不同邊界層方案在短期天氣模擬中的精度評(píng)估

張 玉，王小倫，劉 雁

大氣對(duì)流層中最下層的1~2 km的空間就是行星邊界層的位置，行星邊界層是大氣與下墊面相互作用而形成的，主要通過地表強(qiáng)迫和湍流運(yùn)動(dòng)等的相互作用，引發(fā)地面氣象要素與高空動(dòng)量之間的混合交換，進(jìn)而影響近地層氣象要素場(chǎng)及大氣污染物的擴(kuò)散等，它對(duì)大氣和地面之間的水汽、動(dòng)量和熱量的交換起著十分重要的作用［1-2］.過去幾年中，國內(nèi)外關(guān)于行星邊界層方案的研究已經(jīng)基本成熟，有許多學(xué)者在區(qū)域氣候模式模擬中發(fā)現(xiàn)，不同的邊界層方案對(duì)區(qū)域氣候模式模擬結(jié)果也不同［3-6］，而產(chǎn)生這些差異的原因和下墊面性質(zhì)、邊界層頂卷挾混合強(qiáng)度、邊界層閉合方案及湍流混合等有關(guān).

國外對(duì)邊界層方案的研究多以氣候要素模擬結(jié)果的差異性為主.MIGLIETTA等［7］利用MYJ和YSU兩種邊界層方案模擬了地中海東部克利特島的地面風(fēng)場(chǎng)，對(duì)比分析之后認(rèn)為YSU方案的模擬能力要優(yōu)于MYJ方案；DRAXL等［8］研究發(fā)現(xiàn)，在不穩(wěn)定天氣條件下，YSU方案效果要優(yōu)于MYJ方案；HU等［9］認(rèn)為YSU和ACM2方案在模擬天氣要素時(shí)偏差大于MYJ方案.

國內(nèi)關(guān)于邊界層方案的研究主要針對(duì)一次天氣狀況方面.張碧輝等［10］研究發(fā)現(xiàn)WRF能模擬出溫度和風(fēng)速的日變化特征，但模擬風(fēng)速偏大；于淼等［11］發(fā)現(xiàn)，邊界層方案和微物理方案對(duì)近地面風(fēng)場(chǎng)模擬結(jié)果有一定影響，WSM3微物理方案結(jié)合YSU邊界層方案的參數(shù)化組合對(duì)研究區(qū)的模擬效果較好；許魯君等［12］模擬分析了不同邊界層方案在青藏高原那曲地區(qū)的適用性，發(fā)現(xiàn)ACM2、BouLac、YSU和MYJ四種方案對(duì)2 m氣溫和地溫模擬結(jié)果偏低，其中BouLac方案對(duì)地表溫度模擬效果最好；周彥均等［13］利用不同邊界層方案模擬長江中下游地區(qū)一次暴雨過程，結(jié)果表明，MYJ方案對(duì)于大雨和小雨的模擬效果最好，YSU對(duì)暴雨模擬的正確率較高，NOPB、ACM2和MRF模擬偏差較大.

上述研究表明，不同邊界層方案在不同地區(qū)的適用性不同.通過對(duì)具有代表性的天氣個(gè)例進(jìn)行模擬，以此來評(píng)價(jià)邊界層方案在吉林西部的模擬精度，對(duì)于未來邊界層方案優(yōu)化和預(yù)防氣象災(zāi)害等方面都具有一定意義.

1 研究區(qū)概況

位于121°38′E~126°10′E，43°59′N~46°18′N之間的吉林西部（圖1），地處松嫩平原西部，科爾沁草原東部，處于農(nóng)牧交錯(cuò)帶上，屬于半干旱到半濕潤過渡的溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，雨熱同期，降水較少且集中在夏季，冰凍期長.吉林西部河流眾多，湖泊成群，地形地貌以沖積平原為主.主要包括白城和松原兩個(gè)地級(jí)市，過去的吉林西部水草豐美，是游牧民族的聚集地，但是隨著人口劇增，人類對(duì)其開發(fā)程度也越來越高，導(dǎo)致草地退化，土地鹽堿化等問題越來越突出，逐漸成為吉林省生態(tài)環(huán)境脆弱區(qū)，土地利用方式的改變使旱澇等氣象災(zāi)害加?。?4］.選擇適合吉林西部的邊界層方案，結(jié)合模式模擬可提前預(yù)知天氣變化狀況，減少自然災(zāi)害造成的生命財(cái)產(chǎn)損失.

圖1 研究區(qū)域及氣象站點(diǎn)分布圖

2 方案介紹與資料選取

2.1 行星邊界層方案

邊界層方案可根據(jù)湍流閉合問題的處理方法分為局地閉合方案和非局地閉合方案，局地閉合方案基本原理是將每個(gè)格點(diǎn)上的脈動(dòng)通量用每個(gè)格點(diǎn)的物理量的平均量來代表；而非局地方案除了考慮每個(gè)格點(diǎn)上物理量的平均量，還要考慮周邊格點(diǎn)對(duì)該格點(diǎn)上脈動(dòng)通量的影響.在大氣邊界層方案中，一般選取MYJ為局地方案代表，YSU方案為非局地方案代表［15］.其中，MYJ方案是Mellor-Yamada 2.5階局地湍流動(dòng)能方案，它可以預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能，并且包含局地垂直混合，既適用于穩(wěn)定條件下的邊界層，也適用于不穩(wěn)定條件下的邊界層［10］；YSU參數(shù)化方案是改進(jìn)過的一階非局地閉合的K理論方案，該方案考慮了邊界層頂?shù)膴A卷過程及非局地混合作用，并在交換系數(shù)計(jì)算中加入了高度改變對(duì)其的影響，YSU的邊界層高度和MYJ有所不同，它將臨界Richardson數(shù)的高度作為自己的邊界層高度［16］.

2.2 數(shù)據(jù)選取

本文使用由美國許多研究部門共同參與研發(fā)的新一代中尺度天氣預(yù)報(bào)模式WRF模式進(jìn)行模擬，WRF模式的主模塊可分為ARW和NMM兩種形式，其中ARW模式研究空間跨度大且時(shí)間范圍廣，可以進(jìn)行從中小尺度系統(tǒng)到大氣環(huán)流、從天氣個(gè)例到氣候的研究.模式初始條件場(chǎng)選用的是每6 h更新一次的、水平分辨率為1°×1°的NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再 分 析 資 料（FNL）（https：//rda.ucar.edu/）；模擬結(jié)果和吉林西部白城、通榆、前郭爾羅斯、乾安、長嶺、三岔河6個(gè)氣象站點(diǎn)的氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，主要模擬要素包括2 m氣溫和10 m風(fēng)速.土地利用數(shù)據(jù)是WRF模式自帶的USGS下墊面資料，該數(shù)據(jù)集是由美國地質(zhì)勘測(cè)部（United States Geological Survey）提供的全球陸面信息數(shù)據(jù)集，由NOAA氣象衛(wèi)星AVHRR獲取，再經(jīng)推導(dǎo)得出.

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法

3.1 WRF模式實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

吉林省2017年的天氣特點(diǎn)以高溫為主，7月份全省平均氣溫達(dá)24℃，尤其是1日至19日，出現(xiàn)明顯高溫特點(diǎn)，較往年高出3.1℃［12］，持續(xù)性的高溫天氣在氣候模擬中具有一定研究意義.故本次研究模擬時(shí)間就從該時(shí)間段進(jìn)行選取，具體為2017年7月7日0時(shí)開始至2017年7月8日18時(shí)結(jié)束（均為世界時(shí)，下同），模擬期間，大氣水汽含量較高，云層較厚，部分地區(qū)還有少量降水出現(xiàn)，模式每次模擬42 h.

本文采用三層嵌套方案，嵌套區(qū)域面積由外向內(nèi)逐漸遞減，區(qū)域網(wǎng)格中心為（45°N，124°E），網(wǎng)格數(shù)的設(shè)置由外向內(nèi)分別為144×142、130×130和118×118，水平網(wǎng)格分辨率由外向內(nèi)分別為27 km、9 km和3 km，垂直分層為29層，地圖投影方式采用Lambert投影.其中外層嵌套覆蓋范圍包括東亞絕大部分地區(qū)，以及俄羅斯中西伯利亞高原和東西伯利亞山地部分地區(qū)，第二層嵌套覆蓋范圍包括中國東北絕大部分地區(qū)，以及朝鮮北部區(qū)域，內(nèi)層嵌套覆蓋范圍以吉林西部地區(qū)為主，內(nèi)層嵌套用于結(jié)果評(píng)估.在其余物理方案相同的條件下，利用WRF模式開展不同邊界層方案在吉林西部基本氣象要素中的模擬實(shí)驗(yàn)（表1），并評(píng)價(jià)其模擬精度.

表1 模式主要參數(shù)設(shè)置

3.2 評(píng)價(jià)方法

將內(nèi)層嵌套區(qū)域網(wǎng)格中的模擬結(jié)果與吉林西部6個(gè)氣象站點(diǎn)的常規(guī)氣象觀測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析，通過相關(guān)系數(shù)（R）、均方根誤差（RMSE）、平均偏差（MB）、平均誤差（ME）等多種評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)不同行星邊界層的模擬結(jié)果進(jìn)行精度評(píng)估.參考公式為：

式中：F、O分別表示模擬值和觀測(cè)值；分別表示模擬平均值和觀測(cè)平均值；N為樣本數(shù).其中相關(guān)系數(shù)表示觀測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果之間的相關(guān)關(guān)系，數(shù)值越接近1表示相關(guān)性越大，模擬結(jié)果越準(zhǔn)確；均方根誤差、平均偏差和平均誤差表示觀測(cè)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果之間的誤差值，結(jié)果越接近零值表示模擬結(jié)果與觀測(cè)結(jié)果越接近，模擬精度越高.

4 結(jié)果分析

圖2、圖3分別為內(nèi)層嵌套區(qū)域內(nèi)6個(gè)氣象站點(diǎn)基本氣象要素中的2 m氣溫和10 m風(fēng)速的區(qū)域平均值與模式模擬對(duì)應(yīng)站點(diǎn)的區(qū)域平均值對(duì)比.由圖2和圖3可知，WRF模式中兩種行星邊界層方案都能較好地模擬出氣溫和風(fēng)速的日變化特征，對(duì)氣溫的模擬精度較高，風(fēng)速模擬效果相對(duì)較差，這與前人所得結(jié)論一致［10，12，17-18］.其中局地閉合方案MYJ模擬氣溫、風(fēng)速的模擬值與觀測(cè)值的區(qū)域平均相關(guān)系數(shù)分別為0.91和0.49，非局地閉合方案YSU模擬氣溫、風(fēng)速的模擬值與觀測(cè)值的區(qū)域平均相關(guān)系數(shù)分別是0.89和0.50，MYJ邊界層方案模擬氣溫的能力高于YSU邊界層方案，能更好地刻畫出氣溫隨時(shí)間變化的趨勢(shì).但是，在10 m風(fēng)速模擬中，YSU邊界層方案模擬精度要略高于MYJ方案.

圖2 2017年7月7日0時(shí)—7月8日18時(shí)吉林西部地區(qū)2 m氣溫區(qū)域平均觀測(cè)值與WRF模式模擬值對(duì)比

圖3 2017年7月7日0時(shí)—7月8日18時(shí)吉林西部地區(qū)10 m風(fēng)速區(qū)域平均觀測(cè)值與WRF模式模擬值對(duì)比

4.1 氣溫

圖2為2 m溫度觀測(cè)值與兩種邊界層方案模擬值的時(shí)間序列對(duì)比，從圖2可以看出，兩種方案對(duì)氣溫的模擬效果較好，能大致模擬出氣溫的日變化趨勢(shì)，觀測(cè)氣溫在6時(shí)左右達(dá)最大值，20時(shí)左右達(dá)最小值，兩種方案模擬氣溫的最大值和最小值分別出現(xiàn)在7時(shí)左右和21時(shí)左右，比實(shí)際觀測(cè)滯后約1小時(shí)，這可能 與 系統(tǒng)誤 差 有關(guān)［14］.在7月8日2時(shí)之前，兩種方案模擬值和觀測(cè)值相比，大致呈現(xiàn)冷偏差，2時(shí)之后，模擬結(jié)果均呈現(xiàn)暖偏差，其中局地閉合方案MYJ更接近觀測(cè)值；表2也反映了吉林西部6個(gè)氣象站點(diǎn)不同邊界層方案對(duì)2 m氣溫的模擬統(tǒng)計(jì)情況，其中局地閉合方案MYJ相關(guān)系數(shù)總體較非局地閉合方案YSU高，MYJ方案的均方根誤差和平均誤差更接近觀測(cè)值，平均偏差中除三岔河和長嶺兩個(gè)站點(diǎn)MYJ方案偏差更大，其余幾個(gè)站點(diǎn)MYJ方案均優(yōu)于YSU方案.總體而言，在吉林西部地區(qū)2 m氣溫模擬中，MYJ方案模擬精度較YSU方案高，這可能因?yàn)槟M時(shí)間段為陰雨天氣，云層的存在會(huì)在一定程度上抑制不穩(wěn)定邊界層出現(xiàn)的頻率，穩(wěn)定邊界層出現(xiàn)的頻率約為70%左右［19］，這時(shí)物質(zhì)和能量輸送以近地層局地為主［20］.

表2 2017年7月7日0時(shí)—7月8日18時(shí)MYJ、YSU方案模擬氣溫與觀測(cè)值的統(tǒng)計(jì)比較

4.2 風(fēng)速

圖3為10 m風(fēng)速觀測(cè)值與兩種行星邊界層方案模擬值的時(shí)間序列對(duì)比，從圖3可以看出，觀測(cè)風(fēng)速白天較高，夜間偏低，有明顯的日變化特點(diǎn)，而局地閉合方案MYJ和非局地閉合方案YSU都能較好地刻畫出10 m風(fēng)速的日變化特點(diǎn)，但是兩種方案模擬結(jié)果普遍高于實(shí)際觀測(cè)值，這是因?yàn)槟M沒有考慮地表建筑物的摩擦力，也與土地利用數(shù)據(jù)過于陳舊有關(guān)系，最終導(dǎo)致風(fēng)速偏大.同時(shí)，不同行星邊界層方案模擬風(fēng)速的結(jié)果還存在晝夜差異，兩種方案對(duì)夜間風(fēng)速的模擬效果優(yōu)于白天，因?yàn)榘滋旌鸵归g陸面與邊界層物理過程存在明顯差異，導(dǎo)致WRF模式模擬的近地面氣象場(chǎng)也存在一定差異.表3為吉林西部6個(gè)氣象站點(diǎn)不同邊界層方案對(duì)10 m風(fēng)速的模擬統(tǒng)計(jì)情況，相關(guān)系數(shù)方面，兩種方案相差不大，但是非局地閉合方案YSU的模擬值在均方根誤差、平均偏差和平均誤差方面，數(shù)值都更加接近零值，這說明YSU邊界層方案與實(shí)際觀測(cè)值偏差較小，更接近觀測(cè)值.這主要因?yàn)閮煞N邊界層方案中的閉合方法不同，導(dǎo)致湍流交換能力出現(xiàn)差異.表明非局地閉合的YSU方案更適合吉林西部地區(qū).

表3 2017年7月7日0時(shí)—7月8日18時(shí)MYJ、YSU方案模擬風(fēng)速與觀測(cè)值的統(tǒng)計(jì)比較

5 結(jié)論

在氣象模擬中，基本天氣要素對(duì)不同邊界層參數(shù)化方案較為敏感，低層氣象要素和地形、下墊面性質(zhì)密切聯(lián)系，同時(shí)與高層大氣相互作用.本文通過模擬實(shí)驗(yàn)對(duì)局地閉合方案MYJ和非局地閉合方案YSU在吉林西部地區(qū)短期天氣要素中的模擬性能進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析，得出以下結(jié)論.

（1）WRF模式的兩種邊界層方案均能較好地模擬出吉林西部地區(qū)6個(gè)氣象站點(diǎn)的溫度場(chǎng)和風(fēng)場(chǎng)的日變化規(guī)律特征.

（2）在陰雨天氣條件下，以局地閉合為主的MYJ邊界層方案模擬2 m氣溫的能力大于非局地閉合方案YSU，這與大氣穩(wěn)定程度有關(guān)，穩(wěn)定的大氣環(huán)境下，物質(zhì)和能量交換以近地層局地閉合為主.

（3）關(guān)于10 m風(fēng)速模擬方面，兩種邊界層參數(shù)化方案模擬結(jié)果普遍偏高，非局地閉合的YSU邊界層方案更適合吉林西部地區(qū)，能很好地反映出風(fēng)速的日變化狀況，偏差也較MYJ方案更小，接近實(shí)際觀測(cè)值.

在吉林西部地區(qū)，不同邊界層方案對(duì)不同氣象要素的模擬精度不同.關(guān)于邊界層方案的選擇有很多種，本文僅選取了其中兩種進(jìn)行模擬研究，其他方案在吉林西部的模擬精度還有待考證.同時(shí)，氣候數(shù)值模擬本身是個(gè)復(fù)雜的過程，其他物理參數(shù)的設(shè)置也會(huì)影響其模擬精度，后續(xù)研究應(yīng)耦合其他物理參數(shù)方案，以獲得更好的模擬結(jié)果.