大气边界层 (PBL) 对气象场及大气污染物传输具有重要影响，采用合适的 PBL 参数化方案模拟对于提高气象和空气质量模拟的精确性至关重要。长江三角洲地区 (YRD) 由于快速的城市化进程，空气污染问题严重。该地区气候特点是夏季温暖潮湿，冬季寒冷干燥，且下垫面十分复杂，因此需要深入理解不同 PBL 参数方案对气象场模拟结果的影响，以改善空气质量的模拟和预测。近日，上海大学李莉研究员带领研究团队采用中尺度天气预报模式 WRF 模型，探索了四种不同的 PBL 闭合机制（YSU、ACM2、MYJ 和 MYNN），分别对比气象参数（温度、相对湿度、风速）的模拟结果与观测数据之间的差异，分析不同 PBL 参数方案对夏冬季气象场模拟的表现。根据比较不同 PBL 方案模拟结果与观测结果的统计指标发现，4 种 PBL 方案在夏季和冬季均对温度进行了高估，在夏季 MYNN 偏差最小，在冬季 MYJ 偏差最小。在风速方面，4 种方案都高估了风速，MYNN 在夏季和冬季的偏差最小。然而，4 种方案都低估了相对湿度，MYJ 在夏季和冬季的偏差最小。![]()
研究进一步将模拟的边界层高度（PBLH）日变化情况与无线电探空仪观测结果进行比较。夏季的混合层高度普遍高于冬季，在夏季 ACM2 方案对 PBLH 的高估最为明显，其在夏季模拟的 PBLH 最大可达 2541 m，MB 达 394 m，其次是 MYNN 和 YSU 方案；在冬季，4 种方案均表现出在下午高估了 PBLH，其中 MYJ 方案的模拟最为准确，MB 为 38 m，相关系数 (R) 为 0.65。在夏季，ACM2 和 YSU 方案模拟的 PBLH 相对更深。通过垂直剖面的潜在温度、风速和相对湿度的模拟结果与观测对比显示，夏季观测和模拟的潜在温度表现出一致的梯度，但在冬季，模拟的潜在温度则高于观测结果。对风速而言，模拟普遍高估了夏季风速，但模型无法捕捉到约 200 m 的高度处实际观测值的增加；冬季风速的总体变化基本与模拟结果一致，但在 8 LST 的较低高度存在一定的高估。整体上，4 种方案均高估了相对湿度，而在夏季较高高度处则表现出了对相对湿度的低估。- 图 3. 夏季 08 LST 和 20 LST 月平均垂直剖面模拟和观测之间的比较（(a)(d) 潜在温度；(b)(e) 风速；(c)(f) 相对湿度）
研究发现，尽管不同的 PBL 方案在模拟气象参数上有一定的一致性，但它们之间的差异仍然显著。在区域气候模型中，没有单一的边界层方案能够普遍适用于变化多样的环境。夏季，MYNN 方案在夏季对于温度的预测最佳，而 MYJ 方案在冬季对于温度预测最佳。无论什么季节，MYNN 在风速预测方面的偏差最小；而对于湿度而言，MYJ 的表现最优。总体而言，局地闭合方案（MYNN 和 MYJ）在模拟长江三角洲地区的气象因素时优于非局地闭合方案（YSU 和 ACM2）。在模拟 PBLH 时，尚无法确定单一的理想 PBL 方案，不同的方案在特定季节的表现不同。在垂直剖面上，ACM2 展示了比 MYJ 和 MYNN 更强的湍流混合和卷入。在夏季，ACM2 和 YSU 的温度和混合层高度较高。在冬季，MYJ 的混合层相对较浅，且与实际气象探测数据更相符。此外，模式结果表明流动、混合层高度和地表热通量的幅度各异，这些差异可归因于各 PBL 方案在模拟控制卷入通量时对浮力和剪切的不同处理方式。每种方案均有其优缺点，因此选择最合适的方案应根据具体变量和情境而定。我们的研究通过比较各项评估指标，为 WRF 模型用户提供了选取 PBL 方案的明确指导。这一研究对寻求稳定、连续的边界层模拟或致力于实现最佳模拟精度的研究人员具有重要意义。根据需求选取最优的边界层参数化方案，可以更准确地捕捉气象变量的动态变化，为大气污染物的浓度和传输情况的模拟提供良好的基础。该成果以 “Sensitivity analysis of planetary boundary layer parameterization on meteorological simulations in the Yangtze river delta region, China”(《大气边界层方案对长三角地区气象场模拟的影响研究》)为题，发表在英国皇家化学会期刊 Environmental Science: Atmospheres 上。![]()
Sensitivity analysis of planetary boundary layer parameterization on meteorological simulations in the Yangtze river delta region, China
Dihui Chen,‡ Ansheng Zhu,‡ Ling Huang, Elly Yaluk, Yangjun Wang, Maggie Chel Gee Ooi, Ying Gu, Andy Chan* and Li Li*（李莉）
Environ. Sci.: Atmos., 2024, 4, 1129-1144
https://doi.org/10.1039/D4EA00038B
上海大学
共同第一作者，上海大学博士后，上海市“超级博士后”。从事于大气化学的观测以及数值模拟研究，在 Environmental Science and Technology，Atmospheric Chemistry and Physics 等相关国际刊物上以发表 SCI 论文 7 篇，其中 3 篇为第一作者；获批 2023 年上海市“超级博士后”激励计划资助，开展卤素化学对大气二次污染的影响研究。
共同通讯作者，教授。Andy Chan 教授是 UNMC 管理委员会的成员。专业领域是空气污染和计算流体动力学，尤其是城市气候。担任 2003 年严重急性呼吸系统综合症（SARS）期间世界卫生组织（WHO）任命的团队负责人之一，旨在发现 SARS 病毒在香港密集城市中的机制分散。他目前是多国 7SEAS-NASA 项目（七个东南亚研究，国家航空和航天局）的领导者，该项目研究雾霾在东南亚的传播。他目前还担任政府专家顾问，负责制定针对空气污染和极端天气条件的城市规划指南。
共同通讯作者，工学博士，教授，博士生导师。现任上海大学环境与化学工程学院科研院长。长期从事大气污染成因、来源与控制研究，主持国家自然科学基金、国家大气重污染成因与治理攻关等科研项目 50 余项。发表学术论文 190 余篇，其中 SCI 收录 110 余篇；获授权专利和软件著作权 40 项；研究成果获省部级科技奖励 6 项。
| 2-年影响因子* | 2.8分 |
| 5-年影响因子* | 2.8分 |
| JCR 分区* | Q3 环境科学
Q3 气象&大气科学 |
| CiteScore 分† | 2.9分 |
| 中位一审周期‡ | 38 天 |
Environmental Science: Atmospheres 发表大气化学领域的高质量基础研究和应用研究成果，其中包括了大气-生物圈、大气-海洋以及大气-地表的相互作用。该刊也欢迎与室内空气质量及其人体健康影响相关的研究报道。作为一本金色开放获取的期刊，读者可免费获取论文的全文。
Editor-in-Chief
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| Nønne Prisle
🇫🇮 奥卢大学 Lin Wang (王琳)
🇨🇳 复旦大学
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🇬🇧 利兹大学 Claudia Mohr
🇨🇭 苏黎世联邦理工学院
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* 2023 Journal Citation Reports (Clarivate, 2024)
† CiteScore 2023 by Elsevier
‡ 中位数，仅统计进入同行评审阶段的稿件
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