ARPS和WRF模式對黃土高原半干旱區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重點實驗室,蘭州 730020；2.中國科學院大氣物理研究所云降水物理與強風暴重點實驗室，北京100029；3.中國科學院大學，北京100049；4.鄭州大學地球科學與技術學院，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，主要通過湍流運動來影響自由大氣的運動狀態，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之一，廣泛應用于物理量廓線、邊界層結構，以及數值模式的邊界層參數化研究中[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地貌組成。由于其特殊的地理、氣候環境，以及復雜的下墊面情況，形成了獨特的陸面過程特征和大氣邊界層結構。氣候系統對陸面過程及邊界層過程的響應比較敏感[4-5]，是氣候變化的典型敏感區，同時也是生態農業脆弱區。分析和模擬該地區邊界層過程對認識特殊氣候環境的維持機理、提高該地區天氣和氣候預測能力有一定幫助[6]。有學者通過分析典型觀測資料，研究了西北干旱半干旱區黃土高原陸面過程、輻射平衡、邊界層厚度變化等特征[7-14]。隨著數值模式的發展，數值模擬已逐漸成為大氣邊界層研究的一種重要手段。國外很多學者利用WRF模式模擬出了所研究區域的邊界層結構特征[15-18]。Mayer 等[19]利用SUMO觀測資料驗證了WRF模式4種邊界層參數化方案的模擬能力，發現非局地方案更能表征邊界層的時間演變，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化方案對風場的模擬效果，發現非局地邊界層方案可以更好地解析復雜地形邊界層內風的特征。Banks 等[21]對比分析了WRF模式8種邊界層參數化方案對不同天氣類型城市下墊面邊界層高度模擬效果，發現非局地邊界層方案的模擬更準確。Sarkar等[22]利用ARPS區域氣候模式耦合一個簡單的地表參數化方案，改進了模式對城市邊界層的模擬能力。國內也有很多評估WRF模式對邊界層氣象場特征模擬能力的研究[23-25]，還有一些利用數值模擬探索特定邊界層的發展機制及影響因子的研究[26-30]。針對西北干旱半干旱區大氣邊界層的模擬研究也有很多，涉及風溫場、能量平衡、陸面過程及邊界層高度等多方面[5,8,31-33]。

本文在前人研究結果的基礎上，分別利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)和WRF(Weather Research and Forecasting Model)兩種數值模式，對2009年7月黃土高原夏季大氣邊界層高度進行模擬，采用蘭州大學半干旱氣候與環境觀測站(SACOL)的觀測資料和榆中國家基準氣候站的探空資料作為驗證資料，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，為進一步利用數值模式研究黃土高原大氣邊界層結構提供參考依據。

1 資料和方法

1.1 觀測站及資料情況

選取蘭州大學半干旱氣候與環境觀測站(SACOL)渦動相關儀實際觀測資料和榆中國家基準氣候站(區站號：52983)的探空資料作為模式模擬驗證資料。SACOL站位于蘭州大學榆中校區的萃英山頂(35.95°N、104.14°E，海拔1961 m)，是按照國際標準建設的氣候觀測平臺，站內觀測環境和周圍自然環境狀態均保持良好，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，蒸發量1528.5 mm，全年日照時數2607.2 h，年平均風速約為1.6 m/s(試驗場地山頂全年盛行西北風和東南風)。SACOL站渦動相關儀實際觀測資料的時間步長為1 h。榆中國家基準氣候站位于35.87°N、104.15°E，海拔高度1875 m，探空資料為該站2009年7月2日觀測數據，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資料。模擬試驗中采用初始場和側邊界條件，3層嵌套，水平分辨率分別為36 km、12 km和4 km，模擬區域為33°-45°N、88°-108°E，模式內層區域中心位置為(36.7°N、103.5°E)。模式積分初始時刻為2009 年6 月30日00：00，共模擬一個月，每小時輸出一次結果，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邊界層參數化方案。

2 模擬結果分析

從整個模擬時段中選取2009年7月2日00時至7月3日00時作為代表，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處，比較檢驗模式的模擬能力。從2009年7月2日08時500 hPa和700 hPa環流形勢(圖略)與實際觀測情況可知，模擬區域處于高壓脊控制，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)發現，兩種模式的模擬結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模式的模擬結果與實測的更接近，上午時段ARPS模式對感熱通量的模擬與實測值擬合更良好，午后觀測值呈現階梯狀降低趨勢，模式模擬值變化較平滑，這是由于站點上空午后多有淡積云飄過，而模式模擬結果不存在云的影響。實測感熱通量最大值出現在12時，模式模擬最大值大約出現在12-13時，WRF模式模擬的最大值與實測值幾乎相等。此外，WRF模式對于感熱通量正負值轉換時間的模擬比ARPS模式的更好，這主要是2種模式本身動力框架設置不同，以及不同參數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，逐點誤差小于一個標準方差。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，將模擬結果差值到SACOL站的位置。插值會產生一定的誤差，這可能是造成模擬值較觀測值偏大的一個原因。

2.2 邊界層特征分析

WRF模式的模擬結果在垂直方向上以層為單位，每個地區隨地形變化縱坐標也會略微發生變化。SACOL站WRF模式縱坐標層數與相對高度的對應關系見表1。

表1 SACOL站WRF模式縱坐標層數與相對高度的對應關系

2.2.1 位溫垂直分布

熱力特性是判斷和區分大氣邊界層性質的重要指標之一，位溫是大氣最具表現力的熱力屬性之一[7]。本文模擬分析了大氣位溫的垂直分布，進而根據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合逆溫強度來確定邊界層高度的一種方法[34-37]。白天有對流發展時，邊界層高度為對流混合層頂(即上部穩定層的底部)，夜間可將近地面逆溫高度視為邊界層高度。

由位溫廓線模擬結果(圖2)和探測結果(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時對流邊界層高度為1700 m。WRF模擬的19時邊界層高度為1747 m(圖4)，與觀測結果基本一致，WRF模式可以較準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日逐小時位溫廓線變化模擬結果

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時和20-24時，由于地面輻射冷卻通過湍流交換向上傳播而形成穩定邊界層，邊界層高度相對較低，逆溫層高度在06-07時最低(約為400 m)，這與07時探空觀測位溫廓線所表征的基本一致。在夜間穩定邊界層高度變化過程中，00-08時和22-24時兩個時段邊界層變化相對穩定，20-22時邊界層變化速度相對較快，這是因為在夜間穩定邊界層發展的早期階段，由于地面附近溫度快速降低，大氣層結由不穩定向穩定的變化在開始階段較快，之后變慢并逐漸趨于穩定，夜間穩定邊界層高度均在600 m以下。08時以后，太陽輻射增強，湍流活動加強，邊界層發展，高度逐漸上升，08-11時為對流邊界層的快速抬升階段，對流邊界層發展強烈；12-15時為對流邊界層的穩定抬升階段，15-19時，雖然地面感熱通量對大氣的加熱不是最強，但是由于之前地面強烈加熱導致的對流邊界層頂抬升還有一定的時間延續性，對流邊界層高度在此時達到最大，約為2000-2100 m; 之后逐漸下降，直到22時以后變為穩定邊界層。感熱通量和邊界層高度的日變化有一定的相關關系，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 風速垂直分布

由模擬的風廓線(圖5、6)和探測的風廓線(圖7)可以看出，兩種模式都能模擬出風速的垂直變化基本趨勢。ARPS模擬的風廓線非常平滑，幾乎沒有模擬出風向切邊；模擬的07時和19時的風速也小于實際觀測值。由風速極值法[38]推斷，ARPS模擬的對流邊界層頂的高度約為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日逐小時風廓線

圖6 WRF模擬的SACOL站2009年7月2日逐小時風廓線

圖7 2009年7月2日榆中站探空觀測風廓線

WRF模擬的風廓線更接近實際觀測，在對流邊界層內盛行東南風，在對流邊界層以上約4500-4800 m高度處出現切變，變為西北風。近地層內南北分量風風速隨高度迅速增大，地面以上500 m至2200 m處南北分量風速大致呈均一狀態，2200 m以上風速隨高度逐漸遞減，至4500 m左右出現南北分量風切變，風向由北風轉為南風。根據風速極值法推斷，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邊界層參數化方案的WRF模式的模擬情況與實際觀測較為接近，這也與在干旱半干旱地區的WRF模擬敏感性試驗得出的結果相一致[23,35]。

(2)從觀測和模擬的結果可以看出，在黃土高原半干旱地區夏季晴天，感熱通量和邊界層高度的日變化有一定的相關關系，感熱通量與白天對流邊界層高度之間的相關關系較與夜間穩定邊界層高度的相關關系更顯著，白天對流邊界層高度的發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、位溫和風速垂直變化，得到黃土高原半干旱區夏季晴天時，白天對流邊界層高度可達2100 m，夜間穩定邊界層高度約為400-500 m。白天對流邊界層的發展經歷初始抬升-快速抬升-穩定抬升3個階段，衰減經歷開始逐漸衰減-快速衰減-穩定邊界層3個階段。

本文只選擇了SACOL站一個夏季晴天的個例來作模擬分析。由于黃土高原半干旱地區地形復雜，其陸面熱過程和邊界層過程相互影響，情況復雜，因此還需要更多的野外觀測、衛星遙感反演和模擬實驗，以獲得對大氣邊界層特征及其形成和發展機理更加全面而深入的認識。