WRF模式對(duì)西南地區(qū)干旱事件的模擬研究

王紅麗，廖留峰

(1.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

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WRF模式對(duì)西南地區(qū)干旱事件的模擬研究

王紅麗1，廖留峰2

(1.貴州省氣象服務(wù)中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

2009—2010年在中國西南地區(qū)發(fā)生了嚴(yán)重的秋冬春三季持續(xù)性干旱，為了評(píng)估WRF模式兩種陸面方案在中國西南地區(qū)干旱事件中的模擬性能，該文采用Noah陸面方案和Pleim_Xiu陸面方案兩種WRF模擬方案對(duì)西南干旱事件進(jìn)行模擬研究。兩種陸面方案都合理的模擬出了西南地區(qū)極端干旱事件中的降水空間分布與時(shí)間序列，但與觀測資料相比仍然存在一定的誤差。兩種陸面方案的相互比較表明，在極端干旱事件模擬中，Noah陸面方案在降水模擬中有著一定的改進(jìn)作用。在對(duì)西南干旱時(shí)期的蒸發(fā)模擬當(dāng)中，Noah和Px方案相比有著更低的誤差，采用Noah陸面方案能更好的模擬蒸發(fā)狀況。

WRF模式；陸面方案；西南干旱

1 引言

陸地表面結(jié)構(gòu)特征多變，植被性質(zhì)復(fù)雜，下墊面分布極不均勻，是地球系統(tǒng)中一個(gè)重要的部分。陸面與大氣及其他圈層之間存在著各種復(fù)雜的相互作用，動(dòng)量、水汽、能量等物理量的交換，以及輻射傳輸對(duì)于大氣環(huán)流及氣候變化產(chǎn)生顯著的影響[1-3]，許多研究工作表明陸面的地表特征、物理和生化過程對(duì)于天氣及氣候變化的影響是顯著的[4-6]。中國有著如此廣闊的幅員，因此陸面狀況必將體現(xiàn)出紛呈復(fù)雜的特征。

大量研究認(rèn)為陸面過程對(duì)于氣候變化具有重要意義，丁一匯等[7]通過陸面過程和區(qū)域氣候模式RegCM的耦合試驗(yàn)，對(duì)中國中部和東部夏季降水區(qū)域氣候進(jìn)行了模擬分析，發(fā)現(xiàn)耦合了陸面過程的區(qū)域氣候模式能較好的描述中國夏季強(qiáng)降水區(qū)與氣候特征。胡婭敏等[8]等在用區(qū)域氣候模式對(duì)中國東部夏季區(qū)域氣候進(jìn)行模擬時(shí)，發(fā)現(xiàn)通過修改陸面過程土壤濕度處理，加入土壤濕度同化資料，能提高地表氣溫和降水的模擬效果。

關(guān)于陸面過程在WRF模式模擬暴雨中的作用有很多研究[9-10]。然而目前對(duì)于WRF模式在干旱事件的模擬中表現(xiàn)如何還不甚清楚，對(duì)于何種陸面方案在干旱事件模擬中表現(xiàn)更好也缺乏深入的了解。近年來西南坪區(qū)頻發(fā)干旱災(zāi)害[11,12]，有必要采取區(qū)域模式耦合陸面方案來對(duì)此加強(qiáng)研究。眾所周知，在2009年秋季至2010年春季，中國西南地區(qū)遭受了嚴(yán)重的秋冬春三季持續(xù)性干旱，造成了嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，我們選取這個(gè)事件來驗(yàn)證WRF模式不同陸面方案模擬西南地區(qū)極端干旱事件的性能。

2 模式及方案設(shè)計(jì)

2.1 WRF模式及物理過程介紹

WRF模式(Weather Research and Forecasting model)是美國國家大氣研究中心(NCAR)、美國國家海洋大氣局(NOAA)的環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和預(yù)測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室(FSL)等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)聯(lián)合開發(fā)的新一代中尺度天氣和氣候模式。

WRF 模式內(nèi)部物理參數(shù)化方案比較豐富，考慮的物理過程也比較全面。主要的物理過程及參數(shù)化方案包含陸面過程方案、輻射方案、微物理過程方案，積云對(duì)流參數(shù)化方案、邊界層方案。

輻射方案中包含了短波輻射和長波輻射兩種方案。短波方案主要有RRTMG方案、Dudhia方案、Goddard方案、CAM方案、New Goddard方案等，長波輻射包括RRTM方案、RRTMG方案、CAM方案、New Goddard方案、FLG(UCLA)方案、Held-Suarez方案、GFDL等方案。

微物理過程包括水蒸汽、云及降水等過程，在WRFV3.4以后的版本中，包含了十余種微物理過程，包括Purdue Lin、WSM3、WSM5、WSM6、Eta(Grid-scale Cloud and Precipitation)GCP、Thompson、Goddard和Morrison 2-Moment等。

WRF模式中的積云對(duì)流參數(shù)化方案也很豐富，主要有Kain-Fritsch方案、Betts-Miller-Janjic方案、Grell-Devenyi方案、Grell-3方案、Zhang-McFarlane方案、New SAS方案和New SAS(HWRF)方案等。

土地表面和大氣之間的動(dòng)量、熱量和水汽的交換主要發(fā)生在邊界層，所以邊界層方案也是非常重要的，邊界層的描述是否合理直接影響模式對(duì)于對(duì)流層低層的氣象要素的模擬，WRF模式中有MRF方案、YSU方案、MYJ方案、GFS方案、QNSE方案、MYNN2等邊界層方案。

2.2 陸面方案介紹

在模式模擬中，缺乏陸面過程的參與會(huì)顯著的影響模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性，經(jīng)過氣象工作者多年的研究，陸續(xù)發(fā)展了許多描述陸面與大氣之間動(dòng)量、水汽、熱量等交換過程的陸面過程方案。陸面過程經(jīng)過長期的發(fā)展，通過不斷的修改和完善，LSM在陸—?dú)馕锢?、生化相互作用反饋機(jī)制方面更具有有效性和合理性，能夠模擬多種陸面過程，如冰面，雪蓋，植被冠層，土壤以及地表水文過程。

基于俄勒岡州立大學(xué)的OSU陸面模式，Noah陸面方案由此發(fā)展而來。Noah方案在初始化處理中使用了一部分季或年平均的植被和土壤資料，考慮了植被影響、冠層水分和積雪等下墊面情況，并描述了與之相關(guān)的能量及水分收支過程，對(duì)于土壤溫度和土壤濕度分為4層進(jìn)行預(yù)報(bào)，分別為0～10 cm，10～30 cm，30～60 cm以及60～100 cm。Noah方案還能輸出地面徑流和地下徑流等水文過程。

WRF模式中的Pleim_Xiu陸面方案包括兩層土壤，1 cm厚的地表上層和1 cm～1 m的次層土壤，采用強(qiáng)迫—恢復(fù)法計(jì)算土壤溫度和濕度，該方案參數(shù)化的一個(gè)特征是，水汽通量過程的描述有3個(gè)來源：蒸散、土壤蒸發(fā)及植被冠層蒸發(fā)，考慮了植被的作用，方案中植被和土壤參數(shù)，是基于土地利用、土地覆蓋變化及土壤質(zhì)地類型獲取的。

2.3 模擬方案設(shè)計(jì)

本文中采用WRF Version 3.5，模擬區(qū)域采用蘭伯特坐標(biāo)投影，水平格距分辨率為35 km，中心點(diǎn)為104°E，27°N，區(qū)域格點(diǎn)數(shù)為68×58。由NCEP Final Operational Global Analysis 全球再分析資料(FNL)提供了模式的初始驅(qū)動(dòng)場，空間分辨率為1.0°×1.0°，時(shí)間分辨率為6 h(UTC00時(shí)、06時(shí)、12時(shí)和18時(shí))，模擬時(shí)間是2009年5月1日—2010年4月30日。

為了評(píng)估WRF模式陸面方案在中國西南地區(qū)干旱事件中的模擬性能，我們設(shè)計(jì)了兩種WRF模擬方案，分別為Noah陸面方案、Pleim-Xiu陸面方案(以下稱Px)，其余的參數(shù)化方案均保持一致。輻射方案中采取的長波輻射為CAM方案，短波輻射為Dudhia方案；微物理過程中采取WSM6方案；積云對(duì)流參數(shù)采取Kain-Fritsch方案；行星邊界層方案采取YSU方案。

WRF模式模擬的降水和蒸發(fā)將同觀測資料進(jìn)行對(duì)比以評(píng)估兩種陸面方案在極端干旱事件模擬當(dāng)中的能力。觀測降水為1901—2013年Climatic Research Unit(CRU)3.22版本0.5°×0.5°降水資料和中國氣象局0.5°×0.5°降水資料。地面蒸發(fā)資料分辨率為0.25°×0.25°，來自全球陸地?cái)?shù)據(jù)同化系統(tǒng)GLDAS(Global Land Data Assimilation System)。本文分析內(nèi)容集中于2009年9月1日—2010年3月30日這一嚴(yán)重干旱時(shí)段。

3 結(jié)果分析

3.1 降水

圖1 2009年9月—2010年3月西南地區(qū)(23°～32°N，100°～108°E)區(qū)域平均降水相較CRU 1901—2013年平均降水的偏差

為了定量的說明2009—2010年之間中國西南地區(qū)發(fā)生的干旱情況，本文采用了CRU 3.22版本降水資料，分析2009年9月—2010年3月降水量相較于1901—2013年平均對(duì)應(yīng)月降水的異常狀況。從圖1可以看出，在整個(gè)干旱時(shí)段，月降水量相較歷史同期水平都是偏少的，其中9月和10月均偏少40 mm以上，其余月份降水量的偏差相對(duì)較小，但考慮到冬季(12月，1月，2月)降水本就較少，這樣的偏差仍是可觀的。前期的秋季(9月，10月，11月)降水已持續(xù)偏少，進(jìn)入春季(3月)以后降水仍較歷史同期水平偏少，產(chǎn)生較強(qiáng)的累積降水偏少現(xiàn)象，于是造成這一持續(xù)三季的極端干旱事件。

圖2 西南地區(qū)2009年9月—2010年3月平均觀測降水：(a)觀測，(b)CRU，(c)Noah，(d)Px(單位：mm)

圖2顯示的是中國西南地區(qū)2009年9月1日—2010年3月30日的平均觀測和模擬降水。通過兩種觀測資料，可以清楚的看出除成都平原和重慶東部區(qū)域以外，整個(gè)西南地區(qū)在2009年9月—2010年3月這7個(gè)月之間累積降水不足300 mm，干旱最嚴(yán)重的區(qū)域中，云南東部，貴州大部，四川南部和廣西西北部累積降水甚至不足200 mm，CRU降水資料和觀測降水資料的整體空間分布格局大致相同，即西南地區(qū)的西—南部區(qū)域降水較少，東—北部區(qū)域降水較多。通過兩種WRF模擬結(jié)果與觀測降水進(jìn)行對(duì)比分析可知，兩種陸面方案的模擬在云南、貴州以及廣西和四川的西北部的效果較好，然而Noah陸面方案和Px陸面方案都高估了四川南部的降水，另外還過高的預(yù)報(bào)了四川盆地的干旱狀況。當(dāng)然值得指出的是降水的大值誤差帶多出現(xiàn)于地形陡峭的區(qū)域，比如川西高原和橫斷山脈，這些區(qū)域陡峭的地形可能是導(dǎo)致降水誤差的原因之一。Noah和Px兩種陸面方案都在西南地區(qū)東北部存在較大誤差，但相比Px陸面方案在四川西北部也存在較大偏差的情況下，Noah陸面方案在這一地區(qū)的降水模擬結(jié)果有所改進(jìn)。

為了進(jìn)一步評(píng)估WRF模式耦合的Noah陸面方案和Px陸面方案的降水模擬性能，本文對(duì)兩種陸面方案的時(shí)間序列的模擬結(jié)果與觀測資料進(jìn)行了對(duì)比分析(圖3)。從圖3可以看出，在干旱時(shí)期，觀測與CRU兩種降水資料的區(qū)域平均結(jié)果除10月份有一定差別外，其余月份十分接近。兩種陸面方案總體來說都合理的模擬出了降水的時(shí)間序列，但都存在一定的誤差，Px陸面方案表現(xiàn)為每個(gè)月的模擬結(jié)果都較觀測降水偏多，而相較Px陸面方案，Noah陸面方案除了9月的降水較觀測偏多外，其余各月模擬降水都與觀測降水較為接近，特別是10月，11月，12月，1月這4個(gè)月的模擬降水與觀測降水基本上一致。

圖3 2009年10月至2010年4月西南地區(qū)(23～32°N，100～108°E)區(qū)域平均觀測和模擬降水

3.2 地面蒸發(fā)

除了降水，蒸發(fā)在干旱的形成中起著關(guān)鍵的作用，也是干旱狀況的一個(gè)重要表征量，因此我們也評(píng)估了兩種陸面方案模擬的蒸發(fā)。由GLDAS蒸發(fā)資料可以得知，整體空間分布格局為西南地區(qū)的西南部區(qū)域蒸發(fā)較大，東—北部區(qū)域蒸發(fā)較少。通過兩種WRF模擬結(jié)果與GLDAS蒸發(fā)資料進(jìn)行對(duì)比分析可知，Px陸面方案表現(xiàn)為在云南和貴州以及廣西西北部模擬偏少，而在四川的模擬偏多，而相較Px陸面方案，Noah陸面方案則較為合理的給出了蒸發(fā)的空間分布形態(tài)，但也存在一定的偏差。

相對(duì)于GLDAS蒸發(fā)資料，Noah，Px兩種陸面方案在西南地區(qū)干旱時(shí)期(2009年9月—2010年3月)平均蒸發(fā)的均方根誤差(RMSEs)分別為0.45，0.67(圖4)。Noah陸面方案在蒸發(fā)的模擬效果上比Px陸面方案表現(xiàn)較好。

圖4 西南地區(qū)2009年10月—2010年4月平均地面蒸發(fā)(a)GLDAS，(b)Noah，(c)Px(單位：mm/day)

4 結(jié)論與討論

文中我們評(píng)估了WRF模式耦合的Noah和Px兩種陸面方案在中國西南地區(qū)2009年秋季至2010年春季持續(xù)性干旱事件中的模擬性能。主要的結(jié)論如下：

兩種陸面方案都較為合理的模擬出了西南地區(qū)降水的空間和時(shí)間形態(tài)，但與觀測資料相比仍然存在一定的誤差。比較兩種陸面方案對(duì)于降水模擬，發(fā)現(xiàn)對(duì)于降水的空間分布和時(shí)間序列模擬上，比之Px陸面方案，Noah陸面方案表現(xiàn)較好。這表明在西南地區(qū)干旱事件模擬中，考慮采用Noah陸面方案較之Px陸面方案在降水模擬中有著一定的改進(jìn)作用。兩種陸面方案的對(duì)地面蒸發(fā)的模擬對(duì)比分析表明，由于與Px方案相比，Noah陸面方案有著更低的均方根誤差(RMSEs)，在對(duì)西南極端干旱時(shí)期的蒸發(fā)模擬當(dāng)中，采用Noah陸面方案更為合理。

由于我國陸面特征的顯著差異，在具體應(yīng)用陸面過程方案中，恰當(dāng)?shù)奶幚矸绞綉?yīng)是分別考慮不同的地理地形和下墊面特征。但目前來說，現(xiàn)在應(yīng)用的陸面過程模式，考慮的陸面特征比較單一，這樣的陸面過程配置在模擬應(yīng)對(duì)西南地區(qū)這樣具有復(fù)雜下墊面環(huán)境的區(qū)域，難免會(huì)存在不恰當(dāng)和不細(xì)致之處。未來的工作中應(yīng)注意根據(jù)不同的區(qū)域采用適宜的陸面方案，并嘗試發(fā)展能更加全面細(xì)致描述下墊面特征的陸面方案。

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WRF model’s simulation study on the drought in Southwest China

WANG Hongli1，LIAO Liufeng2

(1.Meteorological service center of Guizhou province，Guiyang 550002；
2.Guizhou Instftute of Mountainous Climate and Envioronment，Guiyang 550002)

During the 2009—2010，the Southwest China suffered a persistent drought event.To evaluate the performance of two land surface schemes in the severe drought，two experiments were examined to investigate the drought event using the Noah land surface scheme and Pleim_Xiu land surface scheme.The WRF simulations with two land surface schemes can reasonably simulate the spatial pattern and temporal variation of precipitation in Southwest China，although the simulations still show several errors relative to observations.The comparison of the WRF simulations with two different land surface schemes indicated that the Noah land surface scheme showed a slightly better performance in the precipitation during the severe drought simulations.Noah land surface scheme can better reproduce the evaporation than Pleim_Xiu land surface scheme due to the lower errors.

WRF model；Land surface scheme；Southwest drought

2015-06-28

王紅麗(1963—)，女，工程師，主要從事氣象服務(wù)與應(yīng)用氣象工作。

1003-6598(2015)06-0001-05

P435

A

資助信息：國家科技計(jì)劃課題(西南突發(fā)性災(zāi)害應(yīng)急與防控技術(shù)集成與示范)2012BAD20B06。