ARPS和WRF模式对黄土高原半干旱区夏季晴天边界层特征的模拟分析

黄 山，王田田，张文煜，罗 汉，刘 莹，杨瑞鸿

(1.甘肃省人工影响天气办公室/甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,兰州 730020；2.中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室，北京100029；3.中国科学院大学，北京100049；4.郑州大学地球科学与技术学院，郑州 450001)

引 言

大气边界层是指直接受地面影响的对流层底层，主要通过湍流运动来影响自由大气的运动状态，大气边界层也是气象要素有显著日变化的低层大气[1]。大气边界层高度是表征边界层特征最重要的物理参数之一，广泛应用于物理量廓线、边界层结构，以及数值模式的边界层参数化研究中[2-3]。

黄土高原主要由黄土塬、沟壑、川、山、梁及峁坪等多种形态地貌组成。由于其特殊的地理、气候环境，以及复杂的下垫面情况，形成了独特的陆面过程特征和大气边界层结构。气候系统对陆面过程及边界层过程的响应比较敏感[4-5]，是气候变化的典型敏感区，同时也是生态农业脆弱区。分析和模拟该地区边界层过程对认识特殊气候环境的维持机理、提高该地区天气和气候预测能力有一定帮助[6]。有学者通过分析典型观测资料，研究了西北干旱半干旱区黄土高原陆面过程、辐射平衡、边界层厚度变化等特征[7-14]。随着数值模式的发展，数值模拟已逐渐成为大气边界层研究的一种重要手段。国外很多学者利用WRF模式模拟出了所研究区域的边界层结构特征[15-18]。Mayer 等[19]利用SUMO观测资料验证了WRF模式4种边界层参数化方案的模拟能力，发现非局地方案更能表征边界层的时间演变，MJY方案对边界层高度和近地层温度的模拟偏低。Gómeznavarro等[20]对比不同边界层参数化方案对风场的模拟效果，发现非局地边界层方案可以更好地解析复杂地形边界层内风的特征。Banks 等[21]对比分析了WRF模式8种边界层参数化方案对不同天气类型城市下垫面边界层高度模拟效果，发现非局地边界层方案的模拟更准确。Sarkar等[22]利用ARPS区域气候模式耦合一个简单的地表参数化方案，改进了模式对城市边界层的模拟能力。国内也有很多评估WRF模式对边界层气象场特征模拟能力的研究[23-25]，还有一些利用数值模拟探索特定边界层的发展机制及影响因子的研究[26-30]。针对西北干旱半干旱区大气边界层的模拟研究也有很多，涉及风温场、能量平衡、陆面过程及边界层高度等多方面[5,8,31-33]。

本文在前人研究结果的基础上，分别利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)和WRF(Weather Research and Forecasting Model)两种数值模式，对2009年7月黄土高原夏季大气边界层高度进行模拟，采用兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的观测资料和榆中国家基准气候站的探空资料作为验证资料，对比两种模式的模拟能力，分析典型晴天条件下黄土高原夏季边界层高度的变化特征，为进一步利用数值模式研究黄土高原大气边界层结构提供参考依据。

1 资料和方法

1.1 观测站及资料情况

选取兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)涡动相关仪实际观测资料和榆中国家基准气候站(区站号：52983)的探空资料作为模式模拟验证资料。SACOL站位于兰州大学榆中校区的萃英山顶(35.95°N、104.14°E，海拔1961 m)，是按照国际标准建设的气候观测平台，站内观测环境和周围自然环境状态均保持良好，下垫面基本为塬面梁峁原生植被，属于典型温带半干旱气候，年平均气温6.7 ℃，年平均降雨量381.8 mm，蒸发量1528.5 mm，全年日照时数2607.2 h，年平均风速约为1.6 m/s(试验场地山顶全年盛行西北风和东南风)。SACOL站涡动相关仪实际观测资料的时间步长为1 h。榆中国家基准气候站位于35.87°N、104.15°E，海拔高度1875 m，探空资料为该站2009年7月2日观测数据，早晚两次分别开始于07:15和19:15。

1.2 模式介绍

分别采用ARPS和WRF 2种模式模拟黄土高原地区夏季边界层过程。初始资料为NCEP l°×l°分辨率的全球再分析格点资料。模拟试验中采用初始场和侧边界条件，3层嵌套，水平分辨率分别为36 km、12 km和4 km，模拟区域为33°-45°N、88°-108°E，模式内层区域中心位置为(36.7°N、103.5°E)。模式积分初始时刻为2009 年6 月30日00：00，共模拟一个月，每小时输出一次结果，积分步长为600 s。ARPS模式垂直方向分为60层，平均层间距为300 m，采用1.5阶TKE闭合方案；WRF模式垂直方向分为34层，采用YSU边界层参数化方案。

2 模拟结果分析

从整个模拟时段中选取2009年7月2日00时至7月3日00时作为代表，采用线性插值方法将所在模式层的模拟值分别插值到观测点处，比较检验模式的模拟能力。从2009年7月2日08时500 hPa和700 hPa环流形势(图略)与实际观测情况可知，模拟区域处于高压脊控制，天气以晴为主。

2.1 感热通量对比

对比感热通量模拟值与观测值(图1)发现，两种模式的模拟结果都能够较好地反映SACOL站感热通量的变化特征。WRF模式模拟值较ARPS模式模拟值整体略微偏大，夜间WRF模式的模拟结果与实测的更接近，上午时段ARPS模式对感热通量的模拟与实测值拟合更良好，午后观测值呈现阶梯状降低趋势，模式模拟值变化较平滑，这是由于站点上空午后多有淡积云飘过，而模式模拟结果不存在云的影响。实测感热通量最大值出现在12时，模式模拟最大值大约出现在12-13时，WRF模式模拟的最大值与实测值几乎相等。此外，WRF模式对于感热通量正负值转换时间的模拟比ARPS模式的更好，这主要是2种模式本身动力框架设置不同，以及不同参数化方案选取造成的差异。

图1 2009年7月2日ARPS和WRF模式模拟的感热通量值与观测值对比

就整个7月而言(图略)，两种模式对感热通量均有一定的模拟能力，逐点误差小于一个标准方差。两种模式在白天的模拟效果较夜间的好，上午的模拟效果较下午的好。总的来看，ARPS模式的模拟曲线较WRF模式模拟得更加平滑，WRF模式对能量的总体描述较ARPS模式的更接近实测。为了对比模拟值与观测值，本文采用了线性插值方法，将模拟结果差值到SACOL站的位置。插值会产生一定的误差，这可能是造成模拟值较观测值偏大的一个原因。

2.2 边界层特征分析

WRF模式的模拟结果在垂直方向上以层为单位，每个地区随地形变化纵坐标也会略微发生变化。SACOL站WRF模式纵坐标层数与相对高度的对应关系见表1。

表1 SACOL站WRF模式纵坐标层数与相对高度的对应关系

2.2.1 位温垂直分布

热力特性是判断和区分大气边界层性质的重要指标之一，位温是大气最具表现力的热力属性之一[7]。本文模拟分析了大气位温的垂直分布，进而根据位温廓线法分析边界层高度的演变过程。

位温廓线法是由位温廓线特征结合逆温强度来确定边界层高度的一种方法[34-37]。白天有对流发展时，边界层高度为对流混合层顶(即上部稳定层的底部)，夜间可将近地面逆温高度视为边界层高度。

由位温廓线模拟结果(图2)和探测结果(图3)可以看出，2种模式都能模拟出位温的垂直变化趋势。ARPS模式模拟的边界层高度明显偏高，WRF模式模拟的最大边界层高度约为2100 m。从图3可看出，19时在1700 m高度以下位温几乎不随高度变化、比湿随高度增加，在该高度以上位温突然增加，比湿突然减小，由此可以确定，19时对流边界层高度为1700 m。WRF模拟的19时边界层高度为1747 m(图4)，与观测结果基本一致，WRF模式可以较准确地模拟出黄土高原夏季晴天边界层高度。

图2 SACOL站2009年7月2日逐小时位温廓线变化模拟结果

图3 2009年7月2日榆中站探空观测位温廓线

从图4可以看出，在00-08时和20-24时，由于地面辐射冷却通过湍流交换向上传播而形成稳定边界层，边界层高度相对较低，逆温层高度在06-07时最低(约为400 m)，这与07时探空观测位温廓线所表征的基本一致。在夜间稳定边界层高度变化过程中，00-08时和22-24时两个时段边界层变化相对稳定，20-22时边界层变化速度相对较快，这是因为在夜间稳定边界层发展的早期阶段，由于地面附近温度快速降低，大气层结由不稳定向稳定的变化在开始阶段较快，之后变慢并逐渐趋于稳定，夜间稳定边界层高度均在600 m以下。08时以后，太阳辐射增强，湍流活动加强，边界层发展，高度逐渐上升，08-11时为对流边界层的快速抬升阶段，对流边界层发展强烈；12-15时为对流边界层的稳定抬升阶段，15-19时，虽然地面感热通量对大气的加热不是最强，但是由于之前地面强烈加热导致的对流边界层顶抬升还有一定的时间延续性，对流边界层高度在此时达到最大，约为2000-2100 m; 之后逐渐下降，直到22时以后变为稳定边界层。感热通量和边界层高度的日变化有一定的相关关系，边界层高度的演变总是滞后于感热通量的变化。

图4 WRF模拟的SACOL站2009年7月2日边界层高度变化

2.2.2 风速垂直分布

由模拟的风廓线(图5、6)和探测的风廓线(图7)可以看出，两种模式都能模拟出风速的垂直变化基本趋势。ARPS模拟的风廓线非常平滑，几乎没有模拟出风向切边；模拟的07时和19时的风速也小于实际观测值。由风速极值法[38]推断，ARPS模拟的对流边界层顶的高度约为3700 m，这与ARPS模式利用位温廓线法确定的边界层高度一致，但都较实际观测值偏高很多。

图5 ARPS模拟的SACOL站2009年7月2日逐小时风廓线

图6 WRF模拟的SACOL站2009年7月2日逐小时风廓线

图7 2009年7月2日榆中站探空观测风廓线

WRF模拟的风廓线更接近实际观测，在对流边界层内盛行东南风，在对流边界层以上约4500-4800 m高度处出现切变，变为西北风。近地层内南北分量风风速随高度迅速增大，地面以上500 m至2200 m处南北分量风速大致呈均一状态，2200 m以上风速随高度逐渐递减，至4500 m左右出现南北分量风切变，风向由北风转为南风。根据风速极值法推断，WRF模拟的边界层高度为2050 m左右，这与位温廓线法确定的边界层高度非常接近。

3 结论与讨论

(1)在4 km水平分辨率下，ARPS和WRF 2种模式都能够模拟出黄土高原半干旱区夏季晴天的陆面感热通量状况。但是对于边界层高度特征的模拟，采用1.5阶TKE闭合方案的ARPS模式模拟能力较差，采用YSU边界层参数化方案的WRF模式的模拟情况与实际观测较为接近，这也与在干旱半干旱地区的WRF模拟敏感性试验得出的结果相一致[23,35]。

(2)从观测和模拟的结果可以看出，在黄土高原半干旱地区夏季晴天，感热通量和边界层高度的日变化有一定的相关关系，感热通量与白天对流边界层高度之间的相关关系较与夜间稳定边界层高度的相关关系更显著，白天对流边界层高度的发展总是滞后于感热通量的变化。

(3)综合观测和模拟边界层高度、位温和风速垂直变化，得到黄土高原半干旱区夏季晴天时，白天对流边界层高度可达2100 m，夜间稳定边界层高度约为400-500 m。白天对流边界层的发展经历初始抬升-快速抬升-稳定抬升3个阶段，衰减经历开始逐渐衰减-快速衰减-稳定边界层3个阶段。

本文只选择了SACOL站一个夏季晴天的个例来作模拟分析。由于黄土高原半干旱地区地形复杂，其陆面热过程和边界层过程相互影响，情况复杂，因此还需要更多的野外观测、卫星遥感反演和模拟实验，以获得对大气边界层特征及其形成和发展机理更加全面而深入的认识。