张果,主要从事陆面过程参数化研究.Email:
文章对天气研究和预报(WRF)模式中两套陆面物理过程参数化方案:Noah及Noah-MP,在整个东亚区域做了评估。评估时间分别为2013年1和7月。通过对地表通量、2 m温度、10 m风速、地表温度、第一层(5 cm)及第二层(25 cm)土壤含水量和第一层(5 cm)及第三层(70 cm)土壤温度的偏差和均方根误差的评估,发现:(1) 与Noah陆面参数化方案相比,冬季,Noah-MP方案模拟的地表感热通量在大部分区域偏低,而对地表潜热通量的模拟在大部分区域偏高;夏季,Noah-MP方案对感热通量的模拟值,在印度次大陆、中国西部和相邻区域以及中国东北及其以北地区偏低,其他地区偏高,而对地表潜热通量的模拟在大部分地区偏高,而且幅度明显高于1月。(2) Noah-MP方案提高了土壤水分和土壤温度在东亚区域的整体模拟效果。(3) 相较于Noah方案,Noah-MP方案模拟的2 m温度和10 m风的误差较小,特别对印度大陆和高寒地区的2 m温度模拟有较大幅度的提高。此研究证明了Noah-MP在东亚区域的应用优势,为WRF/Noah-MP在未来的进一步业务应用提供了一定的参考依据。
In this study, two land surface schemes (LSSs), Noah LSS and Noah-MP LSS, are evaluated over the East Asian Region for January and July in 2013. Through the evaluation of 2-m air temperature, 10-m wind speed, surface temperature, soil temperature at depths of 5 cm and 70 cm, and soil moisture at depths of 5 cm and 25 cm, the results showed that: (1) Compared to Noah LSS, Noah-MP LSS produces less surface sensible heat flux but more latent heat flux in January in most areas. Noah-MP LSS produces more sensible heat flux except for Indian continent, western China and its adjacent regions, northeastern China in July, also more latent heat flux in most areas. The magnitude of increase in latent heat flux in July is larger than in January. (2) Compared to Noah LSS, Noah-MP LSS improves the overall simulation of soil moisture and soil temperature over the East Asian Region. (3) Compared to Noah LSS, the bias and root-mean-squared-error of simulated 2-m air temperature and 10-m wind speed with Noah-MP LSS decrease, especially the simulation for the 2-m air temperature over Indian continent and cold climate regions is improved significantly. This study indicates the advantage of coupled Noah-MP over the East Asian Region, and provides the basis for WRF/Noah-MP in future operational application.
陆面过程,是指发生在大气、地表(即下垫面,例如植被、雪盖、冰川等)和土壤层之间的能量、水分和动量交互作用的过程总和。陆面过程参数化则是针对各个过程的物理机制建立起来的计算机模型,从而对陆面过程问题进行研究分析(
由美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)开发的天气研究和预报(Weather Research and Forecasting,WRF)中尺度模式在科研和业务中应用广泛。在WRF3.5中有6个陆面过程参数化方案,Noah-MP是最近耦合进WRF模式中的陆面过程方案。以往研究者针对不同的方案和区域进行了一系列的评估。
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(
而Noah-MP(MP,multiparameterization)陆面过程参数化方案是在Noah陆面模式(v3.0) 的基础上,首先将植被与地表分开,并对模式的整体框架进行了调整,然后对其10个陆面过程的选项进行扩展而来(
本研究基于WRF3.5.1版本,其动力过程为模式默认设置,其他物理参数化方案选用RRTMG长波辐射和短波辐射方案(
陆面与大气间动量、水汽和能量的交换主要体现在不同下垫面条件下感热通量及潜热通量的分配,
利用Noah-MP和Noah方案模拟的2013年1月(a, b)和7月(c,d)感热通量(a,c)和潜热通量(b,d)的月平均差(Noah-Noah-MP)(单位:W·m-2)
Monthly mean differences of simulated sensible heat flux (a, c) and latent heat flux (b, d) in January (a, b) and July (c, d) of 2013 between Noah scheme and Noah-MP scheme (unit: W·m-2)
7月,与Noah陆面参数化方案相比,Noah-MP方案在印度次大陆、中国西部相邻区域和中国东北及其以北地区对感热通量的模拟值偏低,而在其他地区对地表感热通量的模拟偏高。这可能是两方案使用了不同的地表热交换系数计算方案,Noah-MP方案考虑了零平面位移的影响,这在夏季植被较高区域差异比较明显。对于7月的地表潜热通量,与Noah陆面参数化方案相比,除去贝加尔湖以北区域,Noah-MP方案对大部分区域的模拟值整体偏高,而且幅度明显高于1月。主要原因可能是Noah-MP方案采用了Ball-Berry冠层阻抗方案,在夏季植被生长状况下,更加有利于植被蒸腾作用,如中国东南沿海地区。
影响不同下垫面条件下感热通量及潜热通量分配的直接因子是地表覆盖特征和土壤特征等(地表温度及土壤温湿度等),陆面过程参数化方案能否准确模拟土壤温度和土壤水分,直接影响着地表感热和潜热通量的模拟(
同
Monthly mean differences of simulated surface soil temperature (a, c, unit: ℃) and soil moisture (b, d, unit: m3·m-3) in January (a, b) and July (c, d) of 2013 between Noah scheme and Noah-MP scheme
7月,Noah-MP对表层土壤温度的模拟值在中国西北及其以北地区偏高,其他地区偏低,尤其是印度次大陆;Noah-MP对于7月表层土壤湿度的模拟与Noah相比差别不是很大,整体偏干,但是在青藏高原地区及蒙古北部地区偏湿。整体上看,7月的差异要小于1月的差异,主要体现了Noah-MP与Noah方案两者在冻土及雪盖上处理的差异导致冬季地表能量平衡项及水文项的显著变化,而两者在冠层阻抗及地表交换系数上的差异,在夏季均匀植被条件下的影响较小。
分别利用Noah(a,b,c)和Noah-MP(d,e,f)模拟的2013年7月地表温度(a,d),表层土壤温度(b,e)和深层土壤温度(c,f)的偏差(单位:℃)
Monthly mean bias of simulated surface temperature (a, d), soil temperature at depth of 5 cm (b, e) and 70 cm (c, f) in WRF simulations with Noah (a, b, c) and Noah-MP scheme (d, e, f) in July of 2013 (unit: ℃)
分别利用Noah(a,b)和Noah-MP(c,d)模拟的2013年7月表层土壤含水量(a,c)和第二层土壤含水量(b,d)的偏差(单位:m3·m-3)
Monthly mean bias of simulated soil moisture at depth of 5 cm (a, c) and 25 cm (b, d) in WRF simulations with Noah (a, b) and Noah-MP scheme (c, d) in July of 2013 (unit: m3·m-3)
利用Noah和Noah-MP方案模拟的2013年1月(a,b,c)和7月(d,e,f)的地表温度(a,d),5cm土壤温度(b,e)及70 cm深土壤温度(c,f)的土壤温度月平均均方根误差之差(RMSENoah-RMSENoah-MP)(单位:℃)
Differences of monthly mean RMSE of simulated surface temperature (a, d), soil temperatures at depth of 5 cm (b, e) and 70 cm (c, f) between WRF simulations with Noah and Noah-MP scheme in January (a, b, c) and July (d, e, f) of 2013 (unit: ℃)
利用Noah和Noah-MP方案模拟的2013年1月(a,c)和7月(b,d)0~10 cm土壤水分(a,b)及10~40 cm深土壤水分(c,d)月平均均方根误差之差(RMSENoah-RMSENoah-MP)(单位:m3·m-3)
Differences of monthly mean RMSE of simulated soil moistures at depth of 0-10 cm (a, b) and 10-40 cm (c, d) in WRF simulations with Noah and Noah-MP scheme in January (a, c) and July (b, d) of 2013 (unit: m3·m-3)
WRF模式的输出量2 m气温、混合比及10 m风速,通过地表温度、地表湿度、感热通量及潜热通量诊断而来。因此,地表能量平衡项及土壤温湿度的变化(
利用Noah(a,c)和Noah-MP(b,d)方案模拟的2013年1月(a,b),7月(c,d)2 m气温月平均偏差(单位:℃)
Monthly mean bias of simulated 2 m air temperature in January (a, b) and July (c, d) of 2013 with Noah scheme (a, c) and Noah-MP scheme (b, d) (unit: ℃)
此外,在2.1节的分析中可以看出,冬季,Noah-MP方案相较Noah模拟的感热通量在40°N以北地区偏低,潜热通量增加的幅度小于感热通量降低的幅度;而夏季,Noah-MP方案对感热通量的模拟差异不大,在印度次大陆及以北地区模拟值偏低,潜热通量的模拟值在多数地区均偏高,但是在印度次大陆地区并不明显(
Noah-MP相较Noah方案,同时改进了2 m相对湿度的模拟,降低了2013年7月华北地区偏高的2 m相对湿度,升高了2013年1月东北和内蒙古地区偏低的2 m相对湿度(图略)。在2013年1和7月两方案对10 m风速的模拟均偏大。为了更直观地考察两个方案对近地面量模拟的影响,
利用Noah和Noah-MP方案模拟的2013年1月(a,b),7月(c,d)2m气温(a,c, 单位:℃)和10 m风速(b,d, 单位:m·s-1)均方根误差之差(RMSENoah-RMSENoah-MP)
Differences of monthly mean root-mean-squared-error (RMSE) of simulated 2 m air temperature (a, c, unit: ℃) and 10 m wind speed (b, d, m·s-1) between WRF simulations with Noah and Noah-MP scheme in January (a, b) and July (c, d) of 2013
利用Noah和Noah-MP方案模拟的2013年1月(a, c)及7月(b, d)的2 m气温(a,b),10 m风速(c,d)近地面量月平均偏差(实线)和均方根误差(虚线)随积分时间的变化
Time series of monthly mean bias(solid line) and RMSE (dashed line) of simulated near surface variables with Noah and Noah-MP scheme: 2 m temperature (a, b), 10 m wind speed (c, d) in January (a, c) and July (b, d) respectively
Noah陆面过程参数化方案在国内外各数值预报业务中心的应用最为广泛,而Noah-MP是在Noah方案的基础上改进而形成的新的多物理过程集合的陆面过程参数化方案。本文针对Noah和Noah-MP方案,在整个东亚区域做了2013年1和7月两个月的批量试验评估,评估主要针对地面量和土壤量。评估结论如下:
(1) 冬季,与Noah陆面参数化方案相比,除去印度次大陆和我国华南的局部区域,Noah-MP方案模拟的地表感热通量在大部分区域偏低,尤其是在40°N以北地区,比如西伯利亚和我国东北等地区偏低可达12~18 W·m-2;对于地表潜热通量,除去印度次大陆和青藏高原局部地区以外,Noah-MP方案的模拟在大部分区域偏高,不超过6 W·m-2,仅在东南亚地区高于12 W·m-2。夏季,Noah-MP方案在印度次大陆、中国西部及相邻区域及中国东北及其以北地区对感热通量的模拟值偏低,而在其他地区对地表感热通量的模拟偏高;Noah-MP方案在大部分区域对地表潜热通量的模拟值整体偏高,而且幅度明显高于1月。
(2) 相较于Noah方案,Noah-MP方案应用了较好的方案计算地表径流和地下水排泄量,并将积雪和植被分为多层来处理,其在东亚区域对土壤水分和土壤温度的整体模拟效果较好。
(3) 相较Noah方案,Noah-MP方案使得整个模拟区域北部(蒙古和西伯利亚)2 m温度在2013年冬季的暖偏差降低,同时降低了印度次大陆地区2 m气温在2013年夏季的暖偏差。但是Noah-MP在印度北部地区冬季的暖偏差相较Noah模式也有所增加,同时Noah-MP增加了云南南部及其周边地区、渤海湾及朝鲜半岛地区的冷偏差。对于整个模拟区域平均而言,利用Noah-MP方案模拟的2 m温度和10 m风的误差较小。
由于本文针对的是整个东亚区域的批量试验评估,数据量和工作量大,所以并未深入到各个方面进行评估与诊断。评估集中比较了两个陆面方案在该区域的表现,在未来的工作中需要进一步评估Noah-MP方案在东亚区域的模拟效果,并在Noah-MP方案中获得最优的子过程组合。
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