1、不同参数化方案对西北暴雨的模拟影响 不同参数化方案对西北暴雨的模拟影响利用wrf模式中不同参数化过程的耦合与NCEP 每6小时一次的11格点资料，来模拟2012年7月28日至30日在中国西北地区发生的一次暴雨。通过采用3种微物理过程参数化方案（Thompson、 Kessler、Ferrier）、3种边界层参数化方案（MYJ、MYNN、UW）、3种陆面模式参数化方案（UN、RUC、PX），经过整合选取7组方案进行了一次敏感性试验。通过分析与比较我们得知：选用不同参数化过程对于同一个暴雨过程的描述有着很大的不同。没有某一个确定的物理参数化过程方案对所有的诊断量模拟效果都好，不同参数化方案搭配的使
2、用效果更佳。通过对降水强度、涡度、散度、垂直速度等诊断量的分析，可以更好地了解不同参数化方案对于此次暴雨模拟结果的影响,为我国西北干旱地区寻求一个更好的暴雨预报方案。第一章 引言1.1研究目的暴雨一般是在特定的天气背景条件下产生，同时具备了水汽、动力、热力条件,它是一种影响严重的灾害性天气。某一地区连降暴雨或出现大暴雨、特大暴雨，常导致山洪暴发，水库垮坝，江河横溢，房屋被冲塌，农田被淹没，交通和电讯中断，会给国民经济和人民的生命财产带来严重危害。暴雨尤其是大范围持续性暴雨和集中的特大暴雨，不仅影响工农业生产，而且可能危害人民的生命，造成严重的经济损失。IPCC第五次评估报告指出，过去50年来，
3、由气候变化所导致极端天气事件在全球范围内发生的频率呈上升趋势，它们与其他因素相结合还可进一步造成自然灾害的频频发生。未来一个世纪，高温天气和热浪将变得更为频繁，并且持续时间更长。在世界许多地区，将出现强降雨事件及其所导致的降雨量上升。近60年来，我国年平均气温每十年约升高0.23摄氏度，升温幅度是全球的两倍。1961年以来，我国的高温热浪事件明显增多，21世纪以来更为突出，平均每年高温面积占全国27.4%，超过常年两倍。总的来看，我国年降水日数在减少，而暴雨日数增加了10%，易造成城市内涝和山洪灾害的短历时暴雨有增多增强的趋势。区域性和阶段性干旱情况也有所加剧，自1997年以来，东北、华北和西
4、南平均每年中等以上干旱日数，比之前分别增加24%、15%和34%。21世纪以来，我国平均每年有8个台风登陆，其中有一半最大风力达到或者超过12级，比20世纪90年代增加了近一倍。极端天气给我们带来的影响与灾害是显而易见的，我们应积极面对，提出更好的解决方案。研究显示，暴雨的形成过程是相当复杂的，从宏观的物理条件来说，充足而又源源不断的水汽、强盛而又持久的上升运动、大气层结状态的不稳定，都是诱发各类暴雨产生的原因。近年来，利用各种物理要素对暴雨进行诊断越来越受到人们的欢迎，水汽通量散度、涡度、散度、垂直上升速度、假相当位温等相关的物理量被越来越多地用到暴雨的诊断分析之中。这些物理量能够很好地表明
5、发生一场暴雨所需要的水汽条件、动力条件、热力条件等。利用先进的中尺度数值模式输出的数值模拟产品开展对于强对流天气的研究不仅具有一定的模拟能力，而且能在一定程度上弥补观测资料在时空分辨率上的不足。研究表明，WRF中尺度气象数值预报模式模拟出暴雨天气过程已经成为最常运用的手段之一7-13，并已经取得丰硕的研究成果。然而受到一定条件的制约，我们在对于暴雨天气的模拟、分析与预报上还有很大的提升空间。特别是在我国西北地区，由于陆面、海拔等因素的不同，必须使用与我国沿海地带不同的暴雨预报方案才能更准确及时地传达暴雨预警信息，所以在这一方面有必要进行更深一步的研究。陈炯2等比较不同参数化方案对于江淮地区暴雨
6、的模拟结果，分析它们在对于降水过程中所起的作用以及差异。闫之辉3等对不同微物理过程方案对于降水预报的检验做了研究，表明总体预报效果LIN方案较好，而对流参数化方案从降水落区预报和对流降水对总降水的贡献两方面看则是KF和NKF方案的预报效果较好。马严枝4等采用不同的微物理方案对于华北降水进行模拟，所得的结论对该地区的降水预报具有很好的参考价值。本文比较使用不同参数化方案的模拟结果，以分析它们降水过程中所起的作用和不同参数化方案之间的差异。李安泰1等耦合不同的陆面方案对于舟曲的暴雨进行模拟分析，表明采用PX陆面方案对于此次暴雨模拟的结果最为合理。张强5等归纳总结了干旱区陆面过程和大气边界层领域取得
7、的部分进展。郭宏军6等对不同陆面过程方案敏感性的数值研究, 分析不同陆面过程方案对暴雨数值模拟的影响。通过以上的经验，我们将对不同的物理参数化过程进行比较分析，以更深入地去了解WRF模式中不同参数化过程的特点，特别是对于干旱区和湿润区不同的参数化方案的选择以及比较19-23，以在以后我国西北地区暴雨的分析中选用更加出色的方案。1.2 背景介绍我国西北地区地处我国远离海洋的青藏高原东北侧边坡地带，绝大多数地区属于干旱半干旱气候、夏季高温，全年少雨，气候干燥。西北地区的暴雨主要发生在西北地区东部，它的出现属于小概率事件，通常具有落点分散、时间短、强度大、局地性强的特征。而这次“内蒙古微气象观测蒸发
8、试验”所在地，气候终年为西风环流控制，属中温带典型的大陆性气候，降水稀少，年平均降水量102.9毫米，最大年降水量150.3毫米，最小年水降水量33.3毫米。2012年7月29日北京时间20时左右，我国西北地区发生了一次罕见的暴雨事件，其持续时间久、强度大、分布范围广。此次暴雨持续时间约为8个小时左右，我们在“内蒙古微气象观测蒸发试验”中自动雨量计观测的30分钟累积降水量达到48mm，甚至超过了某些年份的年总降水量，其中每小时最大降水发生于7月29日20时至21时，达到了27.3mm，给人民群众的安全带来了严重的威胁。第二章 数据与模式介绍2.1 数据来源本文所采用的资料数据包括“内蒙古微气象
9、观测蒸发试验”中自动雨量计观测的30min累积降水量数据，以及中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集；数值模拟采用NCEP 每6小时一次的11格点资料作为模式的初始场和边界场。资料的时间尺度为2012年7月28日北京时间0时至2012年7月30日北京时间0时。2.2 模式及模拟方案介绍WRF(WeatherResearchForecast)模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。作为一个完全可压缩非静力模式，它的控制方程组都写为通量形式，水平格点采用Arakawa C格点，垂直方向采用了气压地形追随坐标（简称质量坐标）
10、。重点考虑110公里的水平网格。模式将结合先进的数值方法和资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力。WRF 模式中已经包含了多种物理选项，主要的物理过程及参数化过程包含云微物理参数化、积云参数化、长波辐射、短波辐射、边界层参数化，陆面过程参数化以及次网格扩散等。2.3 参数化方案简介2.3.1 微物理参数化方案Thompson方案改进于较早的Reisner方案，用来做理想试验研究和中纬度冬季观测资料的比较，还被设计用来提高冻雨天气情况下航天安全保障的预报。Kessler方案是一个简单的暖云降水方案，微物理过程包括雨的产生、下降和蒸发，云水的增长和
11、自动转换以及由于凝结产生的云水等程。Ferrier方案预报模式平流项中水汽和总凝结降水的变化。冰水混合相仅在温度高于-l0时考虑，而冰面饱和态则假定在云体低于-10考虑。2.3.2 陆面参数化方案RUC方案有六个土壤层和两个雪层，考虑了土壤结冰过程、不均匀雪地、雪的温度和密度差异，植被效应和冠层水。计算多层土壤之间的水热传输，以及各层土壤之间的热量和水汽平衡，并使用一个显示方案计算地表通量变化 16。PX方案包括一个两层的“强迫恢复”土壤温度和湿度模式，包括两个土壤层，顶层为1cm厚度，下一层为99cm厚度，从三个方面考虑水通量（蒸散、土壤水分蒸发和冠层蒸发）。方案中格元的植被和土壤参数由土地
12、利用类型的覆盖率及土壤质地类型推得17。2.3.3 边界层参数化方案MYJ方案基于1.5阶湍流闭合的边界层参数化模式，以湍流动能q作为预报量，对所有的湍流阶量进行诊断，从而达到闭合边界层内动量方程的目的，对于经验常数也作了必要的修正2。其计算量小，具有一定的精确性。但同时也出现了对于边界层内湍流以及边界层特征（如边界层高度等）预报不是十分准确的问题。MYNN方案分为MYNN Level 3和MYNN Level 2.5方案，是一个预报湍流动能及其他二级通量的方案，融入了凝结物理过程，并改进了主长尺度和闭合常数，从而使得混合层厚度预报和TKE量级有所降低。UW方案主要采用1.5阶湍流闭合的参数化
13、模式，用来预报湍流动能等物理量，M-Y 2.5级18。2.3 方案设计具体的试验过程利用WRF模式对2012年7月29日发生于阿拉善盟左旗腾格里沙漠边缘的一次暴雨进行数值模拟，采用两重网格嵌套的格式，模拟的起始时间是2012年7月28日08时（北京时间），积分72小时。区域中心位于37.7535N,103.9226E，模拟的区域D01、D02的水平分辨率为 30km、10km，格点数目分别为166133、276219，垂直分层均为35层，采用RRTMG长（短）波辐射方案、Monin-Obukhov（Janjic）近地层方案与KF积云对流参数化方案。为比较不同的参数化过程对这场暴雨模拟的影响，本
14、文采用了3种微物理过程参数化方案（Thompson、 Kessler、Ferrier）、3种边界层参数化方案（MYJ、MYNN、UW）、3种陆面模式参数化方案（UN、RUC、PX），经过整合选取以下7组方案进行了一次敏感性实验（表2）：表2 实验方案微物理边界层陆面方案一ThompsonMYJUN方案二KesslerMYJUN方案三FerrierMYJUN方案四ThompsonMYJRUC方案五ThompsonMYJPX方案六ThompsonUWRUC方案七ThompsonMYNNRUC 第三章 降水模拟分析3.1 实测降水资料由实测资料分析可知，此次暴雨过程存在三个大降水中心，如图1所示，第
15、一个暴雨中心位于甘肃省西南部与青海省交界处，该地区的24小时累计降水量超过50mm。第二个暴雨中心位于宁夏回族自治区北部石嘴山市平罗县陶乐镇、姚伏和桃家沟一带，其中雨量最大为滚钟口地区，达到146.5mm，为大暴雨形势；此次暴雨过程中宁夏全区有60个观测站累计降水量在30mm到70mm，达到暴雨级别，且均分布于中北部地区（图中B点），由历史观测资料显示该日的日降水量达到了1951年以来最高值。而我们的观测点位于内蒙古阿拉善盟左旗腾格里沙漠边缘，37.75N,103.92E附近，该地累计降水量也以达到50mm（图中obs点）。图3.1 2012年7月28日至7月30日暴雨降水量累计及降水落区情况
16、分布3.2 模拟方案比较3.2.1降水的落区分析 图a 图b 图c 图3.2 表示分别使用不同的微物理参数化方案所模拟出的降水落区情况，其中图a、b、c分别对应方案一、二、三分析图3.2可知，在使用不同的微物理方案的情况下，3种方案对位于区域A的暴雨模拟的不理想，仅有个别地区雨量超过了50mm达到了暴雨的级别，没有任何地区的降雨达到或超过了100mm。反而是在A点的偏西北方向，即河西走廊南部地区出现了成片连续分布的暴雨区域，其范围广、强度强，与实际情况存在很大的偏差。对于区域B，三种方案都在宁夏回族自治区的中部部分地区模拟出了大于50mm的降水，与原降水落区相比偏南约1-2个纬度；而在中北部地
17、区，方案一模拟出的雨量偏小，仅达到小雨级别；方案二在这片区域并没有模拟出任何的降水；方案三也仅在中北部模拟出小雨，北部地区并无任何降水。最后对于OBS点，三种方案模拟出的降水均小于25mm，未达到暴雨级别。所以我们可知，这三种方案都不能很好地去描述降水落区的模拟情况。 图a 图b 图c 图3.3 表示分别使用不同的陆面参数化方案所模拟出的降水落区情况，其中图a、b、c分别对应方案一、四、五分析图3.3可知，在采用不同的陆面参数化方案的情况下，当选用RUC陆面参数化方案时，对于A区域只有零散的降水区域出现，雨量仅小部分地区达到了50mm；选用PX方案时，该区域降水模拟范围较UN、RUC方案有所改
18、善，但是依旧与实况相比略微偏小。而对于区域B，方案五模拟出了中到大雨级别的降水，已经相比较另外两种方案有所改善，特别是在OBS点的描述，该方案很好的模拟出了该区域的部分地区暴雨情况，仅仅对于该点北部地区降水的描述有所欠缺，雨量偏小未达到暴雨级别。所以在陆面参数化方案的选择上，我们可以选用PX方案来更精确模拟暴雨的落区情况。图a 图b 图c 图3.4 表示分别使用不同的边界层参数化方案所模拟出的降水落区情况，其中图a、b、c分别对应方案四、六、七分析图3.4可知，当选用不同的边界层参数化方案时，对于暴雨的模拟情况也有着很大的不同。UW方案与MYNN方案在对于区域A的模拟上，相比于MYJ方案较好地
19、模拟出了范围的分布，但是雨量偏大，达到了100mm以上，超出了实际情况。对于区域B，UW方案在中部偏北地区模拟出了50mm以上的降水，但是在北部石嘴山市附近雨量仅为中到大雨级别，与实际情况相比偏小，而MYNN方案在宁夏省中部地区模拟出了超过100mm的降水，这两种方案模拟出的整个降水带与实际情况相比偏南约1个纬度左右，但是相比MYJ方案还是有了很大的改善。最后对于观测点附近降雨的模拟，选用UW方案整个降水落区均优于另两种方案，且在雨量的模拟分布上与实际情况更为接近。所以在边界层参数化方案的选择上，我们可以选用UW方案，更能准确地模拟这一区域的降雨。3.2.2降雨量分析通过对于观测站所在点OBS
20、模拟降水量简单的定量分析，我们可知，7种方案对于降水量的预报效果均不理想。仅有第5种方案在12时模拟出了一定量的降水，但是降水量却远远小于实际情况，在12时至13时仅有累计2mm降水，与实际情况24mm相差甚远。而其余六种方案他们都主要在18时之后模拟出了较大量的降水，在时间上远远落后于实际情况。所以7种方案在对于降水的定量分析上都不是很理想。图3.4 分别表示7种方案的逐小时降水量随时间的变化情况第四章 物理量的诊断分析众所周知暴雨一般发生在中小尺度天气系统中，其时间尺度从几十分钟到十几小时，空间尺度从几千米到几百千米，而形成暴雨的中小尺度系统又是处于天气尺度系统内，两者通常有着密切的关系。
21、因而上两类天气系统的集合系统称为降水系统。而降水系统中降水的形成和强度主要与3个条件有密切的关系，它们分别是：（1）水汽条件（2）动力条件（3）热力条件。各种大中小尺度的天气系统和下垫面的有利组合可产生较大的暴雨。所以我们将分别从以下这3个方面来分析这场暴雨，通过对于不同参数化方案模拟结果的比较来选取最适合模拟该地暴雨特征的参数化方案。4.1 水汽条件分析4.1.1水汽通量散度暴雨发生的必要条件之一即是有充沛的水汽条件，即所形成暴雨上空要求满足含水量高、饱和层厚，水汽供应充沛等条件。水汽通量散度是指单位时间汇入单位体积或从该体积辐散出的水汽量，即净流失量，它对于暴雨的发生有着较好的指示意义。它
22、的表达式为：散度为正的地区表示水汽从该地区的四周辐散，称该地区为水汽源，在这种情况下，水汽源的降水比较少；反之，散度为负的地区，表示四周有水汽向该地区汇集，称该地区为水汽汇，降水比较多。由以下7张图分析可知，7种方案都大致模拟出了水汽通量散度的垂直剖面分布，且均表现为时间上从2012年7月29日世界时12时开始，而空间分布上则表现为800hpa至500hpa之间存在着水汽通量散度的极值中心。 图a 图b 图c 图d 图e 图f 图g图4.1 分别表示7种方案下OBS点的水汽通量散度的垂直剖面图 图a-g分别代表方案1-7图a、b、c分别采用了不同的微物理参数化过程的方案，它们对于该物理量的模拟
23、有着较大的差异。其中方案一所模拟出的结果最为明显，在世界时12时，在400hpa至500hpa的高度上存在一个弱水汽通量辐合中心，中心值达到-510-10 kg/(hPam2s)。然而，在世界时15时附近，这里的等值线也非常密集说明这里也有着很强的水汽通量散度梯度，中心达到约-1.510-9 kg/(hPam2s)，比12时大了约一个量级，且负值越高，说明这里的水汽幅合越剧烈，降雨雨势越强，而实际情况显示在世界时15时之后，雨势以逐渐减弱，在这以后的降水仅占到总降水量的8.5%，说明Thompson方案在对水汽通量散度场时间变化的模拟上存在着不足。同样，方案二仅在12时和15时之间表现出了较弱
24、的水汽通量散度梯度，达到-110-9 kg/(hPam2s)，位于750hpa至800hpa之间，在时间的变化上没有方案一表现的明显，但是时间的分布却优于方案一；而方案三并仅在整个降水过程中700hpa至800hpa上表现出了较小的水汽通量散度幅合中心，但是却在世界时21时附近,600hpa至700hpa之间存在着数值上达到-210-9 kg/(hPam2s)的辐合中心，与实际情况存在偏差。由此可见，三种方案相比，在描述水汽通量散度上Kessler方案更优于其他两种方案。比较方案一、四、五，他们分别采用了不同的陆面过程参数化方案，这三种方案所模拟出的结果都非常明显地显示出了水汽通量散度的时间变
25、化特征。方案四在12时至15时附近，低层750hpa至800hpa之间存在着负的水汽通量散度的极值中心，中心值小于-1.510-9 kg/(hPam2s)，说明这里水汽辐合最为剧烈，为暴雨提供了良好的水汽场，在中层600hpa至700hpa之间有着正的水汽通量散度中心，达1.510-9 kg/(hPam2s)，它的时间分布也从12时开始至15时结束，与实际情况对应良好。由“内蒙古微气象观测蒸发试验”中自动雨量计观测的30min累积降水量数据可知，这场暴雨90%的降水量集中在了12时至15时之间，我们将这个实际观测数据与模拟方案相比较可以发现方案五的结论与观测数据相差甚远，它的水汽通量散度极值中
26、心远小于-510-9 kg/(hPam2s)，但都位于15时至18时之间完全落后于实际情况。所以RUC方案在对于水汽通量散度时间变化的描述上更优于UN方案与PX方案。比较方案四、六、七，它们分别采用了不同的边界层参数化方案，其中方案六等值线非常密集，说明水汽通量散度梯度强烈，但是在时间分布上，却从12时一直持续至21时，且最大中心位于21时附近，达到-210-9 kg/(hPam2s)与实际情况不符。而方案七在低层700hpa以下，有着较强的水汽通量散度负值，但是随着时间的变化，在15时至18时之间相比较于12时至15时有着更强的水汽辐合，在这个时段模拟出了强降水。所以当边界层方案采用MYJ方
27、案能更好地描述大气层中水汽通量散度的变化情况。综上所述，对于水汽通量散度的模拟，我们在各种参数化方案种都挑选出了其最佳方案，所以我们可以尝试选用Kessler微物理过程方案、MYJ边界层参数化方案、RUC陆面参数化方案相结合对于其随时间变化的模拟可能更优于其他两种方案。4.2 动力条件分析4.2.2 涡度、散度涡度、散度与垂直速度，是天气分析预报中经常使用的三个物理量。他们的变化与分布能很好地表征一场降水的动力学情况(1)涡度、散度：在大气中，涡度表示的是一个空气微团的旋度，即是衡量一个空气质块转运动强度的物理量，根据涡度的变化我们可以去了解一个气压系统的发生于发展。涡度的表达式为：当0,流场
28、逆时针旋转，为气旋性涡度；当0时为辐散，空气质量散逸；D0时为幅合，空气质量积聚。 图a 图b图c 图d 图e 图f图g图4.3 分别表示在这次暴雨过程中，7种不同方案下涡度与散度的时间剖面图,图a至g分别代表方案1-7分析以上7张图的散度场，我们可以看到在暴雨落区的上空，均存在多个幅合、辐散中心，它们与涡度场、垂直速度场相配合，构成上升、下沉运动。图a、b、c分别采用了不同的微物理过程方案：其中图a在世界时12时，即北京时间20时左右，800hpa、450hpa各有一个辐合中心，达到了-3010-5/s，600hpa、400hpa上各有一个辐散中心，达到了2010-5/s。配合涡度场来看，辐
29、合中心在600hpa上空均存在着负涡度柱，对应着气旋性涡度，且数值上的极值达到-2010-5/s，两者相辅相成，形成了暴雨过程中很好的动力条件；但是与观测情况相比，实际的降水主要发生于世界时12时至15时之间，而Thompson方案所模拟的结果持续时间偏长，从12时至24时之间均存在着多个强烈的辐合辐散中心，所以Thompson方案对于暴雨时间分布的描述差强人意。图b、图c都为我们很好地展示了，低层辐合、高层辐散的不稳定场配置，与图a相比，图b更好的将涡度场与散度场结合，低层幅合、高层辐散促进着上升运动的发展，空气上升，在高层堆积、促进幅合运动的持续，两者相互促进，形成正反馈。且对于降水时间的
30、测定有着更加精确的范围，在暴雨开始的12时，涡度、散度场的强度均达到最大，且随着暴雨过程的减弱，两者的值分别减小。在暴雨发展期，西北低涡发展并维持，在垂直剖面图上观测点上空整层正涡度柱的范围和强度明显较暴雨之前增大，且最大值15 10-5/s，正是因为正涡度柱以及辐合辐散的作用，导致了这一时期的强降水；而图c在700hpa以下的高空存在着强烈的负涡度中心，对应着气流的积聚、辐合，同理在500hpa至700hpa上存在着辐散中心，也较好地说明了在整个暴雨的发展初期，低层辐合、高层辐散的物理场配置，所以在对于涡度、散度场的描述上，Kessler方案与Ferrier方案均优于Thompson方案。比
31、较图a、d、e，分别采用了不同的陆面过程参数化方案。其中图d在暴雨发生的12时，在中低层并没有表现出很强的辐合辐散，反而是在21时，即暴雨结束后，在高层大气100hpa至200hpa之间有一辐合辐散中心，与实际情况不符，故排除RUC陆面参数化方案。同理图e的，在12时附近，并没有强的涡度散度中心，而是在15时至18时之间在低层有一个幅合中心，高层有多个辐散中心。所以，在对于这一区域的暴雨描述上，UN方案好于RUC与PX方案比较图d、f、g，他们的不同是分别采用了不同的边界层方案，他们对于降水时间的描述均不准确，图f的持续时间过长，从12时至21时，低层幅合强烈，高层辐散明显，且最大的负涡度中心出现于21时之前，12时左右的涡度、散度场表现的均没有21时左右明显，图g的降雨模拟时间偏晚位于15时附近。所以对于涡度、散度场的描述，边界层方案中，MYJ,MYNN,UW方案均对于暴雨过程中动力场的分布时间、空间上模拟的均不理想，需寻找更好的替代方案以对这片区域的暴雨预报做更精细的研究4.2.2 垂直速度垂直速度w是一个在一般条件下不能直接测量的量，却又在暴雨的诊断分析中尤为重要。垂直上升运动可以使空气质点从未饱和状态达到饱和状态，水汽凝结
