WRF模式中陸面方案及土壤濕度對高溫天氣的影響綜述

摘 要：該文全面綜述了有關WRF模式中陸面方案和土壤濕度對高溫天氣模擬影響的研究成果，并通過歸納總結，從熱通量、大氣環流、物理過程3個方面進行了機理上的闡述。結果表明不同的陸面方案和土壤濕度主要通過改變感熱通量輸送和大氣環流來引起氣溫的變化，且通過改變大氣內部的各物理過程直接影響高溫的模擬。深刻了解影響WRF高溫模擬的因子和機理，對進一步提高高溫天氣的預測能力、趨利避害有重要的指導意義。

關鍵詞：WRF模式 高溫 陸面方案 土壤濕度

中圖分類號：P461.4 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）10（b）-0190-03

在全球變暖的氣候背景下，近幾十年來極端高溫事件在世界范圍內頻頻發生，對人體健康、農業生產、交通運輸等諸多方面都造成了非常嚴重的影響[1]。在全球的區域模式模擬中，對高溫的關注度一直很高，高溫也常常成為集合預報中研究的重點[2]。隨著中尺度預報模式WRF的快速發展，其在高溫熱浪的模擬預報中得到了國內外學者的廣泛應用，以期更深入地理解影響高溫天氣發生發展的物理機制。其中，由于陸面過程控制著陸面與大氣之間各種能量與物質的交換[3]，陸地表面狀況對大氣環流、降水和溫度等有著強烈的影響。而土壤濕度作為陸面過程中的一個重要物理量，其異常變化能夠通過改變邊界層的湍流輸送來影響大氣的溫、濕狀況，從而導致大氣環流的異常，進而深刻地影響著局地、區域乃至全球的天氣氣候特征。

綜觀以往的研究，很少見到系統性地綜述高溫天氣受到WRF模式中陸面方案和相關陸面參數（如土壤濕度）影響的報道。由于陸面觀測資料的缺乏以及陸面過程中大氣、植被、土壤等之間復雜的作用關系，相關的理論研究還亟待延伸和補充，該文就前人有關此類的研究進行總結和論述，以期進一步推動WRF模式在高溫天氣研究中的應用、提升高溫預報效果、增強防災減災的能力。

1 陸面方案的影響

WRF中不同的陸面方案對應不同的陸面過程，其中包括控制陸氣間水分、熱量和動量交換的地表熱力過程、水文過程等以及這些過程之間的相互作用[4]。發生在地表附近的這些交換過程，進而與邊界層過程耦合，實現自由大氣和底層大氣間的能量和物質交換。

在過去的一些研究中，許多氣象學者關注于區域氣候中陸面過程的作用和影響，具體分析了高溫等天氣過程對陸面過程各物理參數化方案和陸面初邊界條件的敏感性，深入研究討論了陸氣間的反饋機理并得到了許多重要的結論[5]。Betts等[6]考察了陸面方案對數值天氣預報的影響，認為中短期天氣對陸面方案十分敏感。曾新民等[7]利用三種不同的陸面方案（NOAH、RUC、SLAB）模擬了2003年7月華南地區的高溫天氣，結果表明，模擬高溫對不同陸面方案十分敏感，在模擬強度及誤差上存在較大差異，綜合而言SLAB方案模擬效果最好。由不同陸面方案導致的大氣環流變化與地表溫度變化間的“正”反饋機制不重要，在主要高溫區甚至存在“負”反饋機制。針對影響氣溫的不同氣象變量和物理過程，王秋云等[8]認為不同陸面方案模擬的結果差異較大，比如：NOAH方案模擬的地面風速效果最好、SLAB對相對濕度的模擬最佳等。這都與不同陸面方案對下墊面植被、土壤等的表示不同有關，并最終導致模擬氣溫出現差異。王洋等[9]采用WRFV3.1進一步比較了PX方案對高溫的模擬效果，發現PX方案的TS評分（模擬誤差）隨著模擬時間增加越來越高（小），這與陸面方案的參數化合理性和spin-up時間有關。

2 土壤濕度的影響

土壤濕度擾動能夠顯著地影響高溫和降水的模擬，陸面特征的改進能夠提高局地的天氣預測準確性。陸面過程受到氣象邊界條件的強烈驅動，土壤濕度在不同時間尺度的天氣模擬中都十分重要。尤其在高溫天氣中，土壤濕度所控制的地表蒸發、熱通量傳輸等對不同干濕條件下的溫度模擬有很大的影響[10]。

在天氣和氣候模擬中，土壤濕度的初值對模擬結果影響很大[11]。在短期氣候模擬中，Ferranti等[12]的模擬研究表明，大氣對根區（土深1 m）土壤水含量初始擾動的非線性響應可持續2個月，并且土壤越干，響應越強；而整層（土深2.89 m）擾動可增大大氣異常的幅度，并持續達3個月。張井勇和吳凌云[13]利用2個長期含有和沒有土壤濕度-大氣相互作用的WRF模式模擬評估了陸氣耦合對中國高溫熱浪的影響，結果表明陸氣耦合增加了中國的高溫熱浪，貢獻度最大能達到30%～70%。Zeng等[14]采用WRF對2003年7月下旬的高溫天氣進行了模擬，發現模擬高溫對土壤濕度有很強的敏感性。在濕的土壤濕度條件下，模擬的高溫強度和范圍更小，這是因為土壤濕度的增加會增大陸面的水汽蒸發從而加強對陸面的冷卻效應從而降低地表溫度；在干的土壤濕度條件下則情況相反。

3 影響機理

3.1 熱通量

不同的陸氣相互作用（不同的土壤濕度與大氣之間）和陸面方案主要是通過地表通量來改變氣溫模擬的，具體來說，主要通過模擬地表感熱通量的變化影響地面氣溫變化[7]，這與Ferranti等[12]得到的土壤濕度改變導致的地表感熱輸送變化是增大氣溫異常的主要因子的結論一致。

有研究表明[14]，感熱通量輸送的增加（減小）會導致氣溫升高（降低），即感熱通量的輸送會直接影響到近地面的溫度，又因為感熱、潛熱通量是凈輻射能在陸面主要的兩種分配形式，在凈輻射能穩定少變的情形下，感熱通量的增加或減少勢必會引起潛熱通量向相反的方向變化。所以表征陸面與大氣間水分熱交換的潛熱輸送增強（減弱）則會導致溫度的降低（升高）。

3.2 大氣環流

有研究表明[15]，西太平洋副熱帶高壓異常偏西和增強是造成中國夏季高溫熱浪的主要原因。如，2003年江南地區許多地方都出現了超過歷史最高紀錄的高溫值（均超過了40 ℃），對人類的生產、生活造成了嚴重影響。由3.1節可知熱通量能夠直接作用于地表氣溫，但實際上，熱通量還能通過對大氣環流的影響來改變氣溫。

Zeng等[16]在針對中國東部地區高溫天氣對陸面方案的敏感性研究中指出，不同的陸面方案和土壤濕度能在各氣壓層上可模擬出不同的位勢高度值，因此，產生的環流差異最終可導致氣溫的變化。在NOAH、PX和RUC三個含有初始土壤水含量（及定量改變土壤濕度后）的陸面方案中存在感熱通量、850 hPa位勢高度、地表溫度三者間的負反饋機制。Pal等[17]的研究同樣表明，由于土壤濕度或陸面方案改變而增加的感熱通量往往會造成氣溫的升高，并伴隨著一個在低層大氣有弱上升氣流而在對流層上層有加強的反氣旋環流的熱低壓系統。但相比陸面感熱潛熱的影響，陸面方案和土壤濕度造成的大氣環流變化對模擬高溫的影響是次要的[9]。

3.3 物理過程

陸面方案和土壤濕度改變對氣溫的影響主要是通過熱通量和大氣環流的變化來實現的，但這些變化最終導致的大氣內部對溫度有直接影響的物理過程（對流、平流、絕熱、非絕熱過程等）的變化才是最根本的原因[16]。

尹東屏等[15]探討了高溫發生的主要原因，指出在副熱帶高壓控制的天氣背景下，非絕熱過程是高溫出現的關鍵，而溫度平流起到的作用很小。這與Zeng等[14]利用溫度變化方程所求得的各項物理過程間的大小關系一致，認為白天以輻射加熱為主的非絕熱增溫過程最為重要，副熱帶高壓中下沉氣流控制下的絕熱增溫（即對流過程）次之。非絕熱對高溫的作用強度在干（濕）的土壤濕度條件下更大（小），且非絕熱項在各物理項中對土壤濕度的敏感程度最強。對于陸面方案而言[16]，RUC、SLAB、NOAH和PX方案都模擬出量值很大的非絕熱項和較小的絕熱項。在絕熱過程中，PX方案造成的下沉增溫效應較其它方案均更弱且有更大的干絕熱垂直遞減率。此外，不同陸面方案模擬的各項量值差異也十分明顯，所有方案都模擬出較觀測值更大的地面氣溫值，PX方案的模擬效果最差。

4 結語

（1）WRF中不同的陸面方案和土壤濕度對高溫天氣模擬有顯著的影響。由于對下墊面各特征的表示不一，陸氣間相互作用存在差異，陸面方案的模擬效果也不盡相同。土壤濕度通過改變蒸發和地表通量等來影響氣溫的變化，在干的土壤濕度條件下可模擬出更高強度、更大范圍的高溫，在濕的土壤濕度條件下則相反。

（2）從作用機理上看，不同的陸面方案和土壤濕度主要通過熱通量和大氣環流來影響高溫模擬，但直接原因則是大氣內部影響溫度的物理過程的變化。感熱通量對陸面有直接的加熱作用，與地表溫度和位勢高度（大氣環流）間存在一定的反饋機制。在各物理過程中，非絕熱作用的影響最大，平流作用則相對不重要。

參考文獻

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