WRF模式（v4.5）在南海模拟地表要素的性能评估及其对海表温度日循环的敏感性研究

作者及发表信息
本研究由Rui Shi（中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境国家重点实验室）、Ju Chen（中国科学院南海海洋研究所西沙海洋环境国家野外科学观测研究站）等合作完成，发表于2024年的期刊 *Climate Dynamics*（卷62，页码1567–1584），DOI为10.1007/s00382-023-06988-0。

学术背景
本研究属于大气科学与数值天气预报领域，聚焦于评估最新版天气研究与预报模型（Weather Research and Forecasting Model, WRF v4.5）在南海地区模拟地表气象要素（如风速、温度、湿度及热通量）的性能，并探讨海表温度（Sea Surface Temperature, SST）日循环对模拟结果的影响。南海作为热带西太平洋最大的半封闭边缘海，其海气相互作用对区域气候调节至关重要。然而，WRF模型中地表层参数化方案（surface layer parameterizations）在热带海洋的适用性尚未充分验证。研究团队依托永兴岛观测塔的实测数据，旨在优化WRF模型在南海的配置，提升对地表通量的模拟精度。

研究流程
1. 观测数据与模型配置
- 观测数据：使用永兴岛20米高塔的实测数据（2013年9月3日至11月1日），包括风速（5–18米高度）、气温、湿度、SST（红外辐射计测量）及辐射数据。热通量通过TOGA-COARE 3.0算法计算。
- 模型设置：WRF v4.5采用两层嵌套网格（15公里和5公里分辨率），垂直分层55层。初始场和边界条件基于ECMWF ERA5再分析数据（0.25°分辨率），SST输入采用英国气象局的OSTIA数据（6公里分辨率）。

1. 实验设计

   • 短期模拟（6天）：
     
     • SE1：每日OSTIA SST + 6小时更新边界条件（对照组）。
       
     • SE2：每日OSTIA SST + 1小时更新边界条件（验证边界条件更新频率的影响）。
       
     • SE3：1小时更新边界条件 + 永兴岛实测SST（评估SST日循环的影响）。
       
   • 长期模拟（58天）：
     
     • LE1：每日OSTIA SST + 1小时更新边界条件。
       
     • LE2：1小时更新边界条件 + 实测SST。
       

2. 参数化方案测试
   评估6种地表层方案（如OMO、GFS、MYJ等），重点关注Monin-Obukhov（MO）相似理论下的通量计算，通过统计指标（MB、RMSE、RRMSE、R²）量化性能差异。

主要结果
1. 地表变量模拟性能
- 风速：所有方案均表现良好（R²≈0.5），GFS方案误差最小（RMSE=1.36 m/s）。
- 温湿度：模拟精度较低（R²<0.2），MYJ方案对温度模拟最优（RMSE=0.57℃），但湿度偏差显著。
- 热通量：默认OMO方案高估感热通量（SHF，MB≈10 W/m²），而GFS方案对潜热通量（LHF）的偏差最小（MB=22.83 W/m²）。

1. SST日循环的影响
   
   • SE3与LE2实验：加入SST日循环后，SHF和LHF的R²提升近一倍（从<0.2至≈0.6），RMSE降低约50%。例如，SHF的日变化相位误差显著改善，但湿度敏感性较低。
     
   • 降雨事件干扰：模型对强对流降雨的持续时间与强度模拟不足，导致温湿度偏差增大，且SST优化未能完全修正此类误差。
     

结论与价值
1. 科学意义：揭示了SST日循环对热带海洋地表通量模拟的关键作用，为WRF模型在南海的物理过程参数化提供了优化方向。
2. 应用价值：推荐在南海区域采用GFS地表方案（优于默认OMO方案），并建议未来模型开发中进一步优化湿度计算模块。
3. 局限性：未解决对流降雨模拟的偏差问题，需结合更精细的微物理过程改进。

研究亮点
1. 创新方法：首次在南海利用高塔实测数据系统评估WRF v4.5的多地表方案，并量化SST日循环的贡献。
2. 关键发现：SST日循环可使热通量模拟的R²翻倍，RRMSE减半，凸显了高时间分辨率SST输入的必要性。
3. 跨学科意义：成果适用于海气相互作用、区域气候模拟及台风预报等领域。

其他价值
研究数据公开于ECMWF ERA5、OSTIA及中国科学院南海海洋研究所数据库，支持后续研究复现与拓展。