WRF边界层参数化方案对青海强降水数值模拟的影响——以2012年7月

时间：2015-12-21 00:55:17 所属分类：林业 浏览量:

摘 要：利用WRFV3中尺度数值预报模式提供的8种边界层参数化方案(YSU方案、MYJ方案、GFS方案、QSE方案、MYNN2.5方案、MYNN3.0方案、ACM方案、Boulac方案)，对2012年7月28-30日发生在青海东部的一场暴雨进行数值模拟比较试验。整体而言，湍流动能类方案(MYJ、Q

　　摘　要：利用WRFV3中尺度数值预报模式提供的8种边界层参数化方案(YSU方案、MYJ方案、GFS方案、QSE方案、MYNN2.5方案、MYNN3.0方案、ACM方案、Boulac方案)，对2012年7月28-30日发生在青海东部的一场暴雨进行数值模拟比较试验。整体而言，湍流动能类方案(MYJ、QNSE、MYNN2.5、MYNN3.0、Boulac)能够较好地反映出了降水区的宽度与走向;在湍流动能类方案中，无论是降水的强度还是气象要素的模拟，与实际比较接近是的高阶湍流动能类方案，在此例中，MYNN2.5方案优于MYNN3方案。

　　关键词：边界层; 参数化方案; 数值模拟

　　大气边界层靠近地球表面，厚约1～2 km。层内动量、热量和水汽的湍流垂直通量最大，是大气重要的动量汇、热量和水汽的源，大气通过它与下垫面发生热力和动力的相互作用。但是，边界层中小尺度湍流输送的特征尺度量级是10 m，对流输送特征尺度是100 m，都远小于模式可分辨尺度，因此，边界层参数化方案成为数值模式的重要组成部分。根据国外业务及研究表明，影响中尺度预报的各个因子的重要性依次为边界条件、湿物理过程、边界层参数化、初始条件和分辨率。由此可见，边界层方案在中尺度数值预报模式中是比较重要的。本文通过WRF不同边界层方案的数值模拟比较试验，为青海WRF中尺度预报模式中的边界层参数化设置提供理论依据。

　　1　模式方案设计及统计方法

　　本文利用WRFV3.2.1版对2012年7月28-30日发生在青海东部的一场暴雨进行数值模拟，比较不同边界层参数化对暴雨的影响。模拟试验中心位于35.32°N，96.50°E，采用两重嵌套，母域网格距为30 km，格点数是81×55，能覆盖中国西北地区，子域网格距为10 km，格点数是142×100，能够覆盖青海省;地形分别采用高分辨率的2′(母域)和30″(子域)的全球地形和陆面资料;模式垂直坐标采用σ坐标，垂直方向为不等距的27层;母域积分步长为180 s，子域积分步长为60 s。模式的物理过程为采用较为成熟的适合理论研究的lin等方案;辐射采用考虑不同气体及云的光学厚度引起的长波过程的RRTM辐射方案;积云参数化方案采用浅对流Kain-Fritsch (new Eta)方案。用NCEP6 h/次的1°×1°FNL资料作为初始条件和边界条件，初始模拟时间是2012年7月28日20时，终止时间是2012年7月30日20：00。由于降水天气过程与边界层过程密切相关，因此，本研究重点考察WRFV3中尺度数值预报模式中提供的8种边界层参数化方案(YSU方案、MYJ方案、GFS方案、QSE方案、MYNN2.5方案、MYNN3.0方案、ACM方案、Boulac方案)对降水预报的影响。同时为定量评价模式参数化方案对气象要素模拟结果的影响，应用气象统计方法—平均偏差(Embe)、平均绝对偏差(Emage)、标准偏差(Ermse)及相关系数(Corr )对模拟结果进行检验，统计量能够反映模式的整体模拟情况。

　　2　个例形势简介

　　本文选用2012年7月28日-30日发生在青海东部地区的一次暴雨降水过程：太平洋副热带高压东退后西南气流源源不断的提供水汽，与地面冷锋共同作用造成了这次大范围的强对流天气过程。该降水时段主要出现在29日23：00-30日20：00，范围涉及西宁、海东、黄南、海南一带，4个地区共有26个自动雨量站达到大到暴雨量级，其中青海省民和县古鄯镇降水量最大，30日日降水量达 86.7 mm，达暴雨量级，其余大部测站的过程降水量也在25.0～90.0 mm。过程中强对流天气以强降雨和雷电为主要表现形式，本文只针对强降雨进行分析。

　　3　不同边界层方案对降水预报的影响

　　3.1　降水定性分析　与2012年7月28日20：00-30日20：00日累计降水量的实况显示48 h累计降水量呈东北西南带状分布青海的东北到格尔木的西南地区，其中在西宁附近降水量比较大，达到40.3 mm。从48 h降水的模拟结果来看，除了GFS方案外基本上都模拟出了降水区的东北西南走向，其中湍流动能类方案(MYJ、QNSE、MYNN2.5、MYNN3.0、Boulac) 较好地反映出了降水区的宽度与走向，其中QNSE(图1)方案与实况更接近;YSU方案大致反映了降水区的东西走向，但没能反映出雨区的中心强度;ACM2方案大致反映了降水区的东西走向，但宽度要比实际的宽广，且降水中心偏移。从每个时次的演变上看降水自西南向东北出现，除了GFS方案外均出现于实际一致的演变规律。

　　3.2　降水定量分析　为了定量分析各种不同边界层参数化方案对降水模拟结果的差异，将每小时的实况降水与模拟后插值到测站的预报值作统计检验。本次统计检验采用TS评分进行评定，从表1中可以看出，准确率上MYNN2.5方案是最佳方案，其次是ACM方案与Boulac方案;空报次数上看GFS方案是最少的，其次是ACM方案与MYNN2.5方案;从漏报次数上看是ACM方案，其次是Boulac方案与MYNN2.5方案。

　　从每一小时自动站(50个自动气象站)所在区域模拟降水等级的质量统计(2012年7月28日20：00-30日20:00共计48个时次)，可以看出，小雨的量级的预报上：准确率最高的是MYNN2.5方案，其次是ACM方案与Boulac方案，空报次数上看GFS方案是最少的，其次是ACM方案、YSU方案与MYNN2.5方案，从漏报次数上看是ACM方案，其次是Boulac方案与MYNN2.5方案;中雨的量级的预报上：在模拟期间共出现了83次中

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