WRF参数化方案与初始场对闽江流域 暴雨模拟的敏感性研究.pdf

：第 卷 第 期 人民珠江 年 月 基金项目：国家自然科学基金项目（）；福建省科技厅杰出青年科学基金项目（）收稿日期：作者简介：林思诺（），女，硕士，主要从事气候变化与自然灾害研究。：通信作者：高路（），男，研究员，主要从事水文气象与灾害风险等研究。：林思诺，张茵驰，孙劭，等 参数化方案与初始场对闽江流域暴雨模拟的敏感性研究 人民珠江，（）：，参数化方案与初始场对闽江流域暴雨模拟的敏感性研究林思诺，张茵驰，孙劭，官晓军，江彩英，高路，（福建师范大学地理研究所，福建福州 ；福建省陆地灾害监测评估工程技术研究中心，福建福州 ；国家气候中心，北京 ；福建省灾害天气重点实验室，福建福州 ；南平市气象局，福建南平 ；武夷山国家气候观象台，福建武夷山 ）摘要：数值模式作为目前最主要的天气预报手段之一，已经广泛应用于极端降雨等强天气过程的预警和预测。在实际预报业务中，数值模式受初始场、边界条件、参数化方案等影响，难以进行长时间精准预报。基于新一代中尺度数值天气预报模式 （），交叉组合 套微物理过程和积云对流参数化方案，对闽江流域 年 月 日的一场连续性暴雨过程进行敏感性对比模拟。结果表明，模式基本可以再现本次降雨过程的时空分布特征，但明显高估了暴雨中心的强度和范围，（组合）整体表现较优。对于初始场质量敏感性试验，基于最优参数化方案组合的模拟结果表明，（）对各个量级降雨模拟效果均相对较好，与观测数据的时空特征最吻合，其次为 （），而 （）表现最差。可为提高极端降雨模拟和预报精度提供方法借鉴。关键词：模式；暴雨；参数化方案；初始场；闽江流域中图分类号：文献标识码：文章编号：（）牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牗 牞 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牞 牷 牞 牞 牷 牞 牞 牷 牞 牞 牷 牞 牞 牘 牶 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牞 牗 牘 牞 人民珠江 年第 期 牞 牞 牞 牗 牘 牞 牗 牘 牞 牞 牗 牘 牞 牗 牘 牶 牷 牷 牷 牷 全球变暖背景下，人类活动导致极端天气气候事件趋多趋强，对人类社会、自然生态环境造成的损失和损害已远远超出了自然气候的可变性 。气候变暖亦伴随着水文循环过程的增强，其表现为全球范围内的总降水量与降水极端性增加 。近几十年，中国极端降水的频率和强度显著增加，主要表现在东南沿海和西部地区 。福建省地处中国东南沿海地区，在季风气候的影响下，极易发生暴雨、洪水等自然灾害 。年福建省因暴雨洪涝致死人数约 人。其中，闽江上游往往是暴雨落区，尤其是闽中和闽东北的山区东侧，即台风环流的迎风面 。武夷山脉的地形特征显著影响闽江流域的降水时空格局。春夏汛期，西南暖湿气流遇北方冷空气形成静止锋，加之地形抬升和热力作用，形成武夷山局地暴雨中心；冬季山脉阻滞和削弱南下冷空气的入侵，降水量多，湿度大，常出现凝霜、大雾和雨雪天气 。近年来，得益于数值天气预报（，）模式的发展 ，天气预报的精度稳步提高。相较于全球模式和区域模式，中尺度数值大气模式的网格分辨率更高，能够更精细化地捕捉局部地区气象要素的特征 。其中，（）作为新一代中尺度高分辨率数值大气模式，整合了大气模拟和数据同化系统，可以有效减少降水预报的误差 。模式物理参数化方案众多，并且由于各区域的天气气候、下垫面等条件不同，不存在可以适用于所有地区或事件的最优方案 。因此，在区域天气预报前进行参数化方案组合的优选对于提升降水模拟精度具有至关重要的作用。在各参数化方案中，微物理过程方案和积云对流方案对降水模拟效果影响尤为显著 。微物理过程方案影响水蒸气、云层液态水、云层冰和各种类型的降水的计算，并通过对潜热、感热、能量输送的影响改变大尺度环流状态 。积云对流方案用来描述粗网格不能识别的由上升、下沉气流和云外补偿运动导致的水汽和热量的变化，直接影响暴雨等强降水过程的模拟效果 。以往研究表明，选择合适的微物理过程方案和积云对流方案组合能够有效提高降水模拟精度。等 分别选用 种微物理方案分析其对降雨模拟结果的影响，结果表明 和 方案相较于 方案和 方案模拟对流雨过程的效果更好。等 模拟了鄱阳湖流域一场极端降水事件，发现最优组合方案对于极端降水模拟和洪水预报具有重要意义。杨扬等 采用 种积云对流方案模拟中国夏季降水，研究表明尺度适应方案在一定程度上改善了降水模拟效果，（）普遍高于原始方案。此外，不同再分析资料的质量控制和同化处理方式存在差异，在中尺度天气场的表现各不相同，因此模式初始场的质量也直接影响着降水模拟效果 。袁 有 林 等 分 别 用 （）和 （）再分析资料作为初始场驱动 ，发现 的降水模拟效果优于 ；李秋阳等 基于 模式，分别采用 （）和 （）人民珠江 年第 期再分析资料模拟“桑美”台风，结果表明 对降水、温度、风场等气象要素的模拟效果均优于 。目前，对于闽江流域极端降水的研究主要集中在长时间序列的暴雨时空特征，鲜有对突发性暴雨个例事件的模拟研究。同时，以往的模拟研究通常采用固定的物理参数化方案，很少考虑物理参数的组合方案。单一的物理参数方案很难在不同地区持续保持最佳性能，也难以准确捕捉极端降水的物理过程。综上所述，本研究将基于 模式，探究多种参数化方案组合及初始场质量对降水模拟精度的影响，致力为进一步提高数值模式对暴雨等极端降水过程的模拟能力提供有效参考。研究区域与数据 研究区概况闽江位于中国东南部，全长 ，流域面积 ，约占福建省面积的一半，是全省第一大河流。闽江发源于福建省西北部的武夷山脉，建溪、富屯溪和沙溪是闽江的三大支流 。闽江流域地理位置介于 ，（图 ），地处亚热带季风气候区，年平均降雨量约 ，主要集中在汛期（月），台风引发的暴雨、洪涝是该流域最显著的自然灾害 。）闽江流域地形及雨量站点分布）模式嵌套区域（，）图 闽江流域地形及模式嵌套 数据来源实况观测降雨资料来自闽江流域 个气象站点的逐日降雨数据，用于分析降水过程的时空特点以及对比 模式模拟降雨效果，选取 年 月 日闽江流域一场连续性暴雨过程。本文选用 种再分析资料作为数值模拟的初始边界场：欧洲中期天气预报中心（，）的 再分析数据，时间分辨率为 ，空间分辨率为 ；美国国家环境预测中心（，）的 再分析数据，时间分辨率为，空间分辨率为 ；的 再分析数据，时间分辨率为 ，空间分辨率为 。模式设置与试验设计 模式预处理参数设置本文选用 中尺度数值预报模式，模拟时间从 年月 日时 日时。模式采用双层嵌套网格，模拟区域中心经纬度设为 ，（图 ），第一层粗网格分辨率为 ，格点数为 ；第二层细网格分辨率为 ，格点数为 。网格垂直方向上分为 层，积分时间步长为 ，两层网格均每 输出一次结果。为确保模拟结果准确，前 作为模式的人民珠江 年第 期预热时间。参数化方案敏感性试验 再分析数据作为初始场的暴雨模拟效果较好 ，因此被用作敏感性试验的驱动数据。考虑到参数化方案的适用性以及闽江流域的降水特性，微物 理 过 程 参 数 化 方 案 选 择 、和 （），积云对流参数化方案选 （）、（）、（）、（）。其余参数化方案保持不变，陆面过程参数化方案选择 ；行星边界层方案选择 （）；长波辐射 方 案 选 择 （）；短波辐射方案选择 。通过交叉组合，共形成 套试验方案（表 ）。此外，当模式的分辨率足够高时，某些对流过程可被显式表达 ，因此关闭第二层网格的积云对流参数化方案。基于参数化方案敏感性试验优选出一套适用于研究区暴雨模拟的微物理过程与积云对流参数化方案组合。表 参数化方案组合设计试验微物理过程方案积云对流方案 （）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）初始场质量敏感性试验初始场的质量显著影响暴雨模拟的降雨强度、时间和落区。基于最优参数化方案组合，分别以 、和 再分析数据作为初始场驱动 模式模拟相同场次的暴雨过程，除初始场条件改变以外，组试验设置均保持一致，对比分析不同初始场驱动条件下的暴雨模拟效果差异。评估指标本文选取 个统计指标（表 ）对 模拟结果定量评估。相关系数（，）用于评估模拟与观测结果时间序列的线性关系；均方根误差（，）用于衡量模拟与观测结果的偏差；风险评分（，）用于评价模拟与观测结果的空间一致性和量级重合度；命中率（，）和空报率（，）均可反映出一定的降水模拟能力 。根据中国气象局提出的降水量等级标准 ，结合本次暴雨过程特征，将 累积降雨划分为 个等级：小雨（）、中雨（）、大雨（）、暴雨（）。表 降雨评估指标评估指标公式最优值取值范围 （）（）（）槡 （）槡（，）（槡）（，）（）（，）（）（，）（）（，）注：气象站点的降雨量；与 气象站点最邻近的 格点的降雨量；气象站点数量；、的具体含义见表 。人民珠江 年第 期表 降雨检验分类项目模拟有降雨模拟无降雨观测有降雨观测无降雨 结果和讨论 时间序列验证图 展示了 年 月 日 ：日 ：的观测和 组模拟试验的日平均降雨序列。观测数据显示，最高降雨量出现在 月 日，达到 ；而最低降雨量出现在 月 日，仅为 。与观测数据相比，组模拟试验中的最高和最低降雨量分别出现在 月 、日。总体而言，组模拟试验基本捕捉到了 月 日期间的实况降雨趋势，但在量级上严重低估了 月 日的降雨量。对于 月 日的降雨过程，大多数试验组合的模拟效果与实测相反，仅有 的模拟结果与实际降雨趋势相一致，在量级上对 月 、日的降雨量严重高估。在日平均降雨量的变化方面，、和 的模拟效果较好。特别是 的 最高（图 ），达到 ，最低，为 ；相比之下，、和 的模拟效果较差，尤其 的 最低，仅为 。的 最高，为 。空间特征分析图 展示了 个观测站点的累积总降雨量插值后的空间分布情况。从空间上看，本次降雨过程的累积总降雨量由南向北呈梯度增大，最高值和最低值分别为 、。以上的降雨落区主要分布在富屯溪和建溪流域，而沙溪流域以及闽江流域下游降雨量较少。暴雨中心（超过 ）出现在闽江流域东北部和西北部的山区附近。图 展示了 组模拟试验总积累降水的空间分布，最高值和最低值分别为 、，相比观测值偏高。模拟暴雨中心普遍出现在闽江流域的北部，但不同试验的暴雨中心范围也各有差异。其中，、的暴雨中心范围较广，从闽江流域北部延伸到了西北部，严重高估了暴雨中心的强度和范围。大多数组合试验在闽江流域下游捕捉到了降雨中心，这与观测数据的空间特征相反，可能是由于闽江流域下游气象站点密度较小，导致空间插值的观测值与模拟值之间存在一些差异。）观测和 模拟结果的时间序列）组模拟试验的相关系数和均方根误差图 观测和 模拟结果的时间序列及 组模拟试验的相关系数和均方根误差图 观测累积总降雨的空间分布人民珠江 年第 期）图 参数化方案敏感性试验累积总降雨空间分布人民珠江 年第 期）图 参数化方案敏感性试验累积总降雨误差空间分布人民珠江 年第 期表 和图 展示了 组模拟试验的累积总降雨评估指标。为评估 组试验对不同量级降雨模拟的准确性，分别计算了小雨、中雨、大雨和暴雨量级的 、评分。从 评分来看，和 对小雨的模拟效果最好，评分分别为 和 ；和 对中雨的模拟效果最好，评分均为 ；和 对大雨的模拟效果最好，评分均为 ；和 对暴雨的模拟效果最好，评分均为 ；和 的 最高，均为 。和 反映了降雨模拟效果的优劣程度，、的 最高，分别为 和 ，表明模拟准确率相对较高；和 的 最低，分别为 和 ，表明模拟误报率相对较低。图 展示了模拟降雨误差的空间分布情况。其中，正值表示 模式高估了本次暴雨过程的强度，负值则相反。总体来看，高估区主要集中在建溪流域北部、富屯溪流域南部以及闽江流域下游，而低估区则主要分布在建溪流域和富屯溪流域的北部。具体来看，、和 严重高估了建溪流域北部的降雨强度，出现 以上的高估区；、和 严重高估了闽江流域下游的降雨强度，局部地区高估幅度超过 ；、和 严重低估了建溪流域以及富屯溪北部的降雨，尤其是建溪流域和富屯溪流域的交界处，出现 以上的高估区。总体而言，本次降水过程是闽江流域一场典型的暖季非台风暴雨事件，代表了该流域 月中下旬暴雨形成的大气物理机制，其成因为冷暖气流共同作用的锋面系统暴雨。针对此次暴雨过程，（组合）的模拟效果最好。从时间序列来看，的 （）最高，（）最低，且为 组试验中唯一正确重现 月 日降水趋势的参数化方案组合。从空间特征上看，的（）、（）均为 组试验最高，对于各量级降雨模拟效果较稳定。因此，是闽江流域春夏季节突发性锋面系统暴雨模拟的最佳方案。表 累积总降雨评估指标试验（小雨）（中雨）（大雨）（暴雨）注：（小雨、中雨、大雨、暴雨）每日 累积降雨量的平均值；、个量级评分的平均值。）小雨图 模拟 累积降雨的 评分箱型图人民珠江 年第 期）中雨）大雨）暴雨续图 模拟 累积降雨的 评分箱型图 多种初始场模拟效果图 展示了观测和不同初始场（、）模拟降雨的空间分布特征。从累积降雨分布可以看出，和 两种初始场的模拟结果基本可以再现降雨北多南少的基本格局，而 模拟结果的空间特征则为降雨由东南向西北呈条带状逐渐增多。其次，种初始场模拟的暴雨中心空间分布差异较大，模拟的暴雨中心位于闽江流域最北部；模拟的暴雨中心主要集中在闽江流域中北部；模拟的暴雨中心分布较广，闽江流域西北部形成了大范围的暴雨中心，富屯溪和建溪子流域几乎完全处于暴雨中心的覆盖范围之内。与观测数据相比，种初始场的暴雨中心均出现偏离，且明显高估了暴雨中心的强度和范围。图 分别展示了 种初始场模拟的时间序列和 评分。从时间序列上看，采用最优参数化方案的 组模拟试验均可以捕捉到 月 日降雨减少的趋势，相较之前有所改善。然而，它们对月 、日的降雨量仍然存在严重高估的现象，其中 偏差最小，偏差最大。和 的最大降雨量出现在月 日，而 与观测数据的最大降雨量出现在 月 日。与观测数据相比，高估了最大降雨量，和 低估了最大降雨量。从 评分来看，对于小雨模拟的效果最好，为 ，模拟效果最差，为 ；对于中雨的模拟效果最好，为 ，模拟效果最差，为 ；对于大雨和暴雨，的模拟效果最好，分别为 和 ，的模拟效果最差，分别为 和 。图 展示了不同初始场模拟降雨误差的空间分布情况。其中，初始场的模拟误差最低，高估区主要集中在建溪流域北部，低估区主要位于建溪和闽江流域交界处，其余则零散分布；初始场的高估区主要集中在建溪流域与富屯溪流域的交界处以及闽江流域中下游，低估区面积较小，主要分布在富屯溪流域北部；初始场的模拟误差最高，呈现出一对高估、低估极值中心，分别位于闽江流域的西部和东部。从 组模拟试验的降雨时空特征来看，作为初始场的降雨模拟效果最好，特别是小雨、大雨和暴雨量级。的总体模拟效果次于 ，但在中雨量级具有优势。的总体模拟效果最差，严重高估了暴雨中心的范围和量级，与观测数据的时间序列吻合人民珠江 年第 期程度较低，这可能与 初始场的空间分辨率较低（）有关。）观测）图 观测和不同初始场模拟累积总降雨的空间分布）观测和 模拟结果的时间序列）模拟 累积降雨 评分箱型图图 观测和 模拟结果的时间序列及 模拟 累积降雨 评分箱型图人民珠江 年第 期）图 不同初始场模拟累积总降雨误差空间分布 结论本研究基于 中尺度数值预报模式对闽江流域 年 月 日的一场典型暴雨事件进行模拟，分别采用 套微物理过程、积云对流参数化方案组合进行敏感性试验并优选出一套最佳方案。基于最优参数化方案组合，进行多初始场（、）的降雨模拟，探究不同初始场对降雨模拟的影响。本研究的结论总结如下。）模式基本可以模拟出此次闽江流域暴雨过程的时空格局，但在模拟效果上仍存在较大偏差，对于暴雨中心的捕捉并不准确，存在一定偏离且明显高估了暴雨中心的强度和范围，其原因可能来源于模式内部（网格尺寸及分辨率、嵌套层数、参数化方案）和外部（初始场、土地利用、土壤类型数据质量等）的共同影响。）不同微物理过程、积云对流参数化方案组合会显著影响模拟降雨的时空特征。从时间序列上看，不同试验组合的日均累积降雨量及最大降雨出现日期具有明显差异。对于日均降雨量的误差分析，（组合）的 最高，最低，分别为 、。从空间特征上看，对小雨和暴雨的模拟效果最好，评分分别为 和 ，且 （）和 （）均为 组试验最高，对各量级降雨模拟效果较为稳定。综合来看，是闽江流域降雨模拟的最优方案，但实际降雨评分较低，这可能与模型内部参数及初始场的质量有关。）模式初始场的差异显著影响模拟暴雨中心强度和范围。校正了 月 、日模拟降雨的趋势，但在量级上仍存在严重高估，作为初始场的模拟结果与观测数据的时间序列最吻合。从空间特征来看，和 模拟的暴雨中心出现较大偏离，且严重高估了暴雨中心的降雨强度，而 的模拟效果与观测降雨的空间分布更接近。综合比较不同量级的降雨 评分，对小雨（）、大雨（）、暴雨（）的模拟效果均为最好。）模式对于复杂地形区暴雨模拟存在一定缺陷。从模拟误差来看，模式对于本次暴雨过程的不同区域存在严重的高估和低估现象，甚至人民珠江 年第 期出现高估、低估极值中心（以上）。这可能与闽江流域山地起伏、地形复杂，降雨突发性强，模拟难度较大有关。总体来看，模式能够再现本次暴雨过程的基本时空格局，证明了参数化方案组合及初始场质量对降雨模拟具有显著影响。然而，模式在刻画暴雨中心细节方面仍存在一定缺陷，降雨强度和空间分布与实际存在较大偏差。未来研究中，可采用三维、四维变分法、卡尔曼滤波法等数据同化手段改善初始场质量，进一步提高降雨模拟精度。参考文献：胡轶伦，冀国旭，李积宏，等 报告解读：陆地和淡水生态系统及其服务变化 气候变化研究进展，（）：牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 卢珊，胡泽勇，王百朋，等 近 年中国极端降水事件的时空变化格局 高原气象，（）：牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 温克刚 中国气象灾害大典（福建卷）北京：气象出版社，王岩，林炳青，潘卫华，等 武夷山北段地形对闽北不同时间尺度降水的影响分析 海峡科学，（）：罗青梅，龚华秀，张佳晖 武夷山市 年月 日暴雨天气分析 农业灾害研究，（）：纪志荣，何东进，巫丽芸，等 年武夷山特大暴雨的分形特征分析 武夷科学，（）：牞 牞 牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 田济扬，刘佳，李传哲，等 中尺度数值大气模式 在水文气象领域的研究 南水北调与水利科技，（）：，牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 牞 牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 杨扬，卢冰，王薇，等 基于 的积云对流参数化方案对中国夏季降水预报的影响研究 气象学报，（）：王晓君，马浩 新一代中尺度预报模式（）国内应用进展 地球科学进展，（）：牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牶 杨春，马怡轩，庄潇然 资料对一次江淮暴雨过程模拟效果的评估 气象科学，（）：孙璐，陈思远，潘贤，等 华南暖区暴雨预报的模式初始场质量敏感性分析 气象科学，（）：朱红芳，王东勇，管兆勇，等 不同初始场条件对 模式数值预报的影响 气象学报，（）：申培鲁，高安春，吕学梅 中尺度预报模式利用不同初始场模拟黄淮气旋结果的集成 气象科学，（）：袁有林，杨秀洪，杨必华，等 不同初始场及其扰动对 模拟暴雨的影响 沙漠与绿洲气象，（）：（下转第 页）人民珠江 年第 期 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 郭凤清，屈寒飞，曾辉，等 基于 的鷈江蓄滞洪区洪水危险性快速预测 自然灾害学报，（）：王静，李娜，丁志雄，等 蓄滞洪区洪水风险区划方法及典型案例研究 中国防汛抗旱，（）：尉晓松，王文雪 河北省蓄滞洪区安全区建设方略初探 河北水利，（）：，马立辉，张静静，柴树松 大陆泽、宁晋泊蓄滞洪区安全建设方式探讨 河北水利，（）：丛沛桐，黄锦林，王瑞兰 鷈江滞洪区洪灾风险区划研究 广东水利水电，（）：崔长勇，刘娟，刘生云，等 东平湖蓄滞洪区风险区划与安全建设方案 人民黄河，（）：，牞 犤 犦 牗 牘 牞 牞 牗 牘 牶 何治波，吴珊珊，张文明 珠江流域防汛抗旱减灾体系建设与成就 中国防汛抗旱，（）：于景弘 胖头泡蓄滞洪区启用时不安全人口安置方案剖析 黑龙江水利科技，（）：王红旗，冯靖云，范子武 飞来峡库区临时蓄滞洪区洪水风险分析 中国农村水利水电，（）：刘晓琴，刘国龙，王振 系列模型在蓄滞洪区洪水模拟中的应用研究 中国农村水利水电，（）：，牞 牞 牞 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 （责任编辑：李燕珊）（上接第 页）李秋阳，沈菲菲，许冬梅，等 不同初始场资料对台风“桑美”数值模拟的影响 气象科技，（）：陈莹，陈兴伟，尹义星 年闽江流域径流演变特征 自然资源学报，（）：邓海军，卢艺，王媛媛，等 基于 模型的闽江流域实际蒸散发评估 地理科学，（）：王欣珂，林弘，谢香群，等 闽江流域土地利用时空变化特征及驱动因子分析 生态科学，（）：何泽仕，郑巧雅，徐曹越，等 年福建省台风暴雨时空特征研究 人民珠江，（）：，牞 牶 犤 犦 牞 牞 牗 牘 牶 降水量等级：北京：气象出版社，（责任编辑：高天扬）