ARPS和WRF模式對黃土高原半干旱區(qū)夏季晴天邊界層特征的模擬分析

黃 山，王田田，張文煜，羅 漢，劉 瑩，楊瑞鴻

(1.甘肅省人工影響天氣辦公室/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730020；2.中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049；4.鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，鄭州 450001)

引 言

大氣邊界層是指直接受地面影響的對流層底層，主要通過湍流運(yùn)動(dòng)來影響自由大氣的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大氣邊界層也是氣象要素有顯著日變化的低層大氣[1]。大氣邊界層高度是表征邊界層特征最重要的物理參數(shù)之一，廣泛應(yīng)用于物理量廓線、邊界層結(jié)構(gòu)，以及數(shù)值模式的邊界層參數(shù)化研究中[2-3]。

黃土高原主要由黃土塬、溝壑、川、山、梁及峁坪等多種形態(tài)地貌組成。由于其特殊的地理、氣候環(huán)境，以及復(fù)雜的下墊面情況，形成了獨(dú)特的陸面過程特征和大氣邊界層結(jié)構(gòu)。氣候系統(tǒng)對陸面過程及邊界層過程的響應(yīng)比較敏感[4-5]，是氣候變化的典型敏感區(qū)，同時(shí)也是生態(tài)農(nóng)業(yè)脆弱區(qū)。分析和模擬該地區(qū)邊界層過程對認(rèn)識(shí)特殊氣候環(huán)境的維持機(jī)理、提高該地區(qū)天氣和氣候預(yù)測能力有一定幫助[6]。有學(xué)者通過分析典型觀測資料，研究了西北干旱半干旱區(qū)黃土高原陸面過程、輻射平衡、邊界層厚度變化等特征[7-14]。隨著數(shù)值模式的發(fā)展，數(shù)值模擬已逐漸成為大氣邊界層研究的一種重要手段。國外很多學(xué)者利用WRF模式模擬出了所研究區(qū)域的邊界層結(jié)構(gòu)特征[15-18]。Mayer 等[19]利用SUMO觀測資料驗(yàn)證了WRF模式4種邊界層參數(shù)化方案的模擬能力，發(fā)現(xiàn)非局地方案更能表征邊界層的時(shí)間演變，MJY方案對邊界層高度和近地層溫度的模擬偏低。Gómeznavarro等[20]對比不同邊界層參數(shù)化方案對風(fēng)場的模擬效果，發(fā)現(xiàn)非局地邊界層方案可以更好地解析復(fù)雜地形邊界層內(nèi)風(fēng)的特征。Banks 等[21]對比分析了WRF模式8種邊界層參數(shù)化方案對不同天氣類型城市下墊面邊界層高度模擬效果，發(fā)現(xiàn)非局地邊界層方案的模擬更準(zhǔn)確。Sarkar等[22]利用ARPS區(qū)域氣候模式耦合一個(gè)簡單的地表參數(shù)化方案，改進(jìn)了模式對城市邊界層的模擬能力。國內(nèi)也有很多評估WRF模式對邊界層氣象場特征模擬能力的研究[23-25]，還有一些利用數(shù)值模擬探索特定邊界層的發(fā)展機(jī)制及影響因子的研究[26-30]。針對西北干旱半干旱區(qū)大氣邊界層的模擬研究也有很多，涉及風(fēng)溫場、能量平衡、陸面過程及邊界層高度等多方面[5,8,31-33]。

本文在前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，分別利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)和WRF(Weather Research and Forecasting Model)兩種數(shù)值模式，對2009年7月黃土高原夏季大氣邊界層高度進(jìn)行模擬，采用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)的觀測資料和榆中國家基準(zhǔn)氣候站的探空資料作為驗(yàn)證資料，對比兩種模式的模擬能力，分析典型晴天條件下黃土高原夏季邊界層高度的變化特征，為進(jìn)一步利用數(shù)值模式研究黃土高原大氣邊界層結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 觀測站及資料情況

選取蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)渦動(dòng)相關(guān)儀實(shí)際觀測資料和榆中國家基準(zhǔn)氣候站(區(qū)站號：52983)的探空資料作為模式模擬驗(yàn)證資料。SACOL站位于蘭州大學(xué)榆中校區(qū)的萃英山頂(35.95°N、104.14°E，海拔1961 m)，是按照國際標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的氣候觀測平臺(tái)，站內(nèi)觀測環(huán)境和周圍自然環(huán)境狀態(tài)均保持良好，下墊面基本為塬面梁峁原生植被，屬于典型溫帶半干旱氣候，年平均氣溫6.7 ℃，年平均降雨量381.8 mm，蒸發(fā)量1528.5 mm，全年日照時(shí)數(shù)2607.2 h，年平均風(fēng)速約為1.6 m/s(試驗(yàn)場地山頂全年盛行西北風(fēng)和東南風(fēng))。SACOL站渦動(dòng)相關(guān)儀實(shí)際觀測資料的時(shí)間步長為1 h。榆中國家基準(zhǔn)氣候站位于35.87°N、104.15°E，海拔高度1875 m，探空資料為該站2009年7月2日觀測數(shù)據(jù)，早晚兩次分別開始于07:15和19:15。

1.2 模式介紹

分別采用ARPS和WRF 2種模式模擬黃土高原地區(qū)夏季邊界層過程。初始資料為NCEP l°×l°分辨率的全球再分析格點(diǎn)資料。模擬試驗(yàn)中采用初始場和側(cè)邊界條件，3層嵌套，水平分辨率分別為36 km、12 km和4 km，模擬區(qū)域?yàn)?3°-45°N、88°-108°E，模式內(nèi)層區(qū)域中心位置為(36.7°N、103.5°E)。模式積分初始時(shí)刻為2009 年6 月30日00：00，共模擬一個(gè)月，每小時(shí)輸出一次結(jié)果，積分步長為600 s。ARPS模式垂直方向分為60層，平均層間距為300 m，采用1.5階TKE閉合方案；WRF模式垂直方向分為34層，采用YSU邊界層參數(shù)化方案。

2 模擬結(jié)果分析

從整個(gè)模擬時(shí)段中選取2009年7月2日00時(shí)至7月3日00時(shí)作為代表，采用線性插值方法將所在模式層的模擬值分別插值到觀測點(diǎn)處，比較檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降哪M能力。從2009年7月2日08時(shí)500 hPa和700 hPa環(huán)流形勢(圖略)與實(shí)際觀測情況可知，模擬區(qū)域處于高壓脊控制，天氣以晴為主。

2.1 感熱通量對比

對比感熱通量模擬值與觀測值(圖1)發(fā)現(xiàn)，兩種模式的模擬結(jié)果都能夠較好地反映SACOL站感熱通量的變化特征。WRF模式模擬值較ARPS模式模擬值整體略微偏大，夜間WRF模式的模擬結(jié)果與實(shí)測的更接近，上午時(shí)段ARPS模式對感熱通量的模擬與實(shí)測值擬合更良好，午后觀測值呈現(xiàn)階梯狀降低趨勢，模式模擬值變化較平滑，這是由于站點(diǎn)上空午后多有淡積云飄過，而模式模擬結(jié)果不存在云的影響。實(shí)測感熱通量最大值出現(xiàn)在12時(shí)，模式模擬最大值大約出現(xiàn)在12-13時(shí)，WRF模式模擬的最大值與實(shí)測值幾乎相等。此外，WRF模式對于感熱通量正負(fù)值轉(zhuǎn)換時(shí)間的模擬比ARPS模式的更好，這主要是2種模式本身動(dòng)力框架設(shè)置不同，以及不同參數(shù)化方案選取造成的差異。

圖1 2009年7月2日ARPS和WRF模式模擬的感熱通量值與觀測值對比

就整個(gè)7月而言(圖略)，兩種模式對感熱通量均有一定的模擬能力，逐點(diǎn)誤差小于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)方差。兩種模式在白天的模擬效果較夜間的好，上午的模擬效果較下午的好。總的來看，ARPS模式的模擬曲線較WRF模式模擬得更加平滑，WRF模式對能量的總體描述較ARPS模式的更接近實(shí)測。為了對比模擬值與觀測值，本文采用了線性插值方法，將模擬結(jié)果差值到SACOL站的位置。插值會(huì)產(chǎn)生一定的誤差，這可能是造成模擬值較觀測值偏大的一個(gè)原因。

2.2 邊界層特征分析

WRF模式的模擬結(jié)果在垂直方向上以層為單位，每個(gè)地區(qū)隨地形變化縱坐標(biāo)也會(huì)略微發(fā)生變化。SACOL站W(wǎng)RF模式縱坐標(biāo)層數(shù)與相對高度的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 SACOL站W(wǎng)RF模式縱坐標(biāo)層數(shù)與相對高度的對應(yīng)關(guān)系

2.2.1 位溫垂直分布

熱力特性是判斷和區(qū)分大氣邊界層性質(zhì)的重要指標(biāo)之一，位溫是大氣最具表現(xiàn)力的熱力屬性之一[7]。本文模擬分析了大氣位溫的垂直分布，進(jìn)而根據(jù)位溫廓線法分析邊界層高度的演變過程。

位溫廓線法是由位溫廓線特征結(jié)合逆溫強(qiáng)度來確定邊界層高度的一種方法[34-37]。白天有對流發(fā)展時(shí)，邊界層高度為對流混合層頂(即上部穩(wěn)定層的底部)，夜間可將近地面逆溫高度視為邊界層高度。

由位溫廓線模擬結(jié)果(圖2)和探測結(jié)果(圖3)可以看出，2種模式都能模擬出位溫的垂直變化趨勢。ARPS模式模擬的邊界層高度明顯偏高，WRF模式模擬的最大邊界層高度約為2100 m。從圖3可看出，19時(shí)在1700 m高度以下位溫幾乎不隨高度變化、比濕隨高度增加，在該高度以上位溫突然增加，比濕突然減小，由此可以確定，19時(shí)對流邊界層高度為1700 m。WRF模擬的19時(shí)邊界層高度為1747 m(圖4)，與觀測結(jié)果基本一致，WRF模式可以較準(zhǔn)確地模擬出黃土高原夏季晴天邊界層高度。

圖2 SACOL站2009年7月2日逐小時(shí)位溫廓線變化模擬結(jié)果

圖3 2009年7月2日榆中站探空觀測位溫廓線

從圖4可以看出，在00-08時(shí)和20-24時(shí)，由于地面輻射冷卻通過湍流交換向上傳播而形成穩(wěn)定邊界層，邊界層高度相對較低，逆溫層高度在06-07時(shí)最低(約為400 m)，這與07時(shí)探空觀測位溫廓線所表征的基本一致。在夜間穩(wěn)定邊界層高度變化過程中，00-08時(shí)和22-24時(shí)兩個(gè)時(shí)段邊界層變化相對穩(wěn)定，20-22時(shí)邊界層變化速度相對較快，這是因?yàn)樵谝归g穩(wěn)定邊界層發(fā)展的早期階段，由于地面附近溫度快速降低，大氣層結(jié)由不穩(wěn)定向穩(wěn)定的變化在開始階段較快，之后變慢并逐漸趨于穩(wěn)定，夜間穩(wěn)定邊界層高度均在600 m以下。08時(shí)以后，太陽輻射增強(qiáng)，湍流活動(dòng)加強(qiáng)，邊界層發(fā)展，高度逐漸上升，08-11時(shí)為對流邊界層的快速抬升階段，對流邊界層發(fā)展強(qiáng)烈；12-15時(shí)為對流邊界層的穩(wěn)定抬升階段，15-19時(shí)，雖然地面感熱通量對大氣的加熱不是最強(qiáng)，但是由于之前地面強(qiáng)烈加熱導(dǎo)致的對流邊界層頂抬升還有一定的時(shí)間延續(xù)性，對流邊界層高度在此時(shí)達(dá)到最大，約為2000-2100 m; 之后逐漸下降，直到22時(shí)以后變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。感熱通量和邊界層高度的日變化有一定的相關(guān)關(guān)系，邊界層高度的演變總是滯后于感熱通量的變化。

圖4 WRF模擬的SACOL站2009年7月2日邊界層高度變化

2.2.2 風(fēng)速垂直分布

由模擬的風(fēng)廓線(圖5、6)和探測的風(fēng)廓線(圖7)可以看出，兩種模式都能模擬出風(fēng)速的垂直變化基本趨勢。ARPS模擬的風(fēng)廓線非常平滑，幾乎沒有模擬出風(fēng)向切邊；模擬的07時(shí)和19時(shí)的風(fēng)速也小于實(shí)際觀測值。由風(fēng)速極值法[38]推斷，ARPS模擬的對流邊界層頂?shù)母叨燃s為3700 m，這與ARPS模式利用位溫廓線法確定的邊界層高度一致，但都較實(shí)際觀測值偏高很多。

圖5 ARPS模擬的SACOL站2009年7月2日逐小時(shí)風(fēng)廓線

圖6 WRF模擬的SACOL站2009年7月2日逐小時(shí)風(fēng)廓線

圖7 2009年7月2日榆中站探空觀測風(fēng)廓線

WRF模擬的風(fēng)廓線更接近實(shí)際觀測，在對流邊界層內(nèi)盛行東南風(fēng)，在對流邊界層以上約4500-4800 m高度處出現(xiàn)切變，變?yōu)槲鞅憋L(fēng)。近地層內(nèi)南北分量風(fēng)風(fēng)速隨高度迅速增大，地面以上500 m至2200 m處南北分量風(fēng)速大致呈均一狀態(tài)，2200 m以上風(fēng)速隨高度逐漸遞減，至4500 m左右出現(xiàn)南北分量風(fēng)切變，風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)。根據(jù)風(fēng)速極值法推斷，WRF模擬的邊界層高度為2050 m左右，這與位溫廓線法確定的邊界層高度非常接近。

3 結(jié)論與討論

(1)在4 km水平分辨率下，ARPS和WRF 2種模式都能夠模擬出黃土高原半干旱區(qū)夏季晴天的陸面感熱通量狀況。但是對于邊界層高度特征的模擬，采用1.5階TKE閉合方案的ARPS模式模擬能力較差，采用YSU邊界層參數(shù)化方案的WRF模式的模擬情況與實(shí)際觀測較為接近，這也與在干旱半干旱地區(qū)的WRF模擬敏感性試驗(yàn)得出的結(jié)果相一致[23,35]。

(2)從觀測和模擬的結(jié)果可以看出，在黃土高原半干旱地區(qū)夏季晴天，感熱通量和邊界層高度的日變化有一定的相關(guān)關(guān)系，感熱通量與白天對流邊界層高度之間的相關(guān)關(guān)系較與夜間穩(wěn)定邊界層高度的相關(guān)關(guān)系更顯著，白天對流邊界層高度的發(fā)展總是滯后于感熱通量的變化。

(3)綜合觀測和模擬邊界層高度、位溫和風(fēng)速垂直變化，得到黃土高原半干旱區(qū)夏季晴天時(shí)，白天對流邊界層高度可達(dá)2100 m，夜間穩(wěn)定邊界層高度約為400-500 m。白天對流邊界層的發(fā)展經(jīng)歷初始抬升-快速抬升-穩(wěn)定抬升3個(gè)階段，衰減經(jīng)歷開始逐漸衰減-快速衰減-穩(wěn)定邊界層3個(gè)階段。

本文只選擇了SACOL站一個(gè)夏季晴天的個(gè)例來作模擬分析。由于黃土高原半干旱地區(qū)地形復(fù)雜，其陸面熱過程和邊界層過程相互影響，情況復(fù)雜，因此還需要更多的野外觀測、衛(wèi)星遙感反演和模擬實(shí)驗(yàn)，以獲得對大氣邊界層特征及其形成和發(fā)展機(jī)理更加全面而深入的認(rèn)識(shí)。