中尺度WRF 模式在資源環(huán)境評估領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展研究

貫 叢，張樹文，于靈雪，李素文，王讓虎，卜 昆，楊久春，常麗萍

（1.長春工程學(xué)院，長春130012；2.中國科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，長春130102；3.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長春130021）

0 引言

IPCC第五次評估報告（TAR）指出，全球平均表面溫度（GMST）自19世紀(jì)后期有所增加。從觀測站觀測資料得到的全球和區(qū)域地表氣溫的幾個獨(dú)立分析的數(shù)據(jù)記錄普遍認(rèn)為地表氣溫已經(jīng)增加［1］。在全球變暖的大背景下，極端天氣事件出現(xiàn)得更加頻繁，這些中尺度天氣造成的自然災(zāi)害和氣候變化制約了社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，嚴(yán)重影響人類生活。對區(qū)域極端天氣過程及演變的模擬成為目前各國政府和科研部門關(guān)注和研究的重點(diǎn)。中尺度數(shù)值預(yù)報模式在這種背景下逐漸發(fā)展完善起來。

隨著計(jì)算機(jī)和測量技術(shù)的快速發(fā)展，近30年來，中尺度大氣數(shù)值模式得到快速發(fā)展，進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，中尺度模式和模擬系統(tǒng)已發(fā)展得很完善。美國曾成功研制了MM系列、ARPS以及后期的WRF等中尺度數(shù)值預(yù)報模式，提高了對強(qiáng)對流災(zāi)害天氣的監(jiān)測和預(yù)報能力。WRF采用高度模塊化、并行化和分層設(shè)計(jì)技術(shù)，因而具有開放性好、可移植性強(qiáng)等特點(diǎn)，在國內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用［2］。

1 中尺度大氣數(shù)值模式WRF介紹

1.1 WRF模式

WRF模式是由美國國家自然科學(xué)基金和NOAA共同支持的模式系統(tǒng)［3］，它集數(shù)值天氣預(yù)報、大氣模擬以及數(shù)據(jù)同化于一體，分為驅(qū)動層、中間層和模式層，用戶只需與模式層打交道［4］。同其他的中尺度模式相比，WRF模式具有更多的內(nèi)部參數(shù)化方案，對物理過程的考慮也更加細(xì)致［5］。

1.2 WRF模式物理過程參數(shù)化方案

1.2.1 微物理過程方案

WRF V3版本中提供了7種微物理過程方案。

1）Kessler暖云方案。來自于COMMAS模式，是一個簡單的暖云降水方案，考慮的微物理過程包括：雨水的產(chǎn)生、降落和蒸發(fā)，云水的增長以及由凝結(jié)產(chǎn)生云水的過程［6－7］。

2）PurdueLin方案。PurdueLin方案是 WRF模式中更適于理論研究的一種方案，包括了對水汽、云水、雨、云冰、雪和霰的預(yù)報，在結(jié)冰點(diǎn)以下，云水處理為云冰，雨水處理為雪［7］。

3）WSM3方案。WSM3（WRF Single－Moment 3－class）方案是一種簡單有效、適用于中尺度格點(diǎn)的方案。WSM3方案包括冰沉降與冰相的參數(shù)化，包括3類水物質(zhì)：水汽、云水或云冰、雨水或雪。

4）WSM5方案。WSM5方案含有水汽、雨、雪、云冰、云水過程，也包含過冷卻水以及雪下降時逐步融化的過程。

5）WSM6方案。WSM6方案是對 WSM5方案的擴(kuò)充，它包括有霰和與它關(guān)聯(lián)的一些過程，使水物質(zhì)的預(yù)報量達(dá)到了6個。

6）Eta Ferrier方案。Eta Ferrier方案是NCEP模式業(yè)務(wù)使用的微物理方案，能夠診斷混合相態(tài)過程。此方案預(yù)報模式平流項(xiàng)中水汽和總凝結(jié)降水的變化。

7）Thompson方案。Thompson方案增加了冰的數(shù)濃度，是一種包含冰、雪和霰過程的適用于高分辨率模擬的新方案。

1.2.2 輻射過程參數(shù)化

1.2.2.1 長波輻射方案

1）RRTM長波輻射方案：利用一個預(yù)先處理的參數(shù)查找表來表示由于水汽以及其他氣體、云的光學(xué)厚度引起的長波過程。

2）Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory（GFDL）長波輻射方案：是一種包含二氧化碳、臭氧和微物理效應(yīng)的多波段方案。

3）CAM方案：來自于CAM3氣候模式，其中考慮到氣溶膠和痕量氣體。

4）RRTMG方案：新的RRTM方案，包含隨機(jī)云重疊的MCICA方法。

1.2.2.2 短波輻射方案

1）CMA方案：來自于CAM3氣候模式，其中考慮到氣溶膠和痕量氣體。

2）Dudhia短波輻射方案：采用Dudhia的方法，是能夠有效計(jì)算云和晴空吸收與散射的向下積分的方案。

3）Goddard短波輻射方案：是包含氣候態(tài)臭氧和云效應(yīng)的雙束多波段方案［8］。

4）Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory方案：是包含氣候態(tài)臭氧和云效應(yīng)的雙束多波段方案，考慮了水汽、臭氧、二氧化碳的影響［8］。

1.2.3 積云對流參數(shù)化方案

1）淺對流Eta Kain—Fritsch方案。它使用一個具有濕上升和下沉氣流的簡單云模式，伴隨水汽的上升和下沉，同時包括了卷入和卷出，以及相對粗糙、簡單的微物理過程的作用。

2）Betts—Miller—Janjic方案。該方案在某給定的時段，對熱力廓線進(jìn)行張弛調(diào)整，在張弛時間內(nèi)，對流的質(zhì)量通量可消耗一定的有效浮力，淺對流水汽特征廓線中熵的變化較小且為非負(fù)。

3）Grell—Devenyi集合方案。2002年Devenyi、Grell引進(jìn)了集成積云方案，在每個格點(diǎn)運(yùn)行多種積云方案和變量，再將結(jié)果平均反饋到模式中，具有多參數(shù)，集成了典型的144個次網(wǎng)格成員的方案，該方案是質(zhì)量通量類型，用不同的上升、下沉、卷入、卷出的參數(shù)和降水率。云質(zhì)量通量由靜力及動力條件共同控制，動力控制決定于有效位能（CAPE）、低層垂直速度及水汽，靜態(tài)控制的不同結(jié)合了動態(tài)控制的不同。

1.2.4 行星邊界層

1）Yonsei University（YSU）邊界層方案。該方案的表面層與MRF方案一樣釆用Monin－Obukhov相似理論，該方案考慮了在風(fēng)溫廊線的逆溫層中夾卷造成的熱量交換［9］。

2）Medium Range Forecast Model（MRF）邊界層方案。該方案將顯示處理的卷入層視為Nonlocal－K mixed layer混合層的一部分。該方案在不穩(wěn)定狀態(tài)下使用反梯度通量來處理熱量和水汽［7］。

3）Mellor－Yamada－Janjic（MYJ）邊界層方案。該方案為行星邊界層和自中的瑞流參數(shù)化的非奇異方案。

4）Similarity theory（MM5）方案。這個方案用了Paulson、Dyer和Webb穩(wěn)定性函數(shù)來計(jì)算地面熱量、濕度、動力的交換系數(shù)［7］。

1.2.5 表面邊界層

1）ETA相似理論近地面層方案?；?Monin—Obukhov理論，包括粘性子層參數(shù)化。

2）Similarity theory（PX）方案。這方案是基于相似理論，并包括一個粘性層參數(shù)化，以一個準(zhǔn)層流邊界層阻力形式來表示熱量擴(kuò)散，水蒸汽和微量化學(xué)物質(zhì)的差異。

3）Eta Mellor—Yamada—Janjic TKE邊界層方案。含有局地垂直混合的一維診斷湍流動能方案。

1.2.6 陸面過程方案

1）5－layer thermal diffusion方案。只包含土壤溫度的方案，分別是1、2、4、8和16cm。在這些層下面，溫度是固定在一個深層次的平均水平值。能量計(jì)算包括輻射、感熱和潛熱通量。同時也允許雪蓋效應(yīng)［10］。

2）Noah方案。Noah陸面過程參數(shù)化是OSU的改進(jìn)版，統(tǒng)一 NCEP／NCAR／AFWA方案，針對3.1版本做出了改進(jìn)，使之能更好地表示冰蓋和積雪覆蓋面積［10－11］。

3）Rapid Update Cycle（RUC）方案。RUC業(yè)務(wù)方案，為NCEP天氣業(yè)務(wù)預(yù)報系統(tǒng)中的陸面參數(shù)化方案，土壤溫度和濕度具有6個層次，也具有積雪和凍土物理過程。

4）Pleim.Xiu LSM方案。Pleim.Xiu模式是一個復(fù)合的地表和PBL模式。它在兩層上（1cm處的地面層和1m處的根區(qū)）描述土壤水汽和溫度以及樹冠的蒸騰。它處理土壤層、樹冠和蒸騰水汽通量［12－13］。

2 WRF在氣候資源預(yù)測領(lǐng)域的應(yīng)用

1）WRF模式對雨洪資源的模擬預(yù)測。WRF能夠較穩(wěn)定、較準(zhǔn)確地模擬出暴雨落區(qū)和降水強(qiáng)度，對制作短期降水預(yù)報具有指導(dǎo)作用。WRF模式能夠提供空間尺度為1～10km的降雨預(yù)報，能預(yù)測缺少資料的、地形復(fù)雜地區(qū)的降雨［11－12］。

2）WRF模式能夠預(yù)測風(fēng)場和風(fēng)速。陳玲等［13］的研究表明，WRF模式能夠較好地模擬出風(fēng)速按照時間變化的規(guī)律，使風(fēng)電場風(fēng)速預(yù)測提前，為風(fēng)電場的運(yùn)行和控制提供依據(jù)。王澄海等［14－15］應(yīng)用 WRF模式對西北西部地區(qū)低層風(fēng)場進(jìn)行了模擬和檢驗(yàn)，結(jié)果表明WRF模式在風(fēng)場的模擬上具有較好的性能，風(fēng)速的預(yù)測誤差可達(dá)到目前的風(fēng)電功率預(yù)測的業(yè)務(wù)要求。

3）付偉基等［16－17］的研究結(jié)果表明 WRF模式能將隱藏在弱強(qiáng)迫天氣尺度系統(tǒng)中的中小尺度對流系統(tǒng)描繪出來。模式輸出的中尺度要素場可以確定雷暴發(fā)生的地點(diǎn)，能指示雷暴發(fā)生的時間。

4）WRF對暴雪也具有較好的預(yù)報效果，能模擬出暴雪的大致區(qū)域及暴雪的強(qiáng)中心［18］。王坤等［19］對青藏高原一次暴雪過程進(jìn)行模擬試驗(yàn)，結(jié)果表明當(dāng)考慮了冰面過飽和度隨溫度區(qū)間的變化后，計(jì)算的冰核濃度可以改進(jìn)降水的模擬效果。

5）WRF也可較好地模擬出近地面凈輻射、感熱和潛熱等要素的變化特征及日變化規(guī)律。文小航［20］的研究表明WRF模擬結(jié)果能給出一個區(qū)域面上輻射收支和能量平衡的圖像，能較好地模擬出晴天輻射和熱流密度的日變化情況，為更好地利用太陽輻射資源提供參考。

3 WRF應(yīng)用的趨勢

1）雖然WRF模式已達(dá)到較好的模擬效果，但也存在一些問題和不足。由于大氣過程描述不夠完整以及初邊值具有一定的誤差，WRF數(shù)值天氣預(yù)報依然存在一定的不確定性。集合預(yù)報在初始場加上各種小擾動，使初始場成為概率密度函數(shù)，預(yù)報的準(zhǔn)確率被大大提高。

2）四維同化可以用于提供質(zhì)量更高的氣象數(shù)據(jù)集或是提高模式場的質(zhì)量，比如四維變分同化可以同化各種非常規(guī)資料（比如雷達(dá)反射率、衛(wèi)星輻射量等），將實(shí)時四維同化應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報中，能夠更好地保持模式各變量之間的動力平衡關(guān)系［21］。

3）在WRF與CLM耦合的基礎(chǔ)上細(xì)化土地覆被資料。陸面過程對天氣和氣候有著重要作用［22］。CLM4.0是為地球氣候模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最新的陸面模式，是與大氣模式相耦合的高質(zhì)量的陸面模式，在植被覆蓋的分類和生態(tài)系統(tǒng)的描述方面，它優(yōu)于其他陸面模式。

4）區(qū)域氣候建模。氣候建模長期以來一直使用全球模式，只可以解決大氣過程及其與陸地，海洋，海冰相互作用的更大尺度的問題。自2003年10月，（美國）國家大氣研究中心（NCAR）一直支持使用天氣研究和預(yù)報（WRF）模型以及社區(qū)氣候系統(tǒng)模型（CCSM）發(fā)展區(qū)域氣候建模，它們現(xiàn)在的目標(biāo)是開發(fā)出下一代的社區(qū)區(qū)域氣候模型（RCM），在氣候建模中可以同時滿足降尺度和升尺度的問題。WRF模式已被改編為模擬區(qū)域氣候。在美國的季節(jié)性模擬中已經(jīng)表明現(xiàn)實(shí)的功能，包括在中部各州低空急流和降雨晝夜循環(huán)（Leung等，2005）和西部的地形降水（Done等，2005）［23］。

在將來的業(yè)務(wù)預(yù)報中，WRF模式在中尺度預(yù)報中的優(yōu)勢會更加明顯。

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