波段和59型两种探空系统的观测资料与模式背景场之差（简称OMB）具有相似的平均偏差特征，但对于温度的OMB标准差和拟合观测误差，L波段探空系统较59型有较大改进。该系统提供的探空资料时间分辨率达1.2 s，能够极为精细地反映探空气球在升空过程中所获取的垂直方向上各气象要素的变化状况。因此可以尝试以该观测资料为实况，对数值模式在边界层内的预报性能开展检验评估。

2008年以来，北京市观象台探空站每年汛期在14：00增加1次加密探空，其L波段探空系统的秒间隔数据具有足够高的垂直分辨率，可以描述北京地区边界层的廓线特征。因此，以北京观象台L波段探空系统08：00，14：00和20：00在边界层内获取的秒间隔数据为实况，对北京市气象局快速更新同化和预报循环系统（BJ-RUC）在北京地区的夏季边界层预报性能进行评估。

1 资料和方法

BJ-RUC系统是基于WRF三维变分同化技术和WRF模式建立的华北区域3 h周期快速更新循环同化预报业务系统，其预报区域为3重嵌套，分辨率分别为27 km，9 km和3 km［7-8］。本文对2010年8月和2011年8月的BJ-RUC系统预报结果进行评估。采用的实况数据为该时段内08：00，14：00，20：00北京市观象台（区站号为54511）经质量控制后的探空秒间隔数据，该站作为北京地区唯一一个探空站，对于北京地区的环境大气在空间上具有代表性。相应的模式数据由BJ-RUC系统的3 km区域在上述3个时次的分析场以及3 h，6 h预报场插值到北京市观象台的空间位置生成。由于本文研究对象为夏季边界层，其高度不超过3 km，因此本文着重评估3 km以下19个模式层上的预报探空性能，相应的实况为与每一模式层最邻近高度层（通常高度差不超过5 m）上的探空秒间隔数据，本文考察的边界层气象要素为各层温度、比湿、风速、风向。

2 北京市观象台夏季边界层要素预报性能

2.1 温湿垂直廓线

模式对边界层内温湿垂直廓线的预报性能直接反映了模式对边界层内输送过程的描述能力。如图1所示，08：00边界层内温度的对比结果表明，观测的温度垂直廓线在400 m以下有一个垂直递减率相对较小的薄层（183～421 m），模式大致预报出该特征，但温度预报整层均偏冷，其中3 h预报偏冷约1℃，6 h预报偏冷约0.5℃，这与模式预报的08：00 2 m温度系统性偏低（图略）一致。14：00模式预报的温度在1200 m以下均偏暖，其中800 m以下平均偏暖可达1℃左右，明显大于模式在自由大气中的预报偏差，相应的14：00 2 m温度也较实况显著偏暖。20：00模式预报的边界层1 km以下偏暖现象则更为显著，平均温度较实况偏暖1℃以上。

图1 北京市观象台2010年8月和2011年8月边界层内平均温度与分析场和预报场的平均偏差及均方根误差Fig.1 Vertical profiles of mean temperature，bias and root mean square error of analysis，3-h forecast and 6-h forecast in boundary layer of Beijing Weather Observatory in August 2010 and August 2011

续图1

垂直方向上能够影响边界层的常规观测数量远少于自由大气。对于温度而言，仅有925 hPa和850 hPa两个标准气压层以及飞机起降过程中可以提供的相关温度观测，地面温度观测的同化也可影响边界层底层，但资料同化在边界层内仍有较为明显的正效应。如08：00 BJ-RUC系统同化的背景场为前次循环的3 h预报，在边界层500 m左右的高度上明显偏冷，而同化后获得的分析场在400 m以上几乎没有系统性偏差，即资料同化有效修正了背景场偏冷，但400 m以下偏暖；14：00温度分析场廓线也表现出类似特征，表现为分析场有效修正了1200 m以下前次循环3 h预报的暖偏差。值得注意的是，20：00在近地面200 m附近形成了一个明显的虚假偏冷层。由于20：00预报系统为冷启动，客观分析采用美国NCEP GFS全球6 h预报来作为资料同化的初猜场，而此初猜场被证明在近地面层存在显著偏冷的系统性误差①http：∥www.emc.ncep.noaa.gov/GFS/impl.php.，该场在近地面层的系统性偏冷可能也会对模式夜间的温度预报起到直接的影响。

图2给出了边界层内实况、分析场和预报场的平均湿度垂直廓线分布。整体来看，边界层内BJRUC系统的分析场和预报场表现为显著的系统性偏湿，其中14：00偏湿最为明显，该现象的出现一方面是由于在资料同化过程中，GPS可降水量观测的同化为模式大气增加了额外的水汽，另外也可能是常规无线电探空的湿度观测相对实际大气显著偏干的结果［22-24］。

续图2

2.2 边界层局地环流

北京地区受特殊地形影响，夏季在晴朗少云和微风条件下通常表现出明显的山谷风局地环流日变化特征［25］，即午后到日落北京平原地区均为偏南风，夜间到日出后则转换为由北向南的山风。通过分析边界层内不同高度（0～300 m，301～750 m，751～1500 m）的风玫瑰图（图3～5），来定量描述模式对北京地区边界层内主导风以及局地环流的预报性能。

图3 2010年8月与2011年8月北京市观象台08：00不同高度风玫瑰图（图中扇形半径代表该风向所占百分比，圆心处为0；每圈代表5%）Fig.3 Wind rose map between different levels of Beijing Weather Observatory at 0800 BT in August 2010 and August 2011（the radius of sector indicates the percentage for each wind direction，starting from the center as 0；each circle indicates 5%）

图4 同图3，但为14：00Fig.4 The same as in Fig.3，but for 1400 BT

首先分析观测所反映的白天边界层环流特征。由图3可以看到，08：00北京地区正处于从夜间山风向白天谷风环流过渡的阶段，因此该时刻北京市观象台偏北的山风环流层较薄，300 m以下的主要风向为东北偏北风（0°～67.5°，占42.1%）；301～750 m的风向由北向南转折：东北偏北风（0°～45°）与西南风（202.5°～247.5°）出现的频次分别为20.53%和30.04%；而在751～1500 m主要为西南风（180°～247.5°，占44.2%）；1500 m以上则没有主导的盛行风向（图略）。14：00地面到1500 m内几乎均为南风（图4），其中300 m以下南风（135°～225°）和750 m以下西南偏南风（180°～247.5°）风向出现频次分别占54.0%和46.4%；751～1500 m主导风向以西南风（180°～247.5°）为主，但不占明显优势（仅占37.4%）。20：00北京市观象台南风（135°～225°）（图5）风向在300 m以下、301～750 m和751～1500 m之间发生的频次分别占68.7%，66.0%，48.9%，由此可见，日间的谷风环流可以维持到日落，其厚度可达1500 m。

从预报结果来看，模式3 h（图3）比6 h预报能够更好地反映08：00北京地区300 m以下盛行东北偏北风（0°～67.5°）、301～750 m盛行风从北风向西南风过渡，且3 h和6 h预报对751～1500 m之间的西南偏西风（180°～247.5°）均具有较好的预报效果，但预报风速明显较实况偏弱（图3）。3 h和6 h预报也基本能够反映14：00北京地区边界层内西南偏南主导气流的特征，但3 h预报在301～750 m（图4）、751～1500 m内出现西南风的频次明显高于实况，6 h预报的西南偏南风频次与实况类似，且具有更多的东南风（图4）。对于20：00边界层内1500 m以下日落后谷风环流特征，3 h和6 h预报性能基本相似（图5），二者均预报出0～300 m和301～750 m之间202.5°～225°间明显的西南偏南风向发生的高频区，但与实况相比，仍然报出了更多的东南风发生频次。且3 h和6 h预报的300 m以下风速明显偏强（图5），这与YSU边界层方案垂直混合较强、易导致边界层内风速偏强有关。

从这3个时次边界层内风场的分析效果来看（图3～5），同化后1500 m以下的边界层内风向准确率均优于预报，能更好地反映边界层内局地环流特征。但值得注意的是，同化后获得的750 m以下风速初值明显较实况偏弱。由此可见，在边界层内风观测资料的同化对背景场中风向的修正效果非常显著，但严重削弱了背景风速。因此有必要在未来的工作中对边界层内与风相关的观测以及同化方法开展更为细致的研究。

图5 同图3，但为20：00Fig.5 The same as in Fig.3，but for 2000 BT

2.3 对流边界层特征

午后为每日边界层顶最高、混合最强、对流边界层特征最为典型的时刻，因此将14：00系统模式预报与根据探空秒间隔数据虚位温计算的边界层顶高度进行对比，以评价BJ-RUC系统的对流边界层预报性能。根据北京市观象台在2010年8月、2011年8月逐日14：00的地面天气状况报告可知，在这两个月时间内，晴空及少云天气出现了48次，多云出现8次，轻雾及霾出现4次，对流性降水出现了3次。

从两个月观测和预报的边界层顶高度时间序列对比来看（图6），在晴空少云天气时，边界层内热力对流旺盛，边界层顶可以发展到较高的高度，大部分可达1 km以上。3 h与6 h预报的对流边界层高度与实况具有非常一致的变化特征。

由图7可知，晴空少云的平均虚位温廓线表明，系统预报的虚位温整体偏高，近地面的超绝热层的虚位温递减深度不如观测，但发展出了更厚的混合层，说明模式预报的对流边界层过强。当低空多云与轻雾天气时，地面受到的太阳辐射较少，热力对流不旺盛，混合层顶较低。分析场准确地描述出此时边界层的虚位温廓线特征，而3 h和6 h预报均或多或少地表现出较实况更强的垂直混合特征，近地面位温均偏高，预报的虚位温垂直廓线更类似于晴空条件下对流混合层的分布。对比相对湿度的平均廓线（图略）后发现，这可能是由于系统预报在地面至云底高度间偏干、预报的云底高度偏高、预报的边界层内混合明显过强造成的。而从仅有的3次对流性降水过程来看，整层相对湿度实况基本在80%以上，系统预报和分析的虚位温廓线与实况基本一致。

图6 北京市观象台在2010年8月与2011年8月14：00边界层高度变化Fig.6 Variation of boundary layer height of Beijing Weather Observatory at 1400 BT in August 2010 and August 2011

图7 北京市观象台在2010年8月与2011年8月14：00晴空少云、多云、轻雾、降水情况下的平均虚位温垂直分布Fig.7 Vertical profiles of mean virtual potential temperature in boundary layer in sunny，cloudy，mist，rainy days of Beijing Weather Observatory at 1400 BT in August 2010 and August 2011

续图7

3 结 论

本研究表明，BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的特征具有较好的预报能力，但也存在明显的系统性误差：

1）BJ-RUC系统对边界层内的温湿廓线预报误差均高于自由大气，即08：00对400 m以下温度垂直递减率较小的薄层模式能够有一定反映，但温度预报整层偏冷；14：00和20：00对1 km以下的边界层内温度预报则显著偏暖；对于边界层内湿度的分析和预报也表现出明显的湿偏差。

2）BJ-RUC系统对北京地区早晨（08：00）从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后（14：00）到日落后（20：00）北京地区1500 m以下的边界层内盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力，但08：00预报的风速偏弱，而午后到日落西南偏南气流的风速预报偏强。边界层内风观测资料的同化对风向的修正效果非常显著，但严重削弱了风速，因此有必要在今后的工作中对边界层内与风相关的观测以及同化方法开展更为细致的研究。

3）对于晴空少云状况下的混合边界层特征，BJ-RUC系统预报的14：00边界层顶高度与评估时段内实际的对流边界层顶高度变化趋势吻合，但高度略偏低。在多云和轻雾天气情况下，系统预报描述出较实况更强的垂直混合特征，这与模式采用的YSU边界层方案垂直混合更强有关。

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Evaluation of BJ-RUC System for the Forecast Quality of Planetary Boundary Layer in Beijing Area

Liu Mengjuan1）Chen Min2）

1）（Department of Atmospheric and Oceanic Science，Peking University，Beijing 100871）
2）（Institute of Urban Meteorology，CMA，Beijing 100089）

The performance of analyses and forecasts from BJ-RUC（Beijing Rapid Updated Cycling Analysis and Forecast System）are evaluated against the operational L-band radiosonde observations at Beijing Weather Observatory sounding station at 0800 BT，1400 BT and 2000 BT during the 2-month period of August 2010 and August 2011.From the results，it can be found that in Beijing Area，the detailed structure of the boundary layer revealed by the very high vertical resolution L-band radiosonde observations during the daytime，is generally well predicted by the model.However，systematical bias is also significantly identified.For the temperature profile，WRF model is capable of forecasting the thin layer with smaller temperature lapse rate below 400 m，while the whole boundary layer is forecasted with cold bias and warm bias at 1400 BT and 2000 BT for the boundary layer below 1 km.In addition，significant wet biases are also identified from the analyses and forecasts within the boundary layer.Overall，there are much larger systematical biases for forecasts within planetary boundary layer（PBL）than those in free atmosphere.

According to the L-band radiosonde observations，the prevailing PBL mountain breeze at night usually transits into the valley breeze in the morning（around 0800 BT），there after the SSW wind will be dominant in PBL below 1500 m during the afternoon（from 1400 BT to 2000 BT）in Beijing Area.The WRF model accurately predicts such kind of diurnal feature of PBL circulation，but the wind speed in the morning is under-predicted while over-predicted in the afternoon.The forecast performance for height of PBL at 1400 BT is also verified against those derived from radiosonde data.The forecasted daily variation tendencyof the height fits well with the observation during the evaluation period.But more or less，WRF model will over-predict the height under the circumstances of clear sky and light-mist，which could be partially ascribed to the feature of too strong vertical mixing in Yongsei University（YSU）PBL scheme utilized in the model.

planetary boundary layer（PBL）；L-band radiosonde；operational numerical weather forecast

刘梦娟，陈敏.BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估.应用气象学报，2014，25（2）：212-221.

2013-02-21收到，2014-01-20收到再改稿。

国家重点基础研究发展计划（2013CB430102），国家科技支撑项目（2008BAC37805）

*通信作者，email：mchen＠ium.cn