陸小勇 沈杭鋒 吳 靜

(1．浙江省氣象局，浙江 杭州310002;2．浙江大學(xué)地球科學(xué)系，浙江 杭州310027)

0 引言

大氣邊界層與地面密切相關(guān)，地表提供的物質(zhì)和能量主要消耗和擴(kuò)散在大氣邊界層內(nèi)，大氣邊界層是地球-大氣之間物質(zhì)和能量交換的橋梁［1］。與大氣邊界層相關(guān)的不同尺度之間的相互作用一直是大氣科學(xué)中的重要研究方向，談?wù)苊舻龋?］認(rèn)為大氣邊界層研究可以粗略分成兩類：第一類主要是大氣邊界層動(dòng)力學(xué)、物理過(guò)程本身的研究，包括不同條件下大氣邊界層動(dòng)力學(xué)、物理過(guò)程、邊界層結(jié)構(gòu)及演變等;第二類主要是與天氣、氣候系統(tǒng)相關(guān)的邊界層過(guò)程、不同大氣邊界層模式發(fā)展以及不同層次大氣數(shù)值模式中的邊界層參數(shù)化問(wèn)題等。

邊界層過(guò)程對(duì)于降水有重要作用，大氣邊界層內(nèi)的正渦度、輻合、上升運(yùn)動(dòng)的有利配置，會(huì)將熱量、水汽持續(xù)不斷地輸向自由大氣，維持暴雨天氣，這種動(dòng)力條件的產(chǎn)生、增強(qiáng)、減弱，制約著暴雨的發(fā)生、發(fā)展、消亡［3］。在模式模擬中，邊界層參數(shù)化方案對(duì)模擬結(jié)果有重要影響。陳炯［4］用WRF模式做試驗(yàn)，有邊界層過(guò)程比無(wú)邊界層的結(jié)果更好，不考慮邊界層，則對(duì)流降水少，加入邊界層后，則低層輻合、垂直運(yùn)動(dòng)增加、層結(jié)不穩(wěn)定增加，使對(duì)流的激發(fā)作用增強(qiáng)，即考慮邊界層后，不穩(wěn)定層結(jié)的范圍擴(kuò)大，但邊界層對(duì)大尺度的降水影響較小，它主要通過(guò)與積云對(duì)流的耦合來(lái)增大對(duì)流降水;蔡薌寧等［5-6］認(rèn)為邊界層方案是影響暴雨模擬的敏感因子，對(duì)雨量中心強(qiáng)度、雨區(qū)分布、散度和渦度的預(yù)報(bào)均有一定的影響，即邊界層影響了一些低層大氣的動(dòng)、熱力結(jié)構(gòu)，邊界層可使低層大氣層結(jié)更不穩(wěn)定，水汽的垂直輸送、渦、散度均可增加，形成深厚云層和積雨云的物理?xiàng)l件，邊界層是對(duì)流形成的原動(dòng)機(jī)，不同參數(shù)化造成上述量的差異從而產(chǎn)生降雨的差異。在復(fù)雜的地形條件下，邊界層的作用是十分重要的。

1 模式及邊界層方案介紹

文中使用的模式是美國(guó)新一代中尺度數(shù)值模式WRF，它是一個(gè)完全可壓的非靜力模式，采用高度模塊化和分層設(shè)計(jì)，主要包括模式層、驅(qū)動(dòng)層以及中間層，水平方向采用Arakawa-C坐標(biāo)并支持多重雙向嵌套垂直方向提供了高度坐標(biāo)和質(zhì)量坐標(biāo)兩種選擇，分辨率在1～10 km。

目前，WRF模式的邊界層參數(shù)化方案也在最初發(fā)布版本的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)和增加，現(xiàn)在主要有8個(gè)邊界層方案(表1)，分別是MRF方案、YSU方案、MYJ方案、QNSE方案、MYNN Level-2．5 方案、MYNN Level-3 方案、BouLac方案和ACM2方案。

表1 WRF模式中邊界層參數(shù)化方案介紹

在WRF模式中對(duì)于邊界層的處理主要有兩種方案：K閉合方案和擾動(dòng)動(dòng)能(TKE)閉合方案。其中，MYF，YSU和ACM2邊界層方案采用的是K閉合方案;MYJ方案、QNSE方案、MYNN Level-2．5方案、MYNN Level-3方案和BouLac方案采用的是TKE閉合方案。

1．1 MRF 方案

即中尺度預(yù)報(bào)模式(Medium Range Forecast Model)方案，Hong和 Pan［7］針對(duì)充分混合邊界層中的反梯度項(xiàng)和K廓線理論進(jìn)行了描述，并引入了非局地K方案，邊界層高度用臨界整體Richardson數(shù)來(lái)表達(dá)，在湍流輸送廓線中考慮了反梯度輸送通量來(lái)處理熱量和水汽。

1．2 YSU 方案

即 Yonsei University 方案［8］，該方案是 MRF方案的改進(jìn)版，Noh等［9］對(duì)MRF方案進(jìn)行了改進(jìn)，他在風(fēng)、溫度廓線中考慮了逆溫層中夾卷造成的熱量交換，提出了速度尺度廓線和Prandtl數(shù)廓線，考慮了動(dòng)量的非局地混合;WRF模式的邊界層參數(shù)化選項(xiàng)中，MRF已經(jīng)處于要移除的狀態(tài)。

1．3 MYJ方案

即 Mellor-Yamada-Janjic 方案［10］，具有局部垂直混合的預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能(TKE)方案，該方案在實(shí)際模擬應(yīng)用中效果較好，應(yīng)用也較多，適合于研究精細(xì)的邊界層結(jié)構(gòu)，但是考慮相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算量較大，而且使用不同的湍流動(dòng)能控制，可以使MYJ方案在穩(wěn)定邊界層的表現(xiàn)不同，這也為MYJ的改進(jìn)和升級(jí)保留了空間。

1．4 ACM2 方案

即不對(duì)稱對(duì)流模式(Asymmetric Convective Model)第二代方案［11］，具有非局地向上混合和局地向下混合的非對(duì)稱對(duì)流模式，能夠描述對(duì)流邊界層中超網(wǎng)格尺度和次網(wǎng)格尺度的湍流輸送過(guò)程，而且也可以模擬在浮力熱羽中的快速上升運(yùn)動(dòng)和湍流擴(kuò)散引起的局地切變過(guò)程。

1．5 QNSE 方案

即 Quasi-Normal Scale Elimination 方案［12］，這是一個(gè)湍流動(dòng)能預(yù)報(bào)選項(xiàng)，運(yùn)用了一個(gè)適用于穩(wěn)定層區(qū)域的新理論。這個(gè)方案是根據(jù)一個(gè)穩(wěn)定邊界層新的湍流譜閉合模式發(fā)展得到的，這個(gè)模式的優(yōu)點(diǎn)在于能夠保留更多復(fù)雜物理過(guò)程，計(jì)算更精確，可用來(lái)模擬穩(wěn)定層結(jié)中的湍流切變場(chǎng)。

1．6 MYNN Level-3 和 MYNN Level-2．5 方案

MYNN Level 3即Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 3邊界層方案［13］，是一個(gè)預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能及其他二級(jí)通量的方案。此方案是Nakanishi and Niino［14］基于 M-Y level 3［15］改進(jìn)而成的，融入了凝結(jié)物理過(guò)程，并改進(jìn)了主長(zhǎng)尺度和閉合常數(shù)，從而使得混合層厚度預(yù)報(bào)和TKE量級(jí)有所較低。

MYNN Level 2．5方案則是預(yù)報(bào)次網(wǎng)格動(dòng)能方案［13］，它與 MYNN Level 3改進(jìn)類同，是在原M-Y Level 2．5基礎(chǔ)上改進(jìn)的，雖然在模擬效果表現(xiàn)上稍遜MYNN Level 3，但其計(jì)算量和花費(fèi)要比MYNN Level 3少。

1．7 BouLac方案

即 Bougeault-Lacarrère 邊界層方案［16］，這是一個(gè)湍流動(dòng)能預(yù)報(bào)方案，對(duì)于陡峭地形的晴空湍流強(qiáng)度和位置預(yù)報(bào)較好，能夠提供TKE強(qiáng)度的持續(xù)預(yù)報(bào)。

2 梅雨暴雨實(shí)況分析

2009年7月23日傍晚開始到24日上午，在氣旋低壓東移即中低層切變線的影響下，浙江中北部、安徽南部出現(xiàn)較強(qiáng)降水(圖1)，兩省相關(guān)地區(qū)有多個(gè)站點(diǎn)雨量超過(guò)100 mm，其中安徽休寧縣巖前站雨量達(dá)到197 mm，杭州蕭山城區(qū)的降水也達(dá)到了101．9 mm。本次過(guò)程降水時(shí)段集中，主要發(fā)生在24日凌晨2時(shí)到中午12時(shí)，強(qiáng)降水造成了農(nóng)業(yè)大面積受淹，居民商鋪、倉(cāng)庫(kù)、住房等多處受災(zāi)，給生產(chǎn)生活帶來(lái)了嚴(yán)重災(zāi)害。

圖1 2009年7月23日20時(shí)到24日20時(shí)實(shí)況24 h降水量(單位：mm)

3 模擬設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

本次模擬過(guò)程中，采用了WRF3．1．1版本，粗網(wǎng)格設(shè)置為30 km，細(xì)網(wǎng)格是10 km，中心為117°N，30°E。具通過(guò)多個(gè)參數(shù)試驗(yàn)的比較，得出一套最適合的參數(shù)：WSM5類的微物理過(guò)程方案，RRTM的長(zhǎng)波輻射方案，Duhdia的短波輻射方案，Grell-3D的積云參數(shù)化方案，模擬初始時(shí)刻為2009年7月23日08時(shí)(北京時(shí))，積分48 h，使用的初始場(chǎng)資料是美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)1°×1°的再分析資料(FNL)。

根據(jù)不同的邊界層參數(shù)化方案，設(shè)計(jì)了不同的試驗(yàn)(表2)，在比較過(guò)程中，首先進(jìn)行同一類別的比較，再選一個(gè)代表性方案，并與不使用邊界層方案進(jìn)行比較，探求邊界層參數(shù)化的作用和不同參數(shù)化方案之間差異原因。

3．1 K-廓線方案之間的比較

從YSU試驗(yàn)和ACM2試驗(yàn)的模擬形勢(shì)場(chǎng)來(lái)看(圖略)，無(wú)論是海平面氣壓場(chǎng)，還是850 hPa，500 hPa高度場(chǎng)，兩者的天氣形勢(shì)基本一致，低層氣旋的強(qiáng)度和位置相接近，而且與實(shí)況天氣形勢(shì)相比，也顯得較為成功。

但是從模擬24 h雨量情況來(lái)看，兩個(gè)試驗(yàn)之間還是存在一定的差別(圖2)。整體而言，兩個(gè)試驗(yàn)都模擬出了實(shí)況降水帶，而且位于安徽南部的強(qiáng)降水中心位置比較接近，最大雨量都到達(dá)了200 mm以上，與實(shí)況最大雨量相一致。但是ACM2試驗(yàn)的降水帶分布比較散亂(圖2a)，實(shí)況主降水中心左右兩側(cè)各有一個(gè)次中心，而ACM2試驗(yàn)沒(méi)有很好體現(xiàn)出來(lái);YSU試驗(yàn)不僅雨帶集中呈條帶狀(圖2b)，而且兩個(gè)次中心雨區(qū)也有所呈現(xiàn)，因此，YSU方案相比ACM2方案更佳。

表2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖2 積分第12～36 h模擬降水與實(shí)況降水圖(單位：mm)

YSU考慮了在由熱力產(chǎn)生的邊界層湍流中，增強(qiáng)混合，而在機(jī)械引起的邊界層湍流中，減弱混合，并整合了夾卷過(guò)程的顯式方案，還考慮了水汽效應(yīng);加入了增強(qiáng)穩(wěn)定邊界層的擴(kuò)散算法。相比之下，ACM2方案在原理性考慮上不如YSU全面，當(dāng)然ACM2對(duì)于煙羽、渦旋擴(kuò)散考慮更細(xì)致，可能在大氣污染擴(kuò)散中更適用。

3．2 TKE 方案比較

通過(guò)對(duì)5個(gè)TKE試驗(yàn)形勢(shì)場(chǎng)的比較(圖略)，可知，同一類方案在大尺度形勢(shì)場(chǎng)上基本沒(méi)有變化，主要還是通過(guò)降水情況來(lái)做一個(gè)比較。

5個(gè)方案中，BouLac方案的最大降水量及次降水中心都與實(shí)況有一定差距(圖略)，同時(shí)MYNN2試驗(yàn)(圖3b)的最大降水量在180 mm以上，而且主中心左右兩側(cè)的次中心并不清楚，因此，這兩個(gè)試驗(yàn)都不如其他3個(gè)。

圖3 積分第12～36 h模擬降水與實(shí)況降水圖(單位：mm)

MYJ試驗(yàn)(圖 3a)、MYNN3(圖 3c)和 QNSE(圖3d)3個(gè)試驗(yàn)相比較來(lái)看，雨帶都比較集中，MYJ最大在200 mm以上，主中心對(duì)應(yīng)較好，但是次中心對(duì)應(yīng)不夠明確;QNSE主中心基本同MYJ，但西側(cè)次中心明確，且最大雨量在210 mm以上;MYNN3除了模擬出主中心和西側(cè)次中心之外，東側(cè)次中心帶亦比前兩個(gè)明顯，但不足的是最大雨量有所降低，為180 mm以上。綜合以上分析，我們認(rèn)為MYNN3試驗(yàn)的效果應(yīng)該是最佳的。

MYNN3是基于M-Y level 3改進(jìn)而成的，融入了凝結(jié)物理過(guò)程，并改進(jìn)了主長(zhǎng)尺度和閉合常數(shù)，從而使得混合層厚度預(yù)報(bào)和TKE量級(jí)有所較低，這可能是此方案相比于MYJ方案中心更明確、落區(qū)位置更佳而雨量有所減小的原因。

3．3 K-廓線、TKE和NOPBL的比較

通過(guò)以上比較，我們得知K-廓線方案中，YSU試驗(yàn)的效果較好，而TKE方案中，MYNN3的效果最佳，加上不使用邊界層參數(shù)化試驗(yàn)，即NOPBL試驗(yàn)，將這3個(gè)試驗(yàn)做一個(gè)比較，來(lái)看一下使用邊界層方案對(duì)模擬會(huì)有怎樣的影響，不同類型的邊界層參數(shù)化方案之間會(huì)有怎樣的區(qū)別。

圖4 NOPBL試驗(yàn)積分第12～36 h模擬降水與實(shí)況降水圖(單位：mm)

圖4是NOPBL試驗(yàn)的24 h降水情況，可以看到雨帶比實(shí)況要略微偏南，主雨量中心位置也有偏差，更明顯的是，雨量整體減小了很多，最大雨量只有60 mm左右，因此在10 km模擬精度下，邊界層參數(shù)化方案的使用對(duì)模擬效果還是有非常大的影響。

YSU試驗(yàn)和MYNN3試驗(yàn)比較來(lái)看，MYNN3試驗(yàn)(圖3c)雖然比YSU試驗(yàn)(圖2b)的雨量略小，但是主降水中心的位置比YSU更加接近實(shí)況中心，而且東西兩側(cè)的雨區(qū)和次中心更加明顯。

從海平面氣壓場(chǎng)來(lái)看(圖5)，當(dāng)不使用邊界層方案時(shí)，下層平滑，導(dǎo)致低渦中心發(fā)展東移速度較快，這造成了局地降水時(shí)間的減短，從而使得雨量偏低;而YSU方案和MYNN3方案與實(shí)況比較一致，且相互之間區(qū)別不大，而越往上相互之間的差異越小。

圖5 積分第24 h的模擬和實(shí)況海平面氣壓場(chǎng)(單位：hPa)

從上面分析可以看到，使用與不使用邊界層參數(shù)化方案，結(jié)果相差很大，最主要體現(xiàn)在雨量的銳減和低層的形勢(shì)場(chǎng)，對(duì)中高層的影響較小，這可能是因?yàn)闆](méi)有了PBL的作用，低層的水汽、熱量沒(méi)有及時(shí)充分輸送到對(duì)流系統(tǒng)，從而影響對(duì)流的發(fā)生和維持，導(dǎo)致雨量的減少。而不同類型的邊界層方案，由于考慮的原理有所不同，使得動(dòng)量擴(kuò)散系數(shù)和熱量擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方式不同，由此造成了模擬結(jié)果有所差異。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)不同參數(shù)化方案的比較發(fā)現(xiàn)，不同原理的PBL方案，由于都已經(jīng)考慮比較全面的邊界層物理過(guò)程，對(duì)模式模擬都已經(jīng)有很好的效果;邊界層對(duì)模擬的影響主要在低層，對(duì)暴雨強(qiáng)度有影響，對(duì)落區(qū)也有部分影響，地氣間的各種交換改變了低層大氣的水、熱條件，通過(guò)對(duì)物理量的垂直輸送，加劇感熱和潛熱的釋放，加強(qiáng)垂直運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)邊界層內(nèi)輻合和低層的水汽輻合，使不穩(wěn)定層結(jié)加強(qiáng)，從而激發(fā)并加劇暴雨和強(qiáng)對(duì)流。

不同的邊界層方案，結(jié)構(gòu)會(huì)所有不同，使得邊界層內(nèi)動(dòng)量、熱量、水汽以及能量的垂直輸送有差異，從而對(duì)模擬結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。就此個(gè)例而言，WRF3．1增加的 MYNN Level-3方案具有最佳的模擬效果。

現(xiàn)有邊界層方案中，依然有部分問(wèn)題尚待解決，如在穩(wěn)定條件下的混合;邊界層參數(shù)化方案與積云參數(shù)化的直接耦合;對(duì)流邊界輸送中非局地分量的確定;有待進(jìn)一步研究完善。

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