GRAPES模式中不同陆面方案对新疆一次强降水事件的模拟

琚陈相，李淑娟，于晓晶，李曼

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002）

GRAPES模式中不同陆面方案对新疆一次强降水事件的模拟

琚陈相，李淑娟，于晓晶，李曼

（中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所，新疆乌鲁木齐 830002）

用中尺度数值预报模式GRAPES_Meso V3.3.2.5版本以及NCEP的GFS资料，分别选用模式中不同陆面参数化方案（SLAB、LSM、NOAH）对2013年9月14—17日新疆强降水过程进行数值模拟试验，结果表明：（1）陆面方案对主要雨带的落区和大致走向影响并不大，但对降水强度的预报还是敏感的，SLAB陆面方案预报的降水场与实况场最相似；（2）不同陆面方案在选取的强降水区域预报的降水量均较实况偏小，比较各试验后发现NOAH方案较其他方案的预报结果显得更加稳定与合理。

GRAPES_Meso模式；暴雨预报；陆面方案

近些年数值模拟在暴雨预报中的作用越来越重要，而地形、地貌和下垫面复杂的特征，土地利用和土地覆盖的不均匀，陆气相互作用的多样性，都对暴雨过程产生作用和影响。陆面作为气候系统一个非常重要的因素，近几十年来陆气相互作用对气候的影响受到了高度关注[1]，并发展了许多描述陆面与大气之间动量、热量、水汽及其他微量气体交换的陆面方案。前人的研究表明[2]，在数值模式描述强降水的过程中，模式描述云的形成，大气边界层的温度、湿度、风廓线等信息的准确性都主要依赖于下垫面的土壤、植被等温度、湿度物体特征。因此，在中尺度模式对降水的模拟过程中，选用合适的陆面方案，对提高模式的预报准确性也非常重要。

Fei Chen等[3]在NCARmM5模式中耦合改进了的陆面模式，指出在MM5模式中耦合陆面过程对表层十分敏感，尤其是在计算热量和水汽含量方面，同时分子子层的作用也可以提高对表面热通量的模拟。Jimy Dudhia[4]在MM5模式对多层土壤温度的预报中，将土壤分成两层来预报土壤温度，将上层土壤作为计算垂直尺度的昼夜温度波的一个深度，将底层土壤作为昼夜平均温度；而在能量计算中，考虑了感热通量、潜热通量和辐射热通量，上层温度的变化主要取决于它的有效深度和热容；文中还指出有效深度和热容均可以计算。Hsin-I Chang等[5]在WRF模式中讨论陆面过程在印度孟买强降水事件（2005年7月20日）的作用，文章采用SLAB、NOAH和NOAH-GEM三种陆面过程，作者指出WRF模式对孟买强降水事件中的各种气象要素均有较好的模拟，而陆面过程对强降水的模拟有着潜在的影响。马红云等[2]利用WRF模式，分别耦合不同的陆面方案（SLAB、RUC、NOAH、UCM）对2007年7月7—8日江淮地区强降水过程进行数值模拟试验，对比模拟结果表明：陆面方案对强降水的基本位置和大致走向影响不大，但对降水强度的模拟还是比较敏感，不同的陆面方案对降水中心落点、雨量值、降水日变化、降水类型以及降水条件的模拟各有所长。李安泰等[6]对2005年7月1—2日发生在甘肃东南部的一次暴雨天气进行高分辨率数值模拟，研究NOAH陆面过程中土壤最大容积含水量（MAXSMC）的初始扰动对此次暴雨的敏感性。模拟的结果表明，此次暴雨对陆面参数MAXSMC扰动比较敏感，MAXSMC减少20%，模拟的降水与实况更接近。

本文采用中国气象局自主研发的中尺度气象模式GRAPES_Meso，对2013年9月14—17日发生在新疆的一次强降水过程进行数值模拟，以期进一步了解和认识不同陆面方案对强降水预报的准确程度，为合理选择和使用模式中陆面参数化方案提供一些依据，也为GRAPES_Meso在新疆区域开展研究工作提供一定参考。

1 模式简介

GRAPES是英文全称“全球/区域同化预报系统”的缩写（GRAPES：Global/Regionalassimilationand PrEdiction System），是我国自主研究发展的新一代数值预报系统。GRAPES以多尺度通用动力模式为核心，其框架的主要特点是标准化、模块化、多尺度通用。GRAPES的核心技术包括三维变分，并可向四维变分拓展的新的资料同化技术；半隐式半拉格朗日时空分离技术和全可压非静力平衡动力模式；可自由组合的、优化的物理过程参数化方案；全球、区域一体化的同化与预报系统。

2 个例选取

受西北气流和低值系统影响，2013年9月14—18日新疆出现强降水过程，北疆各地、天山山区、克州、阿克苏、哈密和喀什、巴州北部、吐鄯托盆地等地小到中雨，并伴有局地强对流天气，山区局部雨转雪。此次降水过程前期，存在弱的径向环流，欧洲大陆和新疆分别受浅脊控制，里咸海为低值活动区，随着欧洲脊的不断发展，脊前北风带不断引导冷空气南下，里咸海到中亚低槽向南加深东移，受到槽前西南气流的影响，南北疆偏西地区出现明显降水；过程中后期，里咸海长脊，中亚低槽在东移过程中与西西伯利亚低槽携带的冷空气结合，造成了天山山区及其两侧的明显降水。

3 试验方案设计

采用由美国国家环境预报中心（NCEP，National Centers for Environmental Prediction）提供的GFS资料作为初始场。GRAPES_Meso模式的水平网格距设为0.1°×0.1°，垂直层次为26层。模式的模拟区域为（30°～55°N，50°～105°E），中心纬度为42.5°N，初始时间为2013年9月14日20时（北京时，下同），积分时间为72 h，模式积分的时间步长为90 s，每1 h输出一次预报结果。本文在以下分析中，将15日08时—17日20时作为一次完整的降水过程分析。

微物理过程方案选用WSM6方案，长波辐射选用RRTM方案，短波辐射采用Dudhia方案，近地面层采用Monin-Obukhov方案，边界层选用MRF方案，积云参数化方案采用Betts-Miller-Janjic方案。采用GRAPES_Meso模式所提供的3套陆面方案：（1）SLAB方案，即5层土壤热扩散方案，该方案可以描述包括辐射、感热、潜热等在内的能量平衡，但是未考虑植被作用及一些物理量随时间变化的影响；（2）LSM方案[7]是NCAR的陆面模式，包括了能量、动量、水、大气、土地、不同植被类型以及大气和土地之间CO2交换的一维模型，该方案主要考虑植被、土壤、水、雪和冰等对太阳辐射的吸收、反射和透射，植物冠层的湍流输送以及地表径流和下渗等；（3）NOAH方案[8]是基于俄勒冈州立大学的OSU陆面模式发展而来，包括了一个四层土壤模块和一层植被冠层的植被模块，不仅能够预报土壤温度，还可以预报土壤湿度、地表径流等。同时，该方案向边界层方案提供感热和潜热通量，改进了城市冠层，并考虑了地表辐射系数。

4 预报的检验方法

为了定量描写不同陆面方案预报的降水场与观测场的相似性，拟采用相似系数[9]衡量，计算式如下：

其中ai、bi分别为从站点降水量的模式预报值和观测值通过Cressman插值法按同一分辨率插值到同一区域（33°～50°N，72°～98°E）均匀网格上的值，n为格点数。相似系数等于1.00（-1.00）为模拟与实况完全相同（相反），等于0.00时表示完全不相似，正值越大图形越相似，负值越大图形越相反。

为了定量描写不同陆面方案预报的强降水区域降水量预报值与实况值变化趋势的吻合程度，拟采用预报区域模式输出的逐3 h平均降水量（x1，x2，…，xi）和所在区域站点平均降水量（y1，y2，…，yi）的相关来衡量[10]：

其中降水区域预报值（x1，x2，…，xi）是用双线性插值法插值到站点后求取区域站点平均而得。式2中，n为样本容量（20），x、y分别为区域降水量预报与实况的样本平均值。各检验区域所代表的站点见表1。

表1 相关性检验的区域和站点

因样本量小于30时，故采用无偏相关系数r*加以校正。计算式如下：

用t检验进行显著性检验。

遵从自由度v=n-2的t分布。给定显著性水平α，若t＞ta，则拒绝原假设，认为相关系数是显著的。

5 试验与分析比较

5.1 预报降水场与实况场的相似性比较

图1给出了全疆105个站的60 h（9月15日 08时—17日20时）累计总降水的实况和预报结果。实际降水带呈西南、东北向分布，主要降水区位于北疆大部、天山山区、阿克苏、喀什和和田等地，强降水中心位于伊犁河谷及塔城附近（44°N，81°E和45° N，84.5°E），雨量值达到24mm以上；在其东侧和南侧也分别存在两个雨量较小的中心（图1a）。

图1b～1d给出3种方案下预报105个站点的60 h总降水量分布，整体来看，不同陆面过程参数化方案均能预报出此次强降水过程的雨带分布，预报的强降水区域均在天山南北侧。然而3种陆面方案对陆面暴雨中心落点和降水强度的预报还存在一定差异，模拟的强降水范围均较实况偏小，NOAH方案的极值降水范围最大，其次是SLAB和LSM方案。

根据公式（1）计算相似系数，3种陆面方案（SLAB、LSM和NOAH）的降水预报场与实况场的相似系数分别为0.62、0.58和0.52。SLAB陆面方案预报的降水场与实况场最相似，其次是LSM方案和NOAH方案。

5.2 不同陆面参数化方案对降水趋势的预报对比

图1 新疆2013年9月15日08时—17日20时的60 h累计降水量实况和预报结果比较（单位：mm）

图2 区域平均的观测降水和预报降水的趋势演变（单位：mm）

降水趋势变化作为降水变化的最基本形式，已经成为检验一个数值模式正确性的关键，正确地模拟降水趋势变化的振幅和位相可以为数值模式参数化提供理想的试验基础。图2为区域平均降水和预报降水的趋势演变过程比较，从区域A的实况降水的演变过程看出，此次降水过程主要呈现双峰型，15日11时降水达到一天中的最低值，然后逐渐增强，降水峰值出现在15日20时左右，随后降水整体呈增加趋势，在16日08时左右过程降水达到最大值，而后降水迅速减弱，在16日21时左右，整个降水过程趋于结束。3种陆面方案预报的降水日变化整体与实况降水较接近，但从位相上看均比实况提前2～ 3 h左右。各方案预报的降水振幅与实况也存在一定偏差，3个方案预报的降水量在过程前期均较实况偏大，而后又趋于实况，在过程后均较实况偏小。对比发现，NOAH方案预报的降水演变振幅比LSM方案和SLAB方案更接近实况。而在区域B，实况降水的演变主要呈现单峰型，16日08时降水过程逐渐开始，降水峰值出现在17日00时左右，随后降水迅速减弱，在17日21时左右，整个降水过程趋于结束。3种陆面方案预报的降水日变化整体与实况降水相差较大，在降水前期均比实况偏大，而在降水过程中又均偏小；位相上也均比实况提前2～3 h左右。各方案预报的降水振幅与实况也存在一定偏差，NOAH方案与实况最为接近，其次为LSM方案和SLAB方案。总的来看，NOAH陆面参数化方案对降水演变趋势的预报较其他2种方案更为合理和稳定。

为了客观分析各试验的预报效果，在此次强降水过程的中心区域伊犁河谷附近（区域A：42°～46° N，80°～85°E）和乌鲁木齐附近（区域B：42°～46°N，85°～89°E）分别将各试验预报的逐3 h平均降水量与实况作相关分析，并对主要降水带内的60 h总降水量做误差分析。相关系数可以反映出预报值与实况降水的相关性，绝对误差则能估量预报值可能的误差范围。分析结果见表2，根据计算无偏相关系数，求得区域A的SLAB、LSM和NOAH的t分别为12.81、27.18、12.72，在区域A内，3种陆面方案的预报降水量与实况所求的相关系数均通过了0.001的显著性检验,其中LSM的相关性最好。在区域B，求得SLAB、LSM和NOAH的t分别为0.92、0.43、1.78，只有耦合NOAH陆面方案的试验通过了0.1的显著性检验。整体来看，NOAH方案在区域A和区域B均通过显著性检验，这说明耦合NOAH方案的试验预报的降水量比其他方案更合理。从降水量误差看，3种陆面方案预报的总降水量平均误差范围＜4mm。降水量的模拟一直是比较困难的工作，特别是极值降水，能否准确的模拟出实况降水量，有待对模式进行更深入的了解与探讨。

表2 3种试验下60 h总降水量预报降水量与实况降水量的相关分析和误差分析结果

5.3 不同陆面方案对云微物理降水和对流降水的预报比较

模式中描绘的降水由云微物理降水和对流降水组成，分别由云微物理方案和积云对流参数化方案计算得出。图3给出了各方案预报的对流降水与云微物理降水之间的比较。对流降水的分布较云微物理降水分布广；而云微物理降水的分布主要集中在伊犁河谷及沿天山一带的强降水区域。对比3种方案，NOAH方案模拟的对流降水在南疆分布比SLAB和LSM方案分布更广，云微物理降水的预报也更向东延伸。可以看出，NOAH方案较其他方案预报出更多、更广的对流性降水信息，这与其模拟最大降水值高于其他方案的结果较为一致。

图3 云微物理降水（等值线）和对流性降水（阴影）的比较（单位：mm）

为了定量分析几种陆面过程参数化方案预报的对流性降水贡献情况，依次对3种方案在主要降水区伊犁河谷附近（区域A；42°～46°N，80°～85°E）求算对流性降水占降水总量比例的平均值。由计算结果可知，NOAH方案预报的对流性降水占总降水量的比例最高，达到7.3%，其他依次为：SLAB方案6.5%、LSM方案6.4%。虽然强降水的发生与对流系统密切相关，然而在模拟结果中，对流性降水不超过8%。值得指出，模式的分辨率为0.1°×0.1°，对流过程可能有部分被网格尺度所描述，因此，各试验中对流性降水占总降水的比例均不高。

5.4 对影响系统以及动力和水汽条件的预报比较

在15日08时500 hPa的高空图上，欧亚中高纬环流维持“两脊一槽型”，高压脊之间的西伯利亚一带为一低压槽区，槽下为分裂短波，槽线位于70° ～80°E之间。受槽前西南气流影响，南北疆偏西地区出现了明显降水，随后中亚低槽在东移的过程中与西西伯利亚低槽携带的冷空气结合，又造成了天山山区及其两侧的明显降水。通过试验结果分析，不同陆面方案均能较好地模拟出这一低值系统，并且模拟的高低空水平环流形势均与实况较吻合，模拟出15日08时的500 hPa高度场与实况较一致，850hPa在伊犁河谷、北疆沿天山一带有强西南和西北气流辐合，伴随着中亚低槽南伸东移，造成了此次强降水过程。

从图2可以看出，伊犁河谷附近（区域A；42°～ 46°N，80°～85°E）在15日18时左右开始了新一轮强降水。图4为16日14时沿44°N的垂直剖面图，比较各方案模拟暴雨发生时动力和水汽条件可以发现：3种陆面方案模拟的水汽通量较好，在400 hPa左右的水汽通量均能达到0.001 g/s；在对垂直速度的模拟方面，NOAH陆面方案在区域A模拟的垂直速度，不仅在低层存在强烈上升运动，在中高层也有很好的体现。强烈的上升运动和充分的水汽条件对该区域的暴雨发生至关重要。

6 结论

目前，陆面过程对暴雨等短时天气过程影响的研究尚处于发展阶段，尽管大气本身的动力过程对降水事件的产生至关重要，但从模拟试验的结果发现，陆面过程的影响也同样有着重要的作用。本文通过耦合GRAPES_Meso模式中不同陆面方案模拟降水过程进行比较，结果发现：

（1）总体上，60 h累计降水的预报对不同陆面方案是敏感的，不同陆面方案对降水场的预报存在偏差，其中SLAB陆面方案预报的降水场与实况场最相似。

图4 模拟2013年9月16日14时沿44°N垂直速度（阴影为垂直速度＞0.1m/s的上升区）和水汽通量（等值线，单位：g/s）

（2）3种陆面方案模拟的高低空水平环流特征与实况均有较好的一致性，但对动力和水汽条件的模拟还存在一定差异，这将对降水预报的准确性产生影响。

（3）不同陆面方案（SLAB、LSM、NOAH）预报的降水量整体偏差在1.2～4mm之间，NOAH方案在本次暴雨过程的预报较其他2个物理方案更稳定，在选取的两个区域中均通过了显著性水平检验，较其他方案描绘出更多、更广的对流性降水信息，对强降水区域动力和水汽条件的模拟也更为合理。

首先GRAPES_Meso模式对区域降水的预报能力主要取决于模式基本的动力框架和物理过程参数化的选择，陆面过程对降水的影响也是比较有限的。其次，本文讨论陆面参数化方案对降水的敏感性仅仅是一个个例，还需更多的个例进行研究和验证。另外，本文的工作也将为今后GRAPES_Meso在新疆区域开展研究提供一定参考。

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Simulation ofa Heavy Rainfall Case in Xinjiang Using the GRAPESmodel with Different Land Surface Schemes

JU Chenxiang，LI Shujuan，YU Xiaojing，LIman
（Institute of Desertmeteorology，CMA，Urumqi 830002，China）

Themesoscale numerical predictionmodel GRAEPSmeso V3.3.2.5 versionand National Centers for Environmental Prediction（NCEP）GFS dataare used to simulatea heavy rainfall event in Xinjiang during 14-17 September,2013,and the precipitation sensitivity to land surface parameterization schemes is tested.The results show that：（1）The forecast precipitation patterns from GRAPESmodel generallyagree with the observations,and the sensitivity of the precipitation forecast to the land surface physical process is distinct.The precipitation field forecasted by the SLAB scheme is themost similar to the observation field.（2）The precipitation forecasted by different land surface schemes in selected heavy rainfallarea is smaller than the observation. Comparingall results of precipitation forecast with different land surface parameterization schemes, NOAH scheme givesmore reasonableand stable forecast effect than the others.

GRAPESmesomodel；heavy rainfall forecast；land surface parameterization scheme

P456.7

B

1002-0799（2014）06-0016-07

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.003

2014-03-31；

2014-09-15

新疆气象局科学技术研究项目：天山准静止锋锋面三维结构的数值模拟（Q201402）和新疆快速更新循环同化分析数值预报系统技术研究（ZD201404）共同资助。

琚陈相（1988-），男，实习研究员，现从事数值天气预报与模拟工作。E-mail：juchenxiang@126.com

琚陈相，李淑娟，于晓晶，等.GRAPES模式中不同陆面方案对新疆一次强降水事件的模拟[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（6）：16-22.