1.4.2　模式

本书采用新一代高分辨率中尺度模式WRF （Weather Research and Forecasting Model）进行模拟研究，该模式是由美国国家大气研究中心 （NCAR）中小尺度气象部（MMM）、美国国家大气海洋局 （NOAA）预报系统试验室、国家大气环境研究中心（FLS）预报研究处（FRD）和俄克拉荷马大学 （OU）暴雨分析预报中心 （CAPS）四部门于1997年联合发起的，诸多单位共同参与了研发工作，重点用于开展分辨率为1～10km 内的数值模拟。为了使其适用于不同目的，WRF 模式的动力框架按照规范化、模块化和标准化的原则设计，采用了三种不同的方案。前两个方案都采用时间显式方案来求解动力方程组，即模式中垂直高频波的求解采用隐式方案，其他波动求解则采用显式方案。WRF是一个完全可压缩非静力模式，其控制方程组均写为通量形式。与MM5模式相比，WRF模式作为新一代高分辨率中尺度数值模式具有以下优点：①MM5所采用的地形跟随坐标在模拟陡峭地形时会出现虚假环流，而WRF模式不会出现虚假环流；②支持更高的网格分辨率，并采用了Arakawa-C网格，能够提供更接近实际情况的加热和冷却模式，有利于提高高分辨率数值模拟的准确性；③耗散项更小，提供更复杂且更精确的顶边界条件，在更大的时间步长下能够保证计算的稳定性；④在中小尺度系统的细节刻画和演变机制上体现出一定的优越性，且具有可移植、易维护、可扩充、高效率等诸多优点。

早期关于城市化的数值模拟研究通常采用较简单的、通过修改陆面模式中有关城市地区的反射率、粗糙度、土壤热力性质以及蒸发率等来反映城市的作用，即通过改变陆面过程模式中与城市土地利用类型有关的参数来描述城市化效应。但是，由于这种方法较为粗略，很难准确地反映城市冠层的物理过程。自WEF模式的2.2版本开始，模式中耦合了单层城市冠层模型（Single-Layer Urban Canopy Model，SLUCM）。在WRF 模式中耦合SLUCM，综合考虑了城市建筑（房顶、墙面和路面）的热力和动力特征，能够更好地描述城市冠层截取、反射的辐射量及其引起的风切变的影响等，体现中尺度模式中表征城市环境的物理过程（如热量、动量和水汽的交换），改进模式对城市边界层的刻画。前人研究已经对耦合了SLUCM 的WRF 模式性能进行了评估 （Miao et al.，2011；Wang et al.，2010），结果均表明该耦合的中尺度大气-城市模拟系统能够被用于研究城市影响降水的物理机制。自3.3版本开始，WRF模式中耦合了多层城市冠层模型 （Multi-Layer UCM，Martilli et al.，2002），即BEP （Building Environment Parameterization）。但BEP仅适用于Mellor-Yamada-Janjic' （Mellor and Yamada，1982）和Bougeault-Lacarrultd （Bougeault and Lacarrère，1989）两种行星边界层方案。由于采用了WRF模式的8种行星边界层方案进行集合模拟，论文研究仍采用耦合了单层城市冠层模型的WRF模式。(https://www.daowen.com)

在WRF模式的基础上，美国NOAA 预报系统实验室 （FSL）开发了WRF-CHEM模式（Grell et al.，2005），即气象模式（WRF）和化学模式 （CHEM）在线完全耦合的新一代的区域空气质量模式。WRF-CHEM 包含了一种全新的大气化学模式理念，是基于一种气象过程和化学过程同时发生相互耦合的全新的大气化学模式理念而设计的。它的气象模式和化学模式完全耦合，同时运行，它的化学和气象过程使用相同的水平和垂直坐标系，相同的物理参数化方案，不存在时间上的插值，并且能够考虑化学对气象过程的反馈作用，气象因子变化能及时的影响化学过程，化学过程也能立刻对气象过程进行反馈。这有别于这之前的大气化学模式，如SAQM 模式、CALGRID 模式、MODEL3/CAMQ模式等，它们的气象过程和化学过程是分开的，一般先运行中尺度气象模式，得到一定时间间隔的气象场，然后提供给化学模式使用。这样分开处理以后，存在一些问题：首先，由于通常气象模式和化学模式使用的坐标系不同，利用这样的气象场驱动化学过程就需要时间和空间上的插值；其次，它丢失了一些小于气象模式输出间隔的气象过程，如一次短时间的降水等，而这些过程对化学过程来说可能是很重要的；再次，气象模式和化学模式使用的物理参数化方案可能是不一样的；最后，它不能考虑化学过程对气象过程的反馈作用。事实上，在实际大气中化学和气象过程是同时发生的，并且能够互相影响，如气溶胶能影响地气系统辐射平衡，气溶胶作为云凝结核，能影响降水，而温度、云及降水对化学过程也有非常强烈的影响。因此，WRF-CHEM 能够模拟再现一种更加真实的大气环境。