WRF模式气候动力降尺度的适应性研究

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本文采用NCEP再分析资料作为初始场和侧边界场驱动中尺度WRF模式,分别对大范围的中国区域和西北半干旱地区单点/单站进行了2008年整年的气候模拟,旨在检验WRF模式长期积分的动力降尺度能力。通过改变初始场更新频次(敏感试验,分别更新1次、12次和36次初初始场)考察模式初值对长期积分的敏感程度和对系统误差的影响,同时在传统的气候模拟方案(控制试验)基础上加入了分析松弛逼近(nudging)方案,将这种方案与敏感试验进行对比分析。相应的实测资料采用经过距离方向加权平均方法插值后的micaps地面和高空常规实测数据(选取其中的温度,风速,海平面气压和位势高度场数据)和兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)32m梯度塔层资料(选取2m处的温度,2m处湿度、10m处风速和地表感热通量及潜热通量数据)。(1)在全国区域的模拟中有如下结论:a.对比四种模拟结果的均方根误差,发现增加初始场更新和松弛逼近这两种方案都可以一定程度上的优化长期积分带来的系统误差增长,虽然对不同变量的表现不完全一致;b.为考察WRF模式及本文提出的降尺度技术的降尺度能力,将NCEP再分析资料经过插值后,与控制实验"year"、"re-initialization"的代表“10days”和"analysis nudging"的代表"nudging"一起对比,发现对地面温度和地面风速,粗精度再分析资料的误差很大,WRF模式可以很大程度的降低误差,"nudging"有改善作用,但不及"10days";"nudging"对质量场有显著的模拟优势;然而对500hpa位势高度场,再分析资料的均方根误差确是最小的;c.分析几种模拟和再分析资料的温度、风速和位势高度在垂直方向上的均方根误差,发现再分析资料在高空的误差最小,而模式模拟由于对地形更精细的描述而在低空的均方根要更小一些。(2)在半干旱地区的单点模拟中,对几种变量来说,都是双向嵌套的模拟要优于单向嵌套方案,并且在双向降尺度检验中有如下结论:a.对2m处温度,四种模拟结果与观测的变化一致,均低于观测值,四种方案之间的模拟结果总体来说基本没有差异,只是在模拟效果相较略差的7月份松弛方案表现出了优势,松弛调整可以弥补因参数化方案选择不当引起的误差;b.不同于温度,对增加初始场的更新对2m处相对湿度的模拟改善是显著的,全年平均与观测值差异(均方根误差)为7.2%、7.6%和8.5%分别对应于"10days"、"month"和"year";c.对10m处风速值的模拟就不如前两种变量了,三种频次初始场更新之间差异不显著,尽管在1-6月份模拟较好,但是7-9月的月平均模拟效果很不理想,"nudging"模拟的风速值偏小且年变化平缓,与实际值相差甚远;d.增加初始场的更新对地表感热通量和潜热通量的改善也是可见的,而"nudging"却是对地表潜热通量低估而对地表感热通量高估。
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