海南島不同土地覆蓋資料對(duì)WRF模擬的影響

馮 簫，施 蕭

（1.海南省氣象臺(tái)，海南 ?？?70203；2.西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌615000）

土地覆蓋是重要的陸面資料，反映了植被分布和人類活動(dòng)區(qū)域。它決定著空氣動(dòng)力粗糙度、地表反照率、地表發(fā)射率等參數(shù)的取值，并通過地表與大氣之間的動(dòng)量、熱量、水汽等的相互交換，對(duì)天氣、氣候和環(huán)境造成影響[1-3]。WRF模式廣泛應(yīng)用于氣象、環(huán)境等領(lǐng)域的科學(xué)研究和實(shí)際業(yè)務(wù)應(yīng)用[4-7]，在WRF模式中，土地覆蓋資料是關(guān)鍵的輸入之一，而目前模式中土地覆蓋數(shù)據(jù)多為1993年美國地質(zhì)調(diào)查局（Unite States Geological Survey，USGS）根據(jù)AVHRR（Advanced Very High Resolution Radiometer）遙測(cè)所得的全球24種類型的30 s分辨率數(shù)據(jù)及2001年波士頓大學(xué)根據(jù)Terra衛(wèi)星上的MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）設(shè)備經(jīng)過反演所得的中等分辨率的衛(wèi)星土地覆蓋產(chǎn)品資料。在過去十幾年中，受人類活動(dòng)影響，土地覆蓋已發(fā)生顯著變化，如果不及時(shí)更新土地覆蓋信息，就會(huì)影響區(qū)域氣候模擬的結(jié)果。因此，近年來隨著衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外的數(shù)值模擬開始采用新的衛(wèi)星影像資料對(duì)土地利用進(jìn)行修改與完善，并取得不錯(cuò)的效果[8]。歐洲太空局在2010年發(fā)布了GlobalCover2009[9]全球土地覆蓋數(shù)據(jù)產(chǎn)品，該產(chǎn)品是目前對(duì)外公開的分辨率最高的全球土地覆蓋資料。

午后頻繁出現(xiàn)的海風(fēng)鋒是海南島的天氣特征之一。當(dāng)配合上較好的大氣動(dòng)力和熱力條件時(shí)，海風(fēng)鋒引發(fā)的強(qiáng)對(duì)流往往給海南島部分地區(qū)帶來大風(fēng)和強(qiáng)降水。施蕭等[10]利用歐洲再分析資料對(duì)海南島逐月的海風(fēng)鋒發(fā)生發(fā)展進(jìn)行模擬分析，指出海南島北部是海風(fēng)鋒最容易形成與發(fā)展的地方，且鋒面一般自西北向東南移動(dòng)。海陸熱力差異造成的午后海風(fēng)的入侵是觸發(fā)海風(fēng)鋒的直接原因。當(dāng)考慮下墊面作用時(shí)，不同土壤覆蓋特征及下墊面分布的非均勻性會(huì)間接地改變大氣的溫濕結(jié)構(gòu)和垂直運(yùn)動(dòng)，影響海風(fēng)鋒的發(fā)展，從而對(duì)局地強(qiáng)對(duì)流天氣產(chǎn)生作用。為了尋找不同下墊面輸入對(duì)模擬該類天氣過程的差別及導(dǎo)致差別的原因，本文將選取3種不同的土地覆蓋資料對(duì)2016年9月2日海南島一次由海風(fēng)鋒引起的強(qiáng)對(duì)流事件進(jìn)行模擬分析與研究。

1 資料選取和方法介紹

1.1 個(gè)例概況及天氣背景

2016年9月2日10—16時(shí)（北京時(shí)，以下同），海風(fēng)鋒自西向東快速移動(dòng)，導(dǎo)致海南島五指山以北大部地區(qū)出現(xiàn)小到中雨，局地大雨的降水情況。其中14時(shí)前后，海南島東部沿岸一帶對(duì)流發(fā)展強(qiáng)烈，局地出現(xiàn)極大風(fēng)速為14 m/s的雷雨大風(fēng)天氣。

從大尺度天氣背景進(jìn)行分析可知，500 hPa上，副熱帶高壓主體位置偏東偏南，海南島位于副熱帶高壓外圍的西北側(cè)，中低緯度有南支槽波動(dòng)，海南島正位于南支槽底偏東的位置（圖1a）；低層850 hPa，北部灣、湖廣、江浙一帶形成一條東北—西南向的狹長的切變線，切變線附近風(fēng)速和風(fēng)向輻合顯著，海南島處于切變線南側(cè)（圖1b）；另外，850 hPa水汽通量分布顯示，海南島四周西南輸送的水汽充沛（圖1b）。綜合可見，9月2日當(dāng)天，海南島附近具有較好的中—低層動(dòng)力抬升條件和水汽條件，為午后的海風(fēng)鋒的發(fā)生發(fā)展提供有利的環(huán)境條件。

1.2 GLC2009土地覆蓋資料處理

GLC2009是分辨率為300 m的全球陸地覆蓋數(shù)據(jù)，由歐空局Envisat衛(wèi)星上的中分辨率成像頻譜儀（MERIS）傳感器拍攝完成。由于GLC2009數(shù)據(jù)是tiff圖片格式，為了把GLC2009輸入WRF中進(jìn)行應(yīng)用，我們首先借用Global Mapper地圖繪制軟件將tiff圖片格式轉(zhuǎn)換為bip柵格格式，而后再處理成WRF所需的純二進(jìn)制格式。由于GLC2009的植被類別分類標(biāo)準(zhǔn)和USGS分類標(biāo)準(zhǔn)不一致（表1），按USGS的植被分類標(biāo)準(zhǔn)重新編整GLC2009，再輸入WRF的土地覆蓋資料中，同時(shí)在GEOGERID.TBL的LANDUSE中補(bǔ)充相應(yīng)條目即可使用。

考慮到各覆蓋資料精度都可達(dá)900 m，利用WRF模式將GLC2009、MODIS和USGS 3種土地覆蓋資料插值為1 km的數(shù)據(jù)集，將以上土地覆蓋規(guī)整為建成區(qū)、耕地、森林、濕地和荒地草原水體五大類，分別統(tǒng)計(jì)這五大類總面積，并與《海南島統(tǒng)計(jì)年鑒2015》、《中國濕地調(diào)查-海南卷》進(jìn)行對(duì)比（表2），發(fā)現(xiàn)：（1）3種土壤覆蓋資料的建成區(qū)面積比年鑒都偏小，其中由于USGS采集于20世紀(jì)90年代，建成區(qū)面積（26 km2）與年鑒（405 km2）相差甚大，GLC2009資料較新，最接近實(shí)際情況；（2）3種土壤覆蓋資料的耕地面積比年鑒（8372 km2）都偏大較多，而GLC2009最接近實(shí)際情況；（3）森林面積估計(jì)都比年鑒（21 147 km2）偏小，GLC2009最接近實(shí)際情況，在森林分類中，MODIS和USGS對(duì)針葉林幾乎沒有記錄，而實(shí)際上海南島霸王嶺林區(qū)和瓊中縣有成片的針葉林；（4）海南島自然濕地（2 420 km2）以濱海濕地和河流濕地為主，USGS沒有濕地記錄?？傮w而言，3種土壤覆蓋資料中，GLC2009的土地覆蓋類型分布面積最接近年鑒。

表1 USGS、MODIS、GLC2009土地覆蓋標(biāo)準(zhǔn)代碼表

圖1 9月2日8時(shí)中低層大氣環(huán)流圖

表2 不同土地覆蓋資料在海南島的部分類型分布/km2

圖2是分辨率為1 km的海南島土地覆蓋空間分布信息。從分布情況明顯可見USGS和MODIS的分類較為粗糙，GLC2009劃分最為精細(xì)，體現(xiàn)了海南島下墊面植被分布的不均勻性。3種資料在地域分布上差距較大的地方，主要體現(xiàn)為農(nóng)田面積（黃色或橙色）、森林面積（綠色）和草地面積（深藍(lán)色）的比例問題。例如，在西南一帶沿海地區(qū)，GLC2009顯示的農(nóng)耕面積較少，而以森林和草原交錯(cuò)分布為主；MODIS顯示農(nóng)田和森林比例相差不大；USGS為大片分布的小塊耕地（圖2c中的天藍(lán)色區(qū)域）；另外，在海南島東部沿岸，GLC2009自北向南依次分布著田地—草原—森林，田地的比重較??；MODIS顯示以耕地為主；USGS自北向南依次分布田地—森林—林地，森林（圖2c中的灰色）比例相對(duì)較少。這種下墊面的不均勻性和不同的植被覆蓋比例對(duì)本文模式模擬降水的結(jié)果有重要影響。對(duì)于建成區(qū)，GLC2009由于采集時(shí)間為2009年，與海南島實(shí)際情況更為貼近，?？谑袇^(qū)到美蘭機(jī)場(chǎng)一帶較符合實(shí)際情況，海南島東部沿海一帶可以分辨出建筑區(qū)域（紅色），而2001年的MODIS和1993年的USGS由于資料采集時(shí)間距離較久，較為不準(zhǔn)確。較為準(zhǔn)確的建成區(qū)，對(duì)城市效應(yīng)參與的對(duì)流天氣模擬預(yù)報(bào)更有益[11-12]。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

WRF模式水平格點(diǎn)數(shù)為361×301，中心點(diǎn)位于23.6°N、110.9°E，水平分辨率 9 km，垂直層次為 36層，水平方向無嵌套。模式積分過程中微物理方案為Morrison，長波輻射方案為rrtm，短波輻射方案為Dudhia，陸面方案為Noah，邊界層方案為YSU，貼地層方案為 Monin-Obukhov，積云方案為 Kain-Fritsch。模式積分的初始場(chǎng)和側(cè)邊界均采用NCEP的 fnl再分析資料，分辨率為 1°×1°，積分步長為 54 s，側(cè)邊界每6 h更新一次。模式積分時(shí)間從9月1日20時(shí)—3日02時(shí)。在試驗(yàn)中，根據(jù)不同的土地覆蓋數(shù)據(jù)輸入設(shè)計(jì)3套模擬方案，分別為GLC2009、MODIS和USGS。不同的模擬方案除土地覆蓋不同外，其它設(shè)置保持一致。

2 降水模擬結(jié)果及原因分析

2.1 降水

圖3d為海南島自動(dòng)氣象站觀測(cè)的08—20時(shí)的降水實(shí)況，由圖可知，海南島五指山以北大部地區(qū)和中部局地山區(qū)出現(xiàn)小到中雨，西北部和東部沿海個(gè)別市縣出現(xiàn)局地大雨。全島降水分布較為分散，整體來看，有兩條主要的降水中心帶，分別是儋州—澄邁，文昌—萬寧。其中儋州—澄邁主降水區(qū)可以認(rèn)為是短波槽前和海風(fēng)鋒對(duì)流共同造成的降水，文昌—萬寧一帶可以認(rèn)為主要是海風(fēng)鋒對(duì)流帶來的降水。

將不同方案模擬的主降水帶與實(shí)況進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)GLC2009、MODIS、USGS三種方案都可模擬出五指山以北的主體降水區(qū)（圖3a～3c），但模擬的降水量級(jí)比實(shí)況略偏高。GLC2009方案能夠模擬出2條主降水帶（儋州—澄邁、文昌—萬寧），但是?？诤臀牟辈恳粠黠@偏大；MODIS方案模擬結(jié)果是有3條主降水帶，在儋州—澄邁和文昌—萬寧以外，還有海南島西南部的東方—三亞一帶，USGS模擬結(jié)果中也有東方—三亞的主降水帶，MODIS和USGS模擬結(jié)果在文昌北部—海口一帶也是明顯偏大。另外MODIS方案中模擬的以儋州—澄邁降水帶為中心的降水區(qū)域較另外兩種方案要偏向北海南線，而且降水范圍較實(shí)際偏小?？傮w來講，3種方案均能模擬出儋州—澄邁和文昌—萬寧2條主降水帶，GLC2009方案綜合表現(xiàn)最好。

對(duì)模擬的降水區(qū)域進(jìn)行分析，五指山以北降水區(qū)域整體偏高、部分偏低原因主要是模式將北側(cè)短波槽的降水作用考慮的偏大，而對(duì)海陸熱力作用導(dǎo)致的海風(fēng)鋒降水考慮的不足。另外，MODIS和USGS模擬的降水在海南島西南部出現(xiàn)大面積的空?qǐng)?bào)，而GLC2009模擬的降水未出現(xiàn)此情況。通過對(duì)逐小時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)和降水分布進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)MODIS和USGS兩種方案中，2日09—12時(shí)海南島西部的北部灣海域有明顯的風(fēng)場(chǎng)切變從近海移至五指山西部，在12時(shí)左右減弱消失。深入分析，發(fā)現(xiàn)模式在MODIS和USGS方案中對(duì)海陸熱力差異考慮的不足，而對(duì)動(dòng)力性的850 hPa風(fēng)場(chǎng)切變計(jì)算的偏強(qiáng)。3種方案的模擬中，GLC2009對(duì)海陸熱力差異和北側(cè)風(fēng)場(chǎng)切變的關(guān)系處理的最好，雖然GLC2009對(duì)此次海風(fēng)鋒過程的降水量級(jí)有偏差，但降水的空間分布與實(shí)況最為接近，且避免了在西南沿岸附近降水的空?qǐng)?bào)情況。

2.2 10 m風(fēng)場(chǎng)

本次過程中14時(shí)30分前后是海風(fēng)鋒發(fā)展最強(qiáng)的時(shí)段，文昌本站的地面極大風(fēng)速最大可達(dá)14.2 m/s。從14時(shí)35分的全島自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)（圖4a）可見，地面輻合線自文昌向萬寧沿海岸分布，對(duì)流運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，使東部沿海地區(qū)短時(shí)間內(nèi)帶來顯著降水。比較不同土地覆蓋輸出的10 m風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果（圖4b～4d）可見，MODIS和USGS模擬的地面風(fēng)速比實(shí)況偏大，而GLC2009方案模擬的地面10 m風(fēng)速與實(shí)況更為接近；另外，GLC2009方案模擬的海風(fēng)鋒輻合線與自動(dòng)站風(fēng)場(chǎng)最為吻合，散度場(chǎng)表征的地面風(fēng)場(chǎng)輻合上升運(yùn)動(dòng)顯著，與強(qiáng)降水區(qū)相對(duì)應(yīng)。結(jié)合圖2可知，由于GLC2009具有更精細(xì)的土地覆蓋分類，相應(yīng)地增大了下墊面的不均勻性，提高地面的粗糙度，因此模擬的地面風(fēng)速更貼近實(shí)況；對(duì)于海南島東部地區(qū)而言，GLC2009中森林面積的比例較MODIS、USGS偏大，而農(nóng)耕面積比例偏低。由于森林的地面粗糙度大于農(nóng)耕地，當(dāng)海風(fēng)鋒經(jīng)過森林時(shí)，上空湍流更為活躍，底層風(fēng)場(chǎng)輻合更容易發(fā)生，有利于東部沿海地區(qū)出現(xiàn)。

圖4 14時(shí)35分海南島自動(dòng)站10 m風(fēng)場(chǎng)（a）、GLC2009模擬的14時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)（b）、MODIS模擬的14時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)（c）及USGS模擬的14時(shí)10 m風(fēng)場(chǎng)（d）

2.3 2 m溫度場(chǎng)

午后海風(fēng)鋒的形成與局地海陸熱力差異有密切聯(lián)系，海陸熱力差異越明顯，午后海風(fēng)的入侵及地面輻合越容易發(fā)生，且海陸氣溫的差早于局地風(fēng)向的轉(zhuǎn)變。比較不同模擬方案的10時(shí)的2 m氣溫差（圖5），發(fā)現(xiàn)GLC2009模擬的南半部?jī)?nèi)陸地區(qū)和西北沿海一帶的陸面氣溫比MODIS和USGS偏高，四周海區(qū)海面氣溫比MODIS和USGS偏低（圖5a、5b），十分有利于海風(fēng)鋒從西北一側(cè)形成，并向東南一側(cè)推進(jìn)與發(fā)展。造成3種模擬結(jié)果的原因與土地覆蓋特征聯(lián)系密切。在GLC2009方案中，農(nóng)耕地比例偏小，森林比例偏大，由于農(nóng)耕地的地面反照率大于森林的地面反照率，所以相同的太陽輻射下，森林接收的凈輻射要多，更容易使陸面氣溫上升。同理，這也是USGS模擬的陸面氣溫較低的主要原因。

2.4 陸氣熱通量

感熱通量是由湍流運(yùn)動(dòng)引起溫度變化的熱量通量，反映地表氣溫和2 m氣溫差，與地面反照率、地面發(fā)射率、粗糙度等參數(shù)相聯(lián)系；潛熱通量則源于地表水汽蒸發(fā)后的潛熱釋放，不同的土地覆蓋特征，水汽蒸發(fā)強(qiáng)度并不一致。由于感熱和潛熱通量與土地覆蓋特征有關(guān)系密切，為了分析海南島的潛熱感熱隨時(shí)間的變化，選擇海南島所在的區(qū)域（108.8°～110.5°E，18.4°～20°N）進(jìn)行區(qū)域平均（圖 6）。圖 6a顯示的感熱通量在11時(shí)之前，MODIS的結(jié)果偏大，而后直至18時(shí)，都是GLC2009的感熱通量最大。白天，地面反照率越小，感熱通量越大；粗糙度增加，感熱通量增加。由于GLC2009中森林比例較大，平均的地面反照率相對(duì)偏小，平均粗糙度相對(duì)增加，模擬得到的感熱通量最大。地表蒸發(fā)分為直接蒸發(fā)、植被截留水蒸發(fā)和植被蒸騰，如果植被覆蓋度增加，會(huì)加強(qiáng)植被截留水蒸發(fā)和植被蒸騰。GLC2009中植被覆蓋率是3種方案中最高的，因此圖6b中所顯示的潛熱通量的變化在11時(shí)之后，GLC2009最大，而MODIS和USGS的值偏小，這也說明GLC2009中植被與大氣之間的水汽交換更為頻繁一些。綜合可知，GLC2009模擬得到的熱通量最大，陸氣交換最強(qiáng)，十分利于對(duì)流天氣的發(fā)展。

圖5 不同試驗(yàn)方案在10時(shí)的2 m氣溫差

圖6 區(qū)域平均感熱通量（a）及區(qū)域平均潛熱通量（b）（108.6°～111.08°E，18.16°～20.15°N）

3 結(jié)論

（1）海南島森林和農(nóng)耕地比例近84%，GLC2009對(duì)農(nóng)耕地、森林的劃分最接近實(shí)際情況，在海南島四周，MODIS和USGS劃分的農(nóng)耕地比例過高，而在中間山區(qū)森林的劃分中比例又偏低。

（2）對(duì)于海風(fēng)鋒降水過程，雖然 GLC2009、MODIS、USGS對(duì)海南島北部的降水量級(jí)偏高，但是GLC2009對(duì)降水分布模擬得最好。

（3）GLC2009模擬的10 m風(fēng)場(chǎng)清晰的刻畫了東海岸海風(fēng)鋒輻合，GLC2009中相對(duì)合理的森林覆蓋提高了地表粗糙度并增強(qiáng)了風(fēng)場(chǎng)輻合，同時(shí)森林覆蓋對(duì)應(yīng)的低反照率對(duì)地面氣溫的增加、海陸熱力差異的增強(qiáng)有一定的促進(jìn)作用。

（4）GLC2009對(duì)海風(fēng)鋒過程中感熱通量和潛熱通量的模擬優(yōu)于MODIS和USGS，較客觀地反映強(qiáng)對(duì)流天氣的發(fā)生和發(fā)展。