WRF模式對西南地區干旱事件的模擬研究

王紅麗，廖留峰

(1.貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

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WRF模式對西南地區干旱事件的模擬研究

王紅麗1，廖留峰2

(1.貴州省氣象服務中心，貴州 貴陽 550002；2.貴州省山地環境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

2009—2010年在中國西南地區發生了嚴重的秋冬春三季持續性干旱，為了評估WRF模式兩種陸面方案在中國西南地區干旱事件中的模擬性能，該文采用Noah陸面方案和Pleim_Xiu陸面方案兩種WRF模擬方案對西南干旱事件進行模擬研究。兩種陸面方案都合理的模擬出了西南地區極端干旱事件中的降水空間分布與時間序列，但與觀測資料相比仍然存在一定的誤差。兩種陸面方案的相互比較表明，在極端干旱事件模擬中，Noah陸面方案在降水模擬中有著一定的改進作用。在對西南干旱時期的蒸發模擬當中，Noah和Px方案相比有著更低的誤差，采用Noah陸面方案能更好的模擬蒸發狀況。

WRF模式；陸面方案；西南干旱

1 引言

陸地表面結構特征多變，植被性質復雜，下墊面分布極不均勻，是地球系統中一個重要的部分。陸面與大氣及其他圈層之間存在著各種復雜的相互作用，動量、水汽、能量等物理量的交換，以及輻射傳輸對于大氣環流及氣候變化產生顯著的影響[1-3]，許多研究工作表明陸面的地表特征、物理和生化過程對于天氣及氣候變化的影響是顯著的[4-6]。中國有著如此廣闊的幅員，因此陸面狀況必將體現出紛呈復雜的特征。

大量研究認為陸面過程對于氣候變化具有重要意義，丁一匯等[7]通過陸面過程和區域氣候模式RegCM的耦合試驗，對中國中部和東部夏季降水區域氣候進行了模擬分析，發現耦合了陸面過程的區域氣候模式能較好的描述中國夏季強降水區與氣候特征。胡婭敏等[8]等在用區域氣候模式對中國東部夏季區域氣候進行模擬時，發現通過修改陸面過程土壤濕度處理，加入土壤濕度同化資料，能提高地表氣溫和降水的模擬效果。

關于陸面過程在WRF模式模擬暴雨中的作用有很多研究[9-10]。然而目前對于WRF模式在干旱事件的模擬中表現如何還不甚清楚，對于何種陸面方案在干旱事件模擬中表現更好也缺乏深入的了解。近年來西南坪區頻發干旱災害[11,12]，有必要采取區域模式耦合陸面方案來對此加強研究。眾所周知，在2009年秋季至2010年春季，中國西南地區遭受了嚴重的秋冬春三季持續性干旱，造成了嚴重的經濟損失，我們選取這個事件來驗證WRF模式不同陸面方案模擬西南地區極端干旱事件的性能。

2 模式及方案設計

2.1 WRF模式及物理過程介紹

WRF模式(Weather Research and Forecasting model)是美國國家大氣研究中心(NCAR)、美國國家海洋大氣局(NOAA)的環境預報中心(NCEP)和預測系統實驗室(FSL)等多個研究機構聯合開發的新一代中尺度天氣和氣候模式。

WRF 模式內部物理參數化方案比較豐富，考慮的物理過程也比較全面。主要的物理過程及參數化方案包含陸面過程方案、輻射方案、微物理過程方案，積云對流參數化方案、邊界層方案。

輻射方案中包含了短波輻射和長波輻射兩種方案。短波方案主要有RRTMG方案、Dudhia方案、Goddard方案、CAM方案、New Goddard方案等，長波輻射包括RRTM方案、RRTMG方案、CAM方案、New Goddard方案、FLG(UCLA)方案、Held-Suarez方案、GFDL等方案。

微物理過程包括水蒸汽、云及降水等過程，在WRFV3.4以后的版本中，包含了十余種微物理過程，包括Purdue Lin、WSM3、WSM5、WSM6、Eta(Grid-scale Cloud and Precipitation)GCP、Thompson、Goddard和Morrison 2-Moment等。

WRF模式中的積云對流參數化方案也很豐富，主要有Kain-Fritsch方案、Betts-Miller-Janjic方案、Grell-Devenyi方案、Grell-3方案、Zhang-McFarlane方案、New SAS方案和New SAS(HWRF)方案等。

土地表面和大氣之間的動量、熱量和水汽的交換主要發生在邊界層，所以邊界層方案也是非常重要的，邊界層的描述是否合理直接影響模式對于對流層低層的氣象要素的模擬，WRF模式中有MRF方案、YSU方案、MYJ方案、GFS方案、QNSE方案、MYNN2等邊界層方案。

2.2 陸面方案介紹

在模式模擬中，缺乏陸面過程的參與會顯著的影響模擬結果的準確性，經過氣象工作者多年的研究，陸續發展了許多描述陸面與大氣之間動量、水汽、熱量等交換過程的陸面過程方案。陸面過程經過長期的發展，通過不斷的修改和完善，LSM在陸—氣物理、生化相互作用反饋機制方面更具有有效性和合理性，能夠模擬多種陸面過程，如冰面，雪蓋，植被冠層，土壤以及地表水文過程。

基于俄勒岡州立大學的OSU陸面模式，Noah陸面方案由此發展而來。Noah方案在初始化處理中使用了一部分季或年平均的植被和土壤資料，考慮了植被影響、冠層水分和積雪等下墊面情況，并描述了與之相關的能量及水分收支過程，對于土壤溫度和土壤濕度分為4層進行預報，分別為0～10 cm，10～30 cm，30～60 cm以及60～100 cm。Noah方案還能輸出地面徑流和地下徑流等水文過程。

WRF模式中的Pleim_Xiu陸面方案包括兩層土壤，1 cm厚的地表上層和1 cm～1 m的次層土壤，采用強迫—恢復法計算土壤溫度和濕度，該方案參數化的一個特征是，水汽通量過程的描述有3個來源：蒸散、土壤蒸發及植被冠層蒸發，考慮了植被的作用，方案中植被和土壤參數，是基于土地利用、土地覆蓋變化及土壤質地類型獲取的。

2.3 模擬方案設計

本文中采用WRF Version 3.5，模擬區域采用蘭伯特坐標投影，水平格距分辨率為35 km，中心點為104°E，27°N，區域格點數為68×58。由NCEP Final Operational Global Analysis 全球再分析資料(FNL)提供了模式的初始驅動場，空間分辨率為1.0°×1.0°，時間分辨率為6 h(UTC00時、06時、12時和18時)，模擬時間是2009年5月1日—2010年4月30日。

為了評估WRF模式陸面方案在中國西南地區干旱事件中的模擬性能，我們設計了兩種WRF模擬方案，分別為Noah陸面方案、Pleim-Xiu陸面方案(以下稱Px)，其余的參數化方案均保持一致。輻射方案中采取的長波輻射為CAM方案，短波輻射為Dudhia方案；微物理過程中采取WSM6方案；積云對流參數采取Kain-Fritsch方案；行星邊界層方案采取YSU方案。

WRF模式模擬的降水和蒸發將同觀測資料進行對比以評估兩種陸面方案在極端干旱事件模擬當中的能力。觀測降水為1901—2013年Climatic Research Unit(CRU)3.22版本0.5°×0.5°降水資料和中國氣象局0.5°×0.5°降水資料。地面蒸發資料分辨率為0.25°×0.25°，來自全球陸地數據同化系統GLDAS(Global Land Data Assimilation System)。本文分析內容集中于2009年9月1日—2010年3月30日這一嚴重干旱時段。

3 結果分析

3.1 降水

圖1 2009年9月—2010年3月西南地區(23°～32°N，100°～108°E)區域平均降水相較CRU 1901—2013年平均降水的偏差

為了定量的說明2009—2010年之間中國西南地區發生的干旱情況，本文采用了CRU 3.22版本降水資料，分析2009年9月—2010年3月降水量相較于1901—2013年平均對應月降水的異常狀況。從圖1可以看出，在整個干旱時段，月降水量相較歷史同期水平都是偏少的，其中9月和10月均偏少40 mm以上，其余月份降水量的偏差相對較小，但考慮到冬季(12月，1月，2月)降水本就較少，這樣的偏差仍是可觀的。前期的秋季(9月，10月，11月)降水已持續偏少，進入春季(3月)以后降水仍較歷史同期水平偏少，產生較強的累積降水偏少現象，于是造成這一持續三季的極端干旱事件。

圖2 西南地區2009年9月—2010年3月平均觀測降水：(a)觀測，(b)CRU，(c)Noah，(d)Px(單位：mm)

圖2顯示的是中國西南地區2009年9月1日—2010年3月30日的平均觀測和模擬降水。通過兩種觀測資料，可以清楚的看出除成都平原和重慶東部區域以外，整個西南地區在2009年9月—2010年3月這7個月之間累積降水不足300 mm，干旱最嚴重的區域中，云南東部，貴州大部，四川南部和廣西西北部累積降水甚至不足200 mm，CRU降水資料和觀測降水資料的整體空間分布格局大致相同，即西南地區的西—南部區域降水較少，東—北部區域降水較多。通過兩種WRF模擬結果與觀測降水進行對比分析可知，兩種陸面方案的模擬在云南、貴州以及廣西和四川的西北部的效果較好，然而Noah陸面方案和Px陸面方案都高估了四川南部的降水，另外還過高的預報了四川盆地的干旱狀況。當然值得指出的是降水的大值誤差帶多出現于地形陡峭的區域，比如川西高原和橫斷山脈，這些區域陡峭的地形可能是導致降水誤差的原因之一。Noah和Px兩種陸面方案都在西南地區東北部存在較大誤差，但相比Px陸面方案在四川西北部也存在較大偏差的情況下，Noah陸面方案在這一地區的降水模擬結果有所改進。

為了進一步評估WRF模式耦合的Noah陸面方案和Px陸面方案的降水模擬性能，本文對兩種陸面方案的時間序列的模擬結果與觀測資料進行了對比分析(圖3)。從圖3可以看出，在干旱時期，觀測與CRU兩種降水資料的區域平均結果除10月份有一定差別外，其余月份十分接近。兩種陸面方案總體來說都合理的模擬出了降水的時間序列，但都存在一定的誤差，Px陸面方案表現為每個月的模擬結果都較觀測降水偏多，而相較Px陸面方案，Noah陸面方案除了9月的降水較觀測偏多外，其余各月模擬降水都與觀測降水較為接近，特別是10月，11月，12月，1月這4個月的模擬降水與觀測降水基本上一致。

圖3 2009年10月至2010年4月西南地區(23～32°N，100～108°E)區域平均觀測和模擬降水

3.2 地面蒸發

除了降水，蒸發在干旱的形成中起著關鍵的作用，也是干旱狀況的一個重要表征量，因此我們也評估了兩種陸面方案模擬的蒸發。由GLDAS蒸發資料可以得知，整體空間分布格局為西南地區的西南部區域蒸發較大，東—北部區域蒸發較少。通過兩種WRF模擬結果與GLDAS蒸發資料進行對比分析可知，Px陸面方案表現為在云南和貴州以及廣西西北部模擬偏少，而在四川的模擬偏多，而相較Px陸面方案，Noah陸面方案則較為合理的給出了蒸發的空間分布形態，但也存在一定的偏差。

相對于GLDAS蒸發資料，Noah，Px兩種陸面方案在西南地區干旱時期(2009年9月—2010年3月)平均蒸發的均方根誤差(RMSEs)分別為0.45，0.67(圖4)。Noah陸面方案在蒸發的模擬效果上比Px陸面方案表現較好。

圖4 西南地區2009年10月—2010年4月平均地面蒸發(a)GLDAS，(b)Noah，(c)Px(單位：mm/day)

4 結論與討論

文中我們評估了WRF模式耦合的Noah和Px兩種陸面方案在中國西南地區2009年秋季至2010年春季持續性干旱事件中的模擬性能。主要的結論如下：

兩種陸面方案都較為合理的模擬出了西南地區降水的空間和時間形態，但與觀測資料相比仍然存在一定的誤差。比較兩種陸面方案對于降水模擬，發現對于降水的空間分布和時間序列模擬上，比之Px陸面方案，Noah陸面方案表現較好。這表明在西南地區干旱事件模擬中，考慮采用Noah陸面方案較之Px陸面方案在降水模擬中有著一定的改進作用。兩種陸面方案的對地面蒸發的模擬對比分析表明，由于與Px方案相比，Noah陸面方案有著更低的均方根誤差(RMSEs)，在對西南極端干旱時期的蒸發模擬當中，采用Noah陸面方案更為合理。

由于我國陸面特征的顯著差異，在具體應用陸面過程方案中，恰當的處理方式應是分別考慮不同的地理地形和下墊面特征。但目前來說，現在應用的陸面過程模式，考慮的陸面特征比較單一，這樣的陸面過程配置在模擬應對西南地區這樣具有復雜下墊面環境的區域，難免會存在不恰當和不細致之處。未來的工作中應注意根據不同的區域采用適宜的陸面方案，并嘗試發展能更加全面細致描述下墊面特征的陸面方案。

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WRF model’s simulation study on the drought in Southwest China

WANG Hongli1，LIAO Liufeng2

(1.Meteorological service center of Guizhou province，Guiyang 550002；
2.Guizhou Instftute of Mountainous Climate and Envioronment，Guiyang 550002)

During the 2009—2010，the Southwest China suffered a persistent drought event.To evaluate the performance of two land surface schemes in the severe drought，two experiments were examined to investigate the drought event using the Noah land surface scheme and Pleim_Xiu land surface scheme.The WRF simulations with two land surface schemes can reasonably simulate the spatial pattern and temporal variation of precipitation in Southwest China，although the simulations still show several errors relative to observations.The comparison of the WRF simulations with two different land surface schemes indicated that the Noah land surface scheme showed a slightly better performance in the precipitation during the severe drought simulations.Noah land surface scheme can better reproduce the evaporation than Pleim_Xiu land surface scheme due to the lower errors.

WRF model；Land surface scheme；Southwest drought

2015-06-28

王紅麗(1963—)，女，工程師，主要從事氣象服務與應用氣象工作。

1003-6598(2015)06-0001-05

P435

A

資助信息：國家科技計劃課題(西南突發性災害應急與防控技術集成與示范)2012BAD20B06。