《Atmosphere》：Observational Evaluation of WRF Planetary Boundary Layer Schemes for Sea–Land Breeze Circulation in Coastal Ningbo, China
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由于地表特征、地形和地理条件的差异，Weather Research and Forecasting（WRF）模式中planetary boundary layer（PBL）方案在沿海地区的性能可能存在显著差异。本研究针对中国宁波一次代表性海陆风（SLB）事件
由于地表特征、地形和地理条件的差异，Weather Research and Forecasting（WRF）模式中planetary boundary layer（PBL）方案在沿海地区的性能可能存在显著差异。本研究针对中国宁波一次代表性海陆风（SLB）事件评估了11种PBL方案。研究人员将模拟的2 m温度、10 m风速和10 m风向与三个地面气象站的观测进行比较，同时利用杭州的无线电探空观测评估模拟的垂直温度和相对湿度结构。对于2 m温度，YSU和SH产生的名义RMSE最低，分别为1.588和1.595 °C，其后依次为GBM、UW、ACM2和MYJ。然而，配对移动块bootstrap分析表明，YSU与SH、GBM、UW、ACM2和MYJ之间的RMSE差异在95%置信水平上不具有统计可区分性。对于10 m风场，UW产生的风速RMSE最低，BouLac表现出最小的绝对风速偏差和最高的相关系数，MYNN2.5产生的风向圆平均绝对误差最低。模拟还显示海风演变和垂直大气结构存在方案依赖性差异。总体而言，没有单一PBL方案在所有评估变量和指标上始终优于其他方案。这些结果凸显了在复杂沿海环境中模拟海陆风环流时利用多观测约束评估PBL方案的重要性。
**研究背景与问题**
海陆风是沿海地区重要的气候驱动因子，影响天气、气候、生态系统和空气质量。海陆风由陆地和海洋之间的日间温度差异驱动，白天形成海风、夜间形成陆风，这一交替风系统在污染物输送和城市空气质量方面发挥关键作用，尤其是在planetary boundary layer（PBL，行星边界层）内。PBL负责调控地表与大气之间热量、水分和动量的交换，进而影响近地面气象条件和沿海环流。Weather Research and Forecasting（WRF）模式广泛应用于海陆环流研究，准确表征PBL过程对于模拟沿海气象条件和污染物扩散至关重要。
尽管已有大量研究关注海陆环流型及其形成、持续时间、日变化和污染物扩散作用，但不同PBL方案对模拟结果影响的认识仍然有限。PBL方案是用于表征大气边界层内次网格尺度动量、热量和水分湍流输送的数值参数化方法，不同方案采用不同的闭合假设以及对局地和非局地湍流混合、夹卷和相关垂直输送过程的处理方式，其差异主要源于这些过程的表征方式而非简单的过程数量。已有研究表明，选择合适的PBL方案对于提高复杂环境中风和温度预测精度至关重要。Draxl等人在丹麦利用WRF评估了7种PBL方案，发现基于湍流动能（TKE）的方案在所考察条件下通常比YSU方案更好地再现观测风廓线。Zhang和Yin在安徽黄山复杂地形区域评估了4种PBL方案，报告YSU方案对2 m温度表现最佳，而ACM2对2 m露点温度和10 m风速表现更好。Wang等人在兰州比较了YSU、MYJ和ACM2方案，发现近地面温度、风速和边界层结构模拟存在明显的方案依赖性差异。Cheng等人在台湾评估了两种边界层参数化方案对远距离输送和空气污染过程的影响，表明YSU方案相比MYJ方案在温度、风速和O
3浓度方面提供了更好的模拟结果。Kim等人研究了4种参数化方案的性能，其中两种与单层城市冠层模型耦合用于巴黎城市和郊区的模拟。Balzarini等人在波河平原利用地面和upper-air观测评估了5种PBL方案，发现YSU方案在再现PBL高度方面表现最佳，而ACM2更好地再现了近地面气象场。在湍流闭合方面，YSU是非局地方案，MYJ和BouLac是局地基于TKE的方案，ACM2将非局地输送与局地涡扩散相结合。QNSE是一种1.5阶局地闭合方案，具有为稳定层结条件设计的TKE预测选项。这些湍流公式的差异可能导致垂直混合的不同表征，进而影响模拟的温度、风场和边界层结构。此前宁波的观测已记录了该沿海地区海陆风环流的动力和热力结构。宁波位于中国东部沿海，是重要的沿海港口和工业城市，海陆风环流可显著影响当地气象条件和污染物输送。除PBL参数化外，其他物理过程表征也会影响数值模拟，例如云微物理公式可显著影响模拟的云和降水系统的发展与结构。因此，本研究在所有敏感性试验中保持非PBL物理参数化一致，以分离不同PBL方案的影响。
此前已有研究评估了上海和黄海西岸海陆风环流的多WRF PBL方案。在宁波，以往研究主要记录了海陆风观测及其环境效应，而该区域缺乏可比的多方案WRF PBL评估。更广泛地看，WRF研究表明PBL方案的相对性能随地表特征、地形和大气条件而变化。这种敏感性在沿海地区尤为重要，因为海陆热力对比和非均匀地表条件影响边界层混合和局地环流。
**研究方法概述**
研究人员利用WRF模式（版本4.2，ARW动力核心）对2020年5月11—13日宁波一次代表性海陆风事件开展了11种PBL方案的敏感性试验。采用三层双向嵌套网格，水平分辨率分别为18 km（d01）、6 km（d02）和2 km（d03），最内层垂直方向从地表延伸至50 hPa共29个eta层，边界层内垂直网格加密。初始和侧边界条件由ERA5再分析数据提供（水平分辨率0.25°），SST由ERA5初始化并在模拟期间保持固定。主要物理参数化包括Purdue Lin微物理方案、Kain–Fritsch积云参数化（18 km和6 km域启用，2 km最内层域关闭）、RRTMG长波辐射方案、Fu–Liou–Gu短波辐射方案和Noah陆面模型，未激活城市冠层模型。每种PBL方案与其对应的surface layer方案配对。模拟时段为2020年5月10日12:00 UTC至5月14日00:00 UTC，时间步长60 s，逐小时输出。评估使用定海、栎社和石浦三个地面气象站的2 m温度、10 m风速和10 m风向观测，以及杭州站（30.23° N, 120.17° E）的无线电探空观测评估垂直温度和相对湿度结构。统计指标包括均方根误差（RMSE）、平均偏差（MD）、误差标准差（STD）和Pearson相关系数（R）；风向采用圆平均绝对误差（MAE）。为考虑时间自相关，采用配对移动块bootstrap方法评估2 m温度RMSE估计的不确定性，块长度为6个连续观测。海陆风事件筛选遵循Azorin-Molina等人提出的方法，利用ERA5逐小时气象数据，以日表面气压差小于5 hPa识别弱天气尺度强迫，并基于陆海温差和近地面风场确定海风和陆风时段。
**研究结果**
**不同PBL方案近地面气象模拟差异**：选取2020年5月12日14:00 LST作为代表性白天时段比较11种PBL方案的海风环流空间特征。所有方案均再现了海风环流的总体空间特征，包括内陆较暖地表、沿海较冷区域和近地面向岸流，但各方案在2 m温度和10 m风的量级和空间分布上存在明显差异。这些方案间差异反映了模拟的近地面热力和动力结构对边界层湍流处理的敏感性。由于未应用客观海风锋判据确定内陆渗透距离，该图仅用于说明PBL模拟的空间差异，不用于定量排序。
**模拟与观测的近地面气象变量比较**：利用栎社站逐小时观测进行详细时间序列比较。对于2 m温度，多数PBL方案再现了观测的日变化，包括白天升温和夜间降温，日最高和最低温度出现时间总体被捕捉，但模拟温度量级因方案而异。QNSE、MYNN2.5和MYNN3在某些白天时段表现出相对明显的冷偏差，而YSU、MYJ、ACM2、BouLac、SH和GBM总体上更接近观测温度演变。对于10 m风速，模拟再现了主要时间变率，但与观测的偏差大于温度，风速误差量级因PBL方案而异。对于10 m风向，观测在5月12日出现明显风向转变，观测转变约发生在04:00 LST，TEMF约在02:00 LST再现转变（提前约2 h），QNSE约在06:00 LST再现（滞后约2 h），MYNN3约在04:00 LST再现，与观测时间一致。栎社、定海和石浦三站温度偏差分布显示PBL方案和站点间存在明显差异：栎社多数方案中位偏差接近零，QNSE和MYNN3显示更明显的负偏差，TEMF误差分布较宽；定海类似，QNSE和MYNN3再次显示相对负的温度偏差；石浦几乎所有方案的温度误差分布明显更宽，表明该沿海站模式性能时间变率更强。风速偏差同样因方案和站点而异，但方案间差异总体小于温度。总体而言，没有单一PBL方案在三站同时最小化温度和风速偏差。基于三站观测（N = 104）的10 m风速和风向统计表明，风速RMSE仅在1.666至1.836 m/s之间变化，相关系数较低（0.249–0.397），风向圆MAE为63.383°至72.313°，方案间相对较小的差异应谨慎解释。基于195对模式-观测样本的2 m温度评估显示，YSU和SH产生的名义RMSE最低，分别为1.588和1.595 °C，其后依次为GBM（1.616 °C）、UW（1.644 °C）、ACM2（1.655 °C）和MYJ（1.666 °C）；TEMF产生最大的名义RMSE（2.490 °C）和最低的相关系数（R = 0.827），QNSE和MYNN3相比其他多个方案也显示相对较大的名义温度误差。配对移动块bootstrap分析显示，相对于YSU的RMSE差异的95%置信区间分别为：SH为?0.016至0.030 °C，GBM为?0.029至0.086 °C，UW为?0.018至0.131 °C，ACM2为?0.007至0.155 °C，MYJ为?0.030至0.175 °C，所有区间均包含零，表明这些RMSE差异在95%置信水平上不具有统计可区分性。
**海陆风环流空间演变**：选取YSU、MYJ、QNSE和MYNN2.5进行详细过程分析，选择依据是YSU作为代表性非局地K廓线方案、MYJ、QNSE和MYNN2.5作为三种不同的局地基于TKE的公式，而非因其统计性能优越。四种方案均再现了从相对较弱沿海流向更明显向岸流的总体白天演变，但近地面温度和风速的量级和空间分布存在差异，表明模拟的沿海环流对边界层湍流处理具有敏感性。所有四种方案均模拟了白天向岸流的转变，成功捕捉了海风事件的主要环流特征，但在风速量级和空间覆盖范围上存在变化，表明PBL方案选择影响近地面动量输送的表征和模拟的沿海环流强度。
**与无线电探空廓线的定性比较**：由于宁波研究区内缺乏无线电探空观测，使用杭州站观测提供对模拟垂直热力结构的额外定性约束，相应WRF廓线从6 km d02域中最接近杭州站的水平格点提取。模拟温度廓线再现了观测的总体垂直结构，四种所选PBL方案间的差异在下层大气中更为明显；模拟相对湿度廓线也存在差异，尤其在下层，方案与观测垂直结构的偏离大于温度。由于未计算逐层误差指标或探空导出的PBL高度，该比较仅作为定性比较而非PBL方案性能的定量排序。此外，杭州位于宁波研究区之外，地形和大气条件的区域差异为直接比较引入了额外不确定性。
**讨论与结论**
本研究利用WRF模式和气象观测评估了11种PBL方案在再现宁波沿海地区一次代表性海陆风事件中的性能。对于2 m温度，YSU和SH产生的名义RMSE最低，分别为1.588和1.595 °C，其后依次为GBM、UW、ACM2和MYJ；然而配对移动块bootstrap分析表明，YSU与SH、GBM、UW、ACM2和MYJ之间的RMSE差异在95%置信水平上不具有统计可区分性，因此这些密切表现方案间名义RMSE的微小差异不应被解释为稳健的排序，这些方案可被视为在模拟2 m温度方面具有大致可比的性能。10 m风的定量评估进一步表明PBL方案的相对性能取决于所选指标：UW产生最低的风速RMSE，BouLac表现出最小的绝对风速偏差和最高的风速相关系数，MYNN2.5产生最低的风向圆平均绝对误差；栎社站风向转变分析还显示各方案模拟环流变化时间存在差异。这些结果表明没有单一PBL方案在所有近地面温度和风指标上始终优于其他方案。对YSU、MYJ、QNSE和MYNN2.5的过程导向分析进一步说明了模拟海陆风环流空间演变和垂直结构的差异，这四种方案的选择是为了考察模拟环流对边界层湍流不同处理的敏感性，而非代表四种最佳性能配置。与杭州站无线电探空观测的比较表明各方案在再现观测垂直温度和相对湿度结构方面存在差异，进一步证明PBL方案性能取决于气象变量、垂直层次和评估标准。研究存在若干局限性：第一，分析聚焦于弱天气尺度强迫下的单次海陆风事件，PBL方案的相对性能可能在不同气象条件和季节下变化；第二，缺乏planetary boundary layer height（PBLH，行星边界层高度）的直接观测，限制了对边界层发展的定量评估；第三，无线电探空观测来自杭州而非宁波研究区内，引入了与地形和大气条件区域差异相关的不确定性；此外，本研究未按白天和夜间条件或海风和陆风阶段明确分层模式性能。未来研究应考察多次海陆风事件，纳入更多地面和垂直观测，并应用海风演变和边界层结构的相位分辨和定量诊断，以建立复杂沿海环境中PBL方案选择的更稳健建议。
