不同邊界層方案在短期天氣模擬中的精度評估

張 玉，王小倫，劉 雁

大氣對流層中最下層的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，主要通過地表強迫和湍流運動等的相互作用，引發地面氣象要素與高空動量之間的混合交換，進而影響近地層氣象要素場及大氣污染物的擴散等，它對大氣和地面之間的水汽、動量和熱量的交換起著十分重要的作用［1-2］.過去幾年中，國內外關于行星邊界層方案的研究已經基本成熟，有許多學者在區域氣候模式模擬中發現，不同的邊界層方案對區域氣候模式模擬結果也不同［3-6］，而產生這些差異的原因和下墊面性質、邊界層頂卷挾混合強度、邊界層閉合方案及湍流混合等有關.

國外對邊界層方案的研究多以氣候要素模擬結果的差異性為主.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場，對比分析之后認為YSU方案的模擬能力要優于MYJ方案；DRAXL等［8］研究發現，在不穩定天氣條件下，YSU方案效果要優于MYJ方案；HU等［9］認為YSU和ACM2方案在模擬天氣要素時偏差大于MYJ方案.

國內關于邊界層方案的研究主要針對一次天氣狀況方面.張碧輝等［10］研究發現WRF能模擬出溫度和風速的日變化特征，但模擬風速偏大；于淼等［11］發現，邊界層方案和微物理方案對近地面風場模擬結果有一定影響，WSM3微物理方案結合YSU邊界層方案的參數化組合對研究區的模擬效果較好；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的適用性，發現ACM2、BouLac、YSU和MYJ四種方案對2 m氣溫和地溫模擬結果偏低，其中BouLac方案對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一次暴雨過程，結果表明，MYJ方案對于大雨和小雨的模擬效果最好，YSU對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的適用性不同.通過對具有代表性的天氣個例進行模擬，以此來評價邊界層方案在吉林西部的模擬精度，對于未來邊界層方案優化和預防氣象災害等方面都具有一定意義.

1 研究區概況

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，處于農牧交錯帶上，屬于半干旱到半濕潤過渡的溫帶季風氣候，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地級市，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，人類對其開發程度也越來越高，導致草地退化，土地鹽堿化等問題越來越突出，逐漸成為吉林省生態環境脆弱區，土地利用方式的改變使旱澇等氣象災害加?。?4］.選擇適合吉林西部的邊界層方案，結合模式模擬可提前預知天氣變化狀況，減少自然災害造成的生命財產損失.

圖1 研究區域及氣象站點分布圖

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格點上的脈動通量用每個格點的物理量的平均量來代表；而非局地方案除了考慮每個格點上物理量的平均量，還要考慮周邊格點對該格點上脈動通量的影響.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階局地湍流動能方案，它可以預報湍流動能，并且包含局地垂直混合，既適用于穩定條件下的邊界層，也適用于不穩定條件下的邊界層［10］；YSU參數化方案是改進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的夾卷過程及非局地混合作用，并在交換系數計算中加入了高度改變對其的影響，YSU的邊界層高度和MYJ有所不同，它將臨界Richardson數的高度作為自己的邊界層高度［16］.

2.2 數據選取

本文使用由美國許多研究部門共同參與研發的新一代中尺度天氣預報模式WRF模式進行模擬，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間范圍廣，可以進行從中小尺度系統到大氣環流、從天氣個例到氣候的研究.模式初始條件場選用的是每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/）；模擬結果和吉林西部白城、通榆、前郭爾羅斯、乾安、長嶺、三岔河6個氣象站點的氣象觀測數據進行對比分析，主要模擬要素包括2 m氣溫和10 m風速.土地利用數據是WRF模式自帶的USGS下墊面資料，該數據集是由美國地質勘測部（United States Geological Survey）提供的全球陸面信息數據集，由NOAA氣象衛星AVHRR獲取，再經推導得出.

3 實驗設計與評價方法

3.1 WRF模式實驗設計

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

本文采用三層嵌套方案，嵌套區域面積由外向內逐漸遞減，區域網格中心為（45°N，124°E），網格數的設置由外向內分別為144×142、130×130和118×118，水平網格分辨率由外向內分別為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，以及俄羅斯中西伯利亞高原和東西伯利亞山地部分地區，第二層嵌套覆蓋范圍包括中國東北絕大部分地區，以及朝鮮北部區域，內層嵌套覆蓋范圍以吉林西部地區為主，內層嵌套用于結果評估.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驗（表1），并評價其模擬精度.

表1 模式主要參數設置

3.2 評價方法

將內層嵌套區域網格中的模擬結果與吉林西部6個氣象站點的常規氣象觀測資料進行對比分析，通過相關系數（R）、均方根誤差（RMSE）、平均偏差（MB）、平均誤差（ME）等多種評價指標對不同行星邊界層的模擬結果進行精度評估.參考公式為：

式中：F、O分別表示模擬值和觀測值；分別表示模擬平均值和觀測平均值；N為樣本數.其中相關系數表示觀測數據與模擬結果之間的相關關系，數值越接近1表示相關性越大，模擬結果越準確；均方根誤差、平均偏差和平均誤差表示觀測數據和模擬結果之間的誤差值，結果越接近零值表示模擬結果與觀測結果越接近，模擬精度越高.

4 結果分析

圖2、圖3分別為內層嵌套區域內6個氣象站點基本氣象要素中的2 m氣溫和10 m風速的區域平均值與模式模擬對應站點的區域平均值對比.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速的日變化特征，對氣溫的模擬精度較高，風速模擬效果相對較差，這與前人所得結論一致［10，12，17-18］.其中局地閉合方案MYJ模擬氣溫、風速的模擬值與觀測值的區域平均相關系數分別為0.91和0.49，非局地閉合方案YSU模擬氣溫、風速的模擬值與觀測值的區域平均相關系數分別是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間變化的趨勢.但是，在10 m風速模擬中，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—7月8日18時吉林西部地區2 m氣溫區域平均觀測值與WRF模式模擬值對比

圖3 2017年7月7日0時—7月8日18時吉林西部地區10 m風速區域平均觀測值與WRF模式模擬值對比

4.1 氣溫

圖2為2 m溫度觀測值與兩種邊界層方案模擬值的時間序列對比，從圖2可以看出，兩種方案對氣溫的模擬效果較好，能大致模擬出氣溫的日變化趨勢，觀測氣溫在6時左右達最大值，20時左右達最小值，兩種方案模擬氣溫的最大值和最小值分別出現在7時左右和21時左右，比實際觀測滯后約1小時，這可能 與 系統誤 差 有關［14］.在7月8日2時之前，兩種方案模擬值和觀測值相比，大致呈現冷偏差，2時之后，模擬結果均呈現暖偏差，其中局地閉合方案MYJ更接近觀測值；表2也反映了吉林西部6個氣象站點不同邊界層方案對2 m氣溫的模擬統計情況，其中局地閉合方案MYJ相關系數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值，平均偏差中除三岔河和長嶺兩個站點MYJ方案偏差更大，其余幾個站點MYJ方案均優于YSU方案.總體而言，在吉林西部地區2 m氣溫模擬中，MYJ方案模擬精度較YSU方案高，這可能因為模擬時間段為陰雨天氣，云層的存在會在一定程度上抑制不穩定邊界層出現的頻率，穩定邊界層出現的頻率約為70%左右［19］，這時物質和能量輸送以近地層局地為主［20］.

表2 2017年7月7日0時—7月8日18時MYJ、YSU方案模擬氣溫與觀測值的統計比較

4.2 風速

圖3為10 m風速觀測值與兩種行星邊界層方案模擬值的時間序列對比，從圖3可以看出，觀測風速白天較高，夜間偏低，有明顯的日變化特點，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風速的日變化特點，但是兩種方案模擬結果普遍高于實際觀測值，這是因為模擬沒有考慮地表建筑物的摩擦力，也與土地利用數據過于陳舊有關系，最終導致風速偏大.同時，不同行星邊界層方案模擬風速的結果還存在晝夜差異，兩種方案對夜間風速的模擬效果優于白天，因為白天和夜間陸面與邊界層物理過程存在明顯差異，導致WRF模式模擬的近地面氣象場也存在一定差異.表3為吉林西部6個氣象站點不同邊界層方案對10 m風速的模擬統計情況，相關系數方面，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，數值都更加接近零值，這說明YSU邊界層方案與實際觀測值偏差較小，更接近觀測值.這主要因為兩種邊界層方案中的閉合方法不同，導致湍流交換能力出現差異.表明非局地閉合的YSU方案更適合吉林西部地區.

表3 2017年7月7日0時—7月8日18時MYJ、YSU方案模擬風速與觀測值的統計比較

5 結論

在氣象模擬中，基本天氣要素對不同邊界層參數化方案較為敏感，低層氣象要素和地形、下墊面性質密切聯系，同時與高層大氣相互作用.本文通過模擬實驗對局地閉合方案MYJ和非局地閉合方案YSU在吉林西部地區短期天氣要素中的模擬性能進行了檢驗和分析，得出以下結論.

（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6個氣象站點的溫度場和風場的日變化規律特征.

（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，這與大氣穩定程度有關，穩定的大氣環境下，物質和能量交換以近地層局地閉合為主.

（3）關于10 m風速模擬方面，兩種邊界層參數化方案模擬結果普遍偏高，非局地閉合的YSU邊界層方案更適合吉林西部地區，能很好地反映出風速的日變化狀況，偏差也較MYJ方案更小，接近實際觀測值.

在吉林西部地區，不同邊界層方案對不同氣象要素的模擬精度不同.關于邊界層方案的選擇有很多種，本文僅選取了其中兩種進行模擬研究，其他方案在吉林西部的模擬精度還有待考證.同時，氣候數值模擬本身是個復雜的過程，其他物理參數的設置也會影響其模擬精度，后續研究應耦合其他物理參數方案，以獲得更好的模擬結果.