WRF模式參數(shù)化方案對濱海某廠址風(fēng)場模擬的適用性分析

郭歡， 徐向軍， 牛嫣靜， 陳龍泉

(中國輻射防護(hù)研究院， 太原， 030006)

核事故時(shí)，必須及時(shí)作出應(yīng)急決策。如果在放射性物質(zhì)到達(dá)某區(qū)域之前，干預(yù)行動能夠充分實(shí)施，則能有效地避免劑量[1]。核事故后果評價(jià)是干預(yù)的重要依據(jù)，事故發(fā)生后，高質(zhì)量風(fēng)場數(shù)據(jù)的獲取對于核污染大氣擴(kuò)散分析具有重要意義。

近年來，基于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的物理方法逐漸成為近地層風(fēng)速研究應(yīng)用的主流。WRF模式是目前全球應(yīng)用廣泛的中小尺度數(shù)值模式之一，具有較好的模擬性能。有關(guān)WRF模式的不同參數(shù)化方案對風(fēng)場模擬影響的研究結(jié)果顯示，邊界層參數(shù)化方案不同會顯著影響預(yù)報(bào)模式的模擬效果[2-6]。WRF模式可以較好地模擬出近地層風(fēng)場，但是由于季節(jié)、地形等的差異，模式對風(fēng)場的模擬效果與參數(shù)化方案的適用性緊密相關(guān)。WRF的物理參數(shù)化方案主要包括以下幾種類型：輻射方案、微物理方案、積云對流方案、邊界層方案、陸面過程方案和近地面層方案。如果能夠根據(jù)地形、氣候背景等特點(diǎn)對各種參數(shù)化方案進(jìn)行優(yōu)化組合，就能更好地發(fā)揮各方案的優(yōu)勢，提高模式的最終模擬效果。

本文以濱海某廠址作為研究區(qū)域，利用WRF中尺度氣象模式，采用目前通用的幾種陸面過程和邊界層參數(shù)化方案進(jìn)行組合，對該廠址2016年1月(冬季)、4月(春季)、7月(夏季)和10月(秋季)4個(gè)代表月做風(fēng)場模擬，并將高分辨率模擬結(jié)果與廠址的10 m、30 m、50 m、70 m和100 m塔層風(fēng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，探討適合該區(qū)域在不同氣候條件下的風(fēng)場模擬最優(yōu)邊界層和陸面過程參數(shù)化方案組合，為該廠址區(qū)域采用大氣擴(kuò)散模式進(jìn)行大氣污染擴(kuò)散研究提供更高質(zhì)量的風(fēng)場初始場。

1 模式配置與資料

1.1 WRF模式參數(shù)配置

模擬區(qū)域以濱海某廠址為中心，采用WRF模式三層嵌套，從外向內(nèi)水平網(wǎng)格數(shù)分別為74×59、112×100、148×103，相應(yīng)的水平網(wǎng)格距分別為9 km (d01)、3 km (d02)、1 km(d03)。模擬區(qū)域如圖1所示。該廠址附近范圍大部分為海域，僅西南小部分為陸地，另有一些長條形島嶼。陸地總體地勢向北西、北東兩個(gè)方向降低，地貌類型主要為低丘、殘丘、海灣洼地。陸地主體表現(xiàn)為低丘，海拔200～300 m；以北半島與大陸的連接部分和島嶼多為殘丘，海拔50～200 m；海灣地勢平坦，海拔低于20 m。廠址位于沿海地區(qū)，屬中亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候，氣候溫暖濕潤，四季分明，降水量比較充沛。夏季多偏南風(fēng)，暖熱多雨；冬季多偏北風(fēng)，寒冷干燥。

模式垂直方向分為32層，地形資料來自于USGS(美國地質(zhì)勘探局)的全球30″地形數(shù)據(jù)，模擬時(shí)段為2016年1月1日—14日、4月1日—14日、7月1日—14日和10月1日—14日，從每天00:00開始，積分24 h，每10 min輸出一次結(jié)果。

圖1 模擬區(qū)域 (紅色圓點(diǎn)代表廠址鐵塔)

1.2 數(shù)據(jù)說明

模擬以NCEP(美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心)的分辨率為1°×1°，間隔為6 h的FNL(全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)再分析數(shù)據(jù))分析資料作為初始場和邊界條件。

觀測資料為模擬時(shí)段內(nèi)的10、30、50、70、100 m的每10 min塔層風(fēng)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)完整率為100%。

2 方案設(shè)計(jì)

2.1 邊界層和陸面過程參數(shù)化方案

WRF模式提供了多種可相互組合的物理參數(shù)化方案選項(xiàng)，本文主要討論其中幾種常用的邊界層和陸面過程參數(shù)化方案。

YSU邊界層方案能夠單獨(dú)處理邊界層大氣中的夾卷過程，降低了機(jī)械強(qiáng)迫的湍流混合，經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)該方案更接近于實(shí)際的邊界層特征。

ACM2邊界層方案是一種非局地+局地方案，能夠模擬由浮力作用造成的氣塊向上輸送，也能模擬局地的湍流交換；此外，該方案還考慮了湍流交換導(dǎo)致的局地作用以及對流大尺度湍渦導(dǎo)致的非局地混合作用。

MYNN2.5邊界層方案屬于湍流2.5階閉合方案，主要能夠預(yù)報(bào)局部的垂直混合強(qiáng)度和湍流動能，引入了凝結(jié)物理過程，更適于進(jìn)行精細(xì)化計(jì)算。

RUC陸面過程方案能對6層土壤層的溫濕度和2層雪蓋進(jìn)行處理，考慮了凍土、雪的溫度和密度變化、植被的影響及樹冠的蒸騰作用。

Noah陸面過程方案則能夠預(yù)報(bào)4層土壤溫濕度、樹冠蒸騰以及等水量雪深，同時(shí)考慮了單層樹冠層和雪蓋效應(yīng)，且在處理蒸發(fā)、蒸騰作用時(shí)，考慮了土壤和植被類型。該方案通過擴(kuò)散率和土壤熱傳導(dǎo)率計(jì)算地-氣之間的熱和濕度交換系數(shù)，并為邊界層方案提供感熱和潛熱通量。

Pleim-Xiu陸面過程方案包括1 cm厚的地表上層土壤及1 cm～1 m的次層土壤，采用強(qiáng)迫-恢復(fù)法計(jì)算土壤溫濕度，該方案對水汽通量過程的描述來自：蒸散、植被灌層蒸發(fā)及土壤蒸發(fā)。

2.2 試驗(yàn)方案

考慮到陸面過程方案與邊界層方案有一定的匹配關(guān)系，將二者如表1組合進(jìn)行試驗(yàn)，且3層區(qū)域同時(shí)采用相同的參數(shù)化方案。

微物理方案為WSM3類簡單冰方案，輻射方案是RRTM長波輻射方案和Dudhia短波輻射方案，近地面層方案則選擇Monin-Obukhov方案。由于3層區(qū)域的網(wǎng)格分辨率均小于10 km，因此3層網(wǎng)格均未采用積云對流方案。

表1 參數(shù)化方案組合

將模擬時(shí)段內(nèi)的每10 min瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)向模擬結(jié)果與對應(yīng)塔層10 min觀測數(shù)據(jù)平均值進(jìn)行比對。把模式中最接近鐵塔的格點(diǎn)模擬結(jié)果作為鐵塔風(fēng)的模擬值，從WRF的模擬結(jié)果中直接提取10 mu、v風(fēng)分量，求出風(fēng)速和風(fēng)向，其余高度的u、v模擬值則通過插值得到。

本文采用均方根誤差σRMSE和平均絕對誤差σMAE作為衡量模擬值與觀測值偏差的指標(biāo)，均方根誤差代表模擬值相對于觀測值的離散程度，平均絕對誤差代表模擬值的精度：

式中，N為參與統(tǒng)計(jì)的風(fēng)速數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)；F為模式模擬值；O為觀測值。

3 結(jié)果與分析

3.1 風(fēng)速模擬效果分析

為了驗(yàn)證模式對該廠址區(qū)域風(fēng)速模擬的可信度，首先對所選月份內(nèi)風(fēng)速的逐日變化情況進(jìn)行分析，以確定模式是否能真實(shí)地反映風(fēng)速的實(shí)際變化。

3.1.110 m高度風(fēng)速

圖2給出了各方案模擬的1月、4月、7月、10月的10 m高度風(fēng)速值與廠址鐵塔10 m高度風(fēng)速觀測值的對比。

由圖2(a)可見，觀測風(fēng)速1月1日—4日較為平穩(wěn)，4日—14日波動較大，各組方案均能準(zhǔn)確地模擬出1月風(fēng)速的逐日變化趨勢，總體上模擬值略高于觀測值。

(a) 1月

(c) 7月

(b) 4月

(d) 10月

圖2 4個(gè)代表月10 m高度風(fēng)速各方案模擬值與廠址鐵塔觀測值

由圖2(b)可見，4月1日—14日的觀測風(fēng)速較為平穩(wěn)，而各方案的模擬值波動幅度較大，觀測與模擬的波動趨勢一致。

由圖2(c)可見，各方案模擬值的變化趨勢與觀測值接近，大部分時(shí)間模擬值高于觀測值。

由圖2(d)可見，10月1日—14日，各方案的模擬值相對于觀測值偏大，總體上與觀測值的逐日變化相當(dāng)。

3.1.2100 m高度風(fēng)速

圖3給出了各方案模擬的1月、4月、7月、10月的100 m高度風(fēng)速與廠址鐵塔100 m高度風(fēng)速觀測值的對比。

(a) 1月

(c) 7月

(b) 4月

(d) 10月

圖3 4個(gè)代表月100 m高度風(fēng)速各方案模擬值與廠址鐵塔觀測值

由圖3可見，100 m高度風(fēng)速的變化趨勢與10 m一致，只是風(fēng)速值偏大。對比該高度的風(fēng)速模擬情況，可以得出與10 m高度結(jié)果相似的結(jié)論。此外，相比10 m高度的情況，100 m高度的模擬值與觀測值更為接近。

3.1.3對比結(jié)果

綜合3.1.1節(jié)、3.1.2節(jié)的結(jié)果可得，采用WRF模式及上文中的參數(shù)設(shè)置，雖然9組方案對風(fēng)速的逐日模擬值較觀測值略高，但是均能合理地模擬出所選區(qū)域的風(fēng)速逐日變化情況。

對各組合的4個(gè)代表月的模擬效果進(jìn)行對比分析，表2～表5列出了各方案模擬的1月、4月、7月、10月4個(gè)代表月，10、30、50、70、100 m高度風(fēng)速的均方根誤差和平均絕對誤差。由表2可見，方案組合3、組合6和組合9的2種誤差明顯小于其他方案。其中，組合9的誤差(σRMSE，2.44～2.93 m/s；σMAE，2.03～2.64 m/s)小于另外兩組方案，表明組合9對1月風(fēng)速的模擬相比其他方案有優(yōu)勢。此外，將9組方案分為3小組，組合1、組合2、組合3為一組，組合4、組合5、組合6為一組，組合組合7、組合8、組合9為一組，此時(shí)3小組中陸面過程方案相同而邊界層參數(shù)化方案不同，可發(fā)現(xiàn)在這3組中，組合1 (YSU+RUC)、組合4 (ACM2+RUC)和組合7(MYNN 2.5+RUC)的誤差在5個(gè)高度層均最大，此時(shí)的陸面過程方案均為RUC，可以認(rèn)為該陸面方案不適用于該地區(qū)1月風(fēng)速的模擬。

由表3可見，組合3和組合9的σRMSE和σMAE明顯小于其他方案，表現(xiàn)更好。30、50、70、100 m高度，這2組方案的差異較小，10 m高度差距較大，其中組合9的誤差相對較小，表明組合9對4月風(fēng)速的模擬效果最好。此外，將9組方案按上文方案劃分為3小組，可發(fā)現(xiàn)組合1、組合4和組合7的誤差在各組中最大，特別是組合4(σRMSE>2.7 m/s；σMAE>2.3 m/s )，此時(shí)的陸面過程方案均為RUC，可以認(rèn)為該陸面方案不適用于該地區(qū)4月風(fēng)速的模擬。

表2 各方案模擬的冬季(1月)風(fēng)速均方根誤差和平均絕對誤差 (m/s)

表3 各方案模擬的春季(4月)風(fēng)速均方根誤差和平均絕對誤差 (m/s)

表4 各方案模擬的夏季(7月)風(fēng)速均方根誤差和平均絕對誤差 (m/s)

表5 各方案模擬的秋季(10月)風(fēng)速均方根誤差和平均絕對誤差 (m/s)

由表4可見，組合3的誤差小于其他方案，說明組合3對7月份風(fēng)速的模擬結(jié)果較其他方案更為準(zhǔn)確。此月份，組合1、組合4和組合7的表現(xiàn)仍較差。

由表5可見，9組方案中組合3 (YSU+Pleim-Xiu)、組合6(ACM2+Pleim-Xiu)和組合9 (MYNN 2.5+Pleim-Xiu)的σRMSE和σMAE較其他方案略小( 3個(gè)方案組合中，陸面過程方案均為Pleim-Xiu方案)；組合1 (YSU+RUC)、組合4 (ACM2+RUC)和組合7 (MYNN 2.5+RUC)表現(xiàn)較差( 3個(gè)組合中陸面過程方案均為RUC )，可以認(rèn)為RUC陸面方案不適用于該區(qū)域10月風(fēng)場的模擬。

3.1.4綜合評判

表6列出了4個(gè)時(shí)段(1月、4月、7月、10月)、9組方案、不同高度(10、30、50、70、100 m)風(fēng)速模擬值的均方根誤差均值和平均絕對誤差均值。

由表6可見，1月份組合9表現(xiàn)最好，4月份組合9表現(xiàn)最好，7月份組合3表現(xiàn)最好，與3.1.3節(jié)的分析結(jié)果一致。

3.1.3節(jié)中，10月份組合3、組合6和組合9的模擬效果較好，根據(jù)表6進(jìn)一步對比這3組方案(σRMSE分別為3.52、3.40、3.34 m/s；σMAE分別為3.27、3.13、3.09 m/s )可以看出，10月份組合9表現(xiàn)更優(yōu)。

此外，對比這4個(gè)月份的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，9組方案模擬的1月和4月的風(fēng)速誤差相對較小，其次是7月，各方案在10月份(秋季)的風(fēng)速模擬效果要明顯差于另外3個(gè)月份。

表6 各方案模擬的4個(gè)代表月風(fēng)速均方根誤差和平均絕對誤差 (m/s)

3.2 風(fēng)向模擬效果分析

對于風(fēng)場的模擬，除了考慮風(fēng)速，風(fēng)向模擬也具有重要意義。圖4給出了實(shí)測的與9組方案模擬的4個(gè)代表月(1月、4月、7月、10月)，10 m、100 m高度風(fēng)向玫瑰圖。

由圖4可以得到：

(1) 10 m高度

1月實(shí)測盛行風(fēng)向?yàn)镹NE～E，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE；模擬盛行風(fēng)向?yàn)镹NE～ENE，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E，見圖4(a)。各方案的模擬風(fēng)向相比實(shí)測風(fēng)向略偏北，風(fēng)頻相近，各方案之間差異不大。

4月實(shí)測風(fēng)向以NE～SE為主，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾E；模擬風(fēng)向以NNE～SSE為主，組合1、組合2、組合3、組合4、組合5的主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E，組合6、組合7、組合8、組合9的模擬主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE ，見圖4(c)。

7月實(shí)測風(fēng)向以SSE～SW為主，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾；模擬風(fēng)向各方案以S～SW為主，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW，相比實(shí)測風(fēng)向略偏西，見圖4(e)。

10月實(shí)測風(fēng)向以NNE～ENE為主，主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE；模擬風(fēng)向各方案為NNE～ENE，主導(dǎo)風(fēng)向均為NNE，模擬與實(shí)測符合度高，見圖4(g)。

(a) 1月，10 m高度

(c) 4月，10 m高度

(b) 1月，100 m高度

(d) 4月，100 m高度

(e) 7月，10 m高度

(g) 10月，10 m高度

(f) 7月，100 m高度

(h) 10月，100 m高度

圖8 實(shí)測及9組方案模擬的4個(gè)代表月(1月、4月、7月、10月)，10 m、100 m高度風(fēng)向玫瑰圖

(2) 100 m高度

1月實(shí)測風(fēng)向與模擬風(fēng)向分布與10 m高度類似，見圖4(b)。

4月實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镋NE，模擬主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E，見圖4(d)。

7月的實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镾SW，相比10 m高度偏西，各方案的模擬主導(dǎo)風(fēng)向彼此間差異較小，與實(shí)測較一致，見圖4(f)。

10月實(shí)測主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹E，模擬主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)镹NE，見圖4(h)。

由以上分析可知，各方案的模擬風(fēng)向和實(shí)測風(fēng)向一致性較好，模式對該區(qū)域風(fēng)向的模擬可信度較高。

為了更清楚地比較風(fēng)向模擬各方案之間的差異，表7列出了9組方案模擬的4個(gè)代表月(1月、4月、7月、10月)，10、30、50、70、100 m高度風(fēng)向角的絕對誤差均值。

由表7可見，風(fēng)向模擬各模式之間季節(jié)差異顯著；同一月份各方案之間的差異不顯著。比較不同月份誤差情況可發(fā)現(xiàn)，9組方案在4月的風(fēng)向模擬誤差最大(>56°)，這可能是因?yàn)?月(春季)是冬夏季風(fēng)轉(zhuǎn)換的季節(jié)，模式難以反映出這種變換過程；其次是1月；7月和10月的誤差均<30°。

表7 9組方案4個(gè)代表月(1月、4月、7月、10月)的 模擬風(fēng)向角絕對誤差均值 (°)

4 討論

利用3層嵌套的WRF氣象模式，以NCEP的FNL數(shù)據(jù)作為初始場和邊界條件，設(shè)計(jì)了9組邊界層和陸面過程參數(shù)化方案的組合，分別對濱海某廠址的2016年四季4個(gè)代表月的風(fēng)場進(jìn)行了高分辨模擬，并將模擬結(jié)果與對應(yīng)的該廠址塔層風(fēng)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，得到如下主要結(jié)論：

(1) 9組方案各代表月不同高度風(fēng)速模擬的逐日變化趨勢與實(shí)測結(jié)果一致，模擬值系統(tǒng)性偏高；各方案的模擬風(fēng)向玫瑰圖均與實(shí)測結(jié)果一致性較好。說明利用WRF模式、采用目前的參數(shù)設(shè)置獲取的該區(qū)域風(fēng)場數(shù)據(jù)可靠性較好。

(2) 1月、4月和10月風(fēng)速模擬最優(yōu)組合均為MYNN2.5+Pleim-Xiu；7月風(fēng)速模擬最優(yōu)組合為YSU+Pleim-Xiu。

風(fēng)向模擬各方案之間的差異較小。組合1、組合4和組合7的風(fēng)速模擬在4個(gè)月中表現(xiàn)都較差，說明這3個(gè)組合方案中均包含的RUC陸面方案不適合進(jìn)行該區(qū)域風(fēng)場的模擬。

風(fēng)場模擬存在季節(jié)差異，9組方案1月、4月的風(fēng)速模擬結(jié)果優(yōu)于7月、10月，風(fēng)向模擬結(jié)果差于7月、10月。

(3) 對于該濱海廠址區(qū)域，在選擇邊界層方案和陸面過程方案進(jìn)行組合模擬風(fēng)場時(shí)，選用陸面過程參數(shù)化方案中的Pleim-Xiu方案較為合適。