基于不同地形資料的地形復(fù)雜區(qū)氣象場模擬

李曉麗，梁 爽，滕 宇，毛 健，陳 莉

（天津師范大學(xué) 地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，天津300387）

氣象參數(shù)是空氣質(zhì)量模式的重要輸入模塊，其模擬的準(zhǔn)確性和氣象模型模擬性能對空氣污染物化學(xué)傳輸過程的模擬具有較大影響[1-3].目前，中小尺度氣象預(yù)報(bào)模式—WRF（weather research and forecasting）模式是空氣質(zhì)量模擬和大氣化學(xué)模式等領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的氣象數(shù)值模型.影響WRF 模式模擬氣象場準(zhǔn)確性的因素眾多[4-6]，其中作為數(shù)值模式的重要輸入數(shù)據(jù)[7-8]，地形高度數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性直接影響著WRF 模式對陸面過程和大氣邊界層特征的模擬精度，進(jìn)而影響氣壓、氣溫、濕度和風(fēng)速等氣象要素的模擬效果.因此，地形數(shù)據(jù)對氣象模擬和空氣質(zhì)量模擬具有極其重要的作用.

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展和資料精度的提高，比較不同精度地形高度資料間的數(shù)值模式模擬性能成為一種趨勢.目前WRF 模式中應(yīng)用最廣泛的地形數(shù)據(jù)為30 s 分辨率（約900 m）的GTOPO30，該數(shù)據(jù)由美國地質(zhì)調(diào)查局（USGS）EROS 數(shù)據(jù)中心于1996 年底制作完成.由于地球表面不斷被自然和人類活動(dòng)改變，且資料年份較早，GTOPO30 數(shù)據(jù)與當(dāng)前地形信息存在很大差距.Gao 等[9]基于中尺度大氣模式MM5，將黑河流域GTOPO 30 s DEM 數(shù)據(jù)和更新的30 m DEM 數(shù)據(jù)與氣象站高程進(jìn)行對比，結(jié)果表明更新的地形數(shù)據(jù)與氣象站高程更為接近.Meij 和Vinuesa[10]將航天飛機(jī)雷達(dá)地形任務(wù)（shuttle radar topography mission，SRTM）數(shù)據(jù)引入WRF 模式，研究意大利北部地區(qū)氣象模擬效果，發(fā)現(xiàn)與模式默認(rèn)的GTOPO30 數(shù)據(jù)相比，更高精度的資料可以較好地縮小模擬偏差.鄒振操和鄧院昌[11]將SRTM3 和ASTER 高精度地形數(shù)據(jù)引入WRF 中尺度模式中，并結(jié)合模式原有地形數(shù)據(jù)GTOPO30對不同地形數(shù)據(jù)下香港地區(qū)10 m 高處風(fēng)速模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果表明SRTM3 和ASTER 數(shù)據(jù)能夠更加準(zhǔn)確地描述研究區(qū)域的地形特征.張小培和銀燕[12]發(fā)現(xiàn)SRTM地形數(shù)據(jù)可以更為精細(xì)地描述復(fù)雜地形，GTOPO30 數(shù)據(jù)在一些地區(qū)偏差較大，與SRTM 地形數(shù)據(jù)存在矩形差異區(qū).潘小多等[13]利用ASTER 數(shù)據(jù)檢驗(yàn)下墊面數(shù)據(jù)對黑河流域WRF 模擬精度的影響，指出WRF 模式本身的地形高度信息存在較大誤差. 以上研究表明，GTOPO30 數(shù)據(jù)存在較大誤差，此外，相比于WRF 的內(nèi)置資料，高精度的地形資料可以更準(zhǔn)確地模擬不同區(qū)域的氣象場.

自WRF3.8 版本開始，WRF 模式默認(rèn)地形高度資料由GTOPO30 數(shù)據(jù)改為全球多分辨率地形高程數(shù)據(jù)GMTED2010.與GTOPO30 數(shù)據(jù)相比，作為新一代WRF 模式靜態(tài)資料的GMTED2010 數(shù)據(jù)在垂直精度方面提升明顯，但目前國內(nèi)外有關(guān)GMTED2010 數(shù)據(jù)對WRF 模擬精度影響的研究尚未見報(bào)道.此外，分辨率為7.5 s 的GMTED2010 數(shù)據(jù)的均方根誤差（RMSE）為23～36 m[14]，而分辨率為3 s 的SRTM 數(shù)據(jù)的均方根誤差（RMSE）為16 m[15]，即GMTED2010 數(shù)據(jù)的地形高度誤差高于SRTM 數(shù)據(jù)，因此，研究GMTED2010 地形數(shù)據(jù)對WRF模擬性能的影響以及利用SRTM 數(shù)據(jù)更新WRF 默認(rèn)地形數(shù)據(jù)的必要性具有現(xiàn)實(shí)意義.本研究以南疆和天山山脈地區(qū)為例進(jìn)行WRF 模式氣象模擬，并與SRTM地形數(shù)據(jù)的模擬結(jié)果進(jìn)行對比，從近地面和高空2個(gè)方向?qū)δM效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，得出GMTED2010 資料與SRTM 資料模擬效果相近的結(jié)論，證明GMTED2010數(shù)據(jù)精度可靠，同時(shí)通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，復(fù)雜區(qū)域的地形插值誤差是影響模擬精度的重要因素.

1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 研究區(qū)概況

本文研究區(qū)覆蓋我國南疆和天山山脈地區(qū)并向甘肅方向延伸，該區(qū)域位于中緯度歐亞大陸腹地，遠(yuǎn)離海洋，其間山脈與盆地相間排列.南疆地區(qū)一面是向東開口的塔里木盆地，中部為塔克拉瑪干沙漠，西有帕米爾高原，南有昆侖山脈，北面的天山山脈由3列東西走向的褶皺山脈和陷落盆地組成，高度平均在3000 m 以上，地勢西高東低.遼闊的地域以及山脈與盆地相間的地貌格局使其溫度場、濕度場和風(fēng)場等氣象場具有鮮明的特點(diǎn)，復(fù)雜的地形特征和氣候環(huán)境有利于增大不同精度地形資料間的高程差異和氣象模擬差異，從而更好地評(píng)估GMTED2010 數(shù)據(jù)的精度對WRF 模式模擬性能的影響.

自GTOPO30 數(shù)據(jù)制作完成以來，大型地理區(qū)域的高質(zhì)量高程數(shù)據(jù)的可用性顯著提升.新數(shù)據(jù)源包括包含SRTM 數(shù)據(jù)在內(nèi)的全球數(shù)字地形高程數(shù)據(jù)以及加拿大高程數(shù)據(jù)等.鑒于GTOPO30 和SRTM 地形數(shù)據(jù)的廣泛使用，美國地質(zhì)調(diào)查局（United States geological survey，USGS）和國家地理空間情報(bào)局（national geospatial-intelligence agency，NGA）共同制作了全球大陸范圍內(nèi)的高程數(shù)據(jù)集—GMTED2010 數(shù)據(jù)[14]，作為GTOPO30 數(shù)據(jù)的增強(qiáng)型替代數(shù)據(jù)產(chǎn)品，目前GMTED2010 數(shù)據(jù)具有30 s（約1 km）、15 s（約500 m）和7.5 s（約250 m）多個(gè)分辨率等級(jí)，其中大多數(shù)垂直高度參考了地球引力模型1996（EGM 96）中的大地水準(zhǔn)面（NGA，2010），并提供全球84°N～56°S 范圍內(nèi)所有陸地區(qū)域的高程數(shù)據(jù)，其主要源數(shù)據(jù)集為NGA 的SRTM 數(shù)字高程模型1 s 數(shù)據(jù)，并對SRTM 覆蓋范圍以外區(qū)域進(jìn)行填補(bǔ)，SRTM 數(shù)據(jù)則覆蓋了60°N～56°S 范圍內(nèi)的陸地地表.

為探討GMTED2010 地形數(shù)據(jù)和SRTM 地形數(shù)據(jù)在南疆及天山地區(qū)氣象模擬中的精度差異，將經(jīng)過WRF預(yù)處理系統(tǒng)（WPS）插值得到的2 種地形高程數(shù)據(jù)與站點(diǎn)基準(zhǔn)高程進(jìn)行對比，結(jié)果如圖1 所示.由圖1 可以看出，插值后的2 種數(shù)據(jù)與站點(diǎn)基準(zhǔn)高程存在誤差，尤其是天山山脈地區(qū)的站點(diǎn)，如巴倫臺(tái)站和阿合奇站的誤差高達(dá)300～400 m.此外，2 種數(shù)據(jù)間模擬的站點(diǎn)地形高程非常接近，可見GMTED2010 數(shù)據(jù)和SRTM 數(shù)據(jù)在WRF 模式模擬區(qū)域氣象場時(shí)的地形高度較為一致.

圖12 種資料插值與站點(diǎn)基準(zhǔn)高程對比Fig.1 Comparison of two data interpolations with site baseline elevation

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究模擬模式采用WRFV3.8 版. 實(shí)驗(yàn)共選取28個(gè)站點(diǎn)，各站點(diǎn)地理位置分布如圖2 所示.

圖2 研究區(qū)和站點(diǎn)的地理位置Fig.2 Location of study area and site

圖2 中10個(gè)探空站點(diǎn)的觀測資料來源于懷俄明大學(xué)天氣數(shù)據(jù)（http：//weather.uwyo.edu/wyoming/），每日00 ∶00 和12 ∶00 各輸出一次；18個(gè)地面站點(diǎn)的觀測資料來源于美國國家氣候數(shù)據(jù)中心（national climatic data center，NCDC）（http：//www.ncdc.noaa.gov/）的自動(dòng)地面監(jiān)測站數(shù)據(jù)，每3 h 輸出一次.各個(gè)站點(diǎn)均建立具有10 km 空間分辨率的區(qū)域，中心點(diǎn)坐標(biāo)為各個(gè)站點(diǎn)坐標(biāo)，其垂直結(jié)構(gòu)包括30 層.模擬時(shí)段為2016 年8 月1 日至2016 年8 月31 日共31 d，以美國國家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（national centers for environmental prediction，NCEP）FNL 全球分析資料提供的每日12 ∶00（世界時(shí)）1°分辨率（經(jīng)度和緯度）和每6 h 取樣作為模擬初始場和邊界條件，每小時(shí)輸出一次，即采用逐時(shí)模擬的氣象數(shù)據(jù).參數(shù)化方案采用WSM3 微物理參數(shù)化方案、YSU 邊界層參數(shù)化方案、RRTM 長波輻射方案、Dudhia 短波輻射方案、Kain-Fritsch 積云參數(shù)化方案和Noah 陸面參數(shù)化方案.

共設(shè)計(jì)了2 組數(shù)值模擬方案，一組為GM 方案，即WRF 默認(rèn)資料GMTED2010 為靜態(tài)地形資料；另一組為SR 方案，即以SRTM 地形資料替換WRF 默認(rèn)地形資料作為下墊面高程數(shù)據(jù).2 種方案均在水平方向上提取逐3 h 地面參數(shù)，包括2 m 氣壓、10 m 風(fēng)速、2 m氣溫、2 m 相對濕度和2 m 露點(diǎn)溫度，觀測站數(shù)據(jù)選取地面站觀測資料.垂直方向上提取2000 m 以下垂直層0 時(shí)和12 時(shí)（世界時(shí)）的瞬時(shí)氣壓、風(fēng)速、氣溫、相對濕度和露點(diǎn)溫度，與探空站觀測值進(jìn)行比較.

1.3 統(tǒng)計(jì)參數(shù)評(píng)估方法

在進(jìn)行2 組實(shí)驗(yàn)方案的模擬效果檢驗(yàn)時(shí)，本研究提取最接近氣象站的模式輸出格點(diǎn)值與氣象站點(diǎn)的觀測值進(jìn)行對比. 統(tǒng)計(jì)參數(shù)采用平均偏差MB（mean bias）、均方根誤差RMSE（root mean square error）和相關(guān)系數(shù)R（correlation coefficient）進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算公式為

式（1）～式（3）中：fi和oi分別為第i 次模擬值和觀測值；n 為觀測次數(shù).

2 結(jié)果與討論

2.1 地面氣象要素

氣壓、氣溫、露點(diǎn)溫度、相對濕度和風(fēng)速的逐時(shí)觀測數(shù)據(jù)為NCDC 提供的18個(gè)地面站點(diǎn)的每3 h 觀測數(shù)據(jù)，本研究從地面氣象要素分析2 種方案模擬效果，結(jié)果如表1 所示.

表12 種方案近地面氣象參數(shù)誤差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Error statistics of near-surface meteorological parameters of two schemes

由表1 可以看出，SR 方案與GM 方案相比2 m 氣壓MB 減小7%，而2 m 氣溫和10 m 風(fēng)速的MB 在2種方案中存在2%的差異，2 m 相對濕度和2 m 露點(diǎn)溫度的RMSE、MB 和R 基本沒有變化，均小于1%，總體看來，GMTED2010 地形數(shù)據(jù)和SRTM 地形數(shù)據(jù)在模擬區(qū)域地形高程時(shí)精度相差不大，且近地面氣壓、氣溫、風(fēng)速、相對濕度和露點(diǎn)溫度等氣象參數(shù)模擬效果相近，其中2 m 氣壓模擬效果存在較明顯差異是因?yàn)樵谀M復(fù)雜山區(qū)地形特征時(shí)，SRTM 數(shù)據(jù)的精度可能比GMTED2010 數(shù)據(jù)的精度略高，使得SR 方案的2 m 氣壓模擬與其他氣象參數(shù)相比改善明顯，由此可知近地面氣壓對地形高度極其敏感.

2.2 時(shí)間序列模擬對比

本研究在時(shí)間序列分析中選取2 種地形數(shù)據(jù)模擬偏差較大（46 m）的阿合奇站（78.45E，40.93N）的地面氣象參數(shù)模擬結(jié)果.阿合奇站點(diǎn)周圍的地形如圖3所示.由圖3 可以看出，阿合奇地區(qū)為“兩山夾一谷”的復(fù)雜地形，天山山脈貫穿全境，地勢較高，東南為沙漠，具有干燥、太陽輻射強(qiáng)且晝夜溫差大的氣候特征.

圖3 阿合奇站點(diǎn)周圍的地形Fig.3 Topography around the Akqi site

圖4 為阿合奇站點(diǎn)GM 方案和SR 方案所得模擬值與觀測值的比較結(jié)果.由圖4 可以看出，2 種方案均可以模擬出2 m 氣壓的時(shí)間變化趨勢，已知SRTM 數(shù)據(jù)經(jīng)過模式插值后模擬的站點(diǎn)高程值更接近基準(zhǔn)高程（圖1），因此對地形高度變化比較敏感的氣壓來說，2 m 氣壓的模擬效果隨著地形高度精確性的提高顯著改善，因此GM 方案與SR 方案間存在約4 hPa 偏差；從2 m 氣溫、10 m 風(fēng)速、2 m 相對濕度和2 m 露點(diǎn)溫度的模擬效果看，2 種方案間的模擬值比較接近，這可能是因?yàn)檎军c(diǎn)周圍格點(diǎn)在2 種方案中的地形高度特征差異不明顯，弱化了氣溫、風(fēng)速、相對濕度和露點(diǎn)溫度模擬所需的溫濕場和風(fēng)場的差異性，因此，2 種方案氣象參數(shù)模擬值在整個(gè)時(shí)間序列上較為一致，但均與觀測值的偏差較大，原因仍需進(jìn)一步研究.綜上所述，對于南疆和天山地區(qū)，GMTED2010 數(shù)據(jù)插值后與SRTM數(shù)據(jù)插值后的精度相差不大.

圖4 阿合奇站點(diǎn)時(shí)間序列模擬值與觀測值比較Fig.4 Comparison of time series simulation values and observations of Akqi site

2.3 探空氣象要素模擬對比

由于GMTED2010 數(shù)據(jù)與SRTM 數(shù)據(jù)對各探空站點(diǎn)的高程模擬均無較大差異，因此選取周圍地形較為復(fù)雜的庫車站（82.97°E，41.71°N）驗(yàn)證2 種數(shù)據(jù)高空氣壓、氣溫和風(fēng)速的模擬效果.庫車站點(diǎn)周圍的地形如圖5 所示.

圖5 庫車站點(diǎn)周圍的地形Fig.5 Topography around the Kuqa site

圖6 為2 種方案在庫車站模擬的氣溫、氣壓和風(fēng)速M(fèi)B隨垂直高度的變化情況.

圖6 氣壓、氣溫和風(fēng)速M(fèi)B 隨高度的變化Fig.6 Air pressure，air temperature and wind speed MB as a function of height

由圖6 可知，GM 方案和SR 方案模擬所得氣壓、氣溫和風(fēng)速M(fèi)B在垂直方向上的變化趨勢幾乎一致，其中GM 方案所得風(fēng)速的MB略小于SR 方案所得風(fēng)速的MB，二者表現(xiàn)出較小的差異. 可見GMTED2010數(shù)據(jù)在WRF 模式中模擬高空氣象要素的效果與SRTM 數(shù)據(jù)相近，2 種數(shù)據(jù)在地形插值后的精度較為一致，在氣象場模擬中具有相似的地形特征.

圖7 為庫車站點(diǎn)氣壓、氣溫和風(fēng)速3 種氣象參數(shù)8 月21 日12 ∶00（世界時(shí)）模擬值與觀測值的對比情況.由圖7 可知，由于2 種資料經(jīng)過插值處理平滑了地形高度，降低了地形起伏程度，2 種方案的模擬值在垂直高度上同樣極其接近，但2 種方案的模擬值均與觀測值存在不同程度的偏差，且隨著高度的增加，偏差增大，這可能是因?yàn)閹燔囌军c(diǎn)北臨天山，地處塔里木盆地北緣，高空受地形、邊界層和局地氣流擾動(dòng)等多種因素影響較大[16-17]，因此其高空氣象場的模擬效果仍有待進(jìn)一步改善.

圖7 氣壓、氣溫和風(fēng)速模擬值與觀測值隨高度的變化Fig.7 Variations of air pressure，air temperature and wind speed simulation and observation values with height

綜上所述，GMTED2010 數(shù)據(jù)和SRTM 數(shù)據(jù)在區(qū)域氣象模擬中具有相似的模擬效果，二者的精度差異[18-19]對WRF 模式模擬過程影響較小，GMTED2010數(shù)據(jù)作為默認(rèn)地形資料具有較高的可靠性.在各氣象參數(shù)模擬結(jié)果中，近地面氣壓對地形高度較為敏感，但改善程度較小，與觀測值之間具有一定程度的偏差（表1 和圖4），由此考慮是由于2 種數(shù)據(jù)經(jīng)過了WPS模塊的地形插值處理，且選擇站點(diǎn)模擬高程作為WRF模式格點(diǎn)插值的平均地形高度，平滑了該地區(qū)復(fù)雜的地形起伏特征，增大了與實(shí)際地形特征之間的誤差，還受到土地利用類型等其他下墊面資料精度以及參數(shù)化方案等因素的影響[20]，因此氣象要素模擬與實(shí)際觀測之間存在一定程度的偏差.同時(shí)2 種地形插值后的高程間偏差減小，模式模擬氣象場時(shí)的地形特征相似，使得二者數(shù)據(jù)模擬的氣象參數(shù)結(jié)果無明顯差異.

圖8 為GMTED2010 數(shù)據(jù)在WRF 模式不同空間分辨率下插值的高程與基準(zhǔn)高程的地形偏差標(biāo)準(zhǔn)差的變化情況.

圖8 不同空間分辨率下的高程標(biāo)準(zhǔn)差變化Fig.8 Changes of elevation standard deviation with different spatial resolutions

由圖8 可以看出，地形偏差的標(biāo)準(zhǔn)差最大可達(dá)134 m，最小的分辨率也存在高達(dá)44.5 m 的標(biāo)準(zhǔn)差，由此可知，地形插值處理產(chǎn)生的誤差較大，且不因分辨率的升高而消除.因此，減小地形數(shù)據(jù)的插值誤差，提高地形高度模擬的準(zhǔn)確性仍有待進(jìn)一步研究.

3 結(jié)論

為評(píng)估WRF 新一代默認(rèn)地形資料GMTED2010數(shù)據(jù)對區(qū)域氣象場的模擬效果，本研究模擬了南疆和天山地區(qū)2016 年8 月1 日至2016 年8 月31 日共31天的氣壓、溫度、風(fēng)速、相對濕度和露點(diǎn)溫度數(shù)據(jù)，從近地面層和垂直層對氣象參數(shù)的模擬結(jié)果進(jìn)行分析，并與SRTM 數(shù)字高程模型所得模擬結(jié)果進(jìn)行對比，得到以下結(jié)果：

（1）經(jīng)過插值處理的GMTED2010 數(shù)據(jù)與SRTM數(shù)據(jù)較為接近，且近地面氣壓、氣溫、風(fēng)速、相對濕度和露點(diǎn)溫度的模擬效果均偏差較小，其中氣壓在地形極其復(fù)雜的區(qū)域存在較明顯的偏差，其他氣象參數(shù)的模擬值均具有較高的一致性.此外，2 種地形數(shù)據(jù)在高空氣象場的模擬上也表現(xiàn)出相似的模擬結(jié)果.

（2）2 種地形數(shù)據(jù)的精度差異對WRF 模式模擬結(jié)果的影響不明顯，因此GMTED2010 數(shù)據(jù)對區(qū)域數(shù)值模擬的可靠性較高，無需將WRF 模式默認(rèn)地形資料替換更新為SRTM 數(shù)據(jù)以提高模擬精度.此外，由氣壓對地形高度的敏感性可知，利用WRF 模式地形插值模塊對地形數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理縮小了GMTED2010 數(shù)據(jù)與SRTM 數(shù)據(jù)間的地形高度偏差，使得2 種模擬過程趨于一致，造成氣壓改善幅度不明顯，其他氣象參數(shù)均無明顯變化.因此，后續(xù)工作需要探索一種縮小系統(tǒng)插值誤差的方法以提高模式模擬的地形高度精度.