基于WRF-LES的门头沟...模拟与边界层方案敏感性研究_李叶晴.pdf
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1、第 42 卷 第 3 期2023 年 6 月高原气象PLATEAU METEOROLOGYVol.42 No.3June,2023李叶晴,师春香,沈润平,等,2023.基于WRF-LES的门头沟地区近地面风场模拟与边界层方案敏感性研究 J.高原气象,42(3):758-770.LI Yeqing,SHI Chunxiang,SHEN Runping,et al,2023.Simulation of Near-Surface Wind over Mentougou with WRF-LES and Sensitivity Study of Planetary Boundary Layer Sch
2、emes J.Plateau Meteorology,42(3):758-770.DOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2022.00084.基于WRF-LES的门头沟地区近地面风场模拟与边界层方案敏感性研究李叶晴1,师春香2,沈润平1,粟运3,张德杰1,葛玲玲2(1.南京信息工程大学地理科学学院,江苏 南京 210044;2.国家气象信息中心,北京 100081;3.成都信息工程大学大气科学学院,四川 成都 610225)摘要:近地面风场与人类生活密切相关,精细准确的风场模拟可以为气象实况产品提供数据支撑。目前,中尺度模式的时空分辨率无法满足局地精细化模拟的需求,因此本研
3、究基于中尺度模式(WRF)内层嵌套大涡模拟(LES),采用五层双向嵌套在门头沟东部区域展开百米近地面风场模拟。结合地面观测,设计边界层和亚网格模型敏感性试验,对比1 km分辨率下YSU和LES边界层方案对里层嵌套的影响,检验和评估不同亚网格模型在真实大气中的适用性。结果表明,在中微尺度过渡分辨率1 km开启YSU边界层较LES边界方案模拟效果更佳,在保持捕捉湍流细节的能力下,拥有较低的误差。不同的亚网格敏感性试验中,1.5TKE,SMAG,1.5TKE_NBA和 SMAG_NBA四种亚网格模型差异较小,统计指标上,SMAG的均方根误差最低,相关系数最高。同时,四种亚网格模型依旧存在模式本身造成
4、的高值低估,低值高估的现象,SMAG在风矢量分布和风速风向概率密度分布中与观测最为接近。在风场的瞬时空间分布上,SMAG_NBA表现出对细小的湍流捕捉能力的优势。关键词:WRF-LES;近地面风场;边界层;亚网格模型文章编号:1000-0534(2023)03-0758-13 中图分类号:P457.5 文献标识码:ADOI:10.7522/j.issn.1000-0534.2022.000841 引言 近地面风是重要的气象驱动要素之一,精细化风场模拟在数值天气预报、气象灾害风险评估、大气环境评价等应用中至关重要(Simpson et al,2016;Yang et al,2016;Coccia
5、,2021;刘馨尹和张宁,2021;李艳等,2015;Hoolohan et al,2018)。风场在不同地形下变化快速且复杂,虽然现在已有的观测资料能提供多尺度、高精度的信息,但仍难以描述连续的时空分布场(Fernando et al,2019)。数值模拟作为现在最有潜力的研究方法之一,可以提供高精度的时空连续场,在气象要素模拟、天气预报、气候分析等众多领域发挥重要作用(王颖等,2010;邢雯雯等,2021;粟运等,2022;张晨炜等,2022;王树舟和于恩涛,2014)。然而,如何利用数值模拟的方式得到既有湍流细节又与观测相近的高分辨率近地面风场是一个值得研究的问题。另一方面,随着计算机技
6、术的突飞猛进和数值预报模式的不断完善,人们对局地精细的气象信息需求越来越高(金荣花等,2019),主要体现在灾害预警的时效性和重大活动气象保障工作上。精细准确的风场模拟研究不仅可以为实况产品提供数据支撑,更能为精细化网格预报服务奠定基础(师春香等,2019)。收稿日期:20220505;定稿日期:20220916资助项目:国家自然科学基金项目(92037000)作者简介:李叶晴(1998-),女,广西桂林人,硕士研究生,主要从事风场数值模拟.E-mail:通信作者:师春香(1964-),女,山西吕梁人,二级研究员,主要从事多源数据融合、大气同化与再分析研究.E-mail:李叶晴等:基于WRF-
7、LES的门头沟地区近地面风场模拟与边界层方案敏感性研究3 期大气边界层是地面与大气之间物质进行动量、热量和水汽交换的重要场所(Stull,1988)。边界层的稳定性和斜压不稳定性决定着风场的变化,因此在模式中边界层方案对边界层内部状态和流场的模拟精度起着决定性的作用(Carvalho et al,2012)。中尺度模式中一个网格单元往往代表标量的平均态,同时也因分辨率太低而无法对三维 湍 流 解 析(Mirocha et al,2010)。大 涡 模 拟(Large Eddies Simulation,LES)是基于大尺度涡旋包含大部分湍流动能,而小尺度涡旋主要起到耗散作用的原理,利用空间滤波
8、函数把三维大气中的大尺度涡旋和小尺度涡旋分开,大涡用湍流运动方程(纳维-斯托克斯方程)显式求解,小涡则在湍流求解方程中添加应力项求解的一种湍流数值模拟方法。中尺度模式 WRF(Weather Research and Forecast Model),一方面可以利用全球预报或再分析资料作为初边值条件,拥有大气背景场;另一方面又具备LES所需的动力框架及物理方案,利于中微尺度耦合(Mirocha et al,2010)。因此,前人基于WRF-LES对真实大气环境下已展开了一些探索。Liu et al(2011)利用WRF-LES对科罗拉多某风电场进行数值模拟,比较了湍流扩散参数及嵌套方式对风场模拟
9、的影响,发现双向嵌套得到的湍流细节利于反馈。孙学金等(2017)利用WRF-LES进行风场模拟,发现改变土壤湿度会影响近地面风场的模拟精度。刘郁珏等(2018)针对地形和垂直分辨率进行边界层风场敏感性试验,结果表明复杂地区需适配同分辨率地形和适当加密垂直分辨率。Hald et al(2019)通过对天气过程进行模拟,发现 WRF-LES在保留中尺度天气背景的条件下,可以较好地捕捉到小尺度气象特征,例如山谷环流。以上研究表明了WRF-LES对局地湍流捕捉以及小尺度天气刻画的优势,针对局地精细化的风场数值模拟,必须根据局地实际情况进行最合适的分辨率和参数设置。LES作为WRF中边界层方案的一种,在
10、1 km这个介于中尺度和微尺度之间的过渡分辨率,开启大涡模拟方案对里层嵌套模拟效果是否更好还有待进一步研究。同时,大涡模拟中是包含亚网格通量的,必须通过亚网格模型对其进行封闭建模,而不同亚网格方案对近地面风场的模拟效果还有待检验。鉴于以上,本文基于WRF-LES进行五层双向嵌套,选择北京门头沟局地区域的晴天大风个例针对1 km分辨率是否开启LES和千米尺度以下WRF-LES中不同亚网格方案展开近地面风场的模拟,并利用地面观测进行详细评估检验。本研究主要聚焦两个问题:其一,1 km分辨率开启大涡模拟是否对模拟结果有优化;其二,大涡模拟中亚网格方案对于近地面风场模拟效果如何,何种方案对风场模拟结果
11、最佳,从而加深对WRF-LES的理解并为其应用提供科学的参考依据。2 模拟区域与观测数据 本文的研究区域位于北京门头沟区东部,地处华北平原向蒙古高原过渡地带,地势西北高,东南低。该地区属中纬度大陆性季风气候,高空大气环流属于盛行西风带,冬季干燥多风,夏季潮湿多雨。门头沟冬春过渡之季阳光明媚,多伴大风天气。选择门头沟区域的原因如下:其一,冬春换季常出现大风天气,干燥大风天气对于模式模拟具有代表性。其二,该区域观测密集,验证具有可靠性。其三,该地区有平原,丘陵和山地等多种地形,利于检验模式在不同地形下对风场的模拟能力。本研究使用中国分钟级地面自动气象站的10 m 风速风向数据,数据的原始采样间隔为
12、1 min,在结果验证时采样成与其对应的5 min分辨率。根据不同海拔将站点进行分类,具体观测站点信息如表1。3 模式设置和试验设计 3.1模式参数设置本研究采用 WRF-LES(WRF 版本 3.9.1.1)对门头沟区域进行五层嵌套,通过动力降尺度至最里层为 111 m,其中中尺度区域(千米尺度)为 D01,表1 站点基本信息Table 1 Basic infomaition of observations站号A0358A138154505A1036A1066A1109A1067经度/E1166 14.041166 33.841169 23.041169 27.001166 50.04116
13、7 32.161164 18.12纬度/N3956 27.963954 51.123953 16.083955 59.883951 25.923957 47.163952 08.04海拔/m98968691119143427分类平原平原平原平原山麓山麓丘陵A为区域站,54505为国家一般气象站759高原气象42 卷D02,D03 三层嵌套,微尺度(百米尺度)为 D04,D05两层嵌套。初始场和侧边界条件来自国家气象信息中心研制的全球大气实况分析产品,该产品是基于四维集合变分混合同化方法,同化实时收集的中国和全球常规观测资料和卫星探测数据后,生成的覆盖全球的三维大气实况产品(Liang et a
14、l,2020)。该实况产品的空间分辨率为13 km13 km,时间分辨率为6 h。模式模拟区域如图 1 所示,模式中心位置为3954 51.12 N,1166 33.84 E,其中第一层包含整个河北省,第二层包含整个北京市,最里层位于门头沟区新城区,北邻龙泉镇,南接潭柘寺镇。Wyngaard(2004)认为各嵌套层水平网格数一致利于大尺度湍流的形成和发展,因此本研究网格的五重嵌套水平网格数量均为 121121,垂直设置 40层。每一层设置的物理方案如下表2,在中尺度嵌套层(D01D03)使用的物理参数方案如下表格,在千米尺度以下的嵌套层(D04D05)关闭边界层,开启大涡模拟,时间集成使用 3
15、 阶龙格-库塔方案(Wicker and Skamarock,2002),离散方式使用显式六阶离散(Knievel et al,2007),使用到的亚网格方案具体见3.2。Liu et al(2011)发现双向反馈有利于大涡模拟对于涡旋细节的捕捉,故本研究选择使用双向反馈。3.2亚网格模型介绍3.2.1标准的WRF-LES亚网格模型WRF自带的基本亚网格(Subgrid-Scale,SGS)应力模型有两种,其一是 Smagorinsky模型(Lilly,1967;Smagorinsky,1963),其二是基于1.5阶TKE的模型(Lilly,1967)。两者基于亚网格应力的涡旋方程如下:ij=
16、-2TS?ij(1)式中:ij代表亚网格应力;T是涡黏系数;S?ij=图1模式嵌套示意图(a)和最里层D05的地形分布(b)空心三角形代表区域站,实心三角形代表国家一般气象站Fig.1Simulation domains(a)and the terrain distribution of D05(b).Hollow triangle represents the Regional Station,solid triangle represents the National General Weather Station表2 模式逐层嵌套网格参数设置Table 2 Domain size,gri
17、d spacing and time steps used in the WRF model simulations of each nested domain嵌套层D01D02D03D04D05网格数1211214012112140121121401211214012112140水平分辨率9 km3 km1 km333 m111 m水平跨越/km108936312140.2913.43时间步长/s18620.6670.222表3 WRF和WRF-LES模式物理参数设置Table 3 Physical schemes used in WRF and WRF-LES models模式WRFWRF
18、-LES物理参数化方案Kain-Fritsch积云方案YSU边界层方案Thompson微物理方案RRTM长、短波辐射方案MM5近地层方案Noah陆面过程方案3阶Runge-Kutta时间集成1.5TKE,SMAG,1.5TKE_NBA,SMAG_NBA湍流方案6阶数值离散方案760李叶晴等:基于WRF-LES的门头沟地区近地面风场模拟与边界层方案敏感性研究3 期1/2(u?i/xj+u?j/xi)是解析的应变速率张量。在Smagorinsky模型中,涡黏系数使用以下方程:T=(CSl)2max|0,(S?ijS?ij-Pr-1N2)12|(2)式中:CS是Smagorinsky系数,在WRF中
19、这个参数默认 0.25;l是湍流长度尺度,l=(xyz)1 3;Pr是数值为0.7的湍流普朗特数;N2是Brunt-Vasa?la频率。1.5阶TKE的涡黏系数方程如下:T=Cele(3)式中:e是亚网格的湍流动能,Ce=0.15,当选择这个子过滤器的选项时,WRF会集成一个亚网格湍流预测方程。两个模型都是易于理解和实现的,其中 Smagorinsky 模型相对于 1.5 阶 TKE 模型应用更加广泛。但是两者仍有局限,主要体现在以下这几个方面:1)它们使用的是常量,在普遍情况下是最优;2)两种模型都假定湍流耗散仅在局部平衡下产生;3)没有包括后向散射(Mirocha et al,2010)。
20、3.2.2NBA模型基于第三个缺点,考虑后向散射的亚网格模型嵌入至WRF中,该模型实现了非线性后向散射和各 向 异 性(Nonlinear Backscatter and Anisotropy,NBA)的应力模型(Kosovi,1997),该模型基于非线性本构关系,并包括考虑剪切均匀湍流情况下的后向散射和法向应力的二阶项。NBA模型用亚网格湍流动能表示为:Mij=-(CSl)2|2(2S?mnS?mn)12S?ij+C1(S?ikS?kj-13S?mnS?mnij)+C2(S?ikR?kj-R?ikS?kj)|(4)Mij=-Cel|2(e)12S?ij+(278)13C23Sl|C1(S?i
21、kS?kj-13S?mnS?mnij)+C2(S?ikR?kj-R?ikS?kj)|(5)式中:R?ij是可解的旋转张量;CS=8(1+Cb)/2721 2;Ce=(8/27)1 3C4 3S;C1=C2=96012Cb/7(1+Cb)Sk;Sk=0.5。该模型实际上只依赖于后向散射系数Cb,在该系数无限逼近于 0 时,由方程式给出的NBA模型(4)和(5)分别回归到线性涡粘Smagorinsky模型和1.5阶TKE亚网格应力模型。后向散射参数Cb代表的是平均值,它降低了整体耗散率,导致近表面应力和整体光谱特征的改善(Kosovi and Curry,2000)。在对流、中性和稳定分层的理想大
22、气边界层模拟中,NBA模型比线性涡度模型有显著改进,包括与近地表的相似性剖面有更好的一致性,改进了频谱特征和各向异性(Mirocha et al,2010)。3.3试验设计在WRF的边界层方案中,YSU是一阶闭合的非局地方案,利用非局地的涡旋扩散方法去显式求解边界层的顶部,Hu et al(2013)认为,YSU通过垂直混合从而改善了稳定状态下的风速估计,是专注于改善风力的PBL方案之一。众多学者已经证明 YSU 边界层方案的优势(Carvalho et al,2014a;Gholami et al,2021;张少济等,2017;李玉鹏等,2018;周荣卫等,2018)。1 km是介于中尺度和
23、微尺度之间的过渡范围,作为两个尺度之间的桥梁,它的精准模拟决定了最里层嵌套的模拟效果。同时,在1 km这个尺度是有多重选择的,既可以使用普通边界层方案,也可以选择大涡模拟 使用手册中建议在 2 km 以下分辨率使用(Skamarock et al,2008)。大涡模拟的处理并非一个必要的物理选择,所以它在中小尺度过渡模拟的适用性有必要研究。因此,在1 km分辨率的嵌套层进行大涡模拟的敏感性试验,为对比1 km打开动力模块与否对风场模拟的影响,设计试验 1 km-YSU 和 1 km-LES。前者在第三层嵌套使用YSU边界层方案,关闭大涡模拟;后者在第三层嵌套关闭 YSU边界层方案,开启大涡模拟
24、。嵌套的最里层(D04,D05)默认都关闭边界层,开启动力模块。大涡模拟的优点在于筛选出对动量、质量和能量影响大的大尺度涡旋,过滤掉主要起耗散作用的小涡。过滤的小涡通过大涡流场运动方程中附加的应力项体现,这个应力项就是通过亚网格模型来建立。因此,使用何种亚网格模型解析小涡对大涡的运动方程求解也至关重要。本研究选择的四种SGS模型有:1.5阶湍流闭合模型(1.5TKE),Smagorinsky一阶闭合模型(SMAG)和非线性后向散射各异向模型的两种形式(1.5TKE_NBA,SMAG_NBA)。4 模拟结果检验与分析 4.11 km边界层方案敏感性试验1 km作为中尺度和微尺度的桥梁,对其选择合
25、761高原气象42 卷适的参数化方案有利于对微尺度模拟的反馈。第一个试验是针对模拟的第三层(1 km)是否打开大涡模拟而进行的,该试验主要是为了评估 WRF-LES在1 km尺度的适用性。首先,为评估外层嵌套区域作为里层的初始边界条件的准确性,利用D01D03区域逐小时的风向风速进行检验。图2是根据所有逐小时的模拟结果(D01D03)与站点的逐小时的风速进行统计得出,可以看到,第三层是否打开大涡模拟,会对第一层和第二层嵌套产生影响,这是因为WRF模拟中使用的是双向反馈,其中第三层使用YSU边界层方案整体的模拟结果与观测更为接近。相比于开启大涡模拟,第三层关闭大涡模拟的归一化均方根误差更低,相关
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