DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-18-1769-2025
تاريخ النشر: 2025-03-13
المؤلف: Qin Wang وآخرون
الموضوع الرئيسي: الظواهر الجوية والمحاكاة
نظرة عامة
تستكشف هذه الدراسة أداء أربعة مخططات لتحديد طبقة الحدود الكوكبية (PBL) المستخدمة بشكل شائع—جامعة يونسي (YSU)، ميلور-يامادا-جانجيك (MYJ)، ميلور-يامادا-ناكانيشي-نينو المستوى 2 (MYNN2)، وإزالة المقياس شبه الطبيعي (QNSE)—في محاكاة مجالات الرياح القريبة من السطح فوق التضاريس المعقدة لحوض سيتشوان باستخدام نموذج أبحاث الطقس والتنبؤ (WRF) بدقة عالية تبلغ 0.33 كم. تم إجراء 112 محاكاة حساسية بناءً على 28 حدث رياح قريبة من السطح من عام 2021 إلى 2022. تشير النتائج إلى أنه بينما يتم إعادة إنتاج اتجاه الرياح بشكل جيد عمومًا عبر المخططات، فإن حساسية سرعة الرياح لمخططات PBL أكثر وضوحًا، حيث أن مخطط QNSE هو الأفضل في التقاط التغيرات الزمنية، بينما يظهر مخطط MYJ أقل انحراف للنموذج.
كشفت التحليلات الإضافية أن أداء مخططات PBL يتأثر بالتغيرات اليومية وأنماط الدوران المحددة. على سبيل المثال، خلال أحداث الهواء البارد القوية التي تحدث في الصباح الباكر، كانت جميع المخططات تؤدي بشكل مشابه، بينما أظهرت المحاكاة الليلية أخطاء جذر متوسط المربعات ضعيفة ولكن معاملات ارتباط عالية. تستنتج الدراسة أنه لا يوجد مخطط واحد يتفوق في محاكاة كل من سرعة الرياح واتجاهها، مما يبرز الحاجة إلى مزيد من البحث لفهم الآليات وراء هذه التباينات، خاصة تحت ظروف جوية متغيرة. توفر النتائج رؤى قيمة لتحسين توقعات الرياح القريبة من السطح في حوض سيتشوان والمناطق المماثلة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الدور الحاسم للرياح في مختلف الظواهر الجوية، مشددة على تأثيرها على سلامة الطيران المدني، والنقل البحري، وانتشار الملوثات الجوية، التي يمكن أن تؤثر سلبًا على الصحة العامة والبيئة. يبرز الاهتمام المتزايد بالطاقة الريحية، على الرغم من طبيعتها المتقطعة بسبب سرعات الرياح المتغيرة، ضرورة الحصول على توقعات دقيقة للرياح القريبة من السطح. هذه التوقعات ضرورية لضمان سلامة المرور، وتحسين استخدام الطاقة الريحية، وتقييم جودة الهواء، خاصة في التضاريس المعقدة مثل حوض سيتشوان، الذي يتميز بأنماط دوران جوية فريدة وأداء ضعيف في توقعات الرياح.
تناقش هذه الفقرة أهمية نموذج أبحاث الطقس والتنبؤ (WRF) في محاكاة مجالات الرياح القريبة من السطح، خاصة من خلال مخططاته المختلفة لتحديد طبقة الحدود الكوكبية (PBL). تشير إلى أن أداء هذه المخططات يختلف بشكل كبير عبر سياقات تضاريس مختلفة، حيث تظهر مخططات محددة مثل جامعة يونسي (YSU)، ميلور-يامادا-جانجيك (MYJ)، ونموذج الحمل غير المتماثل، الإصدار 2 (ACM2) فعالية متفاوتة في مناطق مختلفة. تهدف الدراسة إلى تقييم أداء هذه المخططات في حوض سيتشوان باستخدام بيانات رياح عالية الدقة من مطار غوانغهان، مع معالجة التحديات التي تطرحها تضاريس المنطقة المعقدة و”المنطقة الرمادية” من الدقة المكانية في التنبؤ العددي. من المتوقع أن تعزز هذه الأبحاث توقعات مجالات الرياح في المنطقة وتساهم في تحسين مخططات PBL.
طرق
في هذه الدراسة، استخدم المؤلفون تصميمًا تجريبيًا جديدًا لمحاكاة 28 حدث رياح تاريخية قريبة من السطح في مطار غوانغهان، الواقع في الجزء الغربي من حوض سيتشوان، باستخدام نموذج أبحاث الطقس والتنبؤ المتقدم WRF (الإصدار 4.3.1). استهدفت المحاكاة الأيام العاصفة التي تتميز بسرعات رياح قصوى تتجاوز 6 م/ث، وهو الحد الذي تم تحديده لعمليات تدريب الطيران الآمنة. استخدم النموذج نهج المجال المتداخل مع أربع دقات أفقية (9 كم، 3 كم، 1 كم، و0.33 كم) و45 مستوى عمودي، مما يضمن تمثيلًا عالي الدقة للتضاريس المعقدة في المنطقة، التي تؤثر بشكل كبير على أنماط الرياح.
لتحسين دقة عمليات سطح الأرض وخصائص طبقة الحدود الجوية، قام المؤلفون بإدخال بيانات تضاريس عالية الدقة من مهمة رادار التضاريس (SRTM3). تم تقييم أداء النموذج مقابل مجالات الرياح الملاحظة على ارتفاع 10 م من أنيمومترات معايرة في مطار غوانغهان، التي قدمت قياسات موثوقة لسرعة الرياح واتجاهها. تم إجراء المحاكاة باستخدام أربعة مخططات مختلفة لتحديد طبقة الحدود الكوكبية (PBL)، مما أسفر عن إجمالي 112 محاكاة، كل منها تستمر لمدة 24 ساعة وتخرج بيانات كل 10 دقائق. يهدف هذا الإطار المنهجي إلى تقديم رؤى حول سلوك الرياح الحيوية لعمليات المطار، خاصة تحت تأثير تضاريس المنطقة المعقدة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم أربعة مخططات شائعة الاستخدام لتحديد طبقة الحدود الكوكبية (PBL) من نموذج أبحاث الطقس والتنبؤ (WRF)—جامعة يونسي (YSU)، ميلور-يامادا-جانجيك (MYJ)، ميلور-يامادا-ناكانيشي-نينو المستوى 2 (MYNN2)، وإزالة المقياس شبه الطبيعي (QNSE)—لأدائها في محاكاة مجالات الرياح القريبة من السطح في الجزء الغربي من حوض سيتشوان. كانت التحليلات تستند إلى 28 حدث رياح تتميز بظروف جوية متغيرة، مع استخدام مقاييس إحصائية مثل خطأ جذر متوسط المربعات (RMSE)، ومعامل الارتباط (COR)، والانحراف لتقييم دقة كل مخطط. أشارت النتائج إلى أنه بينما كانت جميع المخططات تميل إلى تقدير سرعات الرياح بشكل مفرط، أظهر مخطط MYJ أقل RMSE وانحراف، مما يشير إلى أنه الأكثر موثوقية لمحاكاة دقيقة لسرعة الرياح. من ناحية أخرى، أظهر مخطط QNSE أفضل أداء في التقاط التغير الزمني لسرعة الرياح.
كما أبرزت الدراسة حساسية مخططات PBL للتغيرات اليومية، حيث كان أداء مخطط MYJ جيدًا بشكل خاص خلال ساعات النهار، خاصة حول الظهر المحلي. قامت تحليل التجميع K-means أيضًا بتصنيف أحداث الرياح بناءً على أداء النموذج، مما كشف أن مخطط QNSE قدم باستمرار معاملات ارتباط أفضل، بينما حافظ مخطط MYJ على أخطاء أقل في محاكاة سرعة الرياح. تؤكد النتائج على أهمية اختيار مخططات PBL المناسبة لمحاكاة دقيقة لمجالات الرياح، خاصة في التضاريس المعقدة مثل حوض سيتشوان، حيث تؤثر الظروف الجوية المحلية بشكل كبير على أداء النموذج.
DOI: https://doi.org/10.5194/gmd-18-1769-2025
Publication Date: 2025-03-13
Author(s): Qin Wang et al.
Primary Topic: Meteorological Phenomena and Simulations
Overview
This study investigates the performance of four commonly used planetary boundary layer (PBL) parameterization schemes—Yonsei University (YSU), Mellor-Yamada-Janjić (MYJ), Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino level 2 (MYNN2), and quasi-normal scale elimination (QNSE)—in simulating near-surface wind fields over the complex topography of the Sichuan Basin using the Weather Research and Forecasting (WRF) model at a high resolution of 0.33 km. A total of 112 sensitivity simulations were conducted based on 28 near-surface wind events from 2021 to 2022. The results indicate that while the wind direction is generally well-reproduced across the schemes, the sensitivity of wind speed to the PBL schemes is more pronounced, with the QNSE scheme performing best in capturing temporal variations and the MYJ scheme exhibiting the smallest model bias.
Further analysis revealed that the performance of the PBL schemes is influenced by diurnal variations and specific circulation patterns. For instance, during strong cold air events occurring in the early morning, all schemes performed similarly, whereas nighttime simulations showed poor root mean square errors but high correlation coefficients. The study concludes that no single scheme excels in both wind speed and direction simulations, highlighting the need for further research to understand the mechanisms behind these discrepancies, especially under varying atmospheric conditions. The findings provide valuable insights for improving near-surface wind predictions in the Sichuan Basin and similar regions.
Introduction
The introduction highlights the critical role of wind in various atmospheric phenomena, emphasizing its impact on civil aviation safety, maritime transportation, and the dispersion of atmospheric pollutants, which can adversely affect public health and the environment. The increasing interest in wind energy, despite its intermittent nature due to variable wind speeds, underscores the necessity for accurate near-surface wind predictions. These predictions are essential for ensuring traffic safety, optimizing wind energy utilization, and assessing air quality, particularly in complex terrains like the Sichuan Basin, which is characterized by unique atmospheric circulation patterns and poor wind forecasting performance.
The section discusses the significance of the Weather Research and Forecasting (WRF) model in simulating near-surface wind fields, particularly through its various planetary boundary layer (PBL) parameterization schemes. It notes that the performance of these schemes varies significantly across different topographical contexts, with specific schemes like the Yonsei University (YSU), Mellor-Yamada-Janjić (MYJ), and Asymmetrical Convective Model, version 2 (ACM2) showing varying effectiveness in different regions. The study aims to evaluate the performance of these PBL schemes in the Sichuan Basin using high-resolution wind data from Guanghan Airport, addressing the challenges posed by the region’s complex terrain and the “gray zone” of spatial resolution in numerical forecasting. This research is expected to enhance wind field forecasting in the area and contribute to the refinement of PBL schemes.
Methods
In this study, the authors employed a novel experimental design to simulate 28 historical near-surface wind events at Guanghan Airport, located in the western Sichuan Basin, using the Weather Research and Forecasting Model Advanced Research WRF (version 4.3.1). The simulations targeted windy days characterized by maximum wind speeds exceeding 6 m/s, a threshold established for safe flight training operations. The model utilized a nested domain approach with four horizontal resolutions (9 km, 3 km, 1 km, and 0.33 km) and 45 vertical levels, ensuring high-resolution representation of the complex topography in the region, which significantly influences wind patterns.
To enhance the accuracy of land surface processes and atmospheric boundary layer characteristics, the authors incorporated high-resolution terrain data from the Shuttle Radar Topography Mission (SRTM3). The model’s performance was evaluated against observed wind fields at 10 m height from calibrated anemometers at Guanghan Airport, which provided reliable measurements of wind speed and direction. The simulations were conducted using four different planetary boundary layer (PBL) parameterization schemes, resulting in a total of 112 simulations, each lasting 24 hours and outputting data every 10 minutes. This methodological framework aims to provide insights into wind behavior critical for airport operations, particularly under the influence of the region’s complex terrain.
Discussion
In this study, four commonly used planetary boundary layer (PBL) schemes from the Weather Research and Forecasting (WRF) model—Yonsei University (YSU), Mellor-Yamada-Janjić (MYJ), Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino level 2 (MYNN2), and quasi-normal scale elimination (QNSE)—were evaluated for their performance in simulating near-surface wind fields in the western Sichuan Basin. The analysis was based on 28 wind events characterized by varying atmospheric conditions, with statistical metrics such as root mean square error (RMSE), correlation coefficient (COR), and bias employed to assess the accuracy of each scheme. The results indicated that while all schemes tended to overestimate wind speeds, the MYJ scheme exhibited the smallest RMSE and bias, suggesting it is the most reliable for accurate wind speed simulations. Conversely, the QNSE scheme demonstrated the best performance in capturing the temporal variation of wind speed.
The study also highlighted the sensitivity of PBL schemes to diurnal variations, with the MYJ scheme performing particularly well during daytime hours, especially around local noon. K-means clustering analysis further categorized the wind events based on model performance, revealing that the QNSE scheme consistently provided better correlation coefficients, while the MYJ scheme maintained lower wind speed simulation errors. The findings underscore the importance of selecting appropriate PBL schemes for accurate wind field simulations, particularly in complex terrains like the Sichuan Basin, where local atmospheric conditions significantly influence model performance.