WRF-Chem Physics Options设置（二）

上篇文章介绍了辐射方案，这篇文章介绍一下地表过程方案和陆面过程方案。

1 地表过程方案

1.1 sf_sfclay_physics=1（Monin-Obukhov）

• 基于标准关系：该理论的应用来源于MM5（第五代中尺度模型）中的MRF（Medium Range Forecast，中期预报）行星边界层方案所使用的标准关系。
• 为地表方案提供交换系数：该理论为地表方案（主要是陆地部分）提供交换系数，用于计算地表与大气之间的动量、热量和水汽的交换。
• 考虑热粗糙度长度的选项：该理论包含iz0t参数，允许在陆地点上选择不同的热粗糙度长度计算方法。
• 建议与特定的PBL物理方案结合使用：Monin-Obukhov相似理论应与行星边界层物理方案bl_pbl_physics=1或bl_pbl_physics=99结合使用，以确保物理过程的合理性

1.2 sf_sfclay_physics=2（Monin-Obukhov（Janjic修正））

• Janjic 的修正：该方案基于Janjic对原有方案的修正，使其更加适合不同的地表条件。
• 基于NMM模型中的标准关系：此方案来自于NMM（Nonhydrostatic Mesoscale Model，非静力中尺度模型）中使用的标准关系，包括Zilitinkevich热粗糙度长度的处理方式。
• 热粗糙度长度选项：包含iz0t参数，允许在陆地点上选择不同的热粗糙度长度计算方法，以适应不同的地表特性。
• 与特定PBL物理方案搭配使用：此地表层物理方案可以与行星边界层物理方案 bl_pbl_physics=2 或 bl_pbl_physics=9 一起使用，以保证模型的物理一致性。

1.3 sf_sfclay_physics=3（GFS Monin-Obukhov（仅NMM））

• 用于 NMM-LSM：sf_sfclay_physics=3 是专门为 NMM-LSM（Nonhydrostatic Mesoscale Model Land Surface Model，非静力中尺度模型的陆地表面模型）设计的。这意味着它与 NMM 核心相适应，用于模拟地表与大气之间的动量、热量和水汽交换过程。
• 应与 bl_pbl_physics=3 一起使用：该地表层方案应与 PBL 物理方案 3 搭配使用。这种PBL方案是 NMM 边界层方案，适用于与NMM核心和地表模型配合，确保大气边界层的湍流交换过程与地表层方案的一致性。
• 选项 88 是 HWRF 版本：在某些特定的应用中，sf_sfclay_physics=3 的 选项 88 是为 HWRF（Hurricane Weather Research and Forecasting，飓风天气研究与预报模型）设计的版本。这意味着 sf_sfclay_physics=3 在选项 88 下是经过特别调整，以更好地适应HWRF的物理需求和动力结构，用于热带气旋和飓风的模拟。

1.4 sf_sfclay_physics=4（QNSE Monin-Obukhov）

• 用于 QNSE-PBL（Quasi-Normal Scale Elimination 边界层方案）：sf_sfclay_physics=4 是专门为 QNSE-PBL 方案设计的。QNSE 边界层方案是一种湍流混合方案，适用于大气边界层的模拟，特别是用于稳定和中性条件下的湍流处理。
• 应与 bl_pbl_physics=4 一起使用：该地表层方案应与 PBL 物理方案 4 搭配使用，即 QNSE-PBL 方案。这两个方案一起使用时能够更好地捕捉地表层与行星边界层的相互作用，特别是通过QNSE的湍流参数化处理实现更精确的边界层模拟。
• 与 MYJ SFC 类似：sf_sfclay_physics=4 与 MYJ（Mellor-Yamada-Janjic）地表层方案 非常相似。MYJ 是一种基于Mellor-Yamada湍流闭合模型的方案，而 QNSE 是基于相似的湍流理论，专门为小尺度大气湍流混合设计的，因此两者在处理地表湍流交换上具有相似之处。
• 包含新的稳定性函数：sf_sfclay_physics=4 引入了新的 稳定性函数，这些函数用于更好地描述不同大气稳定条件下的湍流行为，尤其是在强稳定或弱湍流条件下。与传统方案相比，这些稳定性函数能够更好地捕捉大气稳定度的变化，特别是对于夜间和稳定边界层的处理。

1.5 sf_sfclay_physics=5（MYNN Monin-Obukhov（仅ARW））

• 用于 MYNN-PBL（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino 边界层方案）：sf_sfclay_physics=5 是专门为 MYNN-PBL 设计的地表层物理方案。MYNN 边界层方案是基于 Mellor-Yamada 湍流闭合模型 的改进版，由 Nakanishi 和 Niino 进一步发展，专注于更精确地处理大气边界层中的湍流混合，尤其是在复杂边界层环境中。
• 应与 bl_pbl_physics=5 一起使用：此地表层方案应与 PBL 物理方案 5，即 MYNN 边界层方案 搭配使用。这样做可以确保地表层和边界层的物理过程能够有效耦合，尤其是在处理地表和大气之间的动量、热量和水汽交换时，两者的相互作用得到一致处理。

1.6 sf_sfclay_physics=7（Pleim-Xiu（仅ARW））

• 用于 PX LSM（Pleim-Xiu 地表模型）和 ACM PBL（Asymmetric Convective Model 边界层方案）：sf_sfclay_physics=7 是专门为 PX LSM 和 ACM PBL 边界层方案设计的地表层物理方案。PX LSM 是一个动态的地表模型，用于模拟地表能量和水分交换，而 ACM PBL 是一种不对称对流混合模型，专注于对流条件下的边界层湍流混合。两者结合用于模拟复杂的地表与大气之间的交换过程。
• 应与 sf_surface_physics=7 和 bl_pbl_physics=7 一起使用：该地表层方案应与 PX LSM 地表物理方案（sf_surface_physics=7） 和 ACM PBL 方案（bl_pbl_physics=7） 搭配使用。这种组合确保了地表层、地表物理过程和边界层物理过程的紧密耦合，提供了更精确的地表与大气之间的交换模拟。
• WRF 第3版引入的新特性：这个方案是 WRF（Weather Research and Forecasting）模型第3版中新引入的，进一步扩展了对复杂边界层和地表相互作用的处理能力。

1.7 sf_sfclay_physics=10（TEMF（仅ARW））

• 用于 TEMF PBL（Turbulent Eddy Mixing Formulation 边界层方案）：sf_sfclay_physics=10 专门设计用于 TEMF PBL 方案。TEMF 边界层方案是一种基于湍流涡混合公式的边界层物理方案，用于描述大气边界层中的湍流和对流过程，尤其适合处理不稳定对流条件下的湍流混合。
• 应与 bl_pbl_physics=10 一起使用：这个地表层方案应与 PBL 物理方案 10（即 TEMF PBL）一起使用，以确保地表层和边界层的物理过程相互耦合。这种组合能够更好地模拟地表与大气之间的动量、热量和水汽的交换，特别是湍流和对流混合显著的情况下。
• WRF 3.3版中新增：该方案是 WRF模型3.3版 中新引入的特性，进一步扩展了对边界层湍流过程的处理能力。

2 陆面过程方案

2.1 sf_surface_physics=1（5-layer thermal diffusion model仅ARW）

• 基于 MM5 的 5 层热扩散模型：sf_surface_physics=1 使用了 MM5（第五代中尺度模型） 中的 5 层热扩散模型。这个模型通过设置五层不同的热扩散层来模拟地表和土壤的温度变化，从而预测地表温度和土壤温度。
• 预测地表温度和土壤温度：该方案能够预测地表的温度和不同深度的土壤温度。这对于模拟地表和土壤热平衡非常重要，特别是在季节变化和不同地表条件下。
• 热属性依赖于土地利用类型：热扩散模型中的热性质（如热导率和热容量）会根据不同的土地利用类型进行调整。这意味着模型会考虑土地覆盖类型（如森林、草地、城市等）对热扩散的影响。
• 不预测土壤湿度或雪盖：此方案不包括土壤湿度和雪盖的预测。它专注于热量交换和地表温度的预测，而不处理与土壤湿度或积雪覆盖相关的变化。
• 湿度可用性仅基于土地利用：湿度的可用性仅基于土地利用类型进行简单估算，而不考虑实际的土壤湿度或降水情况。这意味着模型在模拟湿度交换时会使用预设的土地利用数据来估算湿度。
• 提供热量和湿度通量用于 PBL：该方案提供了用于 行星边界层（PBL） 物理过程的热量和湿度通量。它将地表与大气之间的热量和湿度交换过程提供给边界层模型，以便更准确地模拟大气边界层中的湍流和热量交换。

2.2 sf_surface_physics=2（Noah Land Surface Model）

• 考虑植被效应：sf_surface_physics=2 包含了植被对地表过程的影响。这意味着模型能够模拟植被对热量、湿度和其他地表过程的作用，以更真实地反映实际的地表情况。
• 预测土壤温度和土壤湿度：该方案能够预测四个层次的土壤温度和土壤湿度。这使得模型可以详细地模拟不同土壤深度的热量和水分变化。
• 诊断地表温度：除了预测土壤温度和湿度外，sf_surface_physics=2 还能够诊断地表温度。这有助于更准确地模拟地表和大气之间的热量交换。
• 预测雪盖和树冠湿度：该方案能够预测积雪覆盖和植被冠层的湿度。这对于模拟冬季和湿润条件下的地表过程非常重要。
• 处理分数雪盖和冻结土壤：sf_surface_physics=2 具有处理部分雪盖和冻结土壤的能力。这意味着模型能够处理地表上部分被雪覆盖或土壤冻结的情况，而不仅仅是完全雪盖或不冻结的情况。
• 新的时间变化雪反射率（在V3.1中引入）：在 WRF 版本3.1 中，sf_surface_physics=2 引入了时间变化的雪反射率（雪的反射率会随时间变化）。这使得模型可以更动态地模拟雪盖的辐射特性，提升模拟的准确性。
• 提供热量和湿度通量用于 PBL：该方案提供了用于 行星边界层（PBL） 物理过程的热量和湿度通量。这些通量数据用于描述地表和大气之间的热量和湿度交换，有助于边界层过程的精确模拟。
• Noah 模型具有两个城市冠层模型选项（sf_urban_physics，仅适用于 ARW）：sf_surface_physics=2 基于 Noah 地表模型，它具有两个城市冠层模型选项，用于模拟城市环境中的地表过程。这些选项对于处理城市区域的地表温度和湿度特性非常有用，但这些选项仅适用于 ARW（Advanced Research WRF）核心。

2.3 sf_surface_physics=3（RUC）

• 包括植被效应：sf_surface_physics=3 考虑了植被对地表过程的影响。这意味着模型能够模拟植被对热量、湿度和能量交换的作用，以更真实地反映地表条件。
• 预测六层的土壤温度和土壤湿度：该方案能够在六个不同的土壤层次中预测土壤温度和湿度。这种多层土壤模型允许更详细地模拟土壤深度的热量和水分变化，提供更精确的土壤状态数据。
• 多层雪模型：sf_surface_physics=3 包含一个 多层雪模型，能够模拟积雪的不同层次。这有助于更准确地反映雪盖的热量和湿度变化，特别是在不同深度的雪层对地表能量平衡的影响。
• 提供热量和湿度通量用于 PBL：该方案提供了用于 行星边界层（PBL） 物理过程的热量和湿度通量。这些通量数据有助于描述地表与大气之间的热量和湿度交换，从而改进边界层过程的模拟。

2.4 sf_surface_physics=7（Pleim-Xiu（仅ARW））

• 在版本 3 中新增：sf_surface_physics=7 是在 WRF 模型版本 3 中引入的新特性，意味着这是一个更新或改进的地表物理方案，提供了新的功能或改进了现有功能。
• 包括植被效应：该方案考虑了植被对地表过程的影响。模拟中包括了植被对热量和湿度交换的作用，以更好地反映实际的地表条件。
• 预测两个层次的土壤温度和土壤湿度：sf_surface_physics=7 能够在两个土壤层次中预测土壤温度和湿度。虽然层数较少，但依然能提供对土壤状态的基本了解。
• 简单的雪盖模型：该方案包含了一个 简单的雪盖模型，用于模拟积雪的覆盖情况。虽然模型比较简化，但足以处理雪盖对地表能量平衡的基本影响。
• 提供热量和湿度通量用于 PBL：sf_surface_physics=7 提供了用于 行星边界层（PBL） 物理过程的热量和湿度通量。这些通量数据帮助描述地表与大气之间的热量和湿度交换，有助于改进边界层的模拟。

2.5 sf_surface_physics=88（GFDL）

• 简单的地表处理用于 HWRF 物理方案：sf_surface_physics=88 是专为 HWRF（Hurricane Weather Research and Forecasting） 物理方案设计的地表处理选项。HWRF 是一种专注于飓风预测和模拟的模型，sf_surface_physics=88 提供了一个简化的地表物理方案，以适应 HWRF 模型的需求。

• 强制恢复的单层模型：该方案使用一个 强制恢复（force-restore） 的单层模型。这意味着模型中的地表层只有一个层次，且该层次会根据设定的恢复机制来调整土壤温度或湿度，使其快速趋向一个设定值。恢复机制用于将土壤状态（如温度）强制调整到某个预定的平衡值，以简化计算并加速模型运行。

• 常数基底：sf_surface_physics=88 使用一个 常数基底，即模型中的底层土壤或基底状态保持不变。这简化了地表模型，避免了对土壤深度变化的复杂计算，从而减少了计算量和模型复杂性。

3 城市冠层方案

3.1 sf_urban_physics=1（Urban Canopy Model）

• 处理子网格尺度的墙面、屋顶和道路效应：sf_urban_physics=1 能够模拟城市区域中墙面、屋顶和道路等建筑表面对辐射和热量交换的影响。这意味着模型可以考虑城市建筑物和基础设施对地表能量平衡的影响，从而提高城市环境中气候模拟的准确性。
• 可指定人为热源：该方案允许用户指定 人为热源，即城市活动产生的额外热量（如工业、交通、建筑物供暖等）。这种热源的模拟有助于更准确地反映城市区域内的热量变化和温度异常。
• 支持低、中、高密度城市分类：sf_urban_physics=1 支持根据城市的密度分类（低、中、高密度）来调整模型参数。这种分类方法使得模型能够更细致地处理不同城市区域的热力学特性和辐射交换。例如，高密度城市区域（如市中心）和低密度城市区域（如郊区）可能有不同的建筑结构和热量释放特性。

3.2 sf_urban_physics=2（Building Environment Parameterization）

• 处理子网格尺度的墙面、屋顶和道路效应：sf_urban_physics=2 能够模拟城市区域中墙面、屋顶和道路对辐射和热量交换的影响。这种模型能够考虑城市建筑物和基础设施对能量平衡的详细影响，以提高城市气候的模拟精度。
• 可以与 MYJ PBL 或 BouLac PBL 一起使用：此方案可以与 MYJ（Mellor-Yamada-Janjic）PBL 或 BouLac PBL 方案一起使用。这些边界层方案用于处理更高层次的建筑物（超出最低模型层），使得城市环境中的多层建筑物可以被更准确地模拟。
• 多层城市模型：sf_urban_physics=2 支持 多层城市模型，能够表示高于最低模型层的建筑物。这使得模型可以处理城市中更高的建筑物层次，从而更好地模拟高层建筑对城市微气候的影响。
• 需要额外的子网格建筑物分数面积信息：为了准确模拟城市环境，sf_urban_physics=2 需要额外的 子网格建筑物分数面积 信息。这些信息用于描述城市区域中建筑物的分布和比例，从而提供更加详细的城市热力学模拟。

3.3 sf_urban_physics=3（Building Energy Model）

• 包括人为建筑效应（供暖、空调）：sf_urban_physics=3 在模拟城市环境时，除了 BEP（Building Effect Parameterization） 方案外，还包括 人为建筑效应，如建筑物的供暖和空调。这意味着模型能够模拟由于建筑物内部活动产生的热量（例如供暖和空调系统）对城市气候的影响，从而更准确地反映城市热岛效应。
• 可以与 MYJ PBL 或 BouLac PBL 一起使用：该方案可以与 MYJ（Mellor-Yamada-Janjic）PBL 或 BouLac PBL 边界层方案结合使用。这些边界层方案能够处理超出最低模型层的建筑物，从而使得多层建筑物能够被更准确地模拟。
• 多层城市模型：sf_urban_physics=3 支持 多层城市模型，能够表示高于最低模型层的建筑物。这种模型适用于高层建筑的城市环境，使得城市区域中的建筑物层次可以被更详细地考虑。
• 需要额外的子网格建筑物分数面积信息：为了准确模拟城市环境，sf_urban_physics=3 需要额外的 子网格建筑物分数面积 信息。这些信息用于描述城市区域中建筑物的分布和比例，以便更好地模拟建筑物对城市气候的影响。