Page 209 - 《高原气象》2026年第1期

1 期 张 琳等：WRF模式中初始土壤温湿度对华北冬季近地面要素预报的影响 205
2. 3 观测数据 DAS 组。CMA 组和 CLDAS 组除了土壤温度和土
使用国家气象信息中心提供的中国地面逐小 壤湿度初始场的数据来源不同， 其余初、 边值条件
时观测数据， 包括国家站和区域站每小时的气压、 以及模式设置等均相同。
气温、 相对湿度等要素观测。本研究使用观测站点 本研究采用 Noah 陆面方案（Chen et al， 1996，
的2 m气温和相对湿度作为观测值。 1997；Chen and Dudhia， 2001）， 根据 Noah陆面方案
2. 4 检验指标 中土壤温度和土壤湿度的计算公式， 土壤温度和土
为定量评估试验结果在时间序列上的预报效 壤湿度均通过一维单点预报模型计算而得， 在模式
果， 通过计算均方根误差（Root Mean Square Error， 积分过程中， 只需给出土壤温度和土壤湿度的初始
RMSE）、 预报值与观测值之间偏差（bias）来对预报 场， 模式便可自行逐步计算出未来时刻的土壤温、
结果进行检验， 各统计量的计算公式如下： 湿度， 无需再提供土壤温度和土壤湿度的侧边界
1 2 条件。
é 1 N ù ú ú
ê ê
RMSE = êê ∑ (S i - O i ) 2 ú ú （1）
ë N i = 1 û 3. 3 土壤温、 湿度初值
（2） 3. 3. 1 土壤温度
bias i = S i - O i
式中： 下角标 i 表示第 i 个观测站点； S i 和 O i 分别表 在模拟时间内（2023 年 12 月 10 -25 日）， 华北
示第 i个观测站的模式预报值和观测值；N表示样本 地区经历了两次降温天气过程（图 1）， 分别是 12 月
总数（观测站的总数为N）。 10 -17日和18 -21日。12月10日， 华北地区日平均
气温为 0. 2 ℃， 12 月 10 -17 日， 气温从 0. 2 ℃下降
3 模式设置与试验方案 至-11. 5 ℃， 12 月 18 日， 气温短暂回升至-8. 2 ℃，

3. 1 模式设置 12 月 18 -21 日， 气温再次下降至-12. 7 ℃， 随后再
次回升， 25日气温达-4 ℃。经过两次降温后， 气温
本文采用双层网格嵌套， 外层网格数为 391×
在12月21日达到最低， 为-12. 7 ℃。
289， 分辨率为 15 km， 覆盖整个中国区域， 内层网
格数为 331×386， 分辨率为 3 km， 覆盖华北区域（包
括北京市、 天津市、 河北省、 山西省、 山东省、 河南
省北部、 内蒙古中部、 辽宁省西部）， 中心坐标为
（105°E， 37°N）， 垂直层数为 45 层。主要物理过程
包括 Morrison 2-moment 微物理过程， RRTMG 长短
波辐射方案， Noah 陆面过程， Mellor-Yamada-Janjic
（Eta） TKE边界层方案。
模拟时间为 2023 年 12 月 10 -25 日， 开展连续
16 天的数值预报， 每天 20:00 起报， 预报 84 h。模
式初、 边值条件分别来自于 CMA-GFS 的分析场和 图1 2023年12月10 -25日模拟区域内逐日气温序列
预报场， 其中， 初始场为当天 20:00起报、 预报时长 Fig. 1 Daily temperature series in model domain from
为0 h的CMA-GFS分析场， 边值条件由预报时长为 10 to 25 December 2023
0~84 h的CMA-GFS预报场提供。 从 12 月 10 -21 日， 华北地区日平均气温下降
文中涉及的地图是基于中华人民共和国自然 了 12. 9 ℃， CMA-GFS 的土壤温度也有明显下降
资源部地图技术审查中心标准地图服务系统下载 ［图 2（a）， （d）］， 内蒙古、 河北北部的土壤温度从
的审图号为 GS（2020）4619 的标准地图制作， 底图 -8 ℃下降至-14 ℃以下， 最低可达-17. 6 ℃， 河北
无修改。 南部、 山东省的土壤温度从 2 ℃下降至-2 ℃， 华北
3. 2 试验方案 区域的土壤温度整体下降了 4~8 ℃； CLDAS 土壤
根据模式初始场中土壤温、 湿度的数据来源不 温度［图 2（b）， （e）］在山东南部和江苏北部的下降
同， 设计了控制试验和对照试验， 其中， 控制试验 幅度较大， 可达 7 ℃， 其他地区的土壤温度变化幅
中， 土壤温、 湿度的初值与模式初始场的数据来源 度在 5 ℃以内。两者土壤温度差值［图 2（c）， （f）］
相同， 均采用 CMA-GFS 数据， 称为 CMA 组；对照 反映出 CMA-GFS 和 CLDAS 的土壤温度下降程度
试验中， 土壤温、 湿度的初值采用 CLDAS数据， 初 不同， 12 月 10 日， 除内蒙古中部、 山西、 河北中部
值中的其他要素仍采用 CMA-GFS 数据， 称作 CL‐ 以 外 ， 其 他 地 区 ， CLDAS 土 壤 温 度 低 于 CMA-