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摘 要：该文全面综述了有关WRF模式中陆面方案和土壤湿度对高温天气模拟影响的研究成果，并通过归纳总结，从热通量、大气环流、物理过程3个方面进行了机理上的阐述。结果表明不同的陆面方案和土壤湿度主要通过改变感热通量输送和大气环流来引起气温的变化，且通过改变大气内部的各物理过程直接影响高温的模拟。深刻了解影响WRF高温模拟的因子和机理，对进一步提高高温天气的预测能力、趋利避害有重要的指导意义。
关键词：WRF模式 高温 陆面方案 土壤湿度
中图分类号：P461.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0190-03
在全球变暖的气候背景下，近几十年来极端高温事件在世界范围内频频发生，对人体健康、农业生产、交通运输等诸多方面都造成了非常严重的影响[1]。在全球的区域模式模拟中，对高温的关注度一直很高，高温也常常成为集合预报中研究的重点[2]。随着中尺度预报模式WRF的快速发展，其在高温热浪的模拟预报中得到了国内外学者的广泛应用，以期更深入地理解影响高温天气发生发展的物理机制。其中，由于陆面过程控制着陆面与大气之间各种能量与物质的交换[3]，陆地表面状况对大气环流、降水和温度等有着强烈的影响。而土壤湿度作为陆面过程中的一个重要物理量，其异常变化能够通过改变边界层的湍流输送来影响大气的温、湿状况，从而导致大气环流的异常，进而深刻地影响着局地、区域乃至全球的天气气候特征。
综观以往的研究，很少见到系统性地综述高温天气受到WRF模式中陆面方案和相关陆面参数（如土壤湿度）影响的报道。由于陆面观测资料的缺乏以及陆面过程中大气、植被、土壤等之间复杂的作用关系，相关的理论研究还亟待延伸和补充，该文就前人有关此类的研究进行总结和论述，以期进一步推动WRF模式在高温天气研究中的应用、提升高温预报效果、增强防灾减灾的能力。
1 陆面方案的影响
WRF中不同的陆面方案对应不同的陆面过程，其中包括控制陆气间水分、热量和动量交换的地表热力过程、水文过程等以及这些过程之间的相互作用[4]。发生在地表附近的这些交换过程，进而与边界层过程耦合，实现自由大气和底层大气间的能量和物质交换。
在过去的一些研究中，许多气象学者关注于区域气候中陆面过程的作用和影响，具体分析了高温等天气过程对陆面过程各物理参数化方案和陆面初边界条件的敏感性，深入研究讨论了陆气间的反馈机理并得到了许多重要的结论[5]。Betts等[6]考察了陆面方案对数值天气预报的影响，认为中短期天气对陆面方案十分敏感。曾新民等[7]利用三种不同的陆面方案（NOAH、RUC、SLAB）模拟了2003年7月华南地区的高温天气，结果表明，模拟高温对不同陆面方案十分敏感，在模拟强度及误差上存在较大差异，综合而言SLAB方案模拟效果最好。由不同陆面方案导致的大气环流变化与地表温度变化间的“正”反馈机制不重要，在主要高温区甚至存在“负”反馈机制。针对影响气温的不同气象变量和物理过程，王秋云等[8]认为不同陆面方案模拟的结果差异较大，比如：NOAH方案模拟的地面风速效果最好、SLAB对相对湿度的模拟最佳等。这都与不同陆面方案对下垫面植被、土壤等的表示不同有关，并最终导致模拟气温出现差异。王洋等[9]采用WRFV3.1进一步比较了PX方案对高温的模拟效果，发现PX方案的TS评分（模拟误差）随着模拟时间增加越来越高（小），这与陆面方案的参数化合理性和spin-up时间有关。
2 土壤湿度的影响
土壤湿度扰动能够显著地影响高温和降水的模拟，陆面特征的改进能够提高局地的天气预测准确性。陆面过程受到气象边界条件的强烈驱动，土壤湿度在不同时间尺度的天气模拟中都十分重要。尤其在高温天气中，土壤湿度所控制的地表蒸发、热通量传输等对不同干湿条件下的温度模拟有很大的影响[10]。
在天气和气候模拟中，土壤湿度的初值对模拟结果影响很大[11]。在短期气候模拟中，Ferranti等[12]的模拟研究表明，大气对根区（土深1 m）土壤水含量初始扰动的非线性响应可持续2个月，并且土壤越干，响应越强；而整层（土深2.89 m）扰动可增大大气异常的幅度，并持续达3个月。张井勇和吴凌云[13]利用2个长期含有和没有土壤湿度-大气相互作用的WRF模式模拟评估了陆气耦合对中国高温热浪的影响，结果表明陆气耦合增加了中国的高温热浪，贡献度最大能达到30%～70%。Zeng等[14]采用WRF对2003年7月下旬的高温天气进行了模拟，发现模拟高温对土壤湿度有很强的敏感性。在湿的土壤湿度条件下，模拟的高温强度和范围更小，这是因为土壤湿度的增加会增大陆面的水汽蒸发从而加强对陆面的冷却效应从而降低地表温度；在干的土壤湿度条件下则情况相反。
3 影响机理
3.1 热通量
不同的陆气相互作用（不同的土壤湿度与大气之间）和陆面方案主要是通过地表通量来改变气温模拟的，具体来说，主要通过模拟地表感热通量的变化影响地面气温变化[7]，这与Ferranti等[12]得到的土壤湿度改变导致的地表感热输送变化是增大气温异常的主要因子的结论一致。
有研究表明[14]，感热通量输送的增加（减小）会导致气温升高（降低），即感热通量的输送会直接影响到近地面的温度，又因为感热、潜热通量是净辐射能在陆面主要的两种分配形式，在净辐射能稳定少变的情形下，感热通量的增加或减少势必会引起潜热通量向相反的方向变化。所以表征陆面与大气间水分热交换的潜热输送增强（减弱）则会导致温度的降低（升高）。
3.2 大气环流
有研究表明[15]，西太平洋副热带高压异常偏西和增强是造成中国夏季高温热浪的主要原因。如，2003年江南地区许多地方都出现了超过历史最高纪录的高温值（均超过了40 ℃），对人类的生产、生活造成了严重影响。由3.1节可知热通量能够直接作用于地表气温，但实际上，热通量还能通过对大气环流的影响来改变气温。 Zeng等[16]在针对中国东部地区高温天气对陆面方案的敏感性研究中指出，不同的陆面方案和土壤湿度能在各气压层上可模拟出不同的位势高度值，因此，产生的环流差异最终可导致气温的变化。在NOAH、PX和RUC三个含有初始土壤水含量（及定量改变土壤湿度后）的陆面方案中存在感热通量、850 hPa位势高度、地表温度三者间的负反馈机制。Pal等[17]的研究同样表明，由于土壤湿度或陆面方案改变而增加的感热通量往往会造成气温的升高，并伴随着一个在低层大气有弱上升气流而在对流层上层有加强的反气旋环流的热低压系统。但相比陆面感热潜热的影响，陆面方案和土壤湿度造成的大气环流变化对模拟高温的影响是次要的[9]。
3.3 物理过程
陆面方案和土壤湿度改变对气温的影响主要是通过热通量和大气环流的变化来实现的，但这些变化最终导致的大气内部对温度有直接影响的物理过程（对流、平流、绝热、非绝热过程等）的变化才是最根本的原因[16]。
尹东屏等[15]探讨了高温发生的主要原因，指出在副热带高压控制的天气背景下，非绝热过程是高温出现的关键，而温度平流起到的作用很小。这与Zeng等[14]利用温度变化方程所求得的各项物理过程间的大小关系一致，认为白天以辐射加热为主的非绝热增温过程最为重要，副热带高压中下沉气流控制下的绝热增温（即对流过程）次之。非绝热对高温的作用强度在干（湿）的土壤湿度条件下更大（小），且非绝热项在各物理项中对土壤湿度的敏感程度最强。对于陆面方案而言[16]，RUC、SLAB、NOAH和PX方案都模拟出量值很大的非绝热项和较小的绝热项。在绝热过程中，PX方案造成的下沉增温效应较其它方案均更弱且有更大的干绝热垂直递减率。此外，不同陆面方案模拟的各项量值差异也十分明显，所有方案都模拟出较观测值更大的地面气温值，PX方案的模拟效果最差。
4 结语
（1）WRF中不同的陆面方案和土壤湿度对高温天气模拟有显著的影响。由于对下垫面各特征的表示不一，陆气间相互作用存在差异，陆面方案的模拟效果也不尽相同。土壤湿度通过改变蒸发和地表通量等来影响气温的变化，在干的土壤湿度条件下可模拟出更高强度、更大范围的高温，在湿的土壤湿度条件下则相反。
（2）从作用机理上看，不同的陆面方案和土壤湿度主要通过热通量和大气环流来影响高温模拟，但直接原因则是大气内部影响温度的物理过程的变化。感热通量对陆面有直接的加热作用，与地表温度和位势高度（大气环流）间存在一定的反馈机制。在各物理过程中，非绝热作用的影响最大，平流作用则相对不重要。
参考文献
[1] 史军，丁一汇，崔林丽.华东极端高温气候特征及成因分析[J].大气科学，2009，33（2）：347-358.
[2] McCollor D， Stull R.Evaluation of probabilistic medium-range temperature forecasts from the North American Ensemble Forecast System[J]. Weather Forecast，2009，24：3-17.
[3] Zeng X M， Zhao M，Yu R C，et al. Application of a“big-tree”model to regional climate modeling：A sensitivity study[J].Theor Appl Climatol，2003，76：203-218.
[4] 杨新兵，逯进生，鲁绍伟.陆面过程中的水文模式研究[J].水土保持研究，2007，14（3）：46-50.
[5] 刘金波，曾新民，郑益群.区域气候模式分辨率对中国夏季气温模拟影响的评估[J].气象学报，2011，69（3）：534-543.
[6] Betts A K，Viterbo P.Land-surface，boundary layer and cloud-field coupling over the south-western Amazon in ERA-40[J].J.Geophys. Res.，2005，110，D14108.
[7] 曾新民，吴志皇，熊仕焱，等.WRF模式短期高温天气模拟对陆面方案的敏感性[J].中国科学：地球科学，2011，41（9）：1375-1384.
[8] 王秋云，严明良，包云轩，等.基于不同陆面参数化方案的高温天气数值模拟[J].气象科技，2011，39（5）：537-544.
[9] 王洋，曾新民，徐远胜，等.WRF模式中期与短期高温天气模拟对陆面方案敏感性的比较：初步结果分析[C]//第七届长三角气象科技论坛论文集.2010.
[10] Etherton B，Santos P.Sensitivity of WRF forecasts for South Florida to initial conditions[J].Weather Forecast，2008（23）：725-740.
[11] Du C L， Liu X D，Wu W L.CLM3-simulated Chinese soil moisture during 1979—2003 and its possible response to Global Warming[J]. Plateau Meteorology，2008，27（3）：463-473.
[12] Ferranti L，Viterbo P.The European Summer of 2003：Sensitivity to Soil Water Initial Conditions[J].Journal of Climate，2006（19）：3659-3680.
[13] 张井勇，吴凌云.陆-气耦合增加中国的高温热浪[J].科学通报，2011，56（23）：1905-1909.
[14] Zeng X M，Wang B，Zhang Y，et al.Sensitivity of high-temperature weather to initial soil moisture：a case study using the WRF model[J].Atmos.Chem.Phys.，2014，14：9623-9639.
[15] 尹东屏，严明良，裴海瑛，等.副热带高压控制下的高温天气特征分析[J].气象科学，2006，26（5）：558-563.
[16] Zeng X M，Wang N，Wang Y，et al.WRF-simulated sensitivity to land surface schemes in short and medium ranges for a high-temperature event in East China： a comparative study[J].J.Adv.Model.Earth Syst.，2015，07.
[17] Pal J S，Eltahir E A B.A feedback mechanism between soil moisture distribution and storm tracks[J].Q.J.R.Meteorol.Soc.，2003（129）：2279-2297.
关键词：WRF模式 高温 陆面方案 土壤湿度
中图分类号：P461.4 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）10（b）-0190-03
在全球变暖的气候背景下，近几十年来极端高温事件在世界范围内频频发生，对人体健康、农业生产、交通运输等诸多方面都造成了非常严重的影响[1]。在全球的区域模式模拟中，对高温的关注度一直很高，高温也常常成为集合预报中研究的重点[2]。随着中尺度预报模式WRF的快速发展，其在高温热浪的模拟预报中得到了国内外学者的广泛应用，以期更深入地理解影响高温天气发生发展的物理机制。其中，由于陆面过程控制着陆面与大气之间各种能量与物质的交换[3]，陆地表面状况对大气环流、降水和温度等有着强烈的影响。而土壤湿度作为陆面过程中的一个重要物理量，其异常变化能够通过改变边界层的湍流输送来影响大气的温、湿状况，从而导致大气环流的异常，进而深刻地影响着局地、区域乃至全球的天气气候特征。
综观以往的研究，很少见到系统性地综述高温天气受到WRF模式中陆面方案和相关陆面参数（如土壤湿度）影响的报道。由于陆面观测资料的缺乏以及陆面过程中大气、植被、土壤等之间复杂的作用关系，相关的理论研究还亟待延伸和补充，该文就前人有关此类的研究进行总结和论述，以期进一步推动WRF模式在高温天气研究中的应用、提升高温预报效果、增强防灾减灾的能力。
1 陆面方案的影响
WRF中不同的陆面方案对应不同的陆面过程，其中包括控制陆气间水分、热量和动量交换的地表热力过程、水文过程等以及这些过程之间的相互作用[4]。发生在地表附近的这些交换过程，进而与边界层过程耦合，实现自由大气和底层大气间的能量和物质交换。
在过去的一些研究中，许多气象学者关注于区域气候中陆面过程的作用和影响，具体分析了高温等天气过程对陆面过程各物理参数化方案和陆面初边界条件的敏感性，深入研究讨论了陆气间的反馈机理并得到了许多重要的结论[5]。Betts等[6]考察了陆面方案对数值天气预报的影响，认为中短期天气对陆面方案十分敏感。曾新民等[7]利用三种不同的陆面方案（NOAH、RUC、SLAB）模拟了2003年7月华南地区的高温天气，结果表明，模拟高温对不同陆面方案十分敏感，在模拟强度及误差上存在较大差异，综合而言SLAB方案模拟效果最好。由不同陆面方案导致的大气环流变化与地表温度变化间的“正”反馈机制不重要，在主要高温区甚至存在“负”反馈机制。针对影响气温的不同气象变量和物理过程，王秋云等[8]认为不同陆面方案模拟的结果差异较大，比如：NOAH方案模拟的地面风速效果最好、SLAB对相对湿度的模拟最佳等。这都与不同陆面方案对下垫面植被、土壤等的表示不同有关，并最终导致模拟气温出现差异。王洋等[9]采用WRFV3.1进一步比较了PX方案对高温的模拟效果，发现PX方案的TS评分（模拟误差）随着模拟时间增加越来越高（小），这与陆面方案的参数化合理性和spin-up时间有关。
2 土壤湿度的影响
土壤湿度扰动能够显著地影响高温和降水的模拟，陆面特征的改进能够提高局地的天气预测准确性。陆面过程受到气象边界条件的强烈驱动，土壤湿度在不同时间尺度的天气模拟中都十分重要。尤其在高温天气中，土壤湿度所控制的地表蒸发、热通量传输等对不同干湿条件下的温度模拟有很大的影响[10]。
在天气和气候模拟中，土壤湿度的初值对模拟结果影响很大[11]。在短期气候模拟中，Ferranti等[12]的模拟研究表明，大气对根区（土深1 m）土壤水含量初始扰动的非线性响应可持续2个月，并且土壤越干，响应越强；而整层（土深2.89 m）扰动可增大大气异常的幅度，并持续达3个月。张井勇和吴凌云[13]利用2个长期含有和没有土壤湿度-大气相互作用的WRF模式模拟评估了陆气耦合对中国高温热浪的影响，结果表明陆气耦合增加了中国的高温热浪，贡献度最大能达到30%～70%。Zeng等[14]采用WRF对2003年7月下旬的高温天气进行了模拟，发现模拟高温对土壤湿度有很强的敏感性。在湿的土壤湿度条件下，模拟的高温强度和范围更小，这是因为土壤湿度的增加会增大陆面的水汽蒸发从而加强对陆面的冷却效应从而降低地表温度；在干的土壤湿度条件下则情况相反。
3 影响机理
3.1 热通量
不同的陆气相互作用（不同的土壤湿度与大气之间）和陆面方案主要是通过地表通量来改变气温模拟的，具体来说，主要通过模拟地表感热通量的变化影响地面气温变化[7]，这与Ferranti等[12]得到的土壤湿度改变导致的地表感热输送变化是增大气温异常的主要因子的结论一致。
有研究表明[14]，感热通量输送的增加（减小）会导致气温升高（降低），即感热通量的输送会直接影响到近地面的温度，又因为感热、潜热通量是净辐射能在陆面主要的两种分配形式，在净辐射能稳定少变的情形下，感热通量的增加或减少势必会引起潜热通量向相反的方向变化。所以表征陆面与大气间水分热交换的潜热输送增强（减弱）则会导致温度的降低（升高）。
3.2 大气环流
有研究表明[15]，西太平洋副热带高压异常偏西和增强是造成中国夏季高温热浪的主要原因。如，2003年江南地区许多地方都出现了超过历史最高纪录的高温值（均超过了40 ℃），对人类的生产、生活造成了严重影响。由3.1节可知热通量能够直接作用于地表气温，但实际上，热通量还能通过对大气环流的影响来改变气温。 Zeng等[16]在针对中国东部地区高温天气对陆面方案的敏感性研究中指出，不同的陆面方案和土壤湿度能在各气压层上可模拟出不同的位势高度值，因此，产生的环流差异最终可导致气温的变化。在NOAH、PX和RUC三个含有初始土壤水含量（及定量改变土壤湿度后）的陆面方案中存在感热通量、850 hPa位势高度、地表温度三者间的负反馈机制。Pal等[17]的研究同样表明，由于土壤湿度或陆面方案改变而增加的感热通量往往会造成气温的升高，并伴随着一个在低层大气有弱上升气流而在对流层上层有加强的反气旋环流的热低压系统。但相比陆面感热潜热的影响，陆面方案和土壤湿度造成的大气环流变化对模拟高温的影响是次要的[9]。
3.3 物理过程
陆面方案和土壤湿度改变对气温的影响主要是通过热通量和大气环流的变化来实现的，但这些变化最终导致的大气内部对温度有直接影响的物理过程（对流、平流、绝热、非绝热过程等）的变化才是最根本的原因[16]。
尹东屏等[15]探讨了高温发生的主要原因，指出在副热带高压控制的天气背景下，非绝热过程是高温出现的关键，而温度平流起到的作用很小。这与Zeng等[14]利用温度变化方程所求得的各项物理过程间的大小关系一致，认为白天以辐射加热为主的非绝热增温过程最为重要，副热带高压中下沉气流控制下的绝热增温（即对流过程）次之。非绝热对高温的作用强度在干（湿）的土壤湿度条件下更大（小），且非绝热项在各物理项中对土壤湿度的敏感程度最强。对于陆面方案而言[16]，RUC、SLAB、NOAH和PX方案都模拟出量值很大的非绝热项和较小的绝热项。在绝热过程中，PX方案造成的下沉增温效应较其它方案均更弱且有更大的干绝热垂直递减率。此外，不同陆面方案模拟的各项量值差异也十分明显，所有方案都模拟出较观测值更大的地面气温值，PX方案的模拟效果最差。
4 结语
（1）WRF中不同的陆面方案和土壤湿度对高温天气模拟有显著的影响。由于对下垫面各特征的表示不一，陆气间相互作用存在差异，陆面方案的模拟效果也不尽相同。土壤湿度通过改变蒸发和地表通量等来影响气温的变化，在干的土壤湿度条件下可模拟出更高强度、更大范围的高温，在湿的土壤湿度条件下则相反。
（2）从作用机理上看，不同的陆面方案和土壤湿度主要通过热通量和大气环流来影响高温模拟，但直接原因则是大气内部影响温度的物理过程的变化。感热通量对陆面有直接的加热作用，与地表温度和位势高度（大气环流）间存在一定的反馈机制。在各物理过程中，非绝热作用的影响最大，平流作用则相对不重要。
参考文献
[1] 史军，丁一汇，崔林丽.华东极端高温气候特征及成因分析[J].大气科学，2009，33（2）：347-358.
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[12] Ferranti L，Viterbo P.The European Summer of 2003：Sensitivity to Soil Water Initial Conditions[J].Journal of Climate，2006（19）：3659-3680.
[13] 张井勇，吴凌云.陆-气耦合增加中国的高温热浪[J].科学通报，2011，56（23）：1905-1909.
[14] Zeng X M，Wang B，Zhang Y，et al.Sensitivity of high-temperature weather to initial soil moisture：a case study using the WRF model[J].Atmos.Chem.Phys.，2014，14：9623-9639.
[15] 尹东屏，严明良，裴海瑛，等.副热带高压控制下的高温天气特征分析[J].气象科学，2006，26（5）：558-563.
[16] Zeng X M，Wang N，Wang Y，et al.WRF-simulated sensitivity to land surface schemes in short and medium ranges for a high-temperature event in East China： a comparative study[J].J.Adv.Model.Earth Syst.，2015，07.
[17] Pal J S，Eltahir E A B.A feedback mechanism between soil moisture distribution and storm tracks[J].Q.J.R.Meteorol.Soc.，2003（129）：2279-2297.