WRF對(duì)蘭州一次局地降水過(guò)程的數(shù)值模擬

吳捷

摘要：2020年9月22日傍晚18時(shí)，蘭州發(fā)生了弱天氣尺度背景的午后局地短時(shí)熱對(duì)流降水天氣，此次降水是由祁連山移過(guò)來(lái)的局地干冷平流與蘭州近地層的暖氣團(tuán)交匯觸發(fā)。針對(duì)此次降水過(guò)程，本論述采用WRF模式耦合不同復(fù)雜程度陸面模式NOAH 和 CLM4，從溫度場(chǎng)、垂直風(fēng)場(chǎng)和水平水汽通量三方面來(lái)診斷分析對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展和維持機(jī)理。結(jié)果表明： CLM4能合理地再現(xiàn)此次降水過(guò)程，尤其是18：30后續(xù)降水和降水落區(qū)，這可能是由于CLM4模擬的近地層溫度場(chǎng)和垂直風(fēng)場(chǎng)更接近實(shí)況，結(jié)合地表的水汽輸送和近地層空氣的加熱作用促進(jìn)局地輻合上升運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，有利于邊界層內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)的維持和持續(xù)發(fā)展，所以合理復(fù)現(xiàn)此次局地強(qiáng)降水過(guò)程。因此，陸面過(guò)程參數(shù)化方案的選擇對(duì)此次局地強(qiáng)對(duì)流降水模擬的影響很大。

關(guān)鍵詞：陸面過(guò)程參數(shù)化方案;WRF;局地強(qiáng)降水

中圖分類(lèi)號(hào)：P458.2???????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

蘭州地處青藏高原邊緣山脈與黃土高原相間的河谷，具有獨(dú)特的山谷地形，在地形抬升作用和城市熱島效應(yīng)下蘭州地區(qū)易發(fā)生午后局地?zé)釋?duì)流天氣。局地強(qiáng)降水過(guò)程具有持續(xù)時(shí)間短、影響范圍廣、不易預(yù)報(bào)等特點(diǎn)，易導(dǎo)致街道積澇，山體滑坡等災(zāi)害，因此提高強(qiáng)降水預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性是十分有益的事情。近年來(lái)，隨著數(shù)值模式的日益完善，采用中尺度數(shù)值模式對(duì)強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬和診斷分析，可以更好地理解降水內(nèi)部機(jī)理[1-3]。其中，楊茜茜等[4]針對(duì)南京市2013年8月16日的局地午后熱對(duì)流過(guò)程，通過(guò)不同邊界層方案對(duì)比分析，得出此次對(duì)流觸發(fā)是由于邊界層內(nèi)的湍流強(qiáng)度相對(duì)較強(qiáng)，且邊界層空氣較冷、濕，生成強(qiáng)勁的上升氣流，促使了此次局地天氣過(guò)程;袁成松等[5]通過(guò) WRF模式進(jìn)行診斷分析得出：邊界層內(nèi)強(qiáng)烈的垂直運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)不穩(wěn)定能量釋放，低空水汽輻合帶，提供了充足的水汽條件，以及β中尺度低渦的共同作用對(duì)暴雨過(guò)程中降水的產(chǎn)生、加強(qiáng)和維持起著重要作用。

作為邊界層物質(zhì)和能量的源和匯之一，陸面可以直接地表感熱和潛熱通量分布，進(jìn)而影響局地環(huán)流，所有這些因素都會(huì)最終影響邊界層的熱力學(xué)結(jié)構(gòu)及對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展[6-7]。曾新民等[8]通過(guò)對(duì)比四個(gè)陸面模式得出降水對(duì)陸面參數(shù)化方案很敏感，且不同陸面方案模擬結(jié)果與地表感潛通量、低層大氣環(huán)流和水汽輻合有明顯的相關(guān)性; Gao等[9]針對(duì)廣州市2017年5月6日至7日發(fā)生的創(chuàng)紀(jì)錄的極端降雨事件，進(jìn)行下墊面敏感性試驗(yàn)，得出此次暴雨對(duì)小尺度陸面的變化非常敏感，包括地形和土地類(lèi)型，以及陸面參數(shù)化方案的選擇，這表明地表?xiàng)l件的微小變化會(huì)間接導(dǎo)致降水過(guò)程的持續(xù)時(shí)間和落區(qū)。

蘭州地處中國(guó)西北，屬于干濕氣候過(guò)渡區(qū)，對(duì)地表能量和水汽的輸送較為敏感，因此，針對(duì)蘭州地區(qū)開(kāi)展不同陸面模式對(duì)降水模擬效果的比較工作非常必要。2020年9月22日傍晚18時(shí)蘭州地區(qū)自北向南出現(xiàn)對(duì)流性降水天氣，持續(xù)時(shí)間近3 h，蘭州大部地區(qū)出現(xiàn)了雷陣雨、陣性大風(fēng)及冰雹等災(zāi)害性天氣過(guò)程。其中，最大降水量出現(xiàn)在永登縣水槽溝為26.3 mm。城區(qū)部分街道積澇明顯，導(dǎo)致交通嚴(yán)重堵塞，影響人們生產(chǎn)、生活。針對(duì)此次弱天氣尺度背景的午后局地短時(shí)熱對(duì)流降水天氣事件，本論述利用中尺度數(shù)值模式（Weatherand Research Forecasting Model，WRF）耦合不同復(fù)雜程度的陸面模式，通過(guò)地表熱通量、垂直風(fēng)場(chǎng)和水平水汽通量診斷分析來(lái)探討陸面參數(shù)化方案對(duì)邊界層演變和對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展的影響。

1資料與模式簡(jiǎn)介

1.1數(shù)據(jù)來(lái)源

所用數(shù)據(jù)包括：美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Cen?ters for Environmental Prediction，NCEP）發(fā)布的 FNL0.25°×0.25°間隔6 h 的客觀分析資料，中國(guó)氣象局陸面數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（CMA Land Surface Data AssimilationSystem V2.0，CLDAS-V2.0）提供的0.0625°×0.0625°每1 h一次降水產(chǎn)品。

1.2數(shù)值模式簡(jiǎn)介

本論述采用中尺度模式 WRF（Weather Researchand Forecasting V4.0）耦合CLM4（Community Land Mod?el Version 4，CLM4）[10]和 NOAH（unified Noah land sur?face model，Noah）[11]兩種不同復(fù)雜程度的陸面模式。

WRF 模式是由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NationalCenter for Atmospheric Research，NCAR）和國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、俄克拉荷馬大學(xué)風(fēng)暴分析預(yù)測(cè)中心等，共同合作開(kāi)發(fā)的新一代中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。其中，NOAH模式源于早期的俄勒岡州立大學(xué)陸面模式，該方案的土壤層厚度隨地表植被類(lèi)型而變化，使用迭代法求解對(duì)角矩陣以更新土壤溫度，綜合考慮了城市下墊面的影響。CLM4是第三代陸面模式，綜合了美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）陸面模式、生物-大氣傳輸方案（Biosphere-At?mospheric Transport Scheme，BATS）[12]和中國(guó)大氣物理研究所的陸面模式（Institute of Atmospheric PhysicsLand Surface Model，IAP94） ，詳細(xì)刻畫(huà)了植被﹑積雪、土壤中的各種物理過(guò)程，強(qiáng)調(diào)多相態(tài)傳輸和動(dòng)態(tài)植被的復(fù)雜處理。

1.3數(shù)值實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

針對(duì)蘭州地區(qū)2020年9月22日的強(qiáng)降水過(guò)程，利用FNL分析資料為模式提供初始場(chǎng)和邊界條件，采用中尺度模式WRF（V4.0）耦合不同陸面模式進(jìn)行數(shù)值實(shí)驗(yàn)（分別用NOAH和CLM4表示），以及關(guān)閉陸面模式的敏感性試驗(yàn)（用no-flux表示）。

模式模擬采用三重雙向嵌套方案（如圖1所示），模擬區(qū)域中心為36.04°N 、103.90°E ，網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)分別為163×163、244×244和367×367，對(duì)應(yīng)格距分別為27 km，9km，3 km，模式垂直方向設(shè)置為50層，每組試驗(yàn)除陸面過(guò)程參數(shù)化方案不同外，四組試驗(yàn)中其余物理過(guò)程參數(shù)化方案設(shè)置均相同（見(jiàn)表1所列）。模擬的啟動(dòng)時(shí)刻為2020年9月22日08：00 BJT，連續(xù)積分18 h，模擬結(jié)果每小時(shí)輸出1次。

2降水實(shí)況與天氣形勢(shì)分析

2020年9月22日午后祁連山東部有對(duì)流云生成，隨著高空較強(qiáng)的西北風(fēng)推動(dòng)，對(duì)流云攜帶大量級(jí)的冷氣團(tuán)（局地冷平流）越過(guò)烏鞘嶺，經(jīng)永登，移動(dòng)到受暖氣團(tuán)控制的蘭州地區(qū)上空。由15：00～22：00逐小時(shí)降水（如圖2所示）可清楚看到對(duì)流單體的觸發(fā)和移動(dòng)過(guò)程，于傍晚15時(shí)左右，局地冷平流和蘭州城區(qū)的暖氣團(tuán)形成了激烈交匯，觸發(fā)強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，進(jìn)而形成疾風(fēng)驟雨、電閃雷鳴的突發(fā)天氣。

由22號(hào)下午14時(shí)降水發(fā)生前500 hPa 和700hPa 環(huán)流形勢(shì)場(chǎng)顯示，蘭州地區(qū)上空盛行平直的西風(fēng)帶，無(wú)明顯的槽脊系統(tǒng)過(guò)程。由700hPa 高度場(chǎng)的水汽分布可知（如圖3（b）所示），除從祁連山移來(lái)的對(duì)流云攜帶的水汽，蘭州附近無(wú)明顯的水汽輸送通道，因此認(rèn)為此次降水的水汽來(lái)源是對(duì)流云攜帶的水汽。綜上，降水發(fā)生前蘭州地區(qū)沒(méi)有受到大尺度天氣系統(tǒng)的影響，所以判定蘭州此次降水過(guò)程為弱天氣尺度背景的午后局地短時(shí)熱對(duì)流降水。

3結(jié)果與分析

3.1雷達(dá)回波模擬

一般認(rèn)為強(qiáng)降水在雷達(dá)回波觀測(cè)上的數(shù)值大于或等于40 dBZ，雷暴約為45 dBZ。在繪制圖4時(shí)我們重點(diǎn)關(guān)注雷達(dá)反射率數(shù)值大于或等于40 dBZ 的區(qū)域，認(rèn)為15 dBZ 以下為雜波略去，繪制了4個(gè)代表性時(shí)次的雷達(dá)組合反射率的模擬值與觀測(cè)值（如圖4所示）。其中，no-flux敏感試驗(yàn)表明，若關(guān)閉陸氣通量，則無(wú)法預(yù)報(bào)出降水，而NOAH方案雖然模擬出來(lái)降水過(guò)程但是未能合理模擬后續(xù)降水和18：30的降水落區(qū)，僅 CLM4方案較合理地模擬出蘭州市強(qiáng)對(duì)流觸發(fā)過(guò)程和降水落區(qū)。除陸面參數(shù)化方案不同外，上述三組試驗(yàn)其他設(shè)置均相同，因此可以合理地推測(cè)：降水模擬結(jié)果可能與陸面參數(shù)化方案的選擇有較大關(guān)系。

3.2降水發(fā)生前后邊界層的演變

為了直觀地分析不同陸面方案在對(duì)流系統(tǒng)維持機(jī)制的差異，圖5選取對(duì)流系統(tǒng)演化過(guò)程中3個(gè)時(shí)次，沿對(duì)流單體移動(dòng)方向作垂直剖面，繪制邊界層的發(fā)展演變圖，分別從溫度場(chǎng)、垂直風(fēng)場(chǎng)和水平水汽通量三方面來(lái)診斷分析。

17時(shí)CLM4和NOAH在103.11°E 近地表附近的水汽輻合區(qū)（如圖5（a）、（d），虛線陰影區(qū)域所示），水汽匯聚十分明顯，在高空600 hPa為水汽輻散區(qū)，與實(shí)際觀測(cè)一致，此時(shí)對(duì)流云帶來(lái)的局地冷平流移動(dòng)至蘭州上空，冷暖氣團(tuán)交匯生成降水。此外，由垂直風(fēng)場(chǎng)和溫度場(chǎng)可以看出，CLM4在103.37°E 附近有上升氣流，且近地表溫度略高于NOAH。17：30時(shí)，在地表和近地層空氣的加熱作用下，CLM4模擬的垂直風(fēng)場(chǎng)加強(qiáng)，103.37°E 附近有強(qiáng)烈的局地輻合上升運(yùn)動(dòng)，使邊界層高度抬高，導(dǎo)致高空500 hPa的水汽輻散區(qū)加強(qiáng)（如圖5（b），實(shí)線陰影區(qū)域所示），促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)的維持和持續(xù)發(fā)展;此時(shí)，NOAH模擬的垂直風(fēng)場(chǎng)較弱（如圖5（e），實(shí)線陰影區(qū)域所示），高空水汽輻散區(qū)持續(xù)減弱，對(duì)流系統(tǒng)開(kāi)始衰減，降水開(kāi)始停止。

17：00～18：00，CLM4模擬的近地表溫度場(chǎng)比NO? AH高，且邊界層內(nèi)垂直運(yùn)動(dòng)也較強(qiáng)，將地表水汽輸送至邊界層，同時(shí)較強(qiáng)的上升氣流加強(qiáng)了對(duì)流過(guò)程，有利于邊界層內(nèi)對(duì)流系統(tǒng)的維持和持續(xù)發(fā)展，所以模擬出?????? 18：00后期的降水，而NOAH這些特征表現(xiàn)的并不明顯（如圖5（e）、（f）所示），所以降水在18：30后停止。

綜上，此次局地強(qiáng)降水過(guò)程是在對(duì)流云攜帶的水汽和蘭州地區(qū)的地表水汽輸送的共同作用下產(chǎn)生的，其中蘭州局地暖氣團(tuán)的熱力作用導(dǎo)致強(qiáng)烈的局地輻合上升運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了高空600 hPa 的對(duì)流過(guò)程，充足的水汽配合風(fēng)場(chǎng)的垂直運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)了對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展且維持了較長(zhǎng)時(shí)間。

4結(jié)論

本論述通過(guò)在中尺度模式WRF 中耦合不同陸面模式，模擬2020年9月22日蘭州一次局地強(qiáng)降水，對(duì)比分析不同陸面過(guò)程參數(shù)化方案模擬對(duì)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展維持的影響。首先，由實(shí)際觀測(cè)可知，在降水發(fā)生前期蘭州地區(qū)上空盛行平直的西風(fēng)帶，無(wú)明顯的槽脊系統(tǒng)過(guò)程。是從祁連山東移的局地干冷平流與蘭州局地暖氣團(tuán)交匯，觸發(fā)了此次弱天氣尺度背景的午后局地短時(shí)熱對(duì)流降水。

針對(duì)此次降水的對(duì)流觸發(fā)過(guò)程，采用WRF耦合不同復(fù)雜程度陸面模式NOAH 和CLM4，從溫度場(chǎng)、垂直風(fēng)場(chǎng)和水平水汽通量三方面來(lái)診斷分析對(duì)流系統(tǒng)的維持機(jī)制。模擬結(jié)果表明對(duì)流觸發(fā)對(duì)陸面過(guò)程參數(shù)化方案的依賴(lài)性很強(qiáng)。CLM4方案合理地模擬出18：30后續(xù)降水和降水落區(qū)，這可能是由于CLM4模擬的近地層溫度場(chǎng)和垂直風(fēng)場(chǎng)更接近實(shí)況，降水觸發(fā)后，近地層空氣的加熱較快，形成局地輻合上升氣流，較強(qiáng)的對(duì)流運(yùn)動(dòng)將近地表的水汽輸送至高空，導(dǎo)致高空500 hPa 的水汽輻散區(qū)加強(qiáng)，進(jìn)一步促進(jìn)對(duì)流系統(tǒng)發(fā)展，所以CLM4方案合理復(fù)現(xiàn)此次局地強(qiáng)降水過(guò)程。

因此，結(jié)合數(shù)值模擬的診斷分析得出此次局地強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程的觸發(fā)和維持機(jī)理：對(duì)流云攜帶的水汽和蘭州地區(qū)的地表水汽輸送為此次過(guò)程提供充足的水汽條件，蘭州局地暖氣團(tuán)的熱力作用為邊界層風(fēng)場(chǎng)的垂直運(yùn)動(dòng)提供動(dòng)力條件，在水汽條件和動(dòng)力條件的共同作用下邊界層內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)烈的局地輻合上升運(yùn)動(dòng)，加強(qiáng)了高空600 hPa 的對(duì)流過(guò)程，促進(jìn)了對(duì)流系統(tǒng)的發(fā)展且維持了較長(zhǎng)時(shí)間。

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