土壤温湿度对城市气象模拟的影响研究

Numerical model has been one of the important tools for urban meteorology research and weather forecast services. However, until now, the accuracy of the numerical model for weather on urban area is for from satisfying the demands of weather forecast and research on urban area. Some research shows that the heterogeneity of meso-scale soil temperature and soil moisture has considerable impacts on urban local weather simulation. But the physical mechanism of the impacts and the interaction of soil temperature and soil moisture on urban land surface, boundary layer, and precipitation is still to be comprehensively studied. This project is going to couple the Noah-MP land surface model with urban canopy model, using Urbanized High-Resolution Land Data Assimilation System (u-HRLDAS) and new soil type data, and optimizing land surface physics and Dynamics parameterization options, to improve the accuracy of soil temperature and soil moisture in simulation. And more important, analyze the pattern of impacts of soil temperature and soil moisture variation on Beijing urban boundary layer and rainfall under different weather conditions, and study the mechanism of their impacts on urban meteorology simulation. Promote the development of land surface model, and lay the foundation for further improving the ability of WRF-Urban on urban meteorology forecast.

数值模式已经成为开展城市气象研究及气象预报服务的重要工具之一。然而，现阶段数值模式在城市地区对天气的模拟准确性仍远远不能满足城市气象精细预报以及相关科学研究的需要。研究表明区域尺度土壤温湿度不均匀性对城市局地天气的模拟有不可忽视的影响，但土壤温湿度对城市地区陆面、大气边界层和降水过程的影响及相互作用的物理机制仍有待全面、深入的分析研究。本项目拟在实现Noah-MP陆面模式与城市冠层模式耦合并建立WRF/Noah-MP/UCM模式系统的基础上，通过采用u-HRLDAS高分辨率城市陆面资料同化系统、更新WRF中现有中国地区土壤分类数据、优选陆面过程物理方案及参数，提高模式对土壤温湿度的模拟准确性，分析土壤温湿度变化在不同天气情况下对北京城市边界层及降水的影响规律，探究其对城市气象模拟影响的物理机制，推动陆面模式的发展，为进一步改进WRF-Urban对城市气象的预报能力奠定基础。

本项目针对陆面模式的模拟准确性及土壤温湿度对天气的影响开展研究，通过陆面模式的发展改进和模拟试验，提高了模式对陆面过程和近地面气象要素的模拟性能，揭示了土壤类型和参数及土壤温湿度对天气影响的机理。. 主要开展了以下三方面的工作：1. 研究了Noah-MP陆面模式与城市冠层模式的耦合方法，实现了单层和多层城市冠层模式与Noah-MP陆面模式的耦合，建立了适用于北京地区的WRF/Noah-MP/Urban模式系统。2. 通过高分辨率城市陆面资料同化系统的耦合、土壤类型资料的更新、土壤参数的调整改进了WRF/Noah-MP/Urban模式系统，提高了模式系统对土壤温湿度、地表通量和近地面气象要素的模拟准确性。3. 利用改进后的WRF/Noah-MP/Urban模式系统，通过模拟试验研究了土壤类型、土壤参数、陆面资料同化系统、土壤温湿度对地表通量、近地面气象要素的影响及其机理。. 取得的主要成果如下：1. 实现了单层和多层城市冠层模式与Noah-MP陆面模式的耦合，建立了适用于北京地区的WRF/Noah-MP/Urban模式系统。2. 实现了基于Noah-MP陆面模式与多层城市冠层模式离线耦合模式建立的城市高分辨率陆面资料同化系统与WRF/Noah-MP/Urban模式系统耦合运行，显著提高了WRF/Noah-MP/Urban模式系统初始场中土壤温湿度等陆面变量的精细程度和准确性。3. 对模式系统采用的土壤类型资料、土壤参数等进行了优化调整，显著提高了WRF/Noah-MP/Urban模式系统在北京及华北地区对陆面和近地面要素的模拟准确性。4. 利用建立的模式系统对陆面过程及要素对气象模拟影响开展的研究表明：土壤类型和参数的调整对气象模拟有显著影响；表层土壤温湿度的变化，会导致土壤热导率的变化，从而影响地表能量的分配，改变陆面向大气释放的感热和潜热，使近地面气温和比湿的模拟结果发生变化。. 本项目发展建立的WRF/Noah-MP/Urban模式系统和陆面资料同化系统已经在北京市气象局业务系统睿图（RMAPS）中开展测试和应用工作，研究得出的土壤类型、参数及土壤温湿度对气象模拟的影响及其机理也为业务数值预报系统的改进提供了有力依据。项目的开展为Noah-MP陆面模式在城市地区的应用奠定基础，推动了城市陆面模式的发展。