WRF模式对西南地区干旱事件的模拟研究

王红丽，廖留峰

(1.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002)



WRF模式对西南地区干旱事件的模拟研究

王红丽1，廖留峰2

(1.贵州省气象服务中心，贵州 贵阳 550002；2.贵州省山地环境气候研究所，贵州 贵阳 550002)

2009—2010年在中国西南地区发生了严重的秋冬春三季持续性干旱，为了评估WRF模式两种陆面方案在中国西南地区干旱事件中的模拟性能，该文采用Noah陆面方案和Pleim_Xiu陆面方案两种WRF模拟方案对西南干旱事件进行模拟研究。两种陆面方案都合理的模拟出了西南地区极端干旱事件中的降水空间分布与时间序列，但与观测资料相比仍然存在一定的误差。两种陆面方案的相互比较表明，在极端干旱事件模拟中，Noah陆面方案在降水模拟中有着一定的改进作用。在对西南干旱时期的蒸发模拟当中，Noah和Px方案相比有着更低的误差，采用Noah陆面方案能更好的模拟蒸发状况。

WRF模式；陆面方案；西南干旱

1 引言

陆地表面结构特征多变，植被性质复杂，下垫面分布极不均匀，是地球系统中一个重要的部分。陆面与大气及其他圈层之间存在着各种复杂的相互作用，动量、水汽、能量等物理量的交换，以及辐射传输对于大气环流及气候变化产生显著的影响[1-3]，许多研究工作表明陆面的地表特征、物理和生化过程对于天气及气候变化的影响是显著的[4-6]。中国有着如此广阔的幅员，因此陆面状况必将体现出纷呈复杂的特征。

大量研究认为陆面过程对于气候变化具有重要意义，丁一汇等[7]通过陆面过程和区域气候模式RegCM的耦合试验，对中国中部和东部夏季降水区域气候进行了模拟分析，发现耦合了陆面过程的区域气候模式能较好的描述中国夏季强降水区与气候特征。胡娅敏等[8]等在用区域气候模式对中国东部夏季区域气候进行模拟时，发现通过修改陆面过程土壤湿度处理，加入土壤湿度同化资料，能提高地表气温和降水的模拟效果。

关于陆面过程在WRF模式模拟暴雨中的作用有很多研究[9-10]。然而目前对于WRF模式在干旱事件的模拟中表现如何还不甚清楚，对于何种陆面方案在干旱事件模拟中表现更好也缺乏深入的了解。近年来西南坪区频发干旱灾害[11,12]，有必要采取区域模式耦合陆面方案来对此加强研究。众所周知，在2009年秋季至2010年春季，中国西南地区遭受了严重的秋冬春三季持续性干旱，造成了严重的经济损失，我们选取这个事件来验证WRF模式不同陆面方案模拟西南地区极端干旱事件的性能。

2 模式及方案设计

2.1 WRF模式及物理过程介绍

WRF模式(Weather Research and Forecasting model)是美国国家大气研究中心(NCAR)、美国国家海洋大气局(NOAA)的环境预报中心(NCEP)和预测系统实验室(FSL)等多个研究机构联合开发的新一代中尺度天气和气候模式。

WRF 模式内部物理参数化方案比较丰富，考虑的物理过程也比较全面。主要的物理过程及参数化方案包含陆面过程方案、辐射方案、微物理过程方案，积云对流参数化方案、边界层方案。

辐射方案中包含了短波辐射和长波辐射两种方案。短波方案主要有RRTMG方案、Dudhia方案、Goddard方案、CAM方案、New Goddard方案等，长波辐射包括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。

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

WRF模式中的积云对流参数化方案也很丰富，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。

土地表面和大气之间的动量、热量和水汽的交换主要发生在边界层，所以边界层方案也是非常重要的，边界层的描述是否合理直接影响模式对于对流层低层的气象要素的模拟，WRF模式中有MRF方案、YSU方案、MYJ方案、GFS方案、QNSE方案、MYNN2等边界层方案。

2.2 陆面方案介绍

在模式模拟中，缺乏陆面过程的参与会显著的影响模拟结果的准确性，经过气象工作者多年的研究，陆续发展了许多描述陆面与大气之间动量、水汽、热量等交换过程的陆面过程方案。陆面过程经过长期的发展，通过不断的修改和完善，LSM在陆—气物理、生化相互作用反馈机制方面更具有有效性和合理性，能够模拟多种陆面过程，如冰面，雪盖，植被冠层，土壤以及地表水文过程。

基于俄勒冈州立大学的OSU陆面模式，Noah陆面方案由此发展而来。Noah方案在初始化处理中使用了一部分季或年平均的植被和土壤资料，考虑了植被影响、冠层水分和积雪等下垫面情况，并描述了与之相关的能量及水分收支过程，对于土壤温度和土壤湿度分为4层进行预报，分别为0～10 cm，10～30 cm，30～60 cm以及60～100 cm。Noah方案还能输出地面径流和地下径流等水文过程。

WRF模式中的Pleim_Xiu陆面方案包括两层土壤，1 cm厚的地表上层和1 cm～1 m的次层土壤，采用强迫—恢复法计算土壤温度和湿度，该方案参数化的一个特征是，水汽通量过程的描述有3个来源：蒸散、土壤蒸发及植被冠层蒸发，考虑了植被的作用，方案中植被和土壤参数，是基于土地利用、土地覆盖变化及土壤质地类型获取的。

2.3 模拟方案设计

本文中采用WRF Version 3.5，模拟区域采用兰伯特坐标投影，水平格距分辨率为35 km，中心点为104°E，27°N，区域格点数为68×58。由NCEP Final Operational Global Analysis 全球再分析资料(FNL)提供了模式的初始驱动场，空间分辨率为1.0°×1.0°，时间分辨率为6 h(UTC00时、06时、12时和18时)，模拟时间是2009年5月1日—2010年4月30日。

为了评估WRF模式陆面方案在中国西南地区干旱事件中的模拟性能，我们设计了两种WRF模拟方案，分别为Noah陆面方案、Pleim-Xiu陆面方案(以下称Px)，其余的参数化方案均保持一致。辐射方案中采取的长波辐射为CAM方案，短波辐射为Dudhia方案；微物理过程中采取WSM6方案；积云对流参数采取Kain-Fritsch方案；行星边界层方案采取YSU方案。

WRF模式模拟的降水和蒸发将同观测资料进行对比以评估两种陆面方案在极端干旱事件模拟当中的能力。观测降水为1901—2013年Climatic Research Unit(CRU)3.22版本0.5°×0.5°降水资料和中国气象局0.5°×0.5°降水资料。地面蒸发资料分辨率为0.25°×0.25°，来自全球陆地数据同化系统GLDAS(Global Land Data Assimilation System)。本文分析内容集中于2009年9月1日—2010年3月30日这一严重干旱时段。

3 结果分析

3.1 降水

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

为了定量的说明2009—2010年之间中国西南地区发生的干旱情况，本文采用了CRU 3.22版本降水资料，分析2009年9月—2010年3月降水量相较于1901—2013年平均对应月降水的异常状况。从图1可以看出，在整个干旱时段，月降水量相较历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对较小，但考虑到冬季(12月，1月，2月)降水本就较少，这样的偏差仍是可观的。前期的秋季(9月，10月，11月)降水已持续偏少，进入春季(3月)以后降水仍较历史同期水平偏少，产生较强的累积降水偏少现象，于是造成这一持续三季的极端干旱事件。

图2 西南地区2009年9月—2010年3月平均观测降水：(a)观测，(b)CRU，(c)Noah，(d)Px(单位：mm)

图2显示的是中国西南地区2009年9月1日—2010年3月30日的平均观测和模拟降水。通过两种观测资料，可以清楚的看出除成都平原和重庆东部区域以外，整个西南地区在2009年9月—2010年3月这7个月之间累积降水不足300 mm，干旱最严重的区域中，云南东部，贵州大部，四川南部和广西西北部累积降水甚至不足200 mm，CRU降水资料和观测降水资料的整体空间分布格局大致相同，即西南地区的西—南部区域降水较少，东—北部区域降水较多。通过两种WRF模拟结果与观测降水进行对比分析可知，两种陆面方案的模拟在云南、贵州以及广西和四川的西北部的效果较好，然而Noah陆面方案和Px陆面方案都高估了四川南部的降水，另外还过高的预报了四川盆地的干旱状况。当然值得指出的是降水的大值误差带多出现于地形陡峭的区域，比如川西高原和横断山脉，这些区域陡峭的地形可能是导致降水误差的原因之一。Noah和Px两种陆面方案都在西南地区东北部存在较大误差，但相比Px陆面方案在四川西北部也存在较大偏差的情况下，Noah陆面方案在这一地区的降水模拟结果有所改进。

为了进一步评估WRF模式耦合的Noah陆面方案和Px陆面方案的降水模拟性能，本文对两种陆面方案的时间序列的模拟结果与观测资料进行了对比分析(图3)。从图3可以看出，在干旱时期，观测与CRU两种降水资料的区域平均结果除10月份有一定差别外，其余月份十分接近。两种陆面方案总体来说都合理的模拟出了降水的时间序列，但都存在一定的误差，Px陆面方案表现为每个月的模拟结果都较观测降水偏多，而相较Px陆面方案，Noah陆面方案除了9月的降水较观测偏多外，其余各月模拟降水都与观测降水较为接近，特别是10月，11月，12月，1月这4个月的模拟降水与观测降水基本上一致。

图3 2009年10月至2010年4月西南地区(23～32°N，100～108°E)区域平均观测和模拟降水

3.2 地面蒸发

除了降水，蒸发在干旱的形成中起着关键的作用，也是干旱状况的一个重要表征量，因此我们也评估了两种陆面方案模拟的蒸发。由GLDAS蒸发资料可以得知，整体空间分布格局为西南地区的西南部区域蒸发较大，东—北部区域蒸发较少。通过两种WRF模拟结果与GLDAS蒸发资料进行对比分析可知，Px陆面方案表现为在云南和贵州以及广西西北部模拟偏少，而在四川的模拟偏多，而相较Px陆面方案，Noah陆面方案则较为合理的给出了蒸发的空间分布形态，但也存在一定的偏差。

相对于GLDAS蒸发资料，Noah，Px两种陆面方案在西南地区干旱时期(2009年9月—2010年3月)平均蒸发的均方根误差(RMSEs)分别为0.45，0.67(图4)。Noah陆面方案在蒸发的模拟效果上比Px陆面方案表现较好。

图4 西南地区2009年10月—2010年4月平均地面蒸发(a)GLDAS，(b)Noah，(c)Px(单位：mm/day)

4 结论与讨论

文中我们评估了WRF模式耦合的Noah和Px两种陆面方案在中国西南地区2009年秋季至2010年春季持续性干旱事件中的模拟性能。主要的结论如下：

两种陆面方案都较为合理的模拟出了西南地区降水的空间和时间形态，但与观测资料相比仍然存在一定的误差。比较两种陆面方案对于降水模拟，发现对于降水的空间分布和时间序列模拟上，比之Px陆面方案，Noah陆面方案表现较好。这表明在西南地区干旱事件模拟中，考虑采用Noah陆面方案较之Px陆面方案在降水模拟中有着一定的改进作用。两种陆面方案的对地面蒸发的模拟对比分析表明，由于与Px方案相比，Noah陆面方案有着更低的均方根误差(RMSEs)，在对西南极端干旱时期的蒸发模拟当中，采用Noah陆面方案更为合理。

由于我国陆面特征的显著差异，在具体应用陆面过程方案中，恰当的处理方式应是分别考虑不同的地理地形和下垫面特征。但目前来说，现在应用的陆面过程模式，考虑的陆面特征比较单一，这样的陆面过程配置在模拟应对西南地区这样具有复杂下垫面环境的区域，难免会存在不恰当和不细致之处。未来的工作中应注意根据不同的区域采用适宜的陆面方案，并尝试发展能更加全面细致描述下垫面特征的陆面方案。

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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

王红丽(1963—)，女，工程师，主要从事气象服务与应用气象工作。

1003-6598(2015)06-0001-05

P435

A

资助信息：国家科技计划课题(西南突发性灾害应急与防控技术集成与示范)2012BAD20B06。