WRF-Chem 4.4.1对广东省气温宜居指标的模拟能力评估

肖宇坤，黄汝萍，何博翰，张羽，刘畅，宋翠婷

（1.广东省气候中心，广东广州 510640；2.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东广州 510640；3.广东省生态气象中心，广东广州 510640；4.雷州市气象局，广东雷州 524200）

气候条件是评价人类是否适宜居住的基础指标之一，是人口分布的重要影响因子。近年来，为了更好地利用气候资源，许多研究者通过不同的指标量化气候对人体舒适度、穿着和生态的影响，进而评估气候条件与人类居住环境之间的关系［1-5］。研究指出，WRF-Chem不仅能够较为合理地模拟出PM2.5、PM10、O3、SO2、NO2、CO的时空变化特征，而且能够模拟出气温、风速等气象要素的日变化、季节变化以及空间分布特征［6-8］。由此可见，WRF-Chem有潜力可以成为城市宜居性评价相关工作得力分析工具，但目前国内外关于利用区域模式对城市宜居性评价的相关研究却较少。

近些年，气温对广东的气候影响越来越突出［9-10］。因此，本研究通过评估区域模式模拟广东省气温宜居指标的能力，从而探讨区域模式用于研究广东省城市宜居能力的合理性。本研究基于广东省86个国家自动气象观测站的逐日气温资料，利用WRF-Chem 4.4.1区域模式对广东省平均气温、最高气温、最低气温的时空分布特征进行模拟评估，同时重点评估了WRFChem 4.4.1对6项广东省气温宜居指标（年适宜温度日数、7月平均最低气温、1月平均最高气温、年平均气温日较差、夏季平均气温日较差、冬季平均气温日较差）的模拟能力。

1 WRF-Chem模式简介及实验设计

1.1 模式简介

在2002年初，美国大气科学的国家研究机构、美国能源部所属的综合性多学科实验室、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）共同推出了将WRF（气象模式）和Chem（化学模式）在线完全耦合的新一代区域空气质量模式。NOAA在2021年8月25日正式推出WRF-Chem 4.4.1，并修复了如气候气溶胶选项逻辑检查等小错误。相比全球模式，区域模式WRF能够提供时空分辨率更为精细化的模拟结果［11］。因此该次研究选用WRF-Chem最新版本（4.4.1）对广东省气温及其宜居指标模拟能力进行评估。

1.2 模式设置

WRF 4.4版本用户指导手册中推荐了“CONUS”和“TROPICAL”两个物理参数包供区域模式模拟研究选择（https：／／www2.mmm.ucar.edu／wrf／users／docs／user_guide_v4／v4.4／users_guide_chap5.html），其中“CONUS”选项经过了大量的测试并显示出来十分合理的研究结果。该次研究中物理过程与“CONUS”保持一致，即THOMPSON V3.1微物理、TIEDTKE积云对流、UNIFIED-NOAH陆面过程和RRTMG长波辐射与短波辐射参数化方案。

模式时间从2000年12月1日00：00（北京时，下同）到2005年12月31日18：00，积分步长为60 s，前一个月作为初始化时间，每6 h输出一次模拟结果。模式水平分辨率为15 km，经纬度格点数分别为75和65个。虽然该次研究所拥有的计算机运算资源和存储空间无法完成更高分辨率以及更短的模式输出文件时间间隔，但是模式输出文件的时间具体为00：00、06：00、12：00、18：00，可以较为合理地反映出气温的日变化和最高、最低值。模式模拟区域如图1所示。

图1 模拟区域示意图

2 资料和指标计算方法

2.1 资料来源

本研究使用广东省气候中心整理的2001—2005年广东省86个常规地面观测站的逐日气温资料。数据经过包括极值检验、时间连续性检验等质量控制处理［12］。

模式所需的初始场资料来源于美国国家大气研究中心（NCAR）发布的地球系统模型（CESM1）第1版的全球偏差校正气候模型输出数据。该数据网格分辨率为1°×1°，时间分辨率为6 h（https：／／rda.ucar.edu／datasets／ds316.1／），选取时间段为2001—2005年。

图2 2001—2005年广东省各宜居指标模拟（填色）和观测（圆点）的空间分布

2.2 离群值的判断方法

离群值也叫异常值，即与其他数据点明显不同的测量值。在箱型图中：超过上4分位数1.5倍间距的值或者小于下4分位1.5倍间距的值被定义为离群值。离群值对一些统计量影响很大（如均值），因此本研究先对观测数据和模式数据进行离群值判别与剔除处理。

2.3 模式评估指标及气温宜居指标的选取

1）模式评估指标的选取。

本研究采用平均偏差MB、标准化平均误差NMB、标准化平均偏差NME、均方根误差RMSE以及相关系数R评估模式2001—2005年模拟结果与实际检测值的吻合程度。

2）气温宜居指标的选取。

本研究根据《气候资源评价气候宜居城镇》（QXT570-2020）［13］，选出与气候宜居相关的6个气温宜居评价指标（表1），初步评估模式对气温宜居模拟能力。

表1 气温宜居评价指标、阈值和评价等级

3 结果与分析

分析模拟结果时发现，WRF-Chem 4.4.1对广东省气温的模拟存在系统性偏差，具有准定常性。因此，本研究先基于历史观测数据对模拟的日平均气温和最高气温进行校正，然后再评估区域模式对广东省气温及其宜居性指标的模拟能力。

3.1 对广东省气温季节循环变化特征的模拟能力评估

表2给出了2001—2005年广东省全区平均的模拟气温与观测气温季节循环变化的相似性指标。该指标包括平均偏差（MB）、标准化平均误差（NMB）、标准化平均偏差（NME）、均方根误差（RMSE）以及相关系数（R）。

表2 2001—2005年广东省全区平均的模拟气温与观测气温季节循环变化的相似性指标

从表2可以看出，平均偏差、标准化平均误差、标准化平均偏差、均方根误差指标均在合理范围内，说明了模式模拟结果与观测结果较为一致。相关系数均通过99%的显著性检验，表明模式对广东省平均气温、最高气温、最低气温的季节循环变化特征具有较好的模拟能力，其中最低气温的模拟效果最好（相关系数为0.82），平均气温次之（相关系数为0.79），而最高气温的相关系数也达到了0.70。

3.2 对广东省气温宜居指标空间分布特征的模拟能力评估

从图2可以看出，WRF-Chem 4.4.1能够较好地模拟出广东省年平均气温（图2a）、最高气温（图2b）和最低气温（图2c）的空间分布特征，这与以往研究指出大多数值模式能够较好地模拟中国年平均最高气温和最低气温空间分布的结论［14］大体相符。

图2d-i表明模式能够较为合理地模拟出广东省气温宜居指标的空间分布。

具体而言，模式能很好地反映了年适宜温度日数在茂名市中部、清远市北部、粤东地区均存在大值区，而珠三角地区则呈小值区的空间分布特征（图2d）。从图2e可以看出，模式再现了7月平均最低气温在沿海地区、肇庆市、云浮市北部、清远市南部呈现大值区和粤北地区呈现小值区的空间分布特征。从图2f可以看出，1月平均最高气温的空间分布呈现从沿海至内陆逐渐降低的带状模态，特别是沿海地区存在三个气温大值区，分别是湛江和茂名地区、珠三角沿海地区、汕尾和汕头地区，模式则较好地模拟出观测结果的这个空间分布特征（图2f）。另外，关于气温日较差的空间分布特征，从图2g可以看出，该模式能较好地抓住了年平均气温日较差在河源和梅州、云浮、广州呈现大值区以及珠三角地区呈现小值区的观测分布特征，但在湛江北部地区存在高估现象（图2g）。对夏季平均日较差空间分布的模拟也大体与观测一致，但是在中山、江门、河源地区存在低估现象（图2h）。而模式模拟广东省冬季平均气温日较差效果相对差一点，存在整体高估的现象（图2i）。前人的研究也表明了相同的问题，即气温日较差在沿海地区的模拟值和观测结果相比存在不合理的情况［15-16］。而引起这一不合理情况的原因还有待进一步研究分析。

3.3 对广东省全区气温宜居指标分布范围的模拟能力评估

图3给出了2001—2005年广东省86个站点的年平均气温、最高气温、最低气温以及6个气温宜居指标的模拟（蓝色）与观测（红色）箱型图。该模式较好地抓住了平均气温（图3a）、最低气温（图3c）、年平均气温日较差（图3g）的变化范围，模拟值分别主要集中在21.6～23.8、18.1～21.4、7.4～8.8℃，中位值分别是23.3、19.6、8.1℃，这与相应变量观测值的主要范围和中位数较为贴近。此外，该模式很好地模拟出了最高气温的中位数（图3b），但是对7月平均最低气温、1月平均最高气温、冬季平均气温日较差的模拟存在高估的现象（图3e、3f、3i）。图3d、图3h则表明年适宜温度日数、夏季平均最低气温的模拟存在低估现象。结合以往的研究结果［17］，这种高估或者低估的模拟误差很可能来自于不准确的地表反照率分布所引起的。

3.4 对广东省气温宜居指标等级模拟能力评估

在实际业务应用过程中，宜居指标优良率达标是申请“中国气候宜居城市”的必备条件之一，因此本研究统计了模式模拟6个气温宜居指标优良等级的准确率。WRF-Chem 4.4.1模拟全省86个国家观测站的年适宜温度日数、7月平均最低气温、1月平均最高气温、年平均气温日较差、夏季平均气温日较差、冬季平均气温日较差优良等级的准确率分别为94.19%、94.19%、100%、95.35%、63.95%、98.84%。

4 结论

本研究基于广东省86个国家自动气象观测站的逐日气温资料，利用WRF-Chem 4.4.1对2001—2005年广东省平均气温、最高气温、最低气温以及6个气温宜居指标（年适宜温度日数、7月平均最低气温、1月平均最高气温、年平均气温日较差、夏季平均气温日较差、冬季平均气温日较差）进行模拟评估，主要得到以下结论：

1）WRF-Chem 4.4.1能够较好地模拟出广东省平均气温、最高气温和最低气温的季节循环变化特征。模拟结果与观测资料的相关系数分别是0.79、0.70、0.82，均通过了99%的显著性检验。

2）WRF-Chem 4.4.1不仅能够较好地模拟出广东省平均气温、最高气温、最低气温的空间分布特征，而且能够较为合理地模拟出广东省气温宜居指标（包括年适宜温度日数、7月平均最低气温、1月平均最高气温、年平均气温日较差和夏季平均气温日较差）的空间分布。此外，模式还较好地抓住了平均气温、最低气温、最高气温和1月平均最高气温在广东省沿海地区呈现3个大值区的特点，即分别位于湛江和茂名地区、珠三角沿海地区、汕尾和汕头地区。

3）WRF-Chem 4.4.1能够较好地模拟出广东省全区86个站点的平均气温、最高气温、最低气温、和年平均气温日较差的中位数和波动范围。但是，模式对7月平均最低气温、1月平均最高气温、冬季平均气温日较差的分布范围模拟存在高估的现象，而对年适宜温度日数、夏季平均最低气温则存在低估现象。

4）WRF-Chem 4.4.1能够较好地模拟出广东省2001—2005年适宜温度日数、7月平均最低气温、1月平均最高气温、年平均气温日较差、夏季平均气温日较差、冬季平均气温日较差的优良等级。模式模拟6个气温适宜指标的准确率分别为91.86%、94.19%、100.00%、68.60%、67.44%、98.84%。