不同边界层参数化方案的比较及其对WRF-Chem模式模拟的一次休斯敦/德克萨斯州的个例的地表臭氧浓度的影响外文翻译资料

 2022-12-04 02:12

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不同边界层参数化方案的比较及其对WRF-Chem模式模拟的一次休斯敦/德克萨斯州的个例的地表臭氧浓度的影响

摘 要：有超过六百万居民的休斯敦城区是美国第四大的城市。这个德克萨斯东南部地区的臭氧浓度常常超过国家环境空气质量标准（NAAQS）。由于这个原因，我们运用WRF-Chem模式来量化四种常用的边界层方案对气象和臭氧预测的差异。模拟的结果和观测的数据进行比较来确定一种更适合这个区域的边界层方案。四种边界层参数化方案包括两个一阶闭合方案YSU和ACM2，以及两个湍流动能闭合方案MYJ和QNSE。每个方案都进行了24小时的预报。模拟的温度、位温相对湿度水汽混合比和u、v方向的风的分量和2006年夏天进行的德克萨斯的空气质量研究（TexAQS II）基和气溶胶测量项目（TRAMP）实验收集到的测量数据进行了对比。模拟的臭氧和TRAMP数据以及空气质量连续监测站（CAMS）的数据进行了对比。此外，对四种方案模拟的边界层高度的演变和垂直混合特性也进行了探索。尽管结果几乎在所有气象变量中都具有很高的相关系数和较小的偏差，但总体结果并没有显示对于休斯敦案例有更优的边界层参数化方案。但是，对于臭氧的预测，YSU方案表现出与观测数据最好的一致性。

一、引言

数值天气预报（NWP）和空气质量模型（AQM）被广泛地用作决策过程的基础，它不仅可以预测恶劣天气现象，而且可以发展环境污染物法规。NWP模式运行的水平分辨率为1-100km。但是，仍有一些大气运动的相关尺度没有妥善的解决，这些影响必须包含在NWP模式中来合理地预测大气状态。大气中，湍流运动在次网格尺度中扮演了很重要的角色，并且可以极大地改变边界层的垂直混合。在大部分传统的NWP模式中，边界层参数化负责代表次网格尺度湍流运动对大网格变量的影响，如位温、水汽混合比，和风。由于边界层可以呈现大量不同的特征，存在很多不同的客观公式来代表真实的大气状态。此外，这些影响因子不仅局限于数值天气预报模式的气象变量，而且必须在空气质量模型（AQM）很好的体现正确模拟微量气体浓度。

利用不同的闭合方案，在NWP模式中现有两种不同的方法来设置垂直混合的参数。闭合方案被用来在网格中得到平均大气变量的湍流通量。这些闭合方案是必需的，因为在为湍流设置方程时，不确定变量的数目大于对基础方程雷诺平均后方程的数量。有两种常用的湍流闭合的方法：局地闭合和非局地闭合。局地闭合方案利用平均大气变量和梯度在网格单元及其邻近的相邻单元估计每一模型网格单元的湍流通量。因此，它假定湍流类似于分子扩散。然而，这种方法对大漩涡在对流边界层垂直运输中发挥的重要作用的表现过于简单化。另一方面，非局部闭包方案假定在一个模型网格单元上未知量是由不同网格单元上已知量的值参数化的。这就假定湍流是不同尺度的旋涡的叠加，每一个尺度都像一个平流过程一样输送流体。

次网格尺度通量可以通过热量、湿度和动量的垂直扩散来影响整个对流层的热力学和动力学性质。许多不同的边界层参数化方案已经被提出来处理特定的边界层属性和过程（如稳定性、湍流对于垂直方向上的动量、热量和水汽的输送以及地表和大气的辐射放射和吸收）以及这些属性和过程是如何体现的。非局地闭合的技术已经运用到对流边界层内垂直混合的问题。最近的一些研究检验了WRF模式预测对于边界层方案的敏感性。不同的边界层方案的性能取决于边界层的条件，例如，非局地的边界层方案能更好的代表涡流引起的垂直输送，因此在白天对流边界层，它们比局地边界层方案表现的更好。Ha和Mahrt强调残留层的垂直混合是模式不确定性的重要来源。垂直分辨率影响模型的垂直混合强度。对残余层的垂直混合（即不同的稳定函数和渐近长度）的不同处理进行了敏感性模拟，以确定适当的处理方法。这项调查由Hu等人拓展，他们集中注意在WRF模式模拟白天对流边界层的灵敏度。Hu等人对休斯敦-加尔维斯敦地区评估了WRF模式中的三种边界层方案。Yerramilli等人通过WRF-Chem模式评估了边界层和陆面过程方案对墨西哥湾中部地区臭氧预报的敏感性。作者表明延世大学的边界层方案和Noah陆面过程方案的耦合具有最好的模式代表性，特别是和无线电探空仪的垂直廓线数据对比时。并且，他们强调实验中的主要差异是由于不同边界层参数化方案中的湍流交换系数的差异。Tang等人分析了相关模型参数中垂直扩散格式的不确定性以及在使用CMAQ模式时它们对臭氧预报的影响。对于一些高臭氧事件，作者发现垂直扩散方案的选择影响8小时臭氧对于氮氧化物的敏感性约为20%，干沉降速率的不确定性影响约占5-10%。最近以来，Kolling等人在德克萨斯东南部用两种独特的NWP评估了ACM2模型。作者表明ACM2方案准确的模拟了这一地区的白天边界层的早晨增长，最高高度和夜晚的下降。

休斯敦城区是美国第四大的城区，有超过六百万居民。这个位于德克萨斯东南部的地区臭氧经常超过NAAQS标准。因此，一个贴合实际的关于这一地区边界层结构和演变的的模拟对气象和空气质量的模式很关键。事实上，在模拟物理性质的精度差往往导致不好的气象和空气质量预报。

在这篇研究中，我们探究了WRF-Chem模式来量化四种广泛使用的边界层方案对气象预报的差异，并且将结果与2006年TRAMP组成部分之一的VME观测到的时域高分辨边界层数据时得到的的观测数据相对比。本研究中使用的敏感分析方法在第二节中描述。对气象变量的验证之后，在第三节对WRF模式化学模块中对地表臭氧浓度进行了敏感性分析。最后，在第四部分对结论进行了总结。

二、方法

研究的第一部分介绍了模式的实施并且将结果和TRAMP中VME观测到的一个单独和全面的数据集进行对比，集中在模式模拟的垂直混合。气象观测包括无线电探空测风，臭氧探空仪，系留气艇，地表和飞机测量。第三和第四部分研究的第三和第四部分（第3.3和3.4章）展示了对不同边界层方案的表面臭氧的敏感性分析。将WRF / Chem的结果与休斯顿VME实验和连续环境监测站点（CAMS）网络的地面站进行比较。 边界层方案的敏感性在垂直混合实验（VME）期间分析了一天，即2006年10月5日，这是一项较大型TRAMP研究的子项目。 Lefer和Rappenglueck在2010年提供了关于TRAMP研究的完整描述。使用了具有化学性质的高级研究气象研究和预报（ARW-WRF）模型3.5版，并使用三具有单向嵌套技术的模型域。有关模型配置的信息，请参阅表1。有关WRF中边界层的模型配置和参数化的更多信息，请参阅补充材料（SM）。此外，SM在2006年10月5日对天气条件进行了简要描述（图S2）。

无线电探风仪从休斯顿大学校园（29.74 N; 95.34 W; 11米）发射到地平面以上（agl），距离休斯敦市中心东南约5公里。 大气探测资料提供了气象学变量，如温度，潜在温度，混合比以及风的ue分量。 在这一天无线电探风仪于05：00，10：00，16：00和19：00中央夏令时间（CDT）发射。

维萨拉公司的DigiCora III 系留汽艇系统被用于实验。所有的探测都是采用相同的TTS-111系留汽艇以配置模式连续拍摄的。 在这一天的17个时期，即08：34,09：10,09：32,11：02,11：15,11：30,11：39,11：48，13：21，13：46，14：34，18：03，18：16和18：31 CDT。 观测结果是从地面几米到300米的范围内进行的，从而可以在最低的第一模型水平（12,46,97,180,268,360,443 m agl）观察和模拟数据之间进行比较。 数据平均每高出地面10米。 在Rappengluuml;ck等人的文章中可以找到有关原始探空资料和系留汽艇数据和分析的更多信息。

两个电台在UH主校区获得了气象变量。测量的气象变量是温度，相对湿度和风的紫外分量。第一个车站位于北穆迪塔住宅大楼的屋顶，位于65 m agl（29.7176 N，95.3414 W）。第二站位于UH校园的气球发射场（29.7421 N，95.3395 W）。飞机的测量数据是在贝勒大学（BU）Aztec飞机上收集的。飞机在UH主校区上进行了5次螺旋收集垂直温度，相对湿度，u和v分量的风况。收集的化学变量是一氧化碳（CO），甲醛（HCHO），二氧化硫（SO2）和臭氧（臭氧）。Olaguer等人给出了仪器有效载荷的描述。CAMS网络在休斯敦被用来验证模型与观察到的臭氧和NOx表面浓度的关系，更具体地说，包括休斯顿东（C1），阿尔丁（C8），贝兰德公园（C53），克林顿（C403），西北哈里斯县（C26）和德克萨斯城（C620）。

关于无线电探风仪的统计分析包括观测和模拟温度，潜在温度，水汽混合比和风的uev分量的垂直廓线。 此外，还应用统计分析来评估温度，相对湿度，风的其他部分与WRF / Chem模拟的臭氧之间的关系，并在地面拖车和穆迪塔顶上观测。 CAMS臭氧和氮氧化物数据也进行了统计分析。 计算的参数包括Pearson相关系数（R）以确定预测和观测值之间的线性关联强度，均方根误差（RMSE）来描述预测值和观测值之间差异的大小，以及 乘积偏差（BIAS），即预测平均值与观测值之比。

三、结果和讨论

3.1边界层敏感分析及其对垂直混合过程的影响

对空气质量有重要影响的重要参数之一是行星边界层高度。 边界层确定低层大气中的混合并确定大气扩散系数。由于边界层高度的确定程序是每个边界层方案的特征，并且WRF / Chem在夜间没有施加最小边界层高度值，所以我们比较了四个实验的边界层高度。从ACM2，YSU和MYJ模拟的夜间边界层高度范围为16-80 m agl（图1a），YSU是计算几乎所有夜间最低边界层高度的方案。来自QNSE的模拟夜间边界层高度范围从160到400 m agl。然而，在白天边界层的发展是对流湍流的结果，根据不同的处理，边界层高度会产生巨大的差异。与基于批量理查森数（YSU和ACM2）的边界层方案相比，基于涡流扩散系数（MYJ和QNSE）的边界层方案在白天表现出更少的边界层增加。图1a显示边界层高度从1500到2400米不等。 YSU和ACM2 边界层方案在白天产生最高的边界层高度，也是夜间最低的垂直混合。根据Rappengluuml;ck等人的观测来估计边界层高度的主观方法。被用于这项工作。这些观察的结果可以在图1a中以黑点显示，并且估计的边界层高度分别在05,07,10,16和19 CDT时分别为400,500,700,1600,1400m1gl。我们估计边界层高度的不确定性约为plusmn;50 m。虽然这种对边界层高度的主观估计不能产生非常精确的值，但由不同的边界层方案计算的边界层高度值也受到不确定性的影响。有关边界层方案如何计算边界层高度的更多信息，请参阅SM。

选择环境温度（K），潜在温度（K），混合比（g / kg），相对湿度（％）和风的ue分量的垂直廓线进一步探讨边界层方案的差异及其潜在影响 垂直混合。 请参阅附录A，了解有关天气的简要说明。图2显示了根据与由WRF / Chem计算的四个实验相比较，从表面至5 km agl的观测结果。 图3显示了系留汽艇垂直廓线与从地表到海拔300 m agl的模型结果之间的比较。

图2显示了在05,10,16和19CDT从UH校园发布的模型实验和原始数据的比较。 显然，实验间的差异在白天（16和19 CDT）更明显，当边界层表现出明显的日变化，并且不同的参数化方案明显计算其演变。 该模型很好地计算了温度垂直剖面（图2a和f），基本上除了地面以外的所有层面，其中模拟值在05 CDT附近过低。 该模型没有很好地计算出10 CDT时的反演层（400 m agl的观察结果与YSU，MYJ和ACM2实验中的300 m agl以及QNSE实验中的200 m agl）。

与观测结果相比，该模型模拟的海水温度低于2500 m Agl（图2b和g）。 另外，图2g表明，在500〜1500m agl的层内实验计算出的潜在温度在19℃时可以达到2K的差值。 实验的q-概况之间的不一致可能是由于局部和非局部混合和夹带配方的差异。 TKE封闭实验中的边界层高度和q-分布之间的偏差（图1a和2b，g）是因为边界层高度是根据TKE资料计算的，而不是基于q-资料。

图2c和h显示了观察到的和模拟的水蒸气混合比垂直廓线之间的比较。 尽管模型合理计算了水汽垂直廓线，但模拟和实测资料之间存在一些明显的差异，主要集中在约1500〜3900 m agl水平。 总体而言，所有的模拟水汽混合比值都高于大多数海拔高度的观测值。 另外，实验之间的较大差异被发现低于1500 m agl。特别是在19 CDT时，由MYJ和QNSE计算的更高的潜在温度在这个水平产生了较干燥的大气条件。 相反，YSU和ACM2结果显示在这个水平上有更多的潮湿条件。

对于风分量（图2d，e，i，j），可以在地表附近观察到最大的差异。没有一个实验可以重现16和19 CDT混合层中u和v风分量的波动。观测结果代表了给定点的瞬时值，因此也反映了此时的瞬时湍流状态，这是边界层与自由大气相比的主要区别之一。这些值的波动在观测期间没有被平均，而边界层方案反映了子网格尺度湍流通量对平均变量的影响，因此该模型不代表观测变率。

图3显示了在休斯顿大学主校区发射的系留汽艇测得的数据。 10月5日获得了17条链条样本，但只有最具代表性的时期才在本文中展示。总体分析表明，该模型合理地计算出第一个模型水平。水蒸气混合比（图3中的第一列）在11 CDT之前呈现较低的水蒸气混合比并且之后较高的水蒸气混合比例，即在11:15,12：04,13：46,14：34和18 ：31 CDT。此外，该模型计算出的城市地区的风况预测的对数形状（Stull，1988），QNSE方案显示地表附近的最低风速。观测风资料显示，地面附近的风速很低。特别是夜间数据表明，由于风速垂直廓线的微小变化，存在稳定的条件。另一方面，白天值在风速垂直剖面上显示出较大的振荡，这是由于较强的湍流通量造成的。

SM中的表S2显示模型结果实验与观测到的原始数据的统计分析。空气温度垂直廓线的结

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