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user: 3. 研究过程与结果分析 3.1. 降水模拟结果对比 图2为2010年7月18日20:00~19日20:00降水实况，华北地区24小时降水呈东北—西南向带状分布特征，强降水中心位于山东省惠民县至河北省黄骅市，降水中心强度超过150 mm。 图2. 24小时降水实况 大型降水对国防和社会主义经济建设关系密切，对无人机飞行也存在严重威胁，为提高模式对降水的模拟效果，提供更准确的降水预报，首先对24小时降水进行模拟和分析，图3是四种方案24小时降水模拟结果。从24小时降水模拟的范围来看，4种方案都较好的模拟了24小时累计降水分布的东西宽度与南北走向，各方案模拟结果基本相同，与图2实况相比降水落区向西北方向偏移。对于降水强度和中心降水强度模拟结果显示，4种模式均能体现降水范围内存在强中心，使用YSU边界层参数化方案能更完整地模拟出强降水区域，但总体而言4种方案模拟的暴雨范围都比实际偏小；方案二模拟的降水强中心强度较实际值稍偏弱，4种方案模拟的强度中心均偏东；在强降水中心南部的降水区域，YSU方案模拟的降水值比MRF模拟的降水值更接近于实测值。方案一与方案二、方案三与方案四对比发现，采用YSU边界层参数化方案，增加垂直分辨率，模拟的降水强中心范围有所扩大，并且对于降水落区的分辨率提高；而采用MRF边界层参数化方案，垂直分层加密并没有特别明显的影响。 图3. 四种方案24小时降水模拟结果(单位：mm) (a) 方案一，(b) 方案二，(c) 方案三，(d) 方案四 总体来说，两种边界层方案都模拟出了降水分布和强降水中心，但使用YSU边界层参数化方案模拟降水与实况更为接近。另外，垂直分层加密对降雨模拟的影响在本次试验中对改进降水强中心范围预报有一定作用，但效果不显著。从模拟降水情况来看，YSU边界层参数化方案的模拟效果明显优于MRF边界层参数化的模拟效果。造成这种结果的原因可能是：YSU方案是非局地K理论方案，通过控制方程中加入逆梯度向表示非局地通量，不仅考虑了边界层内简单的局地湍流扩散，还考虑了对流大尺度湍涡导致的非局地混合作用和边界层顶的夹卷过程 [ 11 ] [ 12 ] 。YSU方案是对MRF方案的改进，相比MRF方案，YSU方案在低层产生更加湿润的大气 [ 13 ] ，在一定程度上缓解了MRF方案边界层过干这一问题，使得边界层结构更接近中性，从而更精确的描述了大气边界层中的物理过程。 3.2. 温度场、10 m风速模拟结果对比 温度和风速是大气能量的不同表现形式，提高对温度场和风速的模拟效果，是更好地对降水过程进行诊断分析和预报的重要基础。为找到温度和风速模拟的最优方案，下面对4种方案的模拟结果进行对比分析。 选取模拟试验区域中北京、天津、惠民、黄骅等4个站点，采用标准化平均偏差(NMB)、均方根误差(RMSE)与IOA(一致性指数)评估地面温度和10 m风速模拟结果和实测值的吻合度。 N M B = ∑ 1 N ( C m − C 0 ) ∑ 1 N C 0 R M S E = ∑ 1 N ( C m − C 0 ) 2 N I O A = 1 − ∑ 1 N ( C m − C 0 ) 2 ∑ 1 N [ | C m − C ¯ 0 | − | C 0 − C ¯ 0 | ] 2 其中，C m 为模拟值，C 0 为实测值，C 0 为实测值平均值，NMB越小，RMSE越小，IOA越接近于1，模式性能越好。 3.2.1. 温度 图4给出了4个站点温度模拟值与实测值的日变化曲线，可以看出，四种方案都模拟出了温度的日变化趋势，一般来说，在白天温度较高时采用YSU方案的模拟结果更接近实况，而在清晨、傍晚和夜间温度较低时MRF方案的模拟效果更好。对比不同地区模拟值与实测值发现：北京地区中午温度模拟值比实况高，其他时间温度模拟值低于实况；天津地区中午温度模拟值偏高，下午偏低，到凌晨时又高于实况；惠民地区中午温度模拟值偏高，凌晨到早晨相反，该地区的温度模拟效果是四个地区中最差的；黄骅地区温度模拟效果最好，模拟值与实况最接近。 图4. 4个站点温度模拟值与实测值 (a) 北京，(b) 天津，(c) 惠民，(d) 黄骅 由表2可以看出，地面温度的模拟结果显示，对同一地区四种方案的NMB、RMSE、IOA三个指数相差不大，地面温度模拟效果相近。对于不同地区两种边界层参数化方案的模拟效果不同：北京地区MRF方案模拟效果优于YSU方案，两者IOA值相差0.03左右；天津地区两种边界层参数化方案的模拟效果基本相同；惠民地区使用YSU方案IOA值明显比MRF方案提高0.1~0.2；黄骅地区采用MRF方案的模拟结果略优于YSU方案，两者IOA值仅相差0.01。对于不同的边界层参数化方案，垂直分层加密影响效果不同：垂直分层由30层加密到51层，采用YSU方案的模拟结果IOA值提高0.02左右；而采用MRF方案，垂直分层加密对模拟效果没有固定的影响方向，北京和黄骅地区模拟效果有所提高，而天津和惠民地区相反。 Table 2 Comparison of temperature simulation result 北京 天津 惠民 黄骅 方案一 NMB −0.03 0.01 −0.01 −0.02 RMSE 1.46 1.35 1.41 0.65 IOA 0.89 0.90 0.81 0.97 方案二 NMB −0.05 0.01 0.01 −0.02 RMSE 1.59 1.45 1.42 0.71 IOA 0.87 0.88 0.79 0.96 方案三 NMB −0.03 0.02 0.01 −0.003 RMSE 1.19 1.49 1.76 0.48 IOA 0.92 0.88 0.67 0.98 方案四 NMB −0.03 0.02 0.003 −0.003 RMSE 1.32 1.50 1.79 0.52 IOA 0.91 0.89 0.69 0.97 表2. 温度模拟结果对比 3.2.2. 10 m风速 10 m风速的模拟结果精确程度虽有一定的欠缺，但也具有一定的参考价值。图5结果显示，10 m风速模拟值不能很好地反映其实际的日变化特征。其中北京和天津地区模拟值与实况呈现出相反的变化特征，并且北京地区的风速日较差达8 m/s左右明显高于实际的风速日较差1 m/s；惠民和黄骅地区基本模拟出了风速的日变化特征，但是模拟值与实况仍存在较大偏差。由表3可以看出，方案三对10 m风速模拟的效果最好，方案二模拟效果最差。垂直分层由30层加密到51层，采用YSU方案IAO提高0.01~0.06，采用MRF方案时可提高0.03~0.24。结合四种方案所选择的边界层参数化方案和垂直分层情况，可以得出：相同的垂直分辨率情况下，MRF方案模拟效果优于YSU方案；相同边界层参数化方案的情况下，垂直分辨率越高，风速模拟效果越好。 图5. 4个站点风速模拟值与实测值 (a) 北京，(b) 天津，(c) 惠民，(d) 黄骅 Table 3 Comparison of 10 m wind speed simulation result 北京 天津 惠民 黄骅 方案一 NMB 1.85 0.44 0.18 −0.26 RMSE 3.59 2.06 1.54 2.18 IOA 0.12 0.48 0.65 0.39 方案二 NMB 1.91 0.57 0.26 0.14 RMSE 3.74 2.46 1.79 2.6 IOA 0.06 0.44 0.64 0.36 方案三 NMB 1.65 0.33 0.28 −0.01 RMSE 3.23 1.86 1.89 1.72 IOA 0.15 0.66 0.57 0.58 方案四 NMB 1.83 0.41 0.39 0.12 RMSE 3.71 2.17 2.24 1.86 IOA 0.12 0.42 0.51 0.52 表3. 10 m风速模拟结果对比 从10 m风速模拟情况看，YSU方案模拟值与实测值的差异较MRF方案更为显著。这是由于YSU方案在热力引发的自由对流的状况下，会增强边界层中的湍流混合作用，会使得模拟的10 m风速值与实测值差异更为显著。从垂直分辨率对模拟效果的影响情况看，本次试验中垂直分辨率的大小与降水的模拟效果无太大关系，但对10 m风速的模拟结果有影响。其原因可能是：模式的垂直坐标选用η坐标，气压仅是几何高度Z的函数，并一直持续到模式层顶，这些η坐标面都是水平的，避免了σ坐标模式中陡峭地形条件下水平气压梯度力计算误差过大的问题 [ 14 ] [ 15 ] 。η坐标系可以很好地描述山脉的形状，再配之以简单的边界条件，又可以较好地描述山脉的阻挡作用。所以，当增加垂直分辨率时，可以更好的模拟风的运动。 3.2.3. 温度场、10 m风速空间分布对比分析 温度场和风速场可以直观地反映大气温压场配置，可用来判断大气斜压性、大气环流形势以及大气能量特征等方面，进而对天气诊断分析有重要指示意义。提高温度场和风速场的模拟效果，是做出更准确天气预报的一个前提。根据图6地面温度空间分布对比显示，地面温度的模拟比较贴合实际，大致反映出高温和低温区域分布特征，由于分辨率较粗等问题，如北京等地的局部高温没有得到很好的体现。图7，10 m风速空间分布对比显示，实况图上山东省惠民县至河北省黄骅市存在气旋式环流，环流位置与图2强降水中心重合。模式模拟出了大致的环流形势，但气旋式环流中心位于37˚N，117˚E左右，位置较实际略有偏移，风向较实际略有误差。 图6. 地面温度空间分布对比(a) 模拟，(b) 实况