齊亞杰，陳 敏，仲躋芹，范水勇，劉瑞婷，郭淳薇

（北京城市氣象研究院，北京 100089）

引 言

近幾十年以來(lái)華北區(qū)域城市化進(jìn)程發(fā)展迅速，大量密集、形態(tài)復(fù)雜的建筑物和道路等基礎(chǔ)設(shè)施代替了原有的裸土和植被，城市上空形成了有別于城市邊界層的城市冠層，其高度從地面到建筑物屋頂，與建筑物高度、幾何形狀、街道寬度和走向等密切相關(guān)［1］，通過(guò)與邊界層之間的物質(zhì)、能量交換影響局地天氣的形成和發(fā)展。因此，為提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，城市冠層是一個(gè)需要加以考慮、不可或缺的物理過(guò)程。

在中尺度數(shù)值模擬中通過(guò)耦合基于冠層理論建立的城市冠層模塊UCM（urban canopy model）來(lái)考慮城市冠層的影響，綜合考慮城市的幾何特征、建筑物對(duì)輻射的遮擋以及對(duì)短波和長(zhǎng)波輻射的反射作用等，從而彌補(bǔ)原有平板模式僅考慮模式網(wǎng)格中城市參數(shù)（如反射率、粗糙度等）的不足問(wèn)題。目前單層冠層方案SLUCM因其計(jì)算量小、效率高，已嵌套到WRF Noah－LSM陸面模式中［2－5］，并廣泛應(yīng)用于城市氣象特征的模擬研究中。多項(xiàng)研究顯示，應(yīng)用接近實(shí)際的高分辨率城市下墊面基礎(chǔ)數(shù)據(jù)集和城市冠層相關(guān)參數(shù)，對(duì)提高模式模擬精度非常重要［6－7］。近年來(lái)，在社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市化進(jìn)程不斷加快的新形勢(shì)下，不斷更新的城市下墊面信息對(duì)提高城市氣象特征的模擬精度更具優(yōu)勢(shì)［8－11］，通過(guò)優(yōu)化城市冠層參數(shù)能夠更合理地模擬城市溫度、濕度、風(fēng)等氣象要素的時(shí)空狀況［6，12］。然而，以往多數(shù)研究采用的冠層參數(shù)多為默認(rèn)值，未根據(jù)實(shí)際進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，且在業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中更新冠層參數(shù)的更少。隨著城市氣象研究的不斷深入，通過(guò)晴天案例的分析充實(shí)了城市冠層的理論基礎(chǔ)，但在業(yè)務(wù)應(yīng)用中僅通過(guò)個(gè)例的模擬分析仍存在很大的不確定性，如天氣狀況的多變、預(yù)報(bào)城市的不固定等。為此，本文將優(yōu)化冠層參數(shù)的城市冠層模式耦合到RMAPS－ST（rapid－refresh multi－scale analysis and prediction system－short term）數(shù)值模擬系統(tǒng)中，通過(guò)典型季節(jié)的批量試驗(yàn)，探究城市冠層效應(yīng)對(duì)華北城市區(qū)域地面氣象要素短期預(yù)報(bào)的影響，并對(duì)耦合城市冠層模式后的系統(tǒng)預(yù)報(bào)性能進(jìn)行評(píng)估，以期更好地服務(wù)于華北區(qū)域城市精細(xì)化天氣預(yù)報(bào)。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與資料

耦合城市冠層模式（UCM）是基于張亦洲等［12］提出的優(yōu)化城市冠層參數(shù)的單層冠層模式，具體優(yōu)化過(guò)程如下：（1）對(duì)關(guān)鍵的城市下墊面特征參數(shù)，包括建筑物高度、熱傳導(dǎo)系數(shù)、發(fā)射率和城市地表不透水面積比率等進(jìn)行修改，表1列出部分優(yōu)化后的冠層參數(shù)；（2）對(duì)10 m風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算修正，考慮城市地表零平面位移高度的影響，并且根據(jù)建筑物高度的不同對(duì)風(fēng)速進(jìn)行調(diào)整。冠層模式通過(guò)Noah陸面模式與RMAPS－ST耦合，在計(jì)算城市區(qū)域上空的氣象場(chǎng)時(shí)，冠層模式通過(guò)考慮房屋、道路的朝向及幾何特性的影響，主要計(jì)算城市結(jié)構(gòu)與大氣之間的交換過(guò)程，而陸面模式主要計(jì)算城市內(nèi)自然下墊面與大氣之間的熱量和水汽交換，城市區(qū)域單個(gè)格點(diǎn)值是兩者次網(wǎng)格值的加權(quán)平均。另外，城市區(qū)域內(nèi)地表拖曳力主要由冠層模式計(jì)算更新，其他自然下墊面的拖曳力則在近地層模塊中計(jì)算完成［4，12］。

表1 優(yōu)化的城市冠層參數(shù)［12］Tab.1 The optimized urban canopy parameters［12］

在設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，基于RMAPS－ST短期數(shù)值預(yù)報(bào)模式對(duì)改進(jìn)的城市冠層模塊UCM進(jìn)行耦合。RMAPS－ST是由北京城市氣象研究院基于上一代華北區(qū)域快速更新循環(huán)同化和預(yù)報(bào)系統(tǒng)［13－14］開發(fā)的新一代快速更新多尺度分析及預(yù)報(bào)系統(tǒng)的短期預(yù)報(bào)子系統(tǒng)，自2017年5月起已實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化運(yùn)行［15］。優(yōu)化的地表類型數(shù)據(jù)，是結(jié)合城市地理信息對(duì)城區(qū)進(jìn)行更精細(xì)、更準(zhǔn)確的分類，即在原始USGS基礎(chǔ)上進(jìn)行下墊面的改動(dòng)，并根據(jù)2009年Landsat TM高分辨率衛(wèi)星資料反演的城市分布特征，按照地表不透水面積百分比細(xì)分為低、中、高密度城市，這種詳細(xì)的水平分類能夠更好地表征城市的幾何形狀和熱力特征［12］。設(shè)計(jì)的兩組數(shù)值試驗(yàn)，均采用此下墊面信息，其中NOUCM試驗(yàn)未耦合城市冠層模式，將城市下墊面視為均勻的水泥平板，通過(guò)改變下墊面的熱力學(xué)性質(zhì)和粗糙度來(lái)考慮城市對(duì)邊界層內(nèi)動(dòng)量和熱量的影響，不考慮冠層效應(yīng)；UCM試驗(yàn)是在NOUCM試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，耦合了優(yōu)化參數(shù)的單層城市冠層模式，通過(guò)考慮建筑物高度、道路寬度等要素對(duì)城市冠層內(nèi)各氣象要素產(chǎn)生的影響，綜合考慮城市冠層效應(yīng)，但由于人為熱的引入需根據(jù)實(shí)際情況確定［16］，且城市冠層結(jié)構(gòu)對(duì)城區(qū)氣溫的影響比人為熱源的作用更大［17］，因此UCM試驗(yàn)暫未考慮人為熱的影響。兩組試驗(yàn)均采用兩重嵌套［圖1（a）］，最外層分辨率為9 km，覆蓋整個(gè)中國(guó)區(qū)域，水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為649×500，而內(nèi)層分辨率為3 km，覆蓋了華北區(qū)域，水平網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)為550×424，但內(nèi)外層垂直方向上均分為50層［18］。主要的參數(shù)化方案包括新的Thompson云微物理方案，Noah陸面方案，YSU邊界層方案，RRTMG短波和長(zhǎng)波輻射方案等［18］。選用ECMWF中期預(yù)報(bào)為模式的初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件，觀測(cè)資料經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后進(jìn)入同化系統(tǒng)，包括常規(guī)地面站資料、自動(dòng)觀測(cè)站資料以及船舶、浮標(biāo)、飛機(jī)報(bào)、探空資料、GPSZTD等，經(jīng)三維變分同化系統(tǒng)得到分析場(chǎng)。為檢驗(yàn)耦合冠層模塊的睿圖模式對(duì)華北區(qū)域數(shù)值預(yù)報(bào)的改進(jìn)效果，分別挑選2017年1月和7月作為冬季和夏季代表月份進(jìn)行批量試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)段為2017年1月9—18日和2017年7月10—19日，起報(bào)時(shí)間為每天00：00 UTC（世界時(shí)，下同），預(yù)報(bào)24 h。

1.2 檢驗(yàn)方法

為了定量評(píng)估NOUCM和UCM兩組數(shù)值試驗(yàn)的預(yù)報(bào)性能，使用美國(guó)國(guó)家大氣研究中心數(shù)值預(yù)報(bào)發(fā)展試驗(yàn)中心研發(fā)的MET（model evaluation tools）對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行檢驗(yàn)評(píng)估。D02區(qū)域城市地表覆蓋類型見圖1（b），重點(diǎn)針對(duì)RMAPS－ST中D02區(qū)域的城市站點(diǎn)［圖1（c）］進(jìn)行檢驗(yàn)，對(duì)2017年1月中旬和7月中旬的偏差空間分布以及耦合冠層對(duì)模式預(yù)報(bào)性能的改進(jìn)效果進(jìn)行分析。觀測(cè)資料選自國(guó)家級(jí)地面氣象觀測(cè)站，利用MET檢驗(yàn)將RMAPS－ST模式網(wǎng)格預(yù)報(bào)值插值到站點(diǎn)位置，生成測(cè)站的模式預(yù)報(bào)值，并與相應(yīng)站點(diǎn)觀測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比指標(biāo)選用偏差Bias和均方根誤差RMSE（root mean square error），其計(jì)算公式如下：

式中：Fi為站點(diǎn)模式預(yù)報(bào)值；Oi為站點(diǎn)觀測(cè)值。Bias值越接近于0、RMSE值越小表明預(yù)報(bào)效果越好。另外，采用｜BiasUCM｜－｜BiasNOUCM｜指標(biāo)來(lái)反映耦合城市冠層對(duì)城市區(qū)域地面氣象要素的改進(jìn)［19］，負(fù)值表示有所改進(jìn)。

圖1 RMAPS－ST數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)試驗(yàn)區(qū)域設(shè)置（a）和D02區(qū)域城市地表覆蓋類型（b）及氣象站點(diǎn)分布（c）（1代表USGS中的城市類型，31～33代表低、中、高密度城市分類）Fig.1 Domain configuration of RMAPS－ST（a）and distribution of urban landuse types（b）and meteorological stations（c）in D02 domain（1 presents urban type in USGS，31，32 and 33 represent low，medium and high density urban types，respectively）

2 結(jié)果與分析

2.1 耦合城市冠層模式對(duì)冬季地面要素預(yù)報(bào)的影響評(píng)估

圖2為2017年1月中旬UCM和NOUCM兩組試驗(yàn)在華北區(qū)域（D02）城市站點(diǎn)預(yù)報(bào)的平均2 m氣溫、2 m比濕和10 m風(fēng)速的MET客觀檢驗(yàn)。可以看出，在耦合改進(jìn)的單層城市冠層模塊后，地面氣象要素的預(yù)報(bào)性能均有一定程度的提高。在2 m氣溫檢驗(yàn)［圖2（a）］中，NOUCM、UCM兩組試驗(yàn)的 Bias白天均為負(fù)值，表明兩組試驗(yàn)對(duì)2017年1月中旬白天城市氣溫均存在低估現(xiàn)象，且均在06：00負(fù)偏差最大，分別為 －1.34、－1.24℃，UCM的預(yù)報(bào)效果優(yōu)于NOUCM試驗(yàn)；兩組試驗(yàn)的Bias夜晚均為正值，表明在夜晚均高估了城市區(qū)域的2 m氣溫，NOUCM的Bias高達(dá)2℃，而考慮了冠層效應(yīng)的UCM試驗(yàn)的Bias均在0.8℃以內(nèi)?？偟膩?lái)說(shuō)，UCM試驗(yàn)預(yù)報(bào)的2 m氣溫偏差絕對(duì)值均小于NOUCM試驗(yàn)，且前者的RMSE在24 h預(yù)報(bào)時(shí)效內(nèi)都低于后者，表明耦合了城市冠層模式的UCM試驗(yàn)對(duì)2 m氣溫的預(yù)報(bào)與實(shí)際觀測(cè)更為接近，可信度更高，且在夜晚的改進(jìn)效果尤為突出，24 h氣溫預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高42%。在2 m比濕檢驗(yàn)［圖2（b）］中，兩組試驗(yàn)的預(yù)報(bào)全天以偏干為主，且與觀測(cè)值的 Bias均較小，在 －0.2 g·kg－1以內(nèi)，冠層效應(yīng)對(duì)比濕的改善不明顯，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率僅提高1.7%。10 m風(fēng)速的MET檢驗(yàn)［圖2（c）］表明，兩組試驗(yàn)均高估了華北城市區(qū)域全天的10 m風(fēng)速，考慮冠層效應(yīng)的UCM試驗(yàn)Bias和RMSE均小于NOUCM試驗(yàn)，前者的 Bias全天變化范圍是 0.03～0.79 m·s－1，較后者的預(yù)報(bào)偏差（0.25～1.25 m·s－1）顯著偏小，表明考慮冠層效應(yīng)的10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差改善顯著，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高49%。

綜上所述，耦合冠層模塊后，盡管對(duì)2017年1月中旬2 m比濕的預(yù)報(bào)誤差改進(jìn)不明顯，但2 m氣溫預(yù)報(bào)的白天偏冷、夜晚偏暖情況得到一定的改善，同時(shí)大大減小了10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差，提高了模式對(duì)華北城市區(qū)域地面常規(guī)氣象要素的預(yù)報(bào)性能。這與未耦合冠層參數(shù)化方案時(shí)模式只把建筑物作為平坦、一定厚度的小塊介質(zhì)層處理有關(guān)，城市在NOUCM試驗(yàn)中被視為裸土，只區(qū)分下墊面類型的熱容量、熱傳導(dǎo)、反射率、粗糙度等參數(shù)，卻忽略了建筑物的幾何形態(tài)、高度和墻面、屋頂?shù)鹊挠绊?，較難反映城市熱環(huán)境的基本特征［20］。

從兩組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的2017年1月中旬平均2 m氣溫的偏差空間分布［圖3（a）、圖3（b）］看出，在大部分城市區(qū)域兩組試驗(yàn)均高估了2 m氣溫，其中NOUCM試驗(yàn)預(yù)報(bào)偏差更大。另外，從2 m氣溫改進(jìn)指標(biāo)的空間分布［圖3（c）］可見，耦合冠層結(jié)構(gòu)的大多數(shù)城市站點(diǎn)2 m氣溫預(yù)報(bào)較未考慮冠層結(jié)構(gòu)的有很大改進(jìn)，而對(duì)于郊區(qū)站點(diǎn)影響很小，兩組試驗(yàn)對(duì)郊區(qū)站點(diǎn)的預(yù)報(bào)相差不明顯，這主要由于模式中郊區(qū)站下墊面并非如城市那樣復(fù)雜，說(shuō)明合理的城市冠層參數(shù)化方案的計(jì)入對(duì)準(zhǔn)確估算華北城市區(qū)域近地層2 m氣溫非常重要，這與其他區(qū)域個(gè)例模擬的結(jié)論相似［20－21］。冠層方案中需綜合考慮建筑物的高度、立體結(jié)構(gòu)對(duì)短波輻射的陰影遮蔽作用以及反射短波輻射、冠層表面向上長(zhǎng)波輻射的陷阱作用等，這些都對(duì)近地面2 m氣溫極其敏感。然而，NOUCM試驗(yàn)中城市區(qū)域只考慮了下墊面類型而忽略了冠層效應(yīng)，對(duì)城市下墊面熱力學(xué)特性的描述明顯不足，因此無(wú)法更精確估算城市區(qū)域近地層2 m氣溫?？傊?，耦合優(yōu)化參數(shù)的城市冠層模塊顯著改善了華北城市區(qū)域2 m氣溫的預(yù)報(bào)偏暖現(xiàn)象，提高了華北城區(qū)2 m氣溫的預(yù)報(bào)性能。

圖4是2017年1月中旬兩組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速偏差及其改進(jìn)指標(biāo)空間分布。可以看出，在華北區(qū)域NOUCM試驗(yàn)?zāi)M的10 m風(fēng)速較觀測(cè)值偏高，而考慮冠層效應(yīng)的UCM試驗(yàn)?zāi)M的10 m風(fēng)速雖在大部分區(qū)域也較觀測(cè)有所高估，但偏差有所減小，甚至在北京和天津部分城市站點(diǎn)的偏差由正偏差變?yōu)樨?fù)偏差，說(shuō)明考慮冠層效應(yīng)使華北城市區(qū)域10 m風(fēng)速明顯降低。這是因?yàn)楣趯咏Y(jié)構(gòu)增加了城市地區(qū)的摩擦系數(shù)，城市對(duì)水平氣流的動(dòng)力阻礙作用會(huì)直接消耗空氣水平運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，從而使城區(qū)10 m風(fēng)速明顯降低［22］。優(yōu)化城市冠層模塊的耦合改善了RMAPS－ST對(duì)華北城市區(qū)域10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)偏大的問(wèn)題，這種改進(jìn)主要表現(xiàn)在城市區(qū)域，而對(duì)郊區(qū)的10 m風(fēng)速影響很小。

圖3 2017年1月9—18日UCM試驗(yàn)（a）和NOUCM試驗(yàn)（b）預(yù)報(bào)的2 m氣溫偏差及改進(jìn)指標(biāo)（c）空間分布（單位：℃）Fig.3 The spatial distribution of forecasted Bias of 2 m temperature by UCM（a）and NOUCM（b）tests and the difference of their absolute values（c）from 9 to 18 January 2017（Unit：℃）

圖4 2017年1月9—18日UCM試驗(yàn)（a）和NOUCM試驗(yàn)（b）預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速偏差及改進(jìn)指標(biāo)（c）空間分布（單位：m·s－1）Fig.4 The spatial distribution of forecasted Bias of 10 m wind speed by UCM（a）and NOUCM（b）tests and the difference of their absolute values（c）from 9 to 18 January 2017（Unit：m·s－1）

由近地面比濕的偏差分布［圖5（a）、圖5（b）］可見，兩組試驗(yàn)對(duì)2017年1月中旬2 m比濕的預(yù)報(bào)在京津冀城市群和山東地區(qū)以偏干為主，在山西北部及東北區(qū)域以偏濕為主，且預(yù)報(bào)偏差均較小，在－0.5～0.5 g·kg－1之間。兩組試驗(yàn)的預(yù)報(bào)效果相近，耦合冠層效應(yīng)對(duì)2017年1月中旬近地面比濕預(yù)報(bào)改變很?。ǎ?.1～0.1 g·kg－1）［圖5（c）］，這主要與冬季比濕整體較低有關(guān)。

2.2 耦合城市冠層模塊對(duì)夏季地面要素預(yù)報(bào)的影響評(píng)估

圖6是UCM和NOUCM兩組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的華北區(qū)域城市站點(diǎn)2017年7月中旬地面常規(guī)氣象要素（2 m氣溫、2 m比濕和10 m風(fēng)場(chǎng)）的MET客觀檢驗(yàn)?？梢钥闯?，在耦合城市冠層模塊后，地面氣象要素的預(yù)報(bào)性能均有一定程度的提高。在夏季2 m氣溫的檢驗(yàn)［圖6（a）］中，兩組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的Bias在全天均表現(xiàn)為偏暖，與冬季偏差的日變化明顯不同，表明兩組試驗(yàn)均高估了華北城市區(qū)域夏季全天的2 m氣溫，且UCM試驗(yàn)的正偏差小于NOUCM試驗(yàn)，白天尤其明顯，如NOUCM試驗(yàn)09：00的Bias為1.92℃，而UCM試驗(yàn)的Bias為1.44℃，耦合了冠層模塊的2 m氣溫預(yù)報(bào)與實(shí)際觀測(cè)更為接近，模式的偏暖誤差得到改善，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高15%。

圖5 2017年1月9—18日UCM試驗(yàn)（a）和NOUCM試驗(yàn)（b）預(yù)報(bào)的2 m比濕偏差及改進(jìn)指標(biāo)（c）空間分布（單位：g·kg－1）Fig.5 The spatial distribution of forecasted Bias of 2 m specific humidity by UCM（a）and NOUCM（b）tests and the difference of their absolute values（c）from 9 to 18 January 2017（Unit：g·kg－1）

圖6 2017年7月10—19日NOUCM（紅色線）和UCM（藍(lán)色線）試驗(yàn)預(yù)報(bào)的華北城市站2 m氣溫（a）、2 m比濕（b）及10 m風(fēng)速（c）與觀測(cè)值的RMSE（實(shí)線）和Bias（虛線）Fig.6 RMSE（solid lines）and Bias（dotted lines）between forecasted 2 m temperature（a），2 m specific humidity（b）and 10 m wind speed（c）by NOUCM（red lines）and UCM（blue lines）tests and observations at urban stations in North China from 10 to 19 July 2017

在夏季2 m比濕檢驗(yàn)［圖6（b）］中，兩組試驗(yàn)的預(yù)報(bào)全天偏干，冠層效應(yīng)顯著改善了白天近地面比濕偏干狀況，但對(duì)夜晚的改善較小，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率整體提高17%。夏季10 m風(fēng)速M(fèi)ET檢驗(yàn)［圖6（c）］表明，NOUCM試驗(yàn)明顯高估了華北城市區(qū)域的10 m風(fēng)速，考慮冠層效應(yīng)的UCM試驗(yàn)預(yù)報(bào)的Bias和RMSE均小于NOUCM試驗(yàn)，前者的日偏差Bias為 －0.08～1.12 m·s－1，后者的日偏差為 0.32～1.67 m·s－1，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高 47%。

綜上所述，耦合城市冠層模式在一定程度上改善了2017年7月中旬夏季2 m氣溫在全天預(yù)報(bào)偏暖的現(xiàn)象以及白天比濕預(yù)報(bào)偏干的情況，顯著改善了10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差偏大的現(xiàn)象，提升了模式對(duì)夏季7月中旬華北城市區(qū)域地面常規(guī)氣象要素的預(yù)報(bào)性能。

圖7是UCM和NOUCM兩組試驗(yàn)預(yù)報(bào)的2017年7月中旬夏季2 m氣溫偏差及改進(jìn)指標(biāo)空間分布。可以看出，整個(gè)華北區(qū)域兩組試驗(yàn)對(duì)夏季2 m氣溫的預(yù)報(bào)均偏高，特別是城市站，正偏差高達(dá)2℃以上［圖7（a）和圖7（b）］。另外，從改進(jìn)指標(biāo)的空間分布［圖7（c）］可見，考慮冠層結(jié)構(gòu)的大多數(shù)城市站點(diǎn)及其周邊站點(diǎn)的2 m氣溫預(yù)報(bào)相比不考慮冠層效應(yīng)的有很大改進(jìn)，但對(duì)郊區(qū)站點(diǎn)的影響很小。總之，耦合優(yōu)化城市冠層模塊改善了華北城市區(qū)域7月中旬2 m氣溫預(yù)報(bào)偏高的情況，偏差減小幅度在0.2～0.5℃之間，提高了華北城市地區(qū)2 m氣溫的預(yù)報(bào)性能。

從圖8看出，在華北區(qū)域NOUCM試驗(yàn)預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速較觀測(cè)值整體偏高，而考慮冠層效應(yīng)的UCM試驗(yàn)預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速雖然在大部分區(qū)域也有所高估，但偏差較NOUCM試驗(yàn)偏小，表明耦合優(yōu)化城市冠層模塊能夠改進(jìn)華北大多數(shù)城市站點(diǎn)夏季的10 m風(fēng)速，計(jì)入冠層效應(yīng)后城區(qū)10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)誤差明顯降低，顯著提升了10 m風(fēng)速的預(yù)報(bào)性能。

由近地面比濕的偏差分布［圖9（a）和圖9（b）］可見，兩組試驗(yàn)對(duì)華北區(qū)域夏季7月中旬2 m比濕的預(yù)報(bào)以偏干為主，尤其在京津冀及內(nèi)蒙的城市站點(diǎn)，偏差小于－2 g·kg－1。從近地面比濕的改進(jìn)指標(biāo)［圖9（c）］可見，模式在考慮冠層效應(yīng)之后對(duì)夏季7月中旬華北城市區(qū)域近地面比濕預(yù)報(bào)有較大改進(jìn)，但對(duì)郊區(qū)影響很小。

圖7 2017年7月10—19日UCM試驗(yàn)（a）和NOUCM試驗(yàn)（b）預(yù)報(bào)的2 m氣溫偏差及改進(jìn)指標(biāo)（c）空間分布（單位：℃）Fig.7 The spatial distribution of forecasted Bias of 2 m temperature by UCM（a）and NOUCM（b）tests and the difference of their absolute values（c）from 10 to 19 July 2017（Unit：℃）

圖8 2017年7月10—19日UCM試驗(yàn)（a）和NOUCM試驗(yàn)（b）預(yù)報(bào)的10 m風(fēng)速偏差及改進(jìn)指標(biāo)（c）空間分布（單位：m·s－1）Fig.8 The spatial distribution of forecasted Bias of 10 m wind speed by UCM（a）and NOUCM（b）tests and the difference of their absolute values（c）from 10 to 19 July 2017（Unit：m·s－1）

圖9 2017年7月10—19日UCM試驗(yàn)（a）和NOUCM試驗(yàn)（b）預(yù)報(bào)的2 m比濕偏差及改進(jìn)指標(biāo)（c）空間分布（單位：g·kg－1）Fig.9 The spatial distribution of forecasted Bias of 2 m specific humidity by UCM（a）and NOUCM（b）tests and the difference of their absolute values（c）from 10 to 19 July 2017（Unit：g·kg－1）

3 結(jié) 論

應(yīng)用優(yōu)化的城市冠層參數(shù)，將單層城市冠層模式耦合進(jìn)RMAPS－ST系統(tǒng)，城市冠層耦合試驗(yàn)UCM均提高了2017年1月中旬和7月中旬RMAPS－ST對(duì)地面氣象要素的預(yù)報(bào)性能，冠層效應(yīng)的引入使華北城市區(qū)域地面氣象要素的預(yù)報(bào)更接近于觀測(cè)結(jié)果。主要結(jié)論如下：

（1）對(duì)華北城市區(qū)域平均而言，兩組試驗(yàn)對(duì)2017年1月中旬冬季2 m氣溫的預(yù)報(bào)白天偏低、夜晚偏高，而對(duì)7月中旬夏季2 m氣溫預(yù)報(bào)全天均為高估，城市站點(diǎn)的暖偏差高達(dá)2℃以上。優(yōu)化城市冠層模式的耦合有效減小了華北大多數(shù)城市站點(diǎn)的2 m氣溫預(yù)報(bào)偏差，相比NOUCM有很大改進(jìn)，冬季1月中旬和夏季7月中旬預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別提高42%和15%。

（2）兩組試驗(yàn)對(duì)華北區(qū)域2017年1月中旬和7月中旬的10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)均存在偏高估計(jì)，優(yōu)化城市冠層模式的耦合因增加了城市區(qū)域的摩擦系數(shù)，阻尼作用消耗了空氣水平運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能，使得低層風(fēng)速明顯降低，顯著改善了華北城市區(qū)域10 m風(fēng)速預(yù)報(bào)，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別提高49%和47%。

（3）對(duì)于2 m比濕，1月中旬的2 m比濕預(yù)報(bào)偏差較小，城市冠層結(jié)構(gòu)的引入對(duì)預(yù)報(bào)無(wú)顯著影響；兩組試驗(yàn)對(duì)7月中旬2 m比濕預(yù)報(bào)全天偏干，優(yōu)化冠層模式的耦合能夠明顯改善城區(qū)近地面比濕預(yù)報(bào)偏干的情況，且在白天改善效果尤為顯著，預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高17%。

城市冠層內(nèi)特殊的幾何結(jié)構(gòu)和物理過(guò)程，能夠更精細(xì)地反映城市熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)效應(yīng)，引入優(yōu)化的城市冠層參數(shù)化方案有效改善了模式對(duì)華北城市區(qū)域風(fēng)、溫、濕場(chǎng)的短期預(yù)報(bào)性能。因此，對(duì)于城市氣象預(yù)報(bào)和研究而言，發(fā)展適合城市的模式或方案，將有助于城市氣象的精細(xì)化預(yù)報(bào)，未來(lái)工作將進(jìn)一步圍繞中尺度氣象模式發(fā)展更為精細(xì)有效的冠層模塊，以改善模擬與預(yù)報(bào)。

致謝：感謝張亦洲博士和盧冰博士對(duì)方法和思路提供的諸多建議，感謝審稿專家提出的寶貴意見。