不同边界层方案在短期天气模拟中的精度评估

张 玉，王小伦，刘 雁

大气对流层中最下层的1~2 km的空间就是行星边界层的位置，行星边界层是大气与下垫面相互作用而形成的，主要通过地表强迫和湍流运动等的相互作用，引发地面气象要素与高空动量之间的混合交换，进而影响近地层气象要素场及大气污染物的扩散等，它对大气和地面之间的水汽、动量和热量的交换起着十分重要的作用［1-2］.过去几年中，国内外关于行星边界层方案的研究已经基本成熟，有许多学者在区域气候模式模拟中发现，不同的边界层方案对区域气候模式模拟结果也不同［3-6］，而产生这些差异的原因和下垫面性质、边界层顶卷挟混合强度、边界层闭合方案及湍流混合等有关.

国外对边界层方案的研究多以气候要素模拟结果的差异性为主.MIGLIETTA等［7］利用MYJ和YSU两种边界层方案模拟了地中海东部克利特岛的地面风场，对比分析之后认为YSU方案的模拟能力要优于MYJ方案；DRAXL等［8］研究发现，在不稳定天气条件下，YSU方案效果要优于MYJ方案；HU等［9］认为YSU和ACM2方案在模拟天气要素时偏差大于MYJ方案.

国内关于边界层方案的研究主要针对一次天气状况方面.张碧辉等［10］研究发现WRF能模拟出温度和风速的日变化特征，但模拟风速偏大；于淼等［11］发现，边界层方案和微物理方案对近地面风场模拟结果有一定影响，WSM3微物理方案结合YSU边界层方案的参数化组合对研究区的模拟效果较好；许鲁君等［12］模拟分析了不同边界层方案在青藏高原那曲地区的适用性，发现ACM2、BouLac、YSU和MYJ四种方案对2 m气温和地温模拟结果偏低，其中BouLac方案对地表温度模拟效果最好；周彦均等［13］利用不同边界层方案模拟长江中下游地区一次暴雨过程，结果表明，MYJ方案对于大雨和小雨的模拟效果最好，YSU对暴雨模拟的正确率较高，NOPB、ACM2和MRF模拟偏差较大.

上述研究表明，不同边界层方案在不同地区的适用性不同.通过对具有代表性的天气个例进行模拟，以此来评价边界层方案在吉林西部的模拟精度，对于未来边界层方案优化和预防气象灾害等方面都具有一定意义.

1 研究区概况

位于121°38′E~126°10′E，43°59′N~46°18′N之间的吉林西部（图1），地处松嫩平原西部，科尔沁草原东部，处于农牧交错带上，属于半干旱到半湿润过渡的温带季风气候，四季分明，雨热同期，降水较少且集中在夏季，冰冻期长.吉林西部河流众多，湖泊成群，地形地貌以冲积平原为主.主要包括白城和松原两个地级市，过去的吉林西部水草丰美，是游牧民族的聚集地，但是随着人口剧增，人类对其开发程度也越来越高，导致草地退化，土地盐碱化等问题越来越突出，逐渐成为吉林省生态环境脆弱区，土地利用方式的改变使旱涝等气象灾害加剧［14］.选择适合吉林西部的边界层方案，结合模式模拟可提前预知天气变化状况，减少自然灾害造成的生命财产损失.

图1 研究区域及气象站点分布图

2 方案介绍与资料选取

2.1 行星边界层方案

边界层方案可根据湍流闭合问题的处理方法分为局地闭合方案和非局地闭合方案，局地闭合方案基本原理是将每个格点上的脉动通量用每个格点的物理量的平均量来代表；而非局地方案除了考虑每个格点上物理量的平均量，还要考虑周边格点对该格点上脉动通量的影响.在大气边界层方案中，一般选取MYJ为局地方案代表，YSU方案为非局地方案代表［15］.其中，MYJ方案是Mellor-Yamada 2.5阶局地湍流动能方案，它可以预报湍流动能，并且包含局地垂直混合，既适用于稳定条件下的边界层，也适用于不稳定条件下的边界层［10］；YSU参数化方案是改进过的一阶非局地闭合的K理论方案，该方案考虑了边界层顶的夹卷过程及非局地混合作用，并在交换系数计算中加入了高度改变对其的影响，YSU的边界层高度和MYJ有所不同，它将临界Richardson数的高度作为自己的边界层高度［16］.

2.2 数据选取

本文使用由美国许多研究部门共同参与研发的新一代中尺度天气预报模式WRF模式进行模拟，WRF模式的主模块可分为ARW和NMM两种形式，其中ARW模式研究空间跨度大且时间范围广，可以进行从中小尺度系统到大气环流、从天气个例到气候的研究.模式初始条件场选用的是每6 h更新一次的、水平分辨率为1°×1°的NCEP（National Centers for Environmental Prediction）再 分 析 资 料（FNL）（https：//rda.ucar.edu/）；模拟结果和吉林西部白城、通榆、前郭尔罗斯、乾安、长岭、三岔河6个气象站点的气象观测数据进行对比分析，主要模拟要素包括2 m气温和10 m风速.土地利用数据是WRF模式自带的USGS下垫面资料，该数据集是由美国地质勘测部（United States Geological Survey）提供的全球陆面信息数据集，由NOAA气象卫星AVHRR获取，再经推导得出.

3 实验设计与评价方法

3.1 WRF模式实验设计

吉林省2017年的天气特点以高温为主，7月份全省平均气温达24℃，尤其是1日至19日，出现明显高温特点，较往年高出3.1℃［12］，持续性的高温天气在气候模拟中具有一定研究意义.故本次研究模拟时间就从该时间段进行选取，具体为2017年7月7日0时开始至2017年7月8日18时结束（均为世界时，下同），模拟期间，大气水汽含量较高，云层较厚，部分地区还有少量降水出现，模式每次模拟42 h.

本文采用三层嵌套方案，嵌套区域面积由外向内逐渐递减，区域网格中心为（45°N，124°E），网格数的设置由外向内分别为144×142、130×130和118×118，水平网格分辨率由外向内分别为27 km、9 km和3 km，垂直分层为29层，地图投影方式采用Lambert投影.其中外层嵌套覆盖范围包括东亚绝大部分地区，以及俄罗斯中西伯利亚高原和东西伯利亚山地部分地区，第二层嵌套覆盖范围包括中国东北绝大部分地区，以及朝鲜北部区域，内层嵌套覆盖范围以吉林西部地区为主，内层嵌套用于结果评估.在其余物理方案相同的条件下，利用WRF模式开展不同边界层方案在吉林西部基本气象要素中的模拟实验（表1），并评价其模拟精度.

表1 模式主要参数设置

3.2 评价方法

将内层嵌套区域网格中的模拟结果与吉林西部6个气象站点的常规气象观测资料进行对比分析，通过相关系数（R）、均方根误差（RMSE）、平均偏差（MB）、平均误差（ME）等多种评价指标对不同行星边界层的模拟结果进行精度评估.参考公式为：

式中：F、O分别表示模拟值和观测值；分别表示模拟平均值和观测平均值；N为样本数.其中相关系数表示观测数据与模拟结果之间的相关关系，数值越接近1表示相关性越大，模拟结果越准确；均方根误差、平均偏差和平均误差表示观测数据和模拟结果之间的误差值，结果越接近零值表示模拟结果与观测结果越接近，模拟精度越高.

4 结果分析

图2、图3分别为内层嵌套区域内6个气象站点基本气象要素中的2 m气温和10 m风速的区域平均值与模式模拟对应站点的区域平均值对比.由图2和图3可知，WRF模式中两种行星边界层方案都能较好地模拟出气温和风速的日变化特征，对气温的模拟精度较高，风速模拟效果相对较差，这与前人所得结论一致［10，12，17-18］.其中局地闭合方案MYJ模拟气温、风速的模拟值与观测值的区域平均相关系数分别为0.91和0.49，非局地闭合方案YSU模拟气温、风速的模拟值与观测值的区域平均相关系数分别是0.89和0.50，MYJ边界层方案模拟气温的能力高于YSU边界层方案，能更好地刻画出气温随时间变化的趋势.但是，在10 m风速模拟中，YSU边界层方案模拟精度要略高于MYJ方案.

图2 2017年7月7日0时—7月8日18时吉林西部地区2 m气温区域平均观测值与WRF模式模拟值对比

图3 2017年7月7日0时—7月8日18时吉林西部地区10 m风速区域平均观测值与WRF模式模拟值对比

4.1 气温

图2为2 m温度观测值与两种边界层方案模拟值的时间序列对比，从图2可以看出，两种方案对气温的模拟效果较好，能大致模拟出气温的日变化趋势，观测气温在6时左右达最大值，20时左右达最小值，两种方案模拟气温的最大值和最小值分别出现在7时左右和21时左右，比实际观测滞后约1小时，这可能 与 系统误 差 有关［14］.在7月8日2时之前，两种方案模拟值和观测值相比，大致呈现冷偏差，2时之后，模拟结果均呈现暖偏差，其中局地闭合方案MYJ更接近观测值；表2也反映了吉林西部6个气象站点不同边界层方案对2 m气温的模拟统计情况，其中局地闭合方案MYJ相关系数总体较非局地闭合方案YSU高，MYJ方案的均方根误差和平均误差更接近观测值，平均偏差中除三岔河和长岭两个站点MYJ方案偏差更大，其余几个站点MYJ方案均优于YSU方案.总体而言，在吉林西部地区2 m气温模拟中，MYJ方案模拟精度较YSU方案高，这可能因为模拟时间段为阴雨天气，云层的存在会在一定程度上抑制不稳定边界层出现的频率，稳定边界层出现的频率约为70%左右［19］，这时物质和能量输送以近地层局地为主［20］.

表2 2017年7月7日0时—7月8日18时MYJ、YSU方案模拟气温与观测值的统计比较

4.2 风速

图3为10 m风速观测值与两种行星边界层方案模拟值的时间序列对比，从图3可以看出，观测风速白天较高，夜间偏低，有明显的日变化特点，而局地闭合方案MYJ和非局地闭合方案YSU都能较好地刻画出10 m风速的日变化特点，但是两种方案模拟结果普遍高于实际观测值，这是因为模拟没有考虑地表建筑物的摩擦力，也与土地利用数据过于陈旧有关系，最终导致风速偏大.同时，不同行星边界层方案模拟风速的结果还存在昼夜差异，两种方案对夜间风速的模拟效果优于白天，因为白天和夜间陆面与边界层物理过程存在明显差异，导致WRF模式模拟的近地面气象场也存在一定差异.表3为吉林西部6个气象站点不同边界层方案对10 m风速的模拟统计情况，相关系数方面，两种方案相差不大，但是非局地闭合方案YSU的模拟值在均方根误差、平均偏差和平均误差方面，数值都更加接近零值，这说明YSU边界层方案与实际观测值偏差较小，更接近观测值.这主要因为两种边界层方案中的闭合方法不同，导致湍流交换能力出现差异.表明非局地闭合的YSU方案更适合吉林西部地区.

表3 2017年7月7日0时—7月8日18时MYJ、YSU方案模拟风速与观测值的统计比较

5 结论

在气象模拟中，基本天气要素对不同边界层参数化方案较为敏感，低层气象要素和地形、下垫面性质密切联系，同时与高层大气相互作用.本文通过模拟实验对局地闭合方案MYJ和非局地闭合方案YSU在吉林西部地区短期天气要素中的模拟性能进行了检验和分析，得出以下结论.

（1）WRF模式的两种边界层方案均能较好地模拟出吉林西部地区6个气象站点的温度场和风场的日变化规律特征.

（2）在阴雨天气条件下，以局地闭合为主的MYJ边界层方案模拟2 m气温的能力大于非局地闭合方案YSU，这与大气稳定程度有关，稳定的大气环境下，物质和能量交换以近地层局地闭合为主.

（3）关于10 m风速模拟方面，两种边界层参数化方案模拟结果普遍偏高，非局地闭合的YSU边界层方案更适合吉林西部地区，能很好地反映出风速的日变化状况，偏差也较MYJ方案更小，接近实际观测值.

在吉林西部地区，不同边界层方案对不同气象要素的模拟精度不同.关于边界层方案的选择有很多种，本文仅选取了其中两种进行模拟研究，其他方案在吉林西部的模拟精度还有待考证.同时，气候数值模拟本身是个复杂的过程，其他物理参数的设置也会影响其模拟精度，后续研究应耦合其他物理参数方案，以获得更好的模拟结果.