杨州大学
利用NCEP再分析资料，选取YSU、MYJ、ACM2 3种不同的边界层参数化方案，通过WRF模式模拟某新区2014年1月8日-11日的温度场及风场的特征，与测风塔和自动站的实测数据对比，结果表明：WRF模式提供的3种边界层参数化方案都能较好地模拟出某新区冬季的地面温度场和流场特征，某新区西北部及东部的山丘环绕形成的夹山地貌导致城市夜间地面流场多为辐合，河谷地区风向为偏北风；白天流场多为辐散，谷地风向为偏南风。这三种边界层参数化方案均能较好地模拟出某新区冬季温度场日变化特征，但对夜间地面温度的模拟结果均偏高。 南京秦淮区通报1例核酸阳性关键词：边界层参数化方案，WRF模式，某新区，风场，温度场
第一章引言
中纬度行星边界层的厚度约为1~1.5km，是靠近地球表面的，受地面摩擦力影响较大的一层大气。在大气边界层中，气体的垂直运动速度比其水平运动速度小好几个量级，然而就速度梯度而言，垂直方向上却比水平方向上要大得多。大气边界层内气体运动的主要特点就是湍流性，在这一层大气中，强烈的风切变以及下垫面非均匀加热的作用，常会引起湍流的发生发展，而边界层内湍流的发生发展有利于污染物在该层内的扩散，近几年来，随着城市化的全面推进，大气污染等环境问题不断加剧，因此，对于大气边界层的研究是大气污染研究中的重要一环。
大气边界层的另一个特征是由热力作用导致的明显的日变化，白天和夜间的大气边界层结构有着显著的区别。白天，太阳辐射到达地表后将其加热，地表温度上升，而边界层内的湍流运动使热量向上传递，大气层结处于不稳定状态，此时的边界层为对流边界层，边界层顶可到达几百米甚至几千米；而夜间正好相反，地面因长波辐射冷却后，热通量向下，大气层结处于十分稳定的状态，此时的边界层称为稳定边界层，边界层顶相对较低，约为二三百米的高度。夜间的稳定边界层结构与白天的对流边界层结构相比有着显著的不同，值得一提的是，夜间大气经常在较低的高度上出现逆温层，该逆温层严重阻碍了物质和能量的扩散，是导致大气污染的一大原因。
树立正确的人生观价值观大气边界层作为一个自由大气和地表之间的缓冲地带，它是大气运动动能的汇，同时，地面物理量通过边界层向自由大气输送，大气边界层又是向大气输送物理量的源。因此，研究大气边界层在气象学上十分重要。目前，在中尺度数值模拟预报中，已发展出多种边界层参数化方案。对于中尺度数值模式，国内应用较为广泛的有MM5、WRF等。
对于中尺度数值模拟预报模式，在国内应用较为广泛的有MM5、WRF等模式。其中，WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式是由美国环境预测中心（NCEP）、美国国家大气研究中心（NCAR）、环境模拟中心、预报系统实验室（FSL）以及俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心（CAPS）四个美国科研机构中心于1997年联合开发的一种统一的中尺度天气预报和资料同化模式，具有可移植、易维护、可扩充、高效率、方便等许多优点，在国际上被广泛应用。它是在以MM5为代
医疗保险制度表的中尺度模式基础上，针对中小尺度天气系统的研究和实时预报为目的而开发的模式，采用了多重动力框架，运用先进的数值方法及更为科学的物理过程方案，更好地揭示了中小尺度系统的空间结构及演变机制，重点考虑时效为60a以内的有限区域天气的模拟和预报问题。WRF模式为完全可压缩以及非静力模式，采用F90语言编写。水平方向采用Arakawa C（荒川C）网格点（重点考虑1-10km）。垂直方向则采用地形跟随质量坐标系，这种坐标不仅能提
供更接近实际情况的加热和冷却模式，而且在模式中提供更复杂而且更精确的定边界条件，同时还能保证系统的稳定性，对模拟中小尺度系统的细致空间结构和演变机制而言具有一定的优越性。WRF模式在时间积分方面采用三阶或四阶的Runge-Kutta算法。它不仅可以用于真实天气的个案模拟，也可以用其包含的模块组作为基本物理过程探讨的理论依据。此外，WRF模式还具有多重嵌套和方便的定位于不同地理位置的能力。
对于WRF模式中的边界参数化方案，张碧辉等用MYJ及YSU方案对沈阳地区冬季边界层气象要素进行模拟，重点分析温度层结、低层风场、边界层高度等对污染物扩散有重要影响的气象要素，认为WRF模式基本能模拟出温度即风速的日变化特征，但模拟出的风速偏大。YSU方案由于模拟的边界层顶卷夹和边界层内混合作用较强，夜间接地逆温强度低于MYJ方案，逆温维持时间比MYJ短4小时；张小培等用WRF模式，结合四种边界层参数化方案（YSU、ACM2、MYN 及Bougeault and Lacarrere TKE），模拟了2008年4月24、25日安徽黄山及周边地区大气边界层气象要素场的变化特征，结果表
练习模式明，四种边界层参数化方案中，YSU 方案模拟的2m气温误差最小，ACM2方案模拟的2m露点温度和10m风速误差最小；Zhang and Zhang（2004）利用MM5进行边界层参数化方案的敏感性试验，指出不同的参数化方案对于地表风场、温度场的模拟存在较大差异，主要是由于不同边界层参数化方案对物理过程的参数处理是不同的。陈炯和王建捷选取2种边界层参数化方案，模拟了北京地区夏季边界层的日变化特征及地面温度场、风场的分布特征，并与自动站观测资料进行对比分析，得出MYJ方案模拟结果优于YSU方案的结论。
某新区，位于东经103°29′22″～103°49′56″，北纬36°17′15″～36°43′29″。陇西黄土高原的西北部，是青藏高原、蒙古高原和黄土高原的交汇地，是甘肃省下辖的国家级新区。当处于冬季采暖季时，由于燃烧煤会产生大气污染物，造成大气污染，因此有必要对这一区域冬季的风场和温度场特征进行研究。
本文取2014年1月08日-11日NCEP再分析资料，用WRF模式中的YSU、MYJ、ACM2三种边界层参数化方案，对地面风场和温度场进行模拟，并与同时间的地面实测资料进行对比，分析某新区冬季的风场及温度场特征。
第二章 WRF模式设置
2.1 资料及方案选取
本文选取的地面观测资料来自2014年1月8日-1月11日在某新区（西岔段家川70m测风塔，位置为103.77°E、36.67°N）测得的风向、风速资料，地面10米风速资料选取C5-SWI C3(m/s) @ 10m-10min Average，地面10米风向资料选取A5-SWI PV1(°) 10m-10min Vec Average。
地面温度场资料选取某新区6要素自动站4号站（位置为103.72°E、36.55°N）的地面温度观测资料。
WRF模拟区域中心，即某新区中心经纬度为103.66°E，36.51°N，垂直方向分为35层，水平方向为三重网格嵌套，第一模式域的网格为77×67，格距为25km，第二模式域的网格为96×66，格距为5km，第三模式域的网格为76×76，格距为1km。采用NCEP再分析资料（每6h输入一次）与NCEP全球30s地形资料。模拟时间段为2014年1月08-11日，每隔1h输出一次模拟结果。
对于物理过程参数化方案：微物理过程方案采用Lin等的方案；辐射参数化方案选取RRTM长波辐射方案和Dudhia短波辐射方案；近地面层方案为Monin-Obukhov 方案，考虑地面通量；陆面过程方案选取热量扩散方案；第一、第二模式域选取浅对流Kain-Fritsch(new Eta)方案，第三模式域由于分辨率较高，没有采用积云对流参数化方案；考虑雪盖效应；辐射光学厚度中考虑云的影响。边界层参数化方案分别选取YSU方案、MYJ方案、ACM2方案。
2.2 边界层参数化方案
边界参数化方案的介绍：
（a）YSU参数化方案是Medium_Range Forecast（MRF）参数化方案的一种改进形式，是非局地K理论方案，它的非局地通量是通过在控制方程中加入逆梯度项表示的。YSU方案中热对流产生的混合层高度相比于MRF方案有所降低，而逆梯度项值的减小使边界层结构更接近中性，解决了MRF方案中由于逆梯度项过大导致的层结过于稳定的问题。
（b）MYJ方案为Mellor-Yamada的2.5阶湍流闭合模型，它可以预报湍流动能，湍流扩散系数通过湍流动能计算，边界层高度有湍流动能廓线决定。并有局地垂直混合。边界层控制方程采用边界层近似，2阶矩方程中仅保留湍流动能方程，即湍流动能方程的1.5阶闭合方案。
由于Mellor-Yamada2.5阶模型具有概念清晰、满足精度要求和节省计算时间等优点而得到广泛应用，但由于考虑的物理过程比较复杂，当不能满足其假设条件时，模拟结果有一定偏差。该方案适用于所有稳定条件和若不稳定条件的边界层，但在对流边界层中误差较大。
（c）ACM2参数化方案是ACM1（Asymmetric Convective Model）的改进方案。ACM1参数化方案是由Blackadar对流模式改进而来，由浮力热泡作用引起的向上的湍流输送，从模式最底层逐渐向上传递到其它层；而向下的湍流输送则由于补偿下沉作用而向下传递。ACM2方案在ACM1方案的向上输送过程中增加了局地输送部分，它可以模拟由浮力作用引起的气块向上输送，也可以模拟局地湍流交换。边界层内部的湍涡交换速率分别采用相似理论和局地湍涡交换公式计算，不稳定条件下的交换系数取两者的最大值。
第三章地面温度及风速日变化模拟
3.1 地面温度日变化
本文将不同边界层参数化方案模拟结果与地面实测数据进行对比分析，以检验WRF模式中YSU，MYJ，ACM2 3种不同边界层参数化方案对某新区冬季风场及温度场的模拟效果。
图1是WRF模式3种边界层参数化方案模拟的某新区地面温度与观测资料的温度日变化图，从图中可看出，3种边界层参数化方案模拟的地面温度日变化特征与实测的地面温度日变化特征基本吻合，9日及11日模拟效果最佳。3种气象模式模拟出的白天地面温度与观测值较为接近，而夜间则比观测值高，绝对误差最大接近7K，这可能是因为选择的陆面过程方案为热量扩散方案，并没有能准确描述出某新区冬季夜间的陆面过程。杨忠洲
图2为3种参数化方案模拟的某新区地面温度与实测值之间的相关性分析，由图可见，YSU参数化方案的模拟效果要优于MYJ、ACM2方案，其相关系数R的值为0.857788。图1显示YSU参数化方案在夜间的模拟效果明显优于其它两个边界层方案。
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