WRF模式对中国城市和半干旱地区气象要素的模拟检验和对比分析

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气象科学
31 卷
（ new Eta） 方案。试验中陆面过程采用 Noah LSM 陆 面过程模式。此次模拟研究采用 2 层网格嵌套，第 一层主要覆盖中国地区，以（ 35 °N，115 °E） 为中心， 东西方向 160 个格点，南北方向 140 个格点，区域水 平分辨率为 27 km。第二层嵌套两个区域，分别以 通榆站和榆中站为中心，东西方向和南北方向各 70 个格点，区域水平分别率为 9 km。垂直分为 28 层， 模式层顶气压为 50 hPa。本研究的模拟区域、下垫 面类型、通 榆、榆 中 和 上 海 站 的 位 置 及 嵌 套 情 况 如 图 1所示。
关键词 半干旱地区； 数值模拟； 对比分析 分类号 P426． 68 文献标识码 A
Evaluation and analysis of WRF-simulated meteorological variables in the urban and semi-arid areas of China
DONG Junling1，2 HAN Zhiwei1 ZHANG Renjian1 FU Congbin1，3
在观测试验方面，在北方干旱、半干旱地区不同 位置建立 长 期 观 测 实 验 站，改 变 过 去 仅 在 加 强 期 （ 一般在夏季） 进行湍流通量的加强观测，而采取一 年四季连续的观测地气间通量交换，研究地气通量 交换过程的日、月、季及年变化，为气候模式中半干 旱地区陆面过程参数化的改进提了可靠的验证数 据［7-9］。中国科学院大气物理研究所在吉林通榆建 立了“干旱化和有序人类活动”长期观测实验站（ 以 下简称通榆观测站） 。该站于 2002 年 10 月正式建 成，并开始连续观测，这是目前在中国除中国科学院 碳循环重大项目（ www． chinaflux． org） 外，为数不多 的对地气界面间物质和能量变换过程进行长期监测 的野外实 验 站［7］。 中 国 黄 土 高 原 半 干 旱 区 的 兰 州 大学半干旱气候与环境观测站 （ SACOL，以下简称 榆中站） 建于 2005 年，位于兰州大学榆中校区内。 榆中站拥有各类大气探测仪器可以监测半干旱区气 候变化的长期趋势，陆面和大气相互作用等［10］。
（ 1 Key Laboratory of Regional Climate-Environment for Temperate East Asia，Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；
1 模式介绍及数值试验的设计
本文使用的模式是美国 NCAR 等联合开发的 中尺度天气研究与预报模式 Weather Research and Forecasting Model （ WRF v3. 2） 。在本次试验中，微 物理过程采用 Kessler 暖云参数化方案； 长波辐射采 用 RRTM 方 案； 短 波 辐 射 采 用 Dudhia 方 案； 每 30min 进行一次辐射过程的计算； 近地层过程采用 Monin-Obukhov scheme 方案； 边界层采用 Yonsei University PBL 方案； 积云对流过程采用 Kain-Fritsch
在数值模拟方面，Kusaka 等［11］将一个简单的大 气模式与单层城市冠层模式耦合，使得模式能更好 的模拟城市边界层气象场。Teddy Holt 等［12］利用耦
合的海-气中尺度预报系统（ COAMPS） 和单层 / 多层 城市冠层参数化方案对纽约地区气象要素的模拟， 分析 不 同 参 数 化 方 案 对 模 拟 效 果 的 影 响。 Lee 等［13］发展 了 一 个 考 虑 街 道 植 被 的 城 市 冠 层 模 式 （ VUCM） ，结果显示该模式能很好的模拟出温度、湿 度、净辐射等，且街道植被对感热通量和潜热通量的 分配有 很 大 影 响。CHEN Fei 等［14］ 发 展 了 一 个 与 WRF 模 式 耦 合 的 集 成 的 城 市 模 式 系 统。孟 祥 新 等［15］利用国际协同强化观测期（ CEOP） 观测资料对 3 个不同的陆面过程模式 BATS、LSM 和 CoLM 在半 干旱区通榆站进行了模拟检验与对比，考察了不同 陆面过程 模 式 对 半 干 旱 地 区 的 模 拟 性 能。陈 磊 等［16］利用中尺度模式 WRF 研究了半干旱地区植被 和下垫面发生改变后大气产生的局地和非局地的响 应。董 喜 春 等［17］ 利 用 高 分 辨 率 区 域 气 候 模 式 RegCM3，对长江中下游地区城市化过程中土地利用 变化引起的地气能量交换和水份收支进行了模拟研 究。
Nanjing 210093，China）
Abstract The meteorological variables in January，April，July and October （ representing winter， spring，summer，autumn） 2006 in China were simulated by using the WRF v3. 2． The model results were validated and analyzed by the observational data at Tongyu，Yuzhong and Shanghai sites． It shows that WRF is able to reasonably reproduce the variation of the meteorological variables，but the model performance is different from season to season． At Tongyu and Yuzhong sites，WRF performed best in autumn， worst in summer． At Shanghai site，WRF performed relatively worse in summer and autumn，and better in winter and spring． At Shanghai site，WRF underpredicted temperature in all seasons，whereas at Tongyu site，model results show underprediction in summer and overprediction in winter． In general，the
Key words Semi-arid； Numerical simulation； Evaluation and analysis
引言
城市是现代社会政治、经济、文化中心。随着经 济的发展，人口数量的上升，城市的范围不断扩大， 城市数量不断增多，在区域气候背景下，在城市的特 殊下垫面和城市人类活动的共同影响下而形成了城 市气候［1］。长 江 三 角 洲 地 区，以 上 海 为 代 表，是 中 国城市化发展速度最快的地区之一，城市效应十分 明显［2］。
第 31 卷 第 4 期 2011 年 8 月
气象科学 Journal of the Meteorological Sciences
Vol． 31，No． 4 Aug． ，2011
董俊玲，韩志伟，张仁健，等． WRF 模式对中国城市和半干旱地区气象要素的模拟检验和对比分析． 气象科学，2011，31（ 4） ： 484-492． DONG Junling，HAN Zhiwei，ZHANG Renjian，et al． Evaluation and analysis of WRF-simulated meteorological variables in the urban and semi-arid areas of China． Journal of the Meteorological Sciences，2011，31（ 4） ： 484-492．
WRF 模式对中国城市和半干旱地区 健1 符淙斌1，3
（ 1 中国科学院 大气物理研究所 东亚区域气候-环境重点实验室，北京 100029； 2 中国科学院研究生院，北京 100039；
3 南京大学 大气科学学院 全球变化研究中心，南京 210093）
2 Graduate University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100039，China； 3 Institute for Climate and Global Change Research，School of Atmospheric Sciences，Nanjing University，
收稿日期（ Received） ：2011-05-16； 修改稿日期（ Revised） ：2011-06-02 基金项目：国家重点基础研究发展计划（ 973 计划） 项目 （ 2010CB428503） 通讯作者（ Corresponding author） ：韩志伟（ HAN Zhiwei） ． hzw@ mail． iap． ac． cn
干旱、半干 旱 地 区 占 世 界 陆 地 面 积 的 40% 左 右［3］，干旱也是当前全球造成经济损失最严重的自 然灾害［4］。近 30 多年，在中国北方持续的干旱化已 严重威胁这些地区的生存环境，导致当地水资源严 重匮乏、生 态 环 境 退 化 和 荒 漠 化 等 一 系 列 环 境 问 题［5］。因此，深 入 研 究 中 国 北 方 干 旱、半 干 旱 地 区 的干旱化趋势及其形成机理有重要的意义。国内外 的科研人员在中国地区进行了大量的观测试验和数 值模拟研究，得到许多有意义的研究成果［6-10］。
地表通量是陆面与大气和海表与大气之间的动 量、感热和潜热交换的重要参量。地表通量的模拟 是否合理会直接影响到整个模式的模拟效果，因此， 地表通量 在 气 候 模 式 预 报 中 占 有 重 要 的 地 位［18］。 本文利用中尺度数值模式 WRF 对中国地区气象要 素进行模拟，并利用上海、通榆站和榆中站的观测资 料进行检验和对比分析，特别是利用通榆站和榆中 站的通量观测资料对模式模拟进行了检验，对于认 识中国地表通量变化规律和 WRF 评估将提供有用 的信息。