1.4　资料、模式、研究方法

1.4.1　资料

本书研究工作主要使用了以下资料。

（1）NCEP/NCAR（National Centre for Environmental Prediction and National Cen- tre for Atmospheric Research）再分析资料。该资料时间分辨率为6h，水平空间分辨率为1°×1°，垂直方向27个气压层。NCEP/NCAR资料主要用于为数值模拟的最外层区域提供初始条件和边界条件。此外，该资料还作为观测资料对数值模式模拟结果进行检验。

（2）夜间灯光资料。该资料用于在城市化效应的敏感性数值试验中确定城市范围。夜间灯光数据是人类活动的重要标志，也是在空间领域表征当前人类社会城市化的一个最直接的特征。近年来，夜间灯光数据越来越多地被用来研究全球或区域尺度的城市土地覆盖、人口估算、经济活动等城市化关键要素的快速评估与空间综合分析。全球及区域夜间灯光城市化的多维多尺度研究有助于全球环境变化与人类环境耦合规律的认识和理解。目前，对城市化的时空变化规律研究，存在时间尺度和空间尺度的不完整，全球环境变化与人类环境的交互作用规律尚在研究之中。

（3）CMORPH降水资料。该资料用于对模式降水模拟结果的检验。CMORPH是气候预测中心（Climate Prediction Center）采用MORPHing技术，融合了多种低轨卫星传感器的被动微波观测估计得到的高时空分辨率全球降水分析数据（Joyce et al.，2004）。CMORPH降水资料空间分辨率约为0.07277°，在赤道更是高达8km，时间分辨率为30min。该资料区域覆盖范围是全球（纬度跨度为60°S～60°N），时间跨度为2002年12月3日至今。关于该降水产品的优越性，已被前人研究所证实。Sapiano等（2009）利用太平洋雨量计数据，比较了5种不同的卫星降水产品，结果发现，CMORPH数据与雨量计数据的相关性明显高于其他产品；Shen等（2010）比较了中国地区6种高分辨率卫星资料，结果也表明CMORPH降水资料的时空分布与台站资料最为接近。

（4）自动站观测资料（AMS）。该资料是由国家气象信息中心通过国内通信系统获取的中国地面国际交换站和通过全球通信系统获取的国外地面国际交换站每日常规多时次观测的气压、温度、湿度、风向、风速、降水量等观测数据。该资料的时间分辨率为1h，用于对地面温度、湿度、风速等气象要素模拟结果的检验。

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。

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。

1.4.3　研究方法

本书主要采用了集合数值模拟方法、动力学诊断方法、Morlet小波分析方法和Butterworth带通滤波分析方法。

（1）集合数值模拟方法。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。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。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。Jankov等（2007）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，也得出了相似的结论。黄安宁和张耀存（2007）通过选择不同物理过程参数化方案进行组合构建扰动模式来对我国夏季降水进行模式物理过程集合模拟研究，研究结果表明，模拟的降水对不同积云对流参数化方案、辐射传输参数化方案和陆面过程参数化方案十分敏感，利用这些物理参数化方案组合后的模拟结果存在较大的不确定性。并且，集合平均模拟结果的各项评估指标均好于大多单个模拟，采用物理过程集合模拟技术可以减小模式物理过程对模拟结果的不确定性影响，提高总体模拟水平，因此对短期气候预测进行物理过程集合模拟十分必要。本书部分研究工作采用了多模式物理过程集合模拟方法，以减少敏感性模拟试验的不确定性。

（2）动力学诊断方法。为了研究城市化对于夏季强降水的影响机理，本书采用了动力学诊断方法来探究城市化影响降水的可能机制。第2章利用高分辨率模拟结果通过对锋面移速方程、地面气压倾向方程进行动力学诊断计算，研究城市化对于京津冀地区一次锋面降水过程的影响。第5章对水汽通量散度项进行展开，并且具体计算了在不同的降水个例中，城市化对降水过程中地表辐合辐散以及水汽输送的定量影响，从而最终揭示影响水汽辐合辐散以及降水量的主要原因。

（3）Morlet小波分析方法。小波分析方法是一种时频分析方法，由Fourier变换方法发展演变而来。虽然Fourier变换方法可以对某一周期变化的序列进行频率上的局部化，但在空间、时间上没有任何局部化，而小波变换方法则具有这项功能。小波变换基于仿射群的不变性以及平移和伸缩的不变形性，从而允许把一个信号分解为对时间和频率（空间和尺度）的贡献。

小波变换在n维场中已具有分辨不同尺度的“显微镜”作用和具有分离信号在不同角度下的贡献的“偏振镜”作用。气候资料含有多时间尺度性，由于大小尺度相互包含，所以显得杂乱无章，用传统的统计辨别方法很难判别其演变过程，而小波分析则具有多分辨性，其作用如同数学放大镜，调节放大倍数就可以清楚地看出时间序列在各个层次上的变化趋势以及各层次突变点的确切位置。因此，通过将时间序列分解成时频空间，小波分析方法能够确定时间序列变化的主导模态及这些模态随时间的演变趋势。正因为小波分析的这些优点，其已被广泛地应用于地球物理学的研究，包括对流活动、ENSO（El Niño-Southern Oscillation）、大气冷锋、英国中部地区温度、海洋波动耗散、海浪增长和破碎、湍流黏性结构等。

（4）Butterworth带通滤波分析方法。Butterworth带通滤波器，是一种信号处理工具，其概念最早出现于英国工程师Stephen Butterworth发表于1930年的论文。Butterworth带通滤波器的最大特点是具有通带内最大平坦振幅的特性，因此也被称为最平坦滤波器（Maximally Flat Magnitude Filter）。鉴于Butterworth带通滤波器的优越性，其在国内外大气科学领域均得到了日益广泛的应用，尤其被用于季节内振荡研究。