3.2　试验设计

已有研究表明，4km 足够分辨出中纬度中尺度对流系统 （Weisman et al.，1997）。此外，2003年发起并一直持续开展的BAMEX （Bow Echo and MCV Experiment）试验（Davis et al.，2004）采用了各种4km 网格距配置的WRF模式，成功地进行了对流系统的预报，包括日降水变化、中尺度对流系统的发生频率（Done et al.，2004）等。总而言之，与采用积云对流参数化方案的粗分辨率数值模拟相比，采用4km 水平分辨率进行模拟可以较好地表征对流降水的时空统计特征。因此，本章研究采用三重网格 （D1、D2、D3），水平分辨率分别为36km、12km 和4km，格点数分别为239×171、208×187和199×199，模拟区域中心点设在 （120.11°E，31.44°N）。这样配置能够将大尺度应力降尺度，为精细网格区域提供合理的侧边界条件，从而能够在第三重区域最大可能地刻画出与地表强迫相对应的对流尺度动力系统的详细特征。

日本科学家Kusaka等（2004）的研究表明，采用传统的敏感性试验研究城市对降水的影响，由于受到下垫面变更而产生的混沌效应影响，很难确定城市及其下风区降水增加是否确实由城市影响造成，可靠性不够。他们同时指出，采用集合敏感性试验是解决该问题的一种有效手段。关于集合降水预报的研究早有开展，Yuan等 （2008）指出，微物理方案的选取对降水集合预报十分关键。Jankov等 （2008）在Hydrometeorological Testbed-West-2006试验中检验了定量降水预报对微物理方案集合、行星边界层方案集合和初始条件集合的敏感性，也得出更改微物理方案会导致结果发生显著变化的结果。基于这些研究成果，本章研究穷举了几乎所有WRF模式可提供的微物理方案（12种）和行星边界层方案（8种）（表3.1），将其进行排列组合，得到了96个成员的集合。

针对所选取的降水个例，模式积分时间为2003年7月2日00：00至7月6日00：00。为了体现长三角城市群城市化影响，针对第三重区域 （D3）设计了两组试验：一组为控制试验（称为URB），另一组为敏感性试验 （称为NURB）。在控制试验中，下垫面采用真实的土地利用情形，长三角地区土地利用依据2003年MODIS（Moderate Resolution ImagingSpectroradiometer）500m 分辨率土地覆盖产品确定。具体来说，即将D3区域中每个网格点上由WRF模式生成的土地利用类型映射到MODIS 500m 土地覆盖图上，然后二者进行比对，如果有偏差，则依据MODIS 500m 资料对前者进行修正。之所以选用MODIS土地利用资料代替美国地质调查局 （USGS）土地利用资料，是因为USGS数据是源自1992年4月至1993年3月AVHRR （Advanced Very High Resolution Radiometer）的观测，相较于源自NASA （National Aeronautics and Space Administration）地球观测系统Terra平台2002年的观测，前者已经过时，以至于无法准确地反映21世纪以来城市快速发展后的下垫面情形。此外，前人研究已经证实，采用MODIS土地利用资料替换USGS资料能够明显地改善城市降水模拟的效果。在敏感性试验中，D3区域中的城市用农田替代，以此代表长三角地区城市化前的情形。采用农田替换城市主要基于以下两点：①20世纪80年代中后期至2000年间，长三角地区的土地利用变更主要表现为农田显著减少而城镇迅速扩张并呈现出集中趋势；②长三角地区城市周边主要为农田所覆盖。如上所述，控制试验和敏感性试验均采用96种方案配置，最终得到两个各包含96个成员的集合。为了更加客观地反映城市化的影响，所有模拟均采用6h一次的1°×1°NCEP再分析资料为第一重区域（D1）提供初始条件和侧边界条件。这样一来，控制试验和敏感性试验的唯一差别仅存在于土地覆盖，即二者之差可以体现出城市的影响。D1和D2区域的积云参数化方案采用Kain-Fritsch方案，D3区域采用显式方案；长波辐射过程采用RRTM 方案（Mlawer et al.，1997），短波辐射过程采用Dudhia方案 （Dudhia，1998）；模式顶层气压为50h Pa，模式结果1h输出一次。(https://www.daowen.com)

表3.1　集合所采用的微物理方案和行星边界层方案