Noah-MP 陆面模式在东疆黑戈壁的适用性

阿吉古丽·沙依提，王 豫，买买提艾力·买买提依明*，高佳程，刘军建，琚陈相，杨 帆

（1.中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所/新疆塔克拉玛干沙漠气象国家野外科学观测研究站/中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地，新疆 乌鲁木齐 830002；2.新疆沙漠气象与沙尘暴重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；3.中国气象局树木年轮理化重点实验室，新疆 乌鲁木齐 830002；4.新疆气象学会，新疆 乌鲁木齐 830002）

陆面过程作为地球各圈层相互作用的纽带，其表现不仅受区域气候状况的影响，而且与下垫面特性密切相关[1-3]。陆面模型是用来探索地—气能量和物质交换的重要工具，同时也是全球气候、气象模式和大气化学模式中的基础组成部分[4-5]。伴随对陆面过程的深入认识，陆面模式的相关研究得到快速发展。1970 年以来，一系列大型陆面过程观测实验相继展开，促进了陆面模式的快速发展，最初简单的“水桶”模式已被考虑植被生化过程和碳循环的第三代陆面模式所取代。在陆面模式大量增加的同时，各种陆面参数化方案和陆面模式的比较计划也不断出现[6-7]。目前应用较广泛的陆面模式有Noah LSM、SSiB、CLM、CABLE 等[8-10]。其中，Noah 陆面模式是在OSU（Oregon State University）模式的基础上，由众多研究机构共同发展的[11]，为当前陆面模式中的主流模式之一。Noah 陆面模式包括土壤热力和水汽传导2 个方程，分别采用常用的热扩散方程及Richards方程计算土壤温度和土壤含水量，利用雷诺数方法确定热量粗糙度与动量粗糙度两者的比率。冠层阻抗的计算考虑了土壤的有效水分和大气条件（即Jarvis 方案），而且Noah 模式还加入了地表径流方案[12]，适用于干旱半干旱地区。陆面过程参数的参数化方案能够反映下垫面动力学和热力学等特性，是控制陆—气相互作用的重要因子，在陆面模式与气候模型的模拟预测中扮演关键角色[13-15]。因此，确定最佳陆面过程参数化方案，不仅为深入理解陆气相互作用机制、优化参数化方案及改进模式预报提供重要依据，而且对认识当前气候状态及提高气候预测水平具有重要意义。

戈壁在中国西北地区分布范围广阔[16]，面积约为66.1 万km2，占我国总国土面积的6.9%[17]。戈壁作为干旱半干旱区一种特殊的下垫面，和周围绿洲的水汽、能量交换对局地大气环流和小气候产生重要影响[18-19]。位于新疆东部哈密地区的黑戈壁区域是太阳能资源丰富的生态脆弱区，气候恶劣、人迹罕至及黑色砾石下垫等特点使其在干旱半干旱区气候过程中扮演着重要角色[20]。近年来，在我国干旱半干旱区域已陆续开展了一系列陆面观测实验，获得了很多有价值的观测和分析结果[21，22]。另外，很多学者利用各种陆面模式开展了干旱半干旱区陆面过程的模拟实验，评价不同模式和参数化方案在该区域的适用性[23-25]。但目前有关东疆黑戈壁陆面过程参数的研究报道相对较少，如何选取合适的关键参数化方案来提升陆面模式在戈壁地区模拟性能的研究工作尚未深入开展。

本文利用东疆黑戈壁红柳河陆气相互作用观测站资料，对该地域地表粗糙度、地表反照率、土壤导热率及地表比辐射率进行分析，并将得到的参数替换为Noah 模式驱动数据中已有的参数，对戈壁地区的陆面过程进行模拟，为进一步认识该区域陆面过程参数特征提供科学依据。

1 数据与方法

1.1 站点资料

红柳河站位于新疆东部哈密地区和甘肃省交界处，周围上百公里内无其他测站。土壤发育微弱，石膏化过程和积盐过程突出，表层有极不稳定的孔状结皮，其下为棕红色紧实层及石膏层，其下的心土层为石膏结晶层，土壤发育为石膏棕色荒漠土[26]。该戈壁为暖性干旱极干旱气候，年均气温为6.1 ℃，极端气温最高可达40.6 ℃，最低可至-35.1 ℃，年降水量不超过50.9 mm[27]。下垫面以砾石、沙砾为主，地表植被覆盖稀疏，盖度不足10%[20]。本文观测数据来自红柳河站位于新疆东部哈密地区黑戈壁区域建立的红柳河陆气相互作用观测站（简称“红柳河站”，41°32′N，94°43′ E，海拔1 579 m，图1）。

图1 红柳河站地理位置示意图（a）及观测场照片（b）

1.2 模式介绍

Noah-MP 是Niu[9]和Yang[10]在Noah LSM 模式的基础上构建的具有多个参数化方案选项的陆面模式，其继承了Noah LSM 水热耦合过程全面的优点，并在此基础上有机的耦合了多种不同陆面模式（如CLM，SSiB 等）中的植被冠层、辐射传输方案和水文模块，使得研究人员可根据研究需要灵活的设置不同的陆面参数化方案组合[28]。Noah-MP 中内置了包含12 种物理过程在内的31 个参数化方案（表1），本研究将这些物理过程分为3 类，分别是植被过程（简称“veg”，包含DVEG，CRS，SFC，RAD）、土壤过程（简称“soil”，包含BTR，TBOT，INF）和冰、雪、径流等水文过程（简称“water”，包含RUN，FRZ，SNF，STC，ALB）。

表1 Noah-MP 中的参数化方案

通过控制单一类型陆面过程中的所有机制改变，保持其他两类陆面过程的机制选项与默认方案相同，进行全面实验，研究每类陆面过程中所有方案组合对热通量模拟结果的扰动，确定每类陆面过程对于热通量模拟的贡献，得到影响Noah-MP 对热通量模拟的主导陆面过程类型。在识别出对热通量模拟影响较大的陆面过程的基础上，通过控制单个物理过程参数化方案的改变、其他物理过程与默认方案保持一致，通过统计分析，可评估此组合对热通量模拟的不确定性。本研究中，针对以上描述的3 类过程12 种物理过程，选择各种参数化方案进行了8种离线试验，从而找出该地区最敏感和预报效果最好的参数化方案（表2）。用最优参数化方案组合与模式默认参数化方案进行对比，定量评价最优参数方案的模拟能力。考虑到戈壁下垫面地形，依据Noah-MP 陆面模式技术文档，在组合试验中将Opt_dveg（动态植被模型），Opt_frz（过冷水过程），Opt_inf（冻土渗透过程），Opt_rad（冠层辐射传输），Opt_alb（积雪反照率），Opt_tbot（土壤底部温度），Opt_stc（雪/土温积分）定为固定值。

表2 Noah-MP 参数化方案优选试验方案

1.3 评估方法

为了更好地评价模式的模拟效果，本研究中使用均方根误差（RMSE，Root-Mean Square Error）、平均偏差（MB，Mean Bias）、模式效率指数（NSE，Nash-Stucliffe Forecasting Efficiency）等统计变量进行统计。RMSE可直观地给出模拟值与观测值之间的偏差，值越小，模拟越接近观测值；MB是用来计算模拟结果的准确度，值越小越好；NSE是用来评估模式可预报性能力，其取值范围从负无穷到1.0，等于1.0 时，说明模式完美。计算公式如下：

式中：N 为数据的个数，Mi为某一时刻的模拟值，Oi为对应时刻的观测值为观测平均值。

1.4 陆面模式在线耦合试验

睿图—中亚系统（RMAPS-CA）以WRF v4.0 和WRFDA v4.0 为核心，采用两重嵌套，全疆水平分辨率3 km，中亚区域水平分辨率为9 km（图2），采用三维变分同化技术，以U/V 为控制变量进行多元观测资料的同化分析，目前每日运行8 次（00/06/12/18UTC），最长预报时效80 h。模式物理过程设置为：WSM6 云微物理方案[29]，K-F 对流参数化方案（D02无积云对流方案）[30]，ACM2 边界层参数化方案[31]，RRTMG 长波和短波辐射方案[32]和NOAH 陆面方案[33]。

图2 睿图—中亚区域数值预报模式系统预报区域

为了检验陆面过程Noah-MP 方案在RMAPSCA 系统中的预报效果，用于检验的预报样本时间段为2017 年1 月1 日00 时（UTC，下同）—1 月31日12 时和2017 年7 月1 日00 时—7 月31 日12时，每天2 次（00 时UTC 和12 时UTC）更新循环预报，每次预报时效为24 h，样本总数为124 个。选取冬夏两季代表月整月时间段作Noah-MP 方案和Noah 方案的预报性能比较，能更充分地了解Noah-MP 陆面方案在新疆区域的预报表现。利用气象学上通用的MET V7.0（Model Evaluation Tools）检验平台，检验用的实况数据从新疆气象信息中心Cimiss数据库中获取。一是对Noah-MP 和Noah 两个方案的高空和地面的模式预报量（高空：温度、U 风、V风、位势高度；地面：2 m 温度、10 m 风速）进行站点检验评分。为公平比较2 个系统的预报效果，将检验范围限定为整个D02 的新疆区域。给出预报相对于常规探空和地面观测的均方根误差和平均偏差。

2 结果与讨论

2.1 不同参数化方案组合模拟实验

采用Noah-MP 单点模式进行模拟，其运行机制为某一时刻的输入数据仅会产生同一时刻和所设置步长内的输出结果。使用2019 年8 月8 日—11月12 日经填充的气象数据在模型中进行8 次循环使模型稳定（经过一次完整时间序列的模拟称为1次循环），取第8 次的输出数据作为模拟的最终结果。采用每半小时的数据进行研究。

表3 和表4 给出的是参数化方案组合后针对感热通量、潜热通量、净辐射、地表温度、10 cm 土壤温度和10 cm 土壤湿度模拟对比结果。由表3 可以看出，依据MB 和NSE 结果，第二种组合方案对感热通量的模拟误差最小（18.28 W·m-2），模式效率指数达到0.74，属于模拟比实际偏高。从模拟的效果来看，影响感热通量最大的是植被过程和水文过程，植被过程中湍流输送过程参数化方案影响最大，水文过程中径流和地下水参数化方案影响最大；对于潜热通量，看不出影响特别大的参数化方案组合，试验1#、3#、4#、5#的RMSE 和NSE 一模一样，说明这4种组合对潜热通量模拟是一致的。8 种参数化方案组合对净辐射的模拟效果都不错，模式效率指数普遍达到0.95 以上，其中第二种参数化方案组合模式效率指数最高，为0.98，模拟误差最小（14.92 W·m-2），属于模拟比实测偏高。从模式效率指数可以看出，湍流输送过程参数化方案对净辐射的影响最大；对于土壤地表温度，8 种参数化方案的模拟效果都不错，模式效率指数都在0.91 以上，其中第二种参数化方案的模式效率达0.96，模拟误差为-1.19 ℃，说明模式预报地表温度偏低1.2 ℃左右。

表3 不同物理过程对红柳河地区感热通量、潜热通量、净辐射和土壤地表温度模拟的影响

表4 不同物理过程对红柳河地区10 cm 土壤温度和土壤湿度模拟的影响

由表4 可以看出，8 种参数化方案组合对土壤湿度的模拟效果不如感热通量、净辐射和土壤地表温度。8 种方案的模式效率指数在0.19 以上，其中第七种方案的模式效率指数达到0.278，土壤湿度的误差为0.085 8 m3·m-3，平均误差为-0.027 46 m3·m-3，说明模式预报土壤湿度偏干；对于土壤10 cm温度来说，8 种方案中，第一种方案即模式默认方案的预报效率指数最高，达0.695，误差在1.2 ℃左右，第二种方案虽然模式效率指数不是最高，但模拟和实测误差最小的一种方案，土壤10cm 温度误差为0.4 ℃，即模式预报结果比实测低0.4 ℃。

2.2 模式默认参数化方案与最优参数化方案对比

根据以上误差和模式预报效率指数，确定了12种物理过程的最佳参数方案组合，即第9 个试验。该试验方案中针对植被过程中的冠层气孔阻抗方案（CRS）选择了Jarvis 动态方案（编号为2），湍流输送过程方案（SFC）选择了Chen97 方案，冠层辐射传输（RAD）选择了基于植被覆盖度的植被间隙方案；针对土壤过程中的土壤因子（BTR），选择了Noah 方案；针对地表水文过程中的径流和地下水（RUN），选择了SIMTOP 方案。由表3～4 可知，最优组合方案对感热通量、净辐射通量、0 cm 土壤地表温度预报效果最好，但对潜热通量、10 cm 土壤湿度和10 cm 土壤温度的预报效果不太理想，可能戈壁地区潜热通量整天都很小，甚至可以忽略[34]，因此潜热通量变化本来就不明显。另外，由于Noah-MP 模式使用均质土壤类型，不考虑土壤质地的垂直变化[35]，且本文计算土壤参数的过程中没有考虑其他原因（如有机质含量，参数随深度的变化）影响，造成10 cm 的土壤温湿度预报效果不理想。

由图3～8 可知，无论是模式默认参数化方案还是本研究提出来的最优参数化方案，对感热通量，净辐射、地表温度、10 cm 土壤温度预报的效果比较好，其中对感热通量，净辐射、地表温度本研究提出的最有参数化方案效果最佳。对于10 cm 土壤湿度和潜热通量，两种参数化方案都很好的模拟了潜热和土壤湿度的变化趋势，但预报数值幅度差异较大。Noah-MP 模式默认参数化方案，对潜热通量预报效果较好。对于10 cm 土壤湿度，除了下雨前后没有捕捉到以外，模式默认参数化方案预报效果与实况更加接近，本研究提出的最优参数化方案预报值偏大。

图3 2019 年9 月感热通量实测与模拟效果对比

图4 2019 年9 月潜热通量实测与模拟效果对比

图5 净辐射实测与模拟效果对比

图7 10 cm 土壤温度实测与模拟效果对比

图8 10 cm 土壤湿度实测与模拟效果对比

2.3 陆面模式在线耦合试验

从哈密国家站2 m 温度24 h 预报的检验结果（表5）可知，Noah-MP 在RMAPS-CA 系统中2 m 温度的预报效果整体优于Noah，红柳河站的冬季的预报偏差减小0.52 ℃，减小37.3%，夏季的2 m 温度预报略差于Noah 的预报效果，增大0.03 ℃，增大5%。Noah-MP 方案对七角井、淖毛湖、伊吾、沁城4个国家站的2 m 温度预报偏差均小于Noah。Noah-MP 在红柳河站2 m 温度的均方根误差均小于Noah，分别减小1.06 和0.10，减小率为26.9%和5.4%，Noah-MP 对七角井、淖毛湖、伊吾、沁城的冬季2 m 温度均方根误差也小于Noah，对夏季七角井、淖毛湖、伊吾、哈密的夏季2 m 温度均方根误差也小于Noah。

表5 哈密地区国家站2 m 温度24 h 预报的检验结果 ℃

从哈密国家站10 m 风速24 h 预报的检验结果（表6）可知，Noah-MP 在RMAPS-CA 系统中10 m风速的预报效果和Noah 各有优劣，红柳河站冬季的预报偏差增大0.02 m·s-1，增大4.4%，夏季的10 m风速预报差于Noah 的预报效果，增大0.67 m·s-1，增大369.25%。Noah-MP 方案在冬季对淖毛湖、伊吾24 个国家站的10 m 风速预报偏差均小于Noah。在夏季对七角井、巴里坤、哈密、沁城4 个国家站的10 m风速预报偏差均小于Noah。在2 m 温度的均方根在检验评分看，Noah-MP 在红柳河站的均方根误差冬季小于Noah，减小0.11 m·s-1，减小率为5.6%，夏季大于Noah，增大0.39 m·s-1，增大率为20.2%，Noah-MP 对伊吾、哈密的冬季10 m 风速均方根误差也小于Noah，对夏季七角井、巴里坤、伊吾的10 m 风速均方根误差小于Noah。

表6 哈密地区国家站10 m 风速24 h 预报的检验结果 m·s-1

3 结论

本文基于陆气相互作用观测数据集，开展了Noah-MP 的离线模拟试验，找出适合于戈壁区域的最佳参数化方案，并给出了土壤湿度对戈壁区域陆气热交换的影响，得到如下结论：

（1）针对感热通量、潜热通量，第二种参数化方案组合对感热通量的模拟误差最小（18.28 W·m-2），模式效率指数达到0.74，模拟值偏高。针对净辐射通量，8 种参数化方案组合的模式效率指数均达到0.95 以上，其中第二种参数化方案组合模式效率指数最高，为0.975，模拟误差最小（14.92 W·m-2）。

（2）针对土壤地表温度，8 种参数化方案组合的模拟效果均不错，模式效率指数都在0.91 以上，其中第二种参数化方案的模式效率达0.96，模拟误差为-1.19 ℃，说明模式预报地表温度偏低1.2 ℃左右。针对土壤湿度，模式的模拟效果均不好，效率指数在0.19 以上，其中第七种方案的模式效率指数达到0.278，平均误差为-0.027 46 m3·m-3，模式预报土壤湿度偏干。针对土壤10 cm 温度，第一种方案即模式默认方案的预报效率指数最高，误差在1.2 ℃左右，第二种方案虽然模式效率指数不是最高，但是为模拟和实测误差最小的一种方案，模式预报结果比实测低0.4 ℃。

（3）从陆面模式在线耦合结果来看，Noah-MP在RMAPS-CA 系统中2 m 温度的预报效果整体要优于Noah。第二种方案在东疆黑戈壁地区的普适性最高。