WRF模式中不同土地利用数据对新疆一次高温天气模拟的影响

本研究在WRF(v3.8.1)中分别使用MODIS 21类和USGS 24类土地利用类型数据,模拟了新疆2017年7月9日的极端高温天气,并在对模拟温度进行了高度订正的基础上,对比了两种土地利用数据对2 m温度预报的影响。结果表明:(1)MODIS和USGS在新疆地区的土地利用差异主要在阿尔泰山、天山以及南疆西部的昆仑山北部海拔3000 m以上的高山带,相应地,使用USGS模拟的这些高山带2 m气温明显高于使用MODIS的模拟值,最高偏高12 K左右,是全疆范围内两者偏差的极大值。(2)就新疆区域而言,使用USGS模拟的2 m气温整体优于使用MODIS的模拟值,且USGS模拟的2 m温度整体低于MODIS模拟的2 m温度。两者与实况的偏差多在2 K以内。(3)在伊犁河谷,MODIS土地利用类型主要为"旱地/草地",USGS为"草地"和"农田/林地马赛克"。伊犁河谷代表站点2 m温度模拟多以高温偏低、低温偏高为主。(4)与MODIS相比,USGS中哈密地区"农田/林地马赛克"所占比重明显增大。哈密地区多数代表站点高、低温均以偏低为主。(5)站点温度的高度订正多以调低为主,调低幅度最大值为1.9 K,出现在伊犁河谷的尼勒克站。站点2 m温度的调整幅度整体上明显大于MODIS和USGS模拟2 m温度的差值,由此可见温度高度订正的必要性。     

基于不同土地利用产品的华东地区夏季陆气相互作用模拟研究

土地利用和土地覆盖变化(Land Use and Land Cover Chang,LUCC)通过影响局地陆面过程及陆气相互作用进而影响局地天气和气候。为探究LUCC产品对陆气相互作用的影响,本文采用了三套LUCC产品,包括USGS、Landsat和MODIS,模拟研究不同LUCC产品对华东地区土壤和近地面温度、湿度的影响。结果表明,不同LUCC产品的土地利用类型差异主要在城市、农田和以草地、森林为主的自然植被。与USGS产品相比,Landsat和MODIS产品的城市和森林面积分别增加了2%和15%以上,农田面积则减少了17%左右。模拟结果表明,Landsat和MODIS产品的城市面积增加导致该区域的土壤温度和湿度增加,感热通量分别增加了28.1 W·m^-2、68.3 W·m^-2,潜热通量分别减少了28.3 W·m^-2、81 W·m^-2,这使得2 m气温增加了1.5℃左右,相对湿度减小了约9%。USGS产品中的农田和草地在Landsat和MODIS中改变为森林也使得土壤温度、湿度和近地面能量通量、温...     

两种边界层参数化方案和下垫面信息对一次暴雨过程模拟的影响

基于中尺度大气数值模式WRF,检验分析YSU和MYJ两种边界层参数化方案和分辨率分别为1 km(称为USGS)和500 m(称为MODIS)的两类下垫面资料对2014年5月9—12日青岛一次暴雨过程模拟的影响。分析表明,YSU和MYJ方案都能模拟出强降雨带的位置和强度,MYJ试验对大雨TS评分高达0.88,YSU对暴雨TS评分为0.65;和USGS试验相比,MODIS试验提高了暴雨的TS评分,提高率为6.2%,但对大雨仍易空报。YSU、MYJ和MODIS试验较好地模拟了2 m气温、10 m风向。YSU模拟的2 m气温准确率是降雨前优于降雨开始后,MYJ则相反;MODIS试验预报沿海地区气温偏高。和USGS相比,MODIS提高了近地面风速和风向的模拟精度。总体上,所有试验方案对所考虑气象要素的模拟,基本上是内陆站准确率高于沿海站,YSU优于MYJ,MODIS优于USGS。     

GRAPES_RAFS系统2 m温度偏差订正方法研究

本文通过对2013年6月20日至7月20日GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction System)_RAFS(Rapid Analysis and Forecast System)系统每天8个时次每3h的2 m温度预报进行分析,发现各时次的预报均能较好地表征2 m温度日变化特征,但预报与实况存在一定的偏差,其中西藏东部川西高原、云贵高原、江南武夷山脉偏低于实况可达3℃,而华北地区偏高于实况3℃以上.为了减小GRAPES_RAFS系统偏差对2m温度预报的影响,本文采用平均法、双权重平均法、滑动平均法和滑动双权重平均法分别对GRAPES_RAFS系统2 m温度预报产品进行偏差订正,并对订正前后的结果进行检验分析和对比.结果表明:2 m温度订正后的平均误差大部地区减小到(一1～1℃),而均方根误差大部地区降低到2.5℃内.对于偏差较大地区,订正效果更为明显,如西藏东部川西高原,经过订正,平均误差绝对值由订正前3℃以上降低到1℃内,而RMSE由订正前4℃以上控制到3℃内.对比四种订正方法,双权重订正方法与平均法订正整体效果接近,但对个别站点,双权重订正法要优于平均法,经过滑动的订正方法比无滑动的订正方法订正效果更好,订正效果最好的是滑动双权重平均法,全国平均误差大部分在(-0.5～0.5℃)内,不超过(-1～1℃)的范围.     

不同土地利用数据对中国西北地区风速模拟的影响

基于中尺度数值模式WRF,利用2015年7月和12月国家基本气象站观测的10 m风速资料、MODIS卫星遥感反演的IGBP土地利用数据和WRF模式自带的USGS土地利用数据,研究了不同土地利用数据对WRF模式在西北地区复杂地形条件下10 m风速模拟的影响。结果表明:(1)使用IGBP土地利用数据能有效改进模式10 m风速逐日变化和随不同预报时效变化的模拟效果。其中对2015年7月和12月模拟效果均有改进,且对12月10 m风速改进更加显著。(2)IGBP土地利用数据对西北地区不同区域风速数值模拟误差改进不同,主要改进区域位于甘肃河东、宁夏北部和陕西南部地区。(3)使用IGBP土地利用数据对模拟10 m风速的改进可能是由于其对地面粗糙度数据的改进。     

一个简单的格点温度预报订正方法

格点气象要素预报是中国气象局目前的主推业务和未来天气预报的发展方向。本文基于欧洲中期数值预报中心ECMWF高分辨率模式2 m温度预报资料,在传统中央气象台站点温度指导预报SCMOC和回归方法建立的站点温度预报的基础上,提出"站点订正值向格点传递"的方法来订正格点温度预报。结果表明:(1)SCMOC站点最高、最低温度24~168 h预报误差2℃准确率分别平均高于ECMWF的10.0%和23.1%,ECMWF存在较大的系统性偏差,最低温度预报偏高,最高温度预报偏低。(2)"站点订正值向格点传递"方法能够订正模式格点温度预报的系统误差,且整体上不改变原ECMWF温度预报场的空间形态和原模式对地形的刻画特征。(3)利用研究区域内98个县级站SCMOC温度预报,订正ECMWF格点场,返回到区域内1289个乡镇站进行检验,结果24 h最低、最高温度1℃的准确率较ECMWF分别提高22.8%和11.9%,2℃的准确率则分别提高29.7%和17.4%。最低(高)温度绝对误差平均减小0.99℃(0.69℃),平均误差(ME)下降到0.7℃(-0.9℃)以内。(4)通过一元线性回归,得到98个县级站的温度预报,返回差值场来订正格点场,也能较好地订正ECMWF的系统性误差。对比两种方法,SCMOC差值传递在最低温度订正方面有较大的优势,而回归方法的最高温度订正效果较好。此外,回归方法能够较好地改善逐时温度预报效果。该方法已成功运用于陕西省精细化格点预报业务系统中。     

里下河地区下垫面变化对降水、气温、风速的影响

近年来,随着苏北地区经济和城市的快速发展,土地覆盖状况发生了显著变化,其中尤以城市化扩展为主。为了分析下垫面变化对天气过程的影响,特别是对降水过程的影响,采用中尺度WRF3.4/Noah/UCM模式,对苏北里下河地区2005年8月6日的一次强降水过程进行了模拟,其中通过改变模式的下垫面特征,设置了三种敏感性分析试验,分别是USGS土地利用类型(CASE1)、修正后的MODIS土地利用类型(CASE2)和城市极端扩张后土地利用类型(CASE3)。研究结果表明,修正后的MODIS土地利用类型数据(CASE2)更能真实地反映里下河地区的下垫面结构,与实测值对比后发现模拟的降水、气温和风速等气象要素更为准确。通过将CASE2、CASE3与CASE1的模拟结果对比发现,城市下垫面增加后会使城市气温明显增加,上空的风速减小;白天地表感热通量增强,潜热通量减小,夜间延长了感热通量由正变负的时间;边界层高度被抬升,在中午前后分别被抬升了近45 m和100 m左右;垂直速度和散度值增大,大气低层的扰动位温增加,云水混合比和雨水混合比均增多。以上这些条件均有助于对流降水天气的发生、发展。     

中国北部积雪区冬季地表温度和2m气温再分析数据评估

利用2011-2016年冬季中国东北内蒙古及北疆地区251个站点逐日0 cm地表温度和2 m气温数据,对ERA5、MERRA2、JRA55、CRA-interim和CFSR五套再分析数据的地表温度和气温进行评估,并使用MOD10C1对有无积雪覆盖时地表温度的偏差进行了分析。结果表明,再分析气温的精度较高,各再分析气温的整体偏差分布在-1～1℃,北疆地区适用性稍差;再分析地表温度精度明显降低,除ERA5整体偏差为-0. 34℃外,再分析地表温度表现为明显低估;再分析地表温度的偏差与土地利用类型有关,林地地区的地表温度冷偏差最大,草地地区偏差最小;再分析地表温度在有雪时低估更为严重,林地和耕地地区表现明显;相对于地表温度偏差本身,积雪的影响不大,陆面模式对于积雪区冬季林地地区的模拟亟待提高。     

基于垂直温度梯度对WRF-RUC模式山东2 m温度订正研究

为了减小观测站实际地形高度与对应模式地形高度的差异给2 m预报温度带来的误差,基于垂直温度梯度设计两种订正方案:第1种方案假定整层大气温度垂直梯度为-0.006 5℃·m-1;第2种方案计算了距离观测站实际地形高度最近的两层模式温度间的垂直梯度。利用两种方案对天气与预报快速跟新循环(简称WRF-RUC)模式2016年10—12月山东逐日2 m预报温度进行订正并对比订正前后的预报效果,对高度差异最大的泰山站2 m预报温度的订正效果进行研究。结果表明:(1)山东大部分观测站的实际地形高度与对应模式地形高度差异较小,导致两种方案订正效果不明显;(2)对泰山站2 m预报温度的订正,第1种方案在预报前期有正效果,在预报后期出现负效果;第2种订正方案在整个预报时段呈现正效果;(3)WRF-RUC模式2 m预报温度存在负的系统偏差,导致第1种方案在预报后期对泰山站2 m预报温度的订正存在负效果,第2种方案有效克服了逆温影响,对泰山站2 m预报温度的订正效果更优。     

福建省ECMWF细网格模式2 m温度预报误差分析与订正

选取2022年1月1日—12月31日ECMWF细网格模式2 m温度预报24 h以内预报时效产品和对应时次的福建省70个国家站观测资料进行分析,采用ARIMA(差分自回归移动平均)模型和双权重ARIMA模型分别对2 m温度预报产品进行偏差订正,并对订正前后的结果进行对比分析。结果表明：1) ECMWF模式2 m温度预报在福建省主要呈现冷偏差,随着预报时效的增加,均方根误差和准确率随之变差;分别用两种模型进行订正,平均绝对误差由2.1℃以内减小到1.6℃以内,均方根误差从2.5℃以内降低到2.1℃以内,且偏差越大,订正效果越明显。2) ECMWF模式2 m温度逐月预报效果差异较大,订正后各评价指标均有显著改进,各月平均误差在-0.5—0.5℃。3) ECMWF模式2 m温度预报偏差主要表现为福建东部沿海小、中西部较大;订正后平均绝对误差和均方根误差减小至2℃以内,且对高海拔地区的站点改善效果更加明显。与ARIMA模型相比,双权重ARIMA模型订正后平均绝对误差与均方根误差更小、准确率更高,订正效果更好。     

海南岛不同土地覆盖资料对WRF模拟的影响*

提取GLC2009土地覆盖数据,将其运用到WRF数值模式并与模式自带的MODIS、USGS土地覆盖进行对比,以海南岛做为研究区域,选择一次海风锋天气过程进行敏感性分析,结果表明：①GLC2009对海南岛农耕地、森林的划分最接近实际情况,在海南岛平原以及丘陵地带,MODIS和USGS划分的农耕地比例过高,而在山区森林比例偏低;②GLC2009、MODIS、USGS对海南岛北部的降水模拟出现了空报,但是GLC2009对东海岸的强降水模拟的较好,并避免了MODIS和USGS在海南西南部的降水空报的情况;③GLC2009模拟的10米风场清晰刻画了东海岸海风锋辐合,其相对合理的森林覆盖提高了地表粗糙度并增强了风场辐合、低反照率对地面气温的增加和海陆热力差异的增强有一定的促进作用。④GLC2009对这次海风锋过程中模拟的感热通量和潜热通量都要高于MODIS和USGS,这种陆气间的热通量交换利于强对流天气的触发,发展。     

A numerical study of the influence of urban expansion on monthly climate in dry autumn over the Pearl River Delta, China

Summary In this study, we employed a regional model to simulate the impact of urban expansion on monthly climate in Pearl River Delta (PRD) region. Two experiments were performed by prescribing two different land covers in the PRD region. One land cover represents vegetation in the 1970s which is derived from the United States Geological Survey (USGS) data with 24-category (hereafter referred to as NU). The other land cover represents the current urban condition which is derived from remote sensing data acquired by the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) in 2004 (hereafter referred to as HU). Using the two land cover datasets, monthly climate of October 2004 was simulated, which was a very dry season in the PRD region. The results obtained from the numerical simulation show a distinct difference in simulated shelter-level temperature, humidity, surface fluxes and the height of planetary boundary layer (PBL) with two different land cover data sets being specified. The maximum difference in simulated monthly mean temperature over urban areas was 0.9 °C. A large temperature difference was found in urbanized area in Guangzhou, Dongguan, Zhongshan and Shenzhen. The monthly mean relative humidity in urban areas decreased by 1.4% as a result of urban expansion (from 59.2% in NU to 57.8% in HU). The maximum decrease in mixing ratio was 0.4 g/kg in Guangzhou and Dongguan, whereas the maximum decrease in relative humidity was 2.4%. There was an increase of sensible heat flux in developed lands and the maximum increase was 90 W m⁻². In contrast, latent hear flux in urban area decreased and the maximum decrease was 300 W m⁻². In addition, the increase in mean height of PBL ranged from 20 to 80 m (HU compared with NU), and the maximum change of the height was 180 m over urban area in city of Guangzhou.     

基于MODIS的天山山区草地类型植被指数变化特征及其与气候因子的关系

本研究建立基于MODIS的天山山区草地类型植被指数并分析其与气候因子的关系,研究发现：天山山区NDVI分布北部大,南部小;西部大,东部小。降水是影响天山山区NDVI的主要因子。天山山区在温度上升0.1℃,面雨量增加10%的情况下,NDVI增加2.5%。2000~2009年天山山区NDVI年平均值为0.35,温度呈上升趋势,降水呈减少趋势,对植被的生长不利,NDVI呈现出减小趋势,但减小不明显。天山山区NDVI最大值的年份,降水并不是最多的,说明植被的长势需要水分和热量匹配。1961~2009年天山山区的气候变化有利于草地NDVI的增加     

哈密高温气候特征及其环流形势分型

本文利用1961～2014年哈密国家基准气象观测站5～9月逐日最高气温、极端最高气温和NCEP1°×1°再分析资料,统计分析哈密市高温天气的气候特征及其环流特征。结果表明：（1）哈密市高温天气具有明显的时间变化特点,1961～1993年是偏少期,1994年以后明显偏多,而近14a是呈直线上升的趋势,这与全球气候变暖趋势一致。（2）哈密市近54a年平均高温日数是35d,主要集中在6～8月,7月最多。（3）高温日数具有明显的年际变化,最多为2002年出现60d,最少为1993年仅出现了11d。（4）新疆脊、伊朗副热带高压与西太平洋副热带高压的强弱和位置与高温天气有很好的对应关系;哈密出现持续性高温天气过程在500hPa高度场主要表现为三类环流类型:西太副高西伸发展型、伊朗副高东伸发展型、西太副高西伸发展与伊朗副高东伸发展共同作用型。     

西藏林芝地区混合像元MODIS地表温度产品验证

西藏林芝地区地形复杂、土地覆盖类型多样,MODIS地表温度 (land surface temperature,LST) 产品验证面临处理混合像元的难题,为获得与像元尺度 (1 km) 相匹配的地表温度数据,该文提出采用多点同时观测结合面积加权的方法,将该方法应用于验证林芝地区2013年6月10日夜间晴空MODIS/LST产品。结果显示:单点观测对像元的代表性不足,容易低估产品精度 (10个样本均方根误差为2.2 K),面积加权法可获得综合性更好的地面LST信息,对MODIS/LST产品的精度给出更高的评价 (30个样本均方根误差为1.40 K)。对于地表类型混杂程度高且地势较为平坦的像元,面积加权法的优势更为明显,可将卫星LST产品与地面LST之间的差异由3 K降至1 K以内。     

不同下垫面数据和城市冠层参数化方案对江苏气温影响的个例分析

利用中尺度数值模式WRF,分别选用新旧两种下垫面资料和不同城市冠层模型设计试验,以江苏一次秋末高温天气个例(2014年11月20—21日)为背景,研究城市化进程对气温的影响和可能机制。将模式结果与江苏国家气象观测站和地面加密区域自动站观测资料进行对比,并分析3组试验结果发现:(1)采用BEP城市方案对2 m气温、2 m相对湿度和10 m风速等物理量的日变化模拟最优。(2)相比USGS数据,MODIS较新地表覆盖变化数据能更真实反映研究区域当前地表类型分布情况,且能提高近地面风温湿要素空间分布的模拟。(3)分析不同试验模拟的地表能量平衡过程差异,发现相比UCM单层城市冠层方案,BEP多层城市冠层方案在白天能更好模拟出城市地区的温度升高以及相对应的地表感热通量和地面热通量的增加。     

新疆天山山区干旱灾害综合风险评估与区划

以自然灾害风险四因子理论为基础,综合考虑研究区自然及社会经济情况,建立适合天山山区干旱灾害风险概念框架和指标体系,结合GIS技术进行了该地区干旱灾害风险评估与区划。结果表明：致灾因子危险性较高的区域是伊犁河谷及天山北坡一带,东疆地区和南疆西部危险性较低;承灾体脆弱性较高的区域为伊犁河谷和博州地区,吐鲁番、哈密及克州属于低脆弱区;孕灾环境敏感性较高地区主要分布在天山北坡的精河至吐鲁番一线、阿克苏地区西部、巴州北部等地,伊犁河谷、巴州北部、哈密市北部、南疆西部山区属低敏感区;防灾减灾能力整体表现为中东部高于西部区域;新疆天山山区干旱综合风险整体呈现出中部高、两端低的趋势,即中部的天山南北两侧干旱风险高于南疆西部和东疆地区。构建的评估模型总体反映了研究区旱灾综合风险水平,可为新疆天山草原灾害风险管理、应对气候变化、抗旱减灾行动提供参考。     

Impact of land cover data on the simulation of urban heat island for Berlin using WRF coupled with bulk approach of Noah-LSM

Urban-rural difference of land cover is the key determinant of urban heat island (UHI). In order to evaluate the impact of land cover data on the simulation of UHI, a comparative study between up-to-date CORINE land cover (CLC) and Urban Atlas (UA) with fine resolution (100 and 10 m) and old US Geological Survey (USGS) data with coarse resolution (30 s) was conducted using the Weather Research and Forecasting model (WRF) coupled with bulk approach of Noah-LSM for Berlin. The comparison between old data and new data partly reveals the effect of urbanization on UHI and the historical evolution of UHI, while the comparison between different resolution data reveals the impact of resolution of land cover on the simulation of UHI. Given the high heterogeneity of urban surface and the fine-resolution land cover data, the mosaic approach was implemented in this study to calculate the sub-grid variability in land cover compositions. Results showed that the simulations using UA and CLC data perform better than that using USGS data for both air and land surface temperatures. USGS-based simulation underestimates the temperature, especially in rural areas. The longitudinal variations of both temperature and land surface temperature show good agreement with urban fraction for all the three simulations. To better study the comprehensive characteristic of UHI over Berlin, the UHI curves (UHIC) are developed for all the three simulations based on the relationship between temperature and urban fraction. CLC- and UA-based simulations show smoother UHICs than USGS-based simulation. The simulation with old USGS data obviously underestimates the extent of UHI, while the up-to-date CLC and UA data better reflect the real urbanization and simulate the spatial distribution of UHI more accurately. However, the intensity of UHI simulated by CLC and UA data is not higher than that simulated by USGS data. The simulated air temperature is not dominated by the land cover as much as the land surface temperature, as air temperature is also affected by air advection.     

基于中国植被数据的陆面覆盖及其对陆面过程模拟的影响

本文基于中国1:100万植被图、马里兰大学AVHRR森林覆盖资料和中国753个气象站点40年的降水气温资料, 发展了一套用于气候模拟的中国陆面覆盖资料(Chinese land cover derived from vegetation map, 简称CLCV)。该套资料与CLM(Community Land Model)原来所用的MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) 陆面覆盖资料相比有较大不同: 其中裸土比例减少了14.5%, 森林、灌木、草原和农作物比例分别增加了3.3%、4.8%、4.4%和0.3%, 冰川、湖泊和湿地比例分别增加了0.4%、0.8%和0.6%。将CLCV和MODIS资料分别与全国土地资源概查汇总结果分省统计资料和基于中国1 km土地利用图的土地利用资料比较表明, CLCV与两者较为接近。最后, 利用CLM模式分别采用CLCV与MODIS陆面覆盖资料在中国区域内进行数值模拟, 结果显示, 使用CLCV资料所模拟的蒸散增加了约7.7 mm/a; 地表反照率、 感热和径流分别减小了约0.7%、 0.3 W/m2和7.6 mm/a; 与MODIS卫星反演地表反照率和GRDC (Global Runoff Data Centre) 径流资料比较表明, 利用CLCV资料所模拟的地表反照率有一定改进, 并能基本模拟出径流分布趋势。