不同土地利用数据对中国西北地区风速模拟的影响

基于中尺度数值模式WRF,利用2015年7月和12月国家基本气象站观测的10 m风速资料、MODIS卫星遥感反演的IGBP土地利用数据和WRF模式自带的USGS土地利用数据,研究了不同土地利用数据对WRF模式在西北地区复杂地形条件下10 m风速模拟的影响。结果表明:(1)使用IGBP土地利用数据能有效改进模式10 m风速逐日变化和随不同预报时效变化的模拟效果。其中对2015年7月和12月模拟效果均有改进,且对12月10 m风速改进更加显著。(2)IGBP土地利用数据对西北地区不同区域风速数值模拟误差改进不同,主要改进区域位于甘肃河东、宁夏北部和陕西南部地区。(3)使用IGBP土地利用数据对模拟10 m风速的改进可能是由于其对地面粗糙度数据的改进。     

WRF模式对福建沿海风电场风速预测的效果分析

在WRF模式中选取不同的边界层、近地面层以及陆面过程参数化方案,设计了4种不同物理过程参数化方案,组合模拟福建沿海某测风塔站2010年1月1—11日和7月1—11日的逐时风速,将数值模拟结果和同期测风塔观测数据进行对比,以寻求最佳参数化方案。经分析比较,采用MYJ边界层方案,Monin-Obukhov近地面层方案以及Noah陆面过程方案的方案2模拟效果最好。使用该方案对2010年1月和7月的风速进行模拟,按不同风速级别分别对数值模拟结果进行对比分析,结果表明:方案2对6~15m/s风速模拟的平均相对误差在20%左右,能够满足风电预测的精度需求;而对0~6m/s风速模拟的误差相对较大,这可能是由于模式地形分辨率不够精细以及风塔所处海陆交界处的特殊位置,使低风速容易受地面扰动以及海陆气流影响所致。     

两种边界层参数化方案和下垫面信息对一次暴雨过程模拟的影响

基于中尺度大气数值模式WRF,检验分析YSU和MYJ两种边界层参数化方案和分辨率分别为1 km(称为USGS)和500 m(称为MODIS)的两类下垫面资料对2014年5月9—12日青岛一次暴雨过程模拟的影响。分析表明,YSU和MYJ方案都能模拟出强降雨带的位置和强度,MYJ试验对大雨TS评分高达0.88,YSU对暴雨TS评分为0.65;和USGS试验相比,MODIS试验提高了暴雨的TS评分,提高率为6.2%,但对大雨仍易空报。YSU、MYJ和MODIS试验较好地模拟了2 m气温、10 m风向。YSU模拟的2 m气温准确率是降雨前优于降雨开始后,MYJ则相反;MODIS试验预报沿海地区气温偏高。和USGS相比,MODIS提高了近地面风速和风向的模拟精度。总体上,所有试验方案对所考虑气象要素的模拟,基本上是内陆站准确率高于沿海站,YSU优于MYJ,MODIS优于USGS。     

WRF模式对济南地区夏季近地面气象场模拟效果评估

不同地区中尺度气象模式WRF的模拟性能存在明显差异,本文利用数值模拟和统计方法,评估了WRF模式在济南地区的模拟性能,并对比研究地形和土地利用对WRF模式模拟性能的影响,为WRF模式在济南地区的业务化运行提供参考。结果表明:WRF模式能较准确的模拟济南地区近地面气象场及其时间变化特征;统计分析发现,WRF模式对济南地区近地面气温、比湿、风速及风向的模拟准确率分别为72.5%、59.6%、29.4%和36.2%。WRF模式模拟的济南地区夏季比湿偏低、风速偏高,模拟的风速存在系统性偏差。下垫面对WRF模式的模拟结果有显著影响,10 m风速的均方根误差(RMSE)与地形、坡度、模式格点和观测站点的地形偏差显著相关,与坡度的相关系数最大;2 m气温的RMSE仅与地形偏差显著相关,在复杂地形区比较站点观测气温与模式格点气温时,需考虑地形偏差的影响。     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

中国区域近地面风速动力降尺度研究

利用2006年NCEP FNL再分析资料和气象站点观测资料,评估中国区域近地面风速WRF动力降尺度效果。结果表明:WRF模式显著高估近地面风速,在风速较大(小)的区域,WRF模式低(高)估了近地面风速;春季和冬季WRF模式模拟的近地面风速误差较大,夏季和秋季模拟的风速误差相对较小;西北干旱区、青藏高原和华南地区WRF模式模拟的风速误差较大,其他地区风速误差相对较小;3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2)中ACM2方案模拟的风速偏差最小。     

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。     

南京复杂下垫面条件下的三维城市热环境模拟

运用WRF模式,选取考虑城市冠层结构(UCM算例)及不考虑城市冠层(NOUCM算例)两种城市下垫面参数化方案,对南京2010年夏季晴天小风典型天气条件下的城市热环境以及不同下垫面的边界层特征进行了模拟研究。结果表明:1)UCM方案模拟结果与实际情况较为吻合。其中2 m气温的模拟有较大的改进,模拟结果明显高于NOUCM方案,与观测更为吻合,同时更好地模拟出了冠层建筑物对于近地层风速的拖曳,10 m风速的模拟有非常明显地提高。2)UCM方案较好地模拟出了城市的三维热岛分布。由于建筑物地表对辐射的截留,白天14时(北京时间,下同)热岛较强,地面2 m高度处热岛范围较大,热岛面积大约为120 km2,强度为2℃。同时建筑物的存在使得城市湍流动能更大,向上的垂直扩散增加,距地面20 m时,依然能看出明显的热岛效应,热岛强度为1.5℃。距地面55 m处,UCM模拟所得的热岛范围缩小,热岛强度为1.1℃。UCM模拟所得的白天地表热量的扩散影响可达143 m,02:00 2 m处热岛最强为2℃,热岛影响也可达70 m以上。3)不同下垫面呈现出了不同的边界层特征,城市冠层结构对周边下垫面边界层结构存在程度不等的影响,14:00城市区域的湍流混合更强,城市边界层高度升高100 m左右,02:00,城市冠层结构的存在,导致近郊庄稼下垫面及紫金山植被下垫面的稳定逆温层结明显减弱。     

苏通大桥桥位江面风速的数值试验

用WRF中尺度模式对苏通大桥桥位江面的风速进行了数值模拟。在修改了模式自带的静态地形数据后模拟效果较修改前有所改善。并发现在对天气系统有较准确模拟的情况下模式对桥位江面最大风速的模拟也较为精确,反之结果相差较多。挑选了其中两个个例并使用修改过静态地形数据的模式分别对地形和一些物理方案作敏感性试验,发现各种因素对模拟结果都有着不同程度的影响,起决定性作用的是水陆分布;在没有强对流天气系统的情况下各种微物理参数化方案对模拟结果均不产生明显影响;模拟时需加入长短波辐射参数化和边界层参数化方案,并且其中YSU边界层参数化方案的模拟结果最为理想。在缺乏江面风观测数据的时段里模式对江面风速的模拟结果具有一定的参考价值。     

基于土地利用和人为热修正的城市夏季高温数值试验

为了评估土地利用变化和人为热对区域气象环境产生的影响,同时针对WRF模式对城市土地利用和人为热刻画不够准确的现状,以上海为例,选用GLC2009对WRF中上海地区原有数据进行修正。通过楼层信息将上海市分为三类(商业区、高强度区、低强度区),同时重新估算了人为热通量和人为热释放日变化系数。利用WRF/UCM对2010年8月11—17日的一次高温过程进行了模拟试验。与观测资料的对比表明:新的土地利用数据较真实地反映了上海地区下垫面的变化,尤其是大规模建设导致的城市功能区变化;使用新的土地利用和人为热数据,温度和比湿模拟的平均偏差分别改善了1.95 ℃和0.713 g/kg;高温范围和比湿对土地利用的改变最敏感,高温强度对人为热最敏感。      

地表利用城市化在一次极端高温过程数值模拟中的影响

地表种类的城市化对城市区域的热力结构和局地环流都会产生巨大的影响。利用地面、高空观测资料和MODIS地表覆盖资料,使用耦合城市冠层模式(UCM)的区域中尺度数值模式(WRF),对2013年8月8日福州地区的一次极端高温天气过程进行数值模拟,研究地表利用变化对福州城市热岛效应及其对福州城市区域局地环流的影响。结果表明:地表利用的城市化使得午后城市热岛现象更加明显而夜间热岛效应呈现出减小的趋势;地表利用城市化后,中心城区的近地面风速减小,但城区与山区以及城区与海洋之间的局地热力环流明显加强,促进了山谷风和海陆风环流的发展;同时地表加热效应增强,促进了垂直运动的发展。      

Modeling the impact of urbanization on the local and regional climate in Yangtze River Delta, China

The Yangtze River Delta Economic Belt is one of the most active and developed areas in China and has experienced quick urbanization with fast economic development. The weather research and forecasting model (WRF), with a single-layer urban canopy parameterization scheme, is used to simulate the influence of urbanization on climate at local and regional scales in this area. The months January and July, over a 5-year period (2003–2007), were selected to represent the winter and summer climate. Two simulation scenarios were designed to investigate the impacts of urbanization: (1) no urban areas and (2) urban land cover determined by MODIS satellite observations in 2005. Simulated near-surface temperature, wind speed and specific humidity agree well with the corresponding measurements. By comparing the simulations of the two scenarios, differences in near-surface temperature, wind speed and precipitation were quantified. The conversion of rural land (mostly irrigation cropland) to urban land cover results in significant changes to near-surface temperature, humidity, wind speed and precipitation. The mean near-surface temperature in urbanized areas increases on average by 0.45?±?0.43°C in winter and 1.9?±?0.55°C in summer; the diurnal temperature range in urbanized areas decreases on average by 0.13?±?0.73°C in winter and 0.55?±?0.84°C in summer. Precipitation increases about 15% over urban or leeward areas in summer and changes slightly in winter. The urbanization impact in summer is stronger and covers a larger area than that in winter due to the regional east-Asian monsoon climate characterized by warm, wet summers and cool, dry winters.     

A MODELING STUDY OF INHOMOGENEOUS COASTAL GALES ASSOCIATED WITH THE LANDFALL OF TYPHOON SOUDELOR (2015)

In this study, coastal gales and rainfall attributed to the landfall of Typhoon Soudelor (2015) are analyzed based on observational dense automatic weather stations data, advanced scatterometer-retrieved 10-m ocean surface wind data and simulations using the Weather Research and Forecast (WRF) model. This study focuses on gale bands in the right-front quadrant of the typhoon and associated coastal winds over Zhejiang and Fujian Provinces in China before the landfall of the typhoon. The results are summarized as follows. (1) 10-m surface wind data from automatic weather stations over land and islands, advanced scatterometer-retrieved 10-m ocean surface wind data, and the WRF simulation indicate similar mesoscale offshore gales. (2) The model simulation with a 333-m grid mesh indicates a gale zone over the right-front quadrant of the typhoon; the gale is “broken” over the coastal areas, and formed an inhomogeneous gale band. (3) The model-simulated winds agree well with the island observations. (4) Non-uniform gales over boundary layers result in horizontal wind-speed gradients and strong convergence that favors the development of convection and the maintenance of ocean surface gales.     

Evaluation of the Forecast Accuracy of Near-Surface Temperature and Wind in Northwest China Based on the WRF Model

This study investigated the performance of the mesoscale Weather Research and Forecasting (WRF) model in predicting near-surface atmospheric temperature and wind for a complex underlying surface in Northwest China in June and December 2015. The spatial distribution of the monthly average bias errors in the forecasts of 2-m temperature and 10-m wind speed is analyzed first. It is found that the forecast errors for 2-m temperature and 10-m wind speed in June are strongly correlated with the terrain distribution. However, this type of correlation is not apparent in December, perhaps due to the inaccurate specification of the surface albedo and freezing–thawing process of frozen soil in winter in Northwest China in the WRF model. In addition, the WRF model is able to reproduce the diurnal variation in 2-m temperature and 10-m wind speed, although with weakened magnitude. Elevations and land-use types have strong influences on the forecast of near-surface variables with seasonal variations. The overall results imply that accurate specification of the complex underlying surface and seasonal changes in land cover is necessary for improving near-surface forecasts over Northwest China.     

基于MODIS数据的土地覆盖资料对长三角城市群区域夏季高温模拟的影响评估

随着长三角地区经济发展的同时,人类活动对自然环境产生了很大影响,其中土地覆盖状况变化显著,尤以城市化扩展为主。为了评估土地覆盖资料对天气过程的数值模拟影响,了解土地覆盖变化对区域气象环境产生的作用,本文利用中尺度数值天气模式WRFV3.0/Noah/UCM,选取2005年250 m分辨率的MOD IS数据制作土地覆盖资料,针对2007年7月长三角地区一次夏季高温过程进行数值试验,分析表明:新的土地覆盖资料更真实地反映了长三角地区的下垫面结构,尤其体现出区域内城市群面积快速增长的特征。将模拟结果与高分辨率的气象站观测资料对比,统计结果显示精细化土地覆盖资料的引入明显改善了模拟效果,较真实的反映出城市化发展对区域气象环境的影响作用。     

修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因,将方案中影响关键参数C_t的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。     

上海市土地利用资料优化方案对WRF模式模拟高温过程的影响

在WRF模拟中,默认的土地利用数据与实际土地利用情况差异较大,因此会影响模式的模拟效果。为此,许多学者提出了更新城市土地利用数据的方案。最简单的方法是仅就城市建成区面积进行修正。但因城市地表具有非均匀性,进而又提出了将建成区进一步精细化分类。然而,在研究土地利用资料对WRF模式影响的文献中,绝大多数研究仅是就某种资料更新前后的模拟效果进行比较,并未将城市面积改变、城市非均匀性这两个因子进行区分。本文综合考虑了面积修正与精细化分类这两个因子,根据面积修正方案和两种精细化方案生成了3种土地利用的优化数据,并结合默认土地数据共设置了4个算例对上海市2018年8月和2019年8月两次高温天气过程进行了模拟,通过对结果进行比较分析发现:1）对WRF土地利用数据进行优化后,改善了温度、相对湿度和风速的模拟效果。2）城市建成区面积是影响温度最关键的因子,面积修正使温度的平均均方根误差（RMSE）降低了0.86°C,在此基础上的精细化分类使平均RMSE最多降低了0.04°C。3）城市的精细化分类是影响风速和相对湿度的主要因子,面积修正使风速的平均RMSE仅降低0.04 m/s,而精细化分类可使其RMSE再进一步降低最多0.19 m/s;面积修正使相对湿度的平均RMSE仅降低0.23%,而精细化分类可使其RMSE再进一步降低最多2.25%。4）总体说来,精细化分类方案在一定程度上考虑了城市的非均匀性,因此对于温度、相对湿度和风速模拟结果的改善程度更大,且分类越细致,效果越好。     

复杂下垫面风电场风速数值模拟及误差特征

利用WRF模式分别对沿海及山地条件下风电场风速进行高分辨数值模拟,并对其误差特征进行分析,结果表明:1)WRF模式对复杂地形条件下的风速模拟性能良好,模拟值较好地体现天气尺度的周期变化;2)沿海及山地条件下模拟与观测的误差特征各不相同。模式静态数据未能显现沿海的小岛,并且低估了山地测风塔所在的海拔,导致沿海平均模拟风速偏大,山地平均模拟风速偏小;3)分析不同风向的归一化均方根误差,沿海陆风情况下,下垫面相对复杂,误差明显增大;沿海海风情况下,下垫面均一,误差明显减小;4)仅作单个风电场周边数百平方千米的模拟,采用一台12核的服务器进行WRF模式的并行计算可满足48 h短期预测的时效性。仅仅提高模拟的网格分辨率,并不一定能提升模拟的准确性。