Nudging地面加密觀測改進數值模式對城市效應及其觸發對流的模擬：一次夜間個例試驗

尹金方，黃潔，史永強，王洪，梁旭東，謝衍新

(1.中國氣象科學研究院災害天氣國家重點實驗室，北京100081；2.克拉瑪依氣象局，新疆 克拉瑪依834000；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641)

1 引 言

“城市(群)”的動力、熱力、人類活動的效應(簡稱“城市效應”)對城市和周邊地區對流的發生發展及強降水的形成有著重要的影響。早在1960年代后期，Changnon[1]指出城市地區對流強度和降水強度有所增強，總降水亦然。在不同的背景條件下，城市可通過多種方式影響對流活動和降水[2]。城市熱島的加熱，在城市熱島的下風方觸發對流，從而導致降水更多[3]。其次，城市建筑使得地表粗糙度變大，有利于近地層內水平輻合，下墊面摩擦和阻擋形成的動力作用可引起降水的時空變化[4]，甚至引起對流系統的分裂[5]。此外，城市人類活動產生的人為氣溶膠粒子會直接(間接)影響城市地區的對流活動和降水[6]。

隨著我國城鎮化的快速發展，人類活動的增強以及城區不透水面的擴張，城市系統變得更加復雜和多樣化，城市熱島強度顯著上升[7]。京津冀、珠三角、長三角等地區城市(群)對降水的影響日趨明顯[8-10]。研究指出城市地區的強降水頻次較周邊地區增多，可達城市周邊鄉村地區的三倍[11]，且城市及其下游的平均降水強度分別增強了16%和18%[12]。

城市是人類活動的主要區域，城市降水對人類活動有著顯著的影響，尤其是顯著增加了城市局地的洪澇風險和防災減災難度。因此，世界各地開展了大量城市影響降水的研究，尤其是對極端降水變化的研究。城市效應除了城市復雜下墊面本身的影響之外，還涉及到瞬息萬變的人類排放活動的影響。由于觀測技術和儀器的限制，加之人力和財力的限制，觀測資料遠遠無法滿足城市效應的研究需求。因此，在數值模式中直接引入城市冠層模式來研究城市效應是一種有效可行的手段，在過去的幾十年也取得了較大的進展[13-16]。然而，城市冠層模式的發展速度遠遠跟不上城市的發展速度，城市冠層模式中對城市效應的描述明顯不足，使得城市冠層模式的模擬結果未能達到預期的效果[14]。此外，城市冠層模式受到邊界層、陸面過程等方案的約束，一定程度上限制了城市冠層模式的應用。

由于觀測的局限性，當前對城市效應在對流的發生發展、強降水的形成、降水的增幅等方面的物理機制的認識仍然不足。為了改進城市背景下對流及降水的模擬性能，本研究試圖采用Nudging地面加密觀測間接引入城市效應的方法，在模式積分過程中一定程度上可逐步引入城市效應。Nudging最早被用于資料同化[17]，通過在預報方程中增加預報和觀測差值的虛假傾向，使模式結果向觀測逐步逼近，達到模式要素場接近觀測的同時又滿足各要素之間相互協調的效果。WRF模式中包括觀測(Observation)Nudging和格點(Grid)Nudging兩類，后者包含了譜(Spectral)Nudging。觀測Nudging和格點Nudging均可用于不同層次的Nudging，但后者通常只用于邊界層之上的高層大氣。在WRF3.8及之后的版本，增加了地面格點Nudging的功能。Obsgrid除輸出觀測資料外，同時還利用模式要素和觀測值輸出地面格點場分析場。在模式積分過程中，地面格點Nudging利用地面格點場分析場中溫度和水汽的傾向約束地表感熱和潛熱通量，實現大氣和陸地之間的熱動力匹配[18]。本研究中主要考慮地面加密觀測中包含的城市效應，因此同時采用觀測Nudging和地面格點

Nudging。

本研究中提出的使用Nudging方法間接引入城市效應的思路可用于與城市效應相關天氣過程的模擬研究，尤其是對發生在邊界層內的天氣過程效果更佳。此外，通過Nudging再現城市及周邊地區的各種現象，利用模式參量彌補觀測資料的不足，為城市冠層模式的改進和發展提供參考。

2 個例介紹

2017年5月7日凌晨開始，廣州突發特大暴雨過程，在花都東部、增城西部等地形成了極端降水。圖1顯示的是2017年5月6日20時—7日04時(除特殊說明，時間均為北京時)累計降水空間分布。前8 h降水主要集中在花山地區，最大累計降水量為288 mm。前期研究表明，本次強降水發生在副熱帶高壓邊緣，無明顯天氣系統(如低空急流、鋒面等的強迫)，屬于弱強迫背景下的華南前汛期暴雨[19]，對流系統的發生發展與廣州城市熱島直接相關[20]。

圖1 2017年5月6日20時—7日04時(共8 h)累計降水空間分布 花山(HS)最大累計降水量288 mm，五角星(☆)表示廣州雷達站，PR表示珠江口。

2017年5月6日20時香港探空表明對流有效位能(CAPE)達到1 503 J/kg，對流抑制能僅為7 J/kg，抬升凝結高度和自由對流高度分別約為950 hPa和850 hPa(圖2)。低的抬升凝結高度和自由對流高度表明只需要較小的抬升即可觸發對流，較大的CAPE顯示出形成強對流的潛在可能。此外，整層可降水量達到53 mm，表明水汽條件有利于強降水的形成。

圖2 2017年5月6日20時香港探空溫度-壓力對數圖探空地理位置見圖3。

3 數據和方法

3.1 數 據

以NCEP-FNL 0.25°×0.25°的分析資料作為模式的初邊界條件，邊界條件6 h更新一次。觀測數據源自國家氣象信息中心，其中廣州雷達觀測構建的雷達三維產品用于對流系統的時空演變分析及模式評估；小時地面加密觀測資料用于模式積分過程中Nudging，以及模擬結果的檢驗。

3.2 方 法

本文采用WRF3.9.1版本模式。模式采用單向三層嵌套方案，水平網格距分別為12 km、4 km和1.33 km，水平網格數分別為313×202、571×334和862×541。模式層頂氣壓設置為20 hPa，垂直層數共58層。模式采用蘭伯特投影，中心位置為110.0°E，23.0°N，模式區域和地形空間分布如圖3所示；模式地表屬性分類使用USGS默認24類(圖3b)。模式物理過程設置為Thompson云微物理參數化方案，YSU邊界層參數化方案，MM5 Monin-Obukhov近地層方案，Noah陸面參數化方案，rrtm長短波輻射方案。外層兩重區域采用KF積云對流參數化方案，最內層關閉積云對流參數化方案。模式啟動時間為2017年5月6日20時，共積分12 h，輸出間隔為6分鐘。

圖3 a.模式區域設置，矩形框分別表示12 km、4 km、1.33 km分辨率模式區域，填色表示地形高度；b.最內層區域下墊面植被類型(填色)和Nudging地面站點分布(白色點)，五角星(☆)和帶叉圓圈(?)分別表示廣州雷達站和香港探空站；黑色實線表示廣州城區區域邊界。

基于WRF模式，可以使用城市冠層模式和Nudging地面加密觀測資料兩種方式引入城市效應。在此選擇WRF模式中單層冠層模式(Noah-UCM)。Noah-UCM單層冠層模式簡單考慮了城市建筑和道路的幾何屬性，主要考慮了城市冠層對長短波輻射的吸收、反射作用，以及風切變等因素，分別計算建筑物頂、墻體及道路面的熱量傳輸[13]。Nudging是一種連續的動力約束方法，可分為格點分析場Nudging和觀測站點Nudging兩類[21-22]。數值模式積分過程中，在一個或多個預報方程中增加預報與觀測差值的約束項，使模式預報值向觀測值靠近，從而達到改善數值模式的模擬能力。

針對引入城市效應的不同方法，本研究設計了兩組試驗：一組是采用Nudging地面加密觀測資料的方法間接引入城市熱島效應(記為“Nudg”)，另一組開啟城市冠層模式直接引入城市熱島效應，但關閉Nudging地面加密觀測資料(記為“Urba”)。為了盡可能合理地反映城市效應，本試驗中采用OBSGRID_FASDAS版本，除了提供觀測Nudging的觀測資料外，還生成地面格點Nudging要素場。在WRF模式積分過程中，同時開啟觀測站點Nudging和地面格點Nudging。關于Nudging參數化的配置，除對觀測Nudging的參數值放大了4倍外，其它參數值采用OBSGRID_FASDAS中使用說明的配置。需要指出的是，本次模擬對觀測Nudging的參數的值不敏感，將觀測Nudging的參數的值放大2倍或4倍模擬的結果差異很小。在模擬過程中也開展了Nudging不同要素的敏感性試驗。綜合而言，同時Nudging溫度、風場和濕度場對本次天氣過程模擬的效果最好。Nudging地面溫度效果最顯著，直接決定對流的觸發。Nudging地面風場在一定程度上影響著對流的位置。Nudging地面濕度場與否，模擬結果差異不大，這可能與該地區本身水汽的含量較大有關。在城市冠層模式中，城市下墊面一般被分為高、中、低密度三類。鑒于城市下墊面分類的復雜性，且不同方案的分類方法之間存在較大的差異。本研究中為了簡單起見，將城市下墊面統一歸為高密度城市分類。城市冠層模式的設置完全采用默認值。

4 結果分析

4.1 城市熱島

圖4顯示的是觀測和模擬地面溫度和風場的空間分布及時間演變。從觀測可看出，在模式初始時刻(圖4a)，在廣州城市區域的城市熱島非常明顯，熱島中心地面溫度超過30℃。隨著時間的推移，城市熱島的強度逐漸減弱，空間范圍逐漸縮小。Nudg試驗基本上能夠再現出城市熱島的空間分布及時間演變，但Nudg試驗中城市熱島減弱的速度明顯比觀測要快(圖4e～4h)。Urba試驗中(圖4i～4l)，初始時刻城市熱島的空間分布與Nudg相同，但模式啟動后，城市熱島快速減弱；模式積分3 h后城市熱島已幾乎消亡，未能夠再現城市熱島的時空演變。綜合而言，Nudg試驗能夠較好地再現城市熱島的時空演變，而Urba試驗則未能夠維持城市熱島。采用城市冠層模式未能合理再現城市熱島的時空演變可能與城市模式中城市熱力的描述不足有關，尤其是人類活動、城市空調、工廠排放等。

圖4 地面2m溫度(℃，填色)和10 m風矢量(m/s)空間分布及時間演變 a～d為觀測，e～h和i～l分別為Nudging地面加密觀測和開啟城市冠層模式模擬結果。

4.2 對流系統時空演變

觀測和模擬雷達組合反射率、地面溫度和風場的時空分布及演變如圖5所示。從觀測可看出，在廣州城市的下風(西北)方出現了零星雷達回波(圖5a)。隨著對流的發生，在與地面溫度等值線梯度等值線密集的區域形成了有組織的對流系統，雷達回波超過50 dBZ(圖5b)。隨著降水的逐漸增強和范圍的擴大，雨水蒸發降低了雨區的地面溫度，改變了地面溫度場的空間分布，地面出現了弱冷池(圖5c)。地面冷池的逐漸增強，在先前的對流系統入流區觸發新的對流單體，因而使先前的對流系統向南壓。此外，冷池的出流在其周邊觸發了新的對流系統，其西北方和北方的對流系統迅速發展，形成有組織結果的對流單體，雷達回波超過50 dBZ。冷池北部新生的兩個對流單體與原對流單體呈現三角形分布(圖5c)。由于冷池的作用，南部對流單體在向南壓的同時，逐漸演變成東-西向帶狀分布。相反，冷池北側新生的兩個對流單體則迅速減弱消亡，這可能與南部對流系統發展成帶狀分布后阻止了水汽和能量向北輸送。

圖5 對流系統發生發展階段組合反射率(dBZ，填色)，地面2 m溫度(℃，等值線)和10 m風矢量(m/s)空間分布及時間演變a～d為觀測，e～h和i～l分別為Nudging地面加密觀測和開啟城市冠層模式模擬結果。

Nudg試驗基本再現了城市熱島及其觸發的對流發生發展，而Urba試驗未能夠合理地反映相應特征。可以看出(圖5e～5h)，Nudg試驗中在城市熱島的下風方最先觸發了對流，隨著對流的發展，形成了與觀測一致的三個強對流單體。需要指出的是Nudg試驗模擬的對流系統位置偏南，更靠近熱島中心。研究表明[23]，對流觸發的位置與城市熱島的強度相關。城市熱島越強，對流的位置越靠近熱島中心；反之亦然。然而，本次模擬中城市熱島較觀測偏弱，但對流的位置卻靠近熱島中心(即偏南)，這可能與數值模式中其它因素有關，尤其是云微物理過程。如前所述，Urba試驗中城市熱島幾乎消失，因而未能夠合理地觸發對流(圖5i～5l)。盡管后期在城市下風方邊緣及北部山區有零星雷達回波出現，但均未能夠發展形成有組織化的對流單體或系統。需要指出的是，Nudg試驗中后期(圖5h)，城市中心區域降溫明顯偏快，城市下風方溫度梯度大值區較觀測明顯減小。在冷池的強迫下，南側的對流核被南壓，導致了模擬后期南側對流核的空間位置上有較大移動，且雷達回波相對零散，從而使該區域的累計降水較觀測偏弱。

研究指出[24]，城市除熱島的加熱觸發對流外，城市下墊面的摩擦(阻擋)同樣能夠引起近地層地面輻合觸發對流。就本個例而言，Urba試驗在城市下風方存在風向和風速的輻合，但輻合的強度不足以觸發出對流(圖5i～5l)，表明城市熱島的加熱作用在對流的觸發中更重要。眾所周知，城市熱島通常出現在水平風速較弱的靜穩天氣背景下，水平輻合也較弱，因而無法觸發對流，該結論與Baik等[23]的研究一致。

觀測和模擬不同時刻穿過對流核的雷達反射率垂直剖面如圖6所示。可以看出(圖6a)，對流初期形成了一個明顯的對流核，垂直高度可到達5 km，雷達反射率比較弱。隨著對流的發展(圖6b)，對流核頂延伸到約8 km高度，屬于中等強度的深對流。對流核中存在明顯的強的雷達反射率(超過50 dBZ)柱狀結構，頂高達到6 km。后期(圖6c、6d)，強對流回波柱狀結構水平范圍有所增大，但強反射率頂高逐漸降低，呈現出從強盛到消亡的演變過程。整體而言，本次降水過程的主體處于0℃以下，屬于典型的低質心對流結構，有利于強降水的形成[25-26]。對比發現，Nudg試驗能夠較好地模擬出本次強降水過程的雷達反射率的垂直結構及時空演變，尤其是合理模擬出了強對流柱狀結構的垂直結構，而Urba試驗未能夠再現出對流。Urba試驗中，城市熱島未能夠合理地被再現出來，導致了在城市下風方沒有合理觸發對流。因此，暖濕氣流繼續北上，在地形的阻擋作用下抬升并觸發對流(圖6k、6l)，因而對流位置偏北。然而，Urba試驗中城市熱島很快減弱，甚至消失，氣流在穿過廣州城市區域時受到加熱明顯不足。即使北部的地形抬升觸發出了對流，但對流卻未能夠進一步發展，僅形成相對較弱的雷達回波。需要強調的是盡管Nudg試驗整體上再現了降水過程的主要結構特征，但還是有不足之處。比如，模擬的城市熱島在后期偏弱，導致了對流核相對零散的結構(圖5h)。這可能與模式其它方面(如云微物理過程)有關，一定程度上說明準確精細的數值模擬需要從多個方面改進。

圖6 穿過對流單體中心的雷達反射率(dBZ，填色)垂直剖面 a～d為觀測，e～h和i～l分別為Nudging地面加密觀測和開啟城市冠層模式模擬結果。e～l中黑色等值線表示模擬位溫(K)，矢量表示風場，其中垂直氣流擴大2倍。剖面空間位置如圖5中紅色虛線所示，黑色陰影表示模式地形。

4.3 地面降水

圖7給出的是模擬的8 h累計降水空間分布。Nudg試驗能夠較好地再現此次降水過程的空間分布。降水主要集中在城市下風方，最大累計降水量為188 mm(圖7a)。如前所述，Nudg試驗中對流觸發的位置較觀測偏南，因此降水的空間分布也較觀測偏南。模擬的對流系統強降水維持的時間比觀測短是導致累計降水偏少的主要原因(圖5)。使用城市冠層模式的Urba模擬未能夠合理地觸發對流，因此不能模擬出本次降水(圖7b)。

圖7 同圖1但為模擬降水 a和b分別為Nudy和Nrba試驗模擬結果。

觀測和Nudg試驗模擬最大小時降水站點的小時降水率時間演變如圖8所示。從觀測可以看出，降水經歷短暫的發展后快速發展，降水量從30 mm/h快速到達頂峰120 mm/h，略有減弱之后快速減弱。Nudg試驗成功地再現本次強降水的時間演變，降水的時間演變與觀測幾乎一致。降水從19 mm/h增長111 mm/h，然后快速減弱。Nudg試驗模擬的對流系統減弱明顯比觀測要快，未能夠使降水量在100 mm/h維持1 h，這正是Nudg試驗模擬總降水比觀測低100 mm的原因。據前所述，Nudg試驗后期城市熱島減弱偏快，類似“地面鋒”的溫度梯度大值帶狀區域明顯減弱。這使得較弱的地面冷池也能迫使對流單體發生位移，從而導致了同一個站上持續強降水的時間縮短，累計降水總量減少。Urba試驗未能夠合理地觸發對流，因此未能夠形成明顯的降水。圖8同樣能夠表明Nudg試驗模擬的對流觸發較觀測偏早，一定程度上說明在華南暖濕的環境條件下云-降水微物理過程太容易被激發。今后可基于Nudg試驗模擬的結果開展云微物理過程的源匯項時間演變分析，適當地調整微物理過程中，進一步改進Nudg試驗的模擬結果。

圖8 觀測和Nudg模擬最大小時降水站點的小時降水率2017年5月6日20時—7日04時演變

4.4 對流觸發

如前所述，Nudg和Urba試驗的差異主要表現為對流系統的發生與否，而對流的發生與否又與城市熱島強度密切相關。圖9顯示的是模式積分1.5 h后過城市熱島中心和對流核的垂直剖面。Nudg試驗中，氣流經過城市加熱后，在城市的下風區抬升觸發對流。暖濕空氣抬升至凝結高度后，凝結釋放潛熱進一步促進上升運動，通過動力與微物理過程的相互作用進一步形成有組織的對流系統[27]。值得指出的是，在有組織的對流形成之前，在城市熱島的下風方區域不同位置上均有明顯的雷達回波出現，但并不是所有的回波均能夠繼續發展。一旦其中的某個對流核組織化后，在短時間內便可發展成為明顯的深對流核，這可能與華南地區大氣中豐富的水汽有關。比較可以發現，Urba試驗中在低層有較弱的上升運動，不足以將暖濕空氣抬升至自由對流高度，甚至抬升凝結高度，這正是Urba試驗預報本次過程失敗的主要原因。就濕度場而言，Nudg和Urba試驗試驗中相對濕度場的分布相近，表明對流水汽含量不是導致對流觸發失敗的主要原因。

圖9 模式積分1.5 h(2017年5月6日22時30分)過城市熱島和對流核中心的垂直剖面 紅色粗等值線表示基于剖面計算的溫度偏差，綠色等值線為相對濕度，藍色等值線為相當位溫，填色為云水含量，矢量為水平和垂直的合成風(垂直速度放大5倍)。

5 結論及討論

本研究采用Nudging地面加密觀測間接引入城市效應(Nudg)和城市冠層模式直接引入城市效應(Urba)兩種方式模擬了2017年5月7日發生在廣東廣州的一次極端降水過程。結果表明Nudg試驗能夠有效地在數值模式中引入城市效應，并合理地再現城市熱島及其觸發對流的時空演變，而使用城市冠層模式未能模擬出城市熱島及其觸發的對流。具體而言，Nudg試驗基本上能夠使城市熱島維持，在城市的下風方向最先觸發了對流，并形成了與觀測較一致的三個強對流單體。然而，Urba試驗中城市熱島迅速減弱消亡，未能在城市下風方向觸發出對流。盡管后期在城市下風方邊緣及北部山區有零星雷達反射率，但均未能發展形成組織化的對流單體或系統。比較而言，本次降水過程對流的觸發中，城市熱島的加熱作用較城市的摩擦更重要。

Nudging地面加密觀測作為一種間接有效地引入城市效應的方法，可用于與城市下墊面相關的天氣模擬研究。然而，需要指出的是Nudging地面觀測只能用做后驗研究，不能用于預報。城市冠層模式中涉及到城市系統的各個方面，由于人類活動(如城市空調運行，機動車活動，工廠排放等)變化多端，當前還未能夠在城市冠層模式中實時地合理描述城市的熱源收支，因而無法在數值模式中準確地引入城市熱島效應。因此，通過Nudging地面觀測間接地將城市熱島效應引入到數值模式中，能夠合理地再現城市熱島的發生發展及其對對流發生發展的影響。因此，當前可基于Nudging地面觀測的方法，深入理解城市熱島特征及其觸發對流的機制，并將研究成果應用于城市冠層模式的改進，從而研發出適用于不同城市的城市冠層模式。

除本研究中的天氣過程外，作者課題組利用Nudging地面觀測間接地將城市效應模擬類似的天氣事件也取得了較好的模擬結果，此方法一定程度上可改善模式對城市效應相關的天氣過程模擬。然而，Nudging模式中存在一系列的參數，參數的取值對Nudging的結果有一定的影響[28-29]。同樣地，城市冠層模式中涉及大量的經驗參數，參數的設置具有較大的地域差異，因此需要經過大量的試驗才能夠掌握城市冠層模式的性能[30-31]。此外，城市冠層模式還與城市下墊面的地表屬性分類、建筑類型及高度等因素密切相關，模式中對這些因素的描述不準確也嚴重影響城市冠層模式的模擬結果[32-33]。因此，在今后的研究中可針對多個城市效應相關的天氣過程進行模式，進一步了解城市效應在強天氣過程中的作用，為進一步改進和完善城市冠層模式提供參考依據，從而改善數值模式對城市效應的描述。