吳鉦 劉夢娟 翟丹華 湯劍平 趙磊 葉茂

(1 重慶市氣象科學(xué)研究所，重慶 401147；2 中國氣象局 上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030；3 重慶市氣象臺(tái)，重慶 401147；4 南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院，南京 210023)

引 言

隨著計(jì)算機(jī)性能的增長，模式分辨率不斷提高、物理參數(shù)化方案不斷完善、資料同化能力不斷加強(qiáng)，數(shù)值預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率有了顯著提高，但災(zāi)害性天氣的預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率還不足[1]。暴雨過程等大多由中小尺度天氣系統(tǒng)引起，因此需要高分辨模式解析這類系統(tǒng)發(fā)生發(fā)展演變過程，才可能提高災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。Lean，et al[2]研究表明對(duì)流可分辨模式一定程度能體現(xiàn)與觀測相近的降水形態(tài)。目前國內(nèi)外多家數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中心的業(yè)務(wù)模式或者研究院所實(shí)時(shí)運(yùn)行的預(yù)報(bào)系統(tǒng)水平分辨率可達(dá)2～5 km。研究表明，德國氣象局開發(fā)的2.8 km網(wǎng)格距COSMO-DE模式能夠預(yù)報(bào)深對(duì)流過程[3]，美國俄克拉荷馬大學(xué)風(fēng)暴分析與預(yù)報(bào)中心(CAPS)3 km網(wǎng)格距的風(fēng)暴尺度集合預(yù)報(bào)系統(tǒng)(Storm-scale Forecast Ensemble)對(duì)3 h累積降水預(yù)報(bào)有一定的預(yù)報(bào)能力[4]。ZHU，et al[5]評(píng)估了4 km網(wǎng)格距模式系統(tǒng)對(duì)中國地區(qū)2013—2014年夏季降水預(yù)報(bào)效果，表明該系統(tǒng)較準(zhǔn)確地體現(xiàn)了中國夏季的降水特征，其暴雨定量降水評(píng)分優(yōu)于全球模式。受青藏高原以及周邊地形影響，四川盆地降水精細(xì)化預(yù)報(bào)一直是難點(diǎn)，西南渦系統(tǒng)是引起盆地強(qiáng)降水的重要低層天氣系統(tǒng)[6]，有必要研究對(duì)流可分辨模式對(duì)西南渦背景下暴雨的模擬預(yù)報(bào)能力。

對(duì)流可分辨模式存在需要參數(shù)化表征的次網(wǎng)格過程，這些過程描述的準(zhǔn)確性是影響預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的重要因素之一[7]。邊界層過程是其中一個(gè)重要的物理過程，該過程通過水汽通量散度、低空急流等因素綜合影響暴雨的落區(qū)和強(qiáng)度[8]。Baldauf，et al[3]研究表明，采用降低夜間夾卷層和殘留層垂直混合強(qiáng)度的參數(shù)化方案能有效去除夜間虛假弱降水。徐慧燕等[9]研究表明QNSE 方案在三次長江下游地區(qū)暴雨過程模擬中表現(xiàn)最好。高篤鳴等[10]評(píng)估了MYJ、YSU和ACM2方案對(duì)四川盆地2012年夏季連續(xù)40 d的降水預(yù)報(bào)效果，表明較大量級(jí)降水YSU方案較優(yōu)，小雨量級(jí)降水ACM2方案較優(yōu)。劉曉冉等[11]評(píng)估了MYJ、YSU、ACM2以及沒有邊界層方案時(shí)對(duì)一次西南低渦過程模擬影響，結(jié)果表明YSU模擬效果總體最好。邊界層方案對(duì)梅雨鋒暴雨個(gè)例評(píng)估中MYJ模擬效果表現(xiàn)相對(duì)更好[12-13]，華北地區(qū)暴雨個(gè)例研究中MYJ在12 km分辨率模擬較好，而BouLac方案在4 km分辨率模擬效果更優(yōu)[14]。不同的個(gè)例有不同的較優(yōu)方案，過去的研究大都基于大范圍的區(qū)域性暴雨過程進(jìn)行研究，對(duì)局地暴雨過程模擬影響的研究相對(duì)較少，因此需要深入研究，以認(rèn)識(shí)和改進(jìn)模式物理過程參數(shù)化方案，并提高盆地地區(qū)局地暴雨預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率具有意義。

2017年6月9日，重慶合川發(fā)生了一次較局地強(qiáng)降水過程，本文利用WRF-ARW模式對(duì)該次過程進(jìn)行對(duì)流可分辨尺度的模擬，采用三種邊界層參數(shù)化方案和兩種近地層參數(shù)化方案進(jìn)行敏感性數(shù)值試驗(yàn)，分析各方案對(duì)該次暴雨模擬的影響及原因。

1 個(gè)例簡介

2017年6月8日20時(shí)—9日08時(shí)(北京時(shí)，下同)，受高空槽、低空急流、西南渦共同影響，重慶合川地區(qū)發(fā)生了一次強(qiáng)降水過程(圖1)。12 h累積降水的強(qiáng)降水區(qū)域(>70 mm)長約100 km、寬約50 km，從自動(dòng)站與CMORPH降水融合產(chǎn)品[15]時(shí)間—緯度Hovm?ller圖看，降水主要位于30°N附近，強(qiáng)降水從9日01時(shí)開始，08時(shí)基本結(jié)束(圖1c)，合川站累積降水達(dá)到164.2 mm，01—03時(shí)降水量均超過35 mm·h-1(圖1d)。

圖1 8日20時(shí)至9日20時(shí)的(a)站點(diǎn)觀測和(b)自動(dòng)站與CMORPH融合產(chǎn)品；(c)緯向分辨率0.05°的融合產(chǎn)品的小時(shí)降水的時(shí)間—緯度Hovm?ller圖；(d)合川站的小時(shí)降水序列(單位：mm；a中黑色圓點(diǎn)為合川站位置)

圖2為歐洲中心ECMWF的分辨率為0.75°×0.75°的再分析資料ERA-Interim的6月8日20時(shí)的500、700和850 hPa天氣形勢。500 hPa高空槽位置位于甘肅西部—四川西部一帶，重慶受偏西波動(dòng)氣流影響(圖2a)；700 hPa西南氣流控制了重慶地區(qū)，并逐漸增強(qiáng)為急流，降水落區(qū)位于急流左側(cè)(圖2b)；850 hPa的西南渦位于重慶西南部，降水位置位于渦北部切變區(qū)，降水位置南部的偏南風(fēng)暖濕氣流為暴雨過程提供了水汽(圖2c)。

圖2 ERA-interim分析的2017年6月8日20時(shí)的(a)500、(b)700、(c)850 hPa等壓面位勢高度(黑色實(shí)線，單位：dgpm)、溫度(紅色虛線，單位：℃)和風(fēng)(風(fēng)標(biāo)，長桿代表4 m·s-1)：(a)陰影表示大氣整層可降水量(單位：kg·m-2)；(b、c)陰影表示相對(duì)濕度(單位：%)；紅色方框區(qū)域?yàn)楸┯陞^(qū)

2 模擬設(shè)計(jì)及參數(shù)化方案簡介

本文采用WRF-ARW 4.1 進(jìn)行模擬，投影采用Lambert投影，標(biāo)準(zhǔn)緯度為20°N和40°N，標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)度為106.5°E，采用9、3 km兩層單向嵌套，格點(diǎn)數(shù)分別為600×480、480×360，中心點(diǎn)經(jīng)度為104.5°E、106.58°E，緯度為30°N、29.8°N，垂直方向?qū)訑?shù)為51層。除邊界層方案外其他物理過程采用Morrison(2 moments)微物理方案、RRTMG輻射方案和Unified Noah陸面方案，9 km區(qū)域采用Kain-Fritsch積云對(duì)流參數(shù)化方案，3 km區(qū)域無積云對(duì)流方案。模擬從6月7日08時(shí)開始，使用歐洲中心ERA-Interim資料作為模擬初始場和側(cè)邊界條件。YSU、MYJ和BouLac 3種邊界層方案以及Revised MM5 Monin-Obukhov和Monin-Obukhov(Janjic)兩種近地層方案被用于4個(gè)敏感性試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比研究(表1)，其中YSU和MYJ只能采用對(duì)應(yīng)的Revised MM5 Monin-Obukhov和Monin-Obukhov(Janjic)近地層方案。MYJ方案為局地的1.5階閉合方案，通過預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能(TKE)確定擴(kuò)散系數(shù)[16]；YSU方案使用K廓線方法確定擴(kuò)散系數(shù)，通過負(fù)梯度項(xiàng)表述非局地輸送過程，同時(shí)顯式計(jì)算邊界層頂與自由大氣的卷夾過程[17]；BouLac為1.5階閉合方案，通過預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能(TKE)確定擴(kuò)散系數(shù)，并通過負(fù)梯度項(xiàng)表述不穩(wěn)定情況下的非局地輸送過程[18]。

圖3 模擬區(qū)域及地形高度(單位：m)；紅色方框?yàn)榉治鰠^(qū)域

表1 模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 模擬對(duì)比檢驗(yàn)

3.1 12 h累積降水

所有試驗(yàn)均模擬出該大暴雨雨帶的東西向結(jié)構(gòu)，不同試驗(yàn)差異在于強(qiáng)降水落區(qū)和強(qiáng)度(圖4)。YSU_MO試驗(yàn)?zāi)M降水落區(qū)位于四川境內(nèi)，范圍偏大、強(qiáng)度偏強(qiáng)，落區(qū)隨著時(shí)間北移。MYJ_MOJ、BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗(yàn)?zāi)M的強(qiáng)降水落區(qū)相似，均優(yōu)于YSU_MO試驗(yàn)，BouLac_MO試驗(yàn)降水強(qiáng)度最強(qiáng)，落區(qū)同樣隨時(shí)間北移，在31°N有個(gè)次降水帶；MYJ_MOJ試驗(yàn)強(qiáng)降水雨帶沒有明顯的北移，在31°N的次雨帶較弱，分布與觀測最接近；BouLac_MOJ試驗(yàn)降水量與觀測接近，其降水開始的位置相比觀測偏南?？傮w上MYJ_MOJ和BouLac_MOJ試驗(yàn)的15 mm以上降水落區(qū)比YSU_MO和BouLac_MO試驗(yàn)偏南，總的降水量小于YSU_MO和BouLac_MO試驗(yàn)，與觀測更接近。表明邊界層方案和近地層方案能顯著影響降水的落區(qū)和強(qiáng)度。

圖4 8日20時(shí)至9日08時(shí)的12 h累積降水分布(a—d)和104°～109°E平均的小時(shí)降水時(shí)間—緯度Hovm?ller圖(e—h)(單位：mm)

3.2 組合反射率

所有試驗(yàn)均模擬出對(duì)流系統(tǒng)在西部生成逐漸增強(qiáng)并向東移動(dòng)的特征，且對(duì)流強(qiáng)度相當(dāng)，不同試驗(yàn)在對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)時(shí)間和位置有明顯的差異(圖5)。8日20時(shí)，MYJ_MOJ試驗(yàn)?zāi)M出了與觀測較一致的回波，盡管強(qiáng)度偏弱，而其他試驗(yàn)均沒有體現(xiàn)。8日22時(shí)，觀測回波位于重慶西北部區(qū)域，呈準(zhǔn)東西走向，YSU_MO試驗(yàn)回波位置偏西偏北，MYJ_MOJ試驗(yàn)在重慶西部與四川交界處模擬南北向的強(qiáng)回波，位置與觀測相同，強(qiáng)度強(qiáng)于觀測，走向有一定的偏差；BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗(yàn)回波位置偏西，走向呈西南—東北走向。所有模擬回波的初始位置與模擬0～1.5 km平均風(fēng)場有密切的聯(lián)系，均位于氣旋性環(huán)流北部切變線附近。YSU_MO試驗(yàn)的模擬回波逐漸向東北移動(dòng)，強(qiáng)回波區(qū)整體偏北，MYJ_MOJ試驗(yàn)強(qiáng)回波區(qū)相比觀測略偏北，BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗(yàn)回波位置與MYJ_MOJ試驗(yàn)相似，其中BouLac_MO試驗(yàn)回波區(qū)略偏北。從回波的觸發(fā)和初期的演變看，MYJ_MOJ試驗(yàn)表現(xiàn)較好，其次為BouLac_MOJ試驗(yàn)。BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗(yàn)?zāi)M有較明顯差異，說明近地層方案能夠影響該次過程的模擬。

圖5 觀測、各試驗(yàn)?zāi)M的組合反射率(單位：dBZ)和各試驗(yàn)?zāi)M的地面1.5 km以下的平均水平風(fēng)(流線，標(biāo)準(zhǔn)長度代表10 m·s-1)

4 參數(shù)化方案影響降水落區(qū)的原因分析

天氣形勢分析表明低層水汽輸送是本次過程水汽的主要來源，低渦系統(tǒng)是該次過程的重要?jiǎng)恿σ蛩?。CHU，et al[19]研究表明，對(duì)流系統(tǒng)觸發(fā)的時(shí)間和位置對(duì)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性有重要的影響，濕度場和風(fēng)場對(duì)對(duì)流系統(tǒng)的觸發(fā)有最重要的影響。在降水發(fā)生前，所有試驗(yàn)均在重慶西部與四川交界處模擬出西南低渦系統(tǒng)，8日14時(shí)，不同試驗(yàn)?zāi)M的850 hPa低渦系統(tǒng)的位置相似，17時(shí)和20時(shí)YSU_MO試驗(yàn)?zāi)M的系統(tǒng)位置偏北偏西，導(dǎo)致降水觸發(fā)位置以及降水落區(qū)偏北，其他試驗(yàn)的低渦系統(tǒng)位置較為一致(圖6)。低渦系統(tǒng)的濕度高到低依次為MYJ_MOJ、BouLac_MOJ、BouLac_MO、YSU_MO試驗(yàn)，濕度較大的區(qū)域均在低渦系統(tǒng)附近，但不同方案濕度分布有一定差異，20時(shí)MYJ_MOJ試驗(yàn)在觀測回波位置有濕度大值區(qū)，因此其試驗(yàn)觸發(fā)回波的時(shí)間和位置與觀測接近(圖5l)，BouLac_MOJ、BouLac_MO試驗(yàn)低渦位置與MYJ_MOJ試驗(yàn)相似，但濕度較弱，未能觸發(fā)降水，BouLac_MOJ試驗(yàn)相比BouLac_MO試驗(yàn)濕度分布相似，但濕度更強(qiáng)，因此初期南部的回波更強(qiáng)(圖5v)。濕度場和動(dòng)力場的差異導(dǎo)致降水觸發(fā)時(shí)間和位置的差異，最終影響到該次過程的模擬。

圖6 各試驗(yàn)?zāi)M0～1.5 km平均的水汽混合比(陰影，單位：g·kg-1)和水平風(fēng)(流線，標(biāo)準(zhǔn)長度代表10 m·s-1)；東南處和西北處黑色圓點(diǎn)分別為重慶沙坪壩站(57516)和四川溫江站(56187)

位于水汽輸送帶中的重慶沙坪壩站的廓線模擬結(jié)果如圖7a—d，該站距降水區(qū)域約60 km，在5～10 m·s-1的風(fēng)速下該站空氣約2～3 h后影響降水區(qū)，在8日20時(shí)低層的位溫由高到低為YSU_MO、BouLac_MO、BouLac_MOJ和MYJ_MOJ試驗(yàn)，MYJ_MOJ試驗(yàn)?zāi)M結(jié)果更接近觀測。模擬比濕的順序與位溫相反，YSU_MO試驗(yàn)最低，該結(jié)果與觀測接近，但是由于溫度預(yù)報(bào)偏差，MYJ_MOJ預(yù)報(bào)的相對(duì)濕度與觀測更接近。MYJ邊界層方案相比YSU在低層更冷更濕的結(jié)果與HU，et al[20]在美國德克薩斯和Ruiz, et al[21]在南美的評(píng)估結(jié)果相同。8日20時(shí)緯向風(fēng)模擬與觀測相近，經(jīng)向風(fēng)差別較大，觀測1 km以下為偏北風(fēng)，1 km以上為偏南風(fēng)，BouLac_MO、BouLac_MOJ和MYJ_MOJ試驗(yàn)?zāi)M出了這種變化，所有試驗(yàn)?zāi)M南風(fēng)偏強(qiáng)，模擬的降水落區(qū)偏北，YSU_MO試驗(yàn)偏差最大，其降水落區(qū)最偏北。采用不同近地層方案的試驗(yàn)?zāi)M位溫、濕度的差異與采用不同邊界層方案差異相當(dāng)，說明對(duì)此次過程近地層方案對(duì)模擬有重要作用。

圖7 8日20時(shí)YSU_MO、MYJ_MOJ、BouLac_MO、BouLac_MOJ試驗(yàn)?zāi)M的重慶沙坪壩站(a—e)和四川溫江站(f—j)的位溫(單位：K)、水汽混合比(單位：g·kg-1)、相對(duì)濕度(單位：%)、緯向風(fēng)(單位：m·s-1)、經(jīng)向風(fēng)(單位：m·s-1)廓線；紫色實(shí)線為觀測

溫江站位于西南低渦西部，其廓線能夠體現(xiàn)低渦的模擬情況，該站位溫模擬情況與重慶站相似，MYJ_MOJ試驗(yàn)?zāi)M的低層位溫最低，更接近觀測(圖7f)。除MYJ_MOJ試驗(yàn)在1～2 km高度略偏濕外，不同試驗(yàn)?zāi)M的比濕和緯向風(fēng)差異較小。20時(shí)觀測經(jīng)向風(fēng)在2 km以下為北風(fēng)，1.5 km以下平均經(jīng)向風(fēng)速為-3.96 m·s-1(圖7j)。模擬經(jīng)向風(fēng)的垂直變化強(qiáng)于觀測，1 km以下模擬風(fēng)速強(qiáng)于觀測，1 km以上弱于觀測，1.5 km以上模擬風(fēng)向變?yōu)槟巷L(fēng)，且風(fēng)速強(qiáng)于觀測，YSU_MO、MYJ_MOJ、BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗(yàn)在1.5 km以下的經(jīng)向風(fēng)平均風(fēng)速分別為-2.68、-4.23、-4.24和-4.62 m·s-1，YSU_MO試驗(yàn)?zāi)M經(jīng)向風(fēng)偏弱，其他試驗(yàn)?zāi)M經(jīng)向風(fēng)平均風(fēng)速與觀測更接近，強(qiáng)偏北風(fēng)抑制了低層系統(tǒng)向北移動(dòng)，因此MYJ_MOJ、BouLac_MOJ和BouLac_MO試驗(yàn)降水落區(qū)相比YSU_MO試驗(yàn)的模擬結(jié)果偏南，與觀測更接近。

所有試驗(yàn)在低層風(fēng)場有明顯的日變化特征，白天風(fēng)速小，夜間風(fēng)速大，出現(xiàn)低空急流(圖8)，研究表明低空急流的日變化與慣性振蕩有關(guān)[22-24]。重慶站經(jīng)向風(fēng)模擬如圖8a—d，BouLac_MO、BouLac_MOJ和MYJ_MOJ試驗(yàn)在低層為偏北風(fēng)，MYJ_MOJ試驗(yàn)北風(fēng)最強(qiáng)，其次為BouLac_MOJ試驗(yàn)。白天，受較強(qiáng)的湍流混合作用和摩擦影響，所有試驗(yàn)2 km高度以下邊界層內(nèi)為南風(fēng)，風(fēng)速均勻且風(fēng)速較小。夜間，YSU_MO試驗(yàn)在8日18時(shí)偏南風(fēng)開始增強(qiáng)；MYJ_MOJ試驗(yàn)在8日16—23時(shí)低層出現(xiàn)了北風(fēng)，20時(shí)的探空證實(shí)了低層北風(fēng)存在，觀測風(fēng)向轉(zhuǎn)換高度約1 km，北風(fēng)風(fēng)速最大值達(dá)到5 m·s-1，風(fēng)速和轉(zhuǎn)換高度均高于模擬值；BouLac_MO、BouLac_MOJ試驗(yàn)在低層也模擬出北風(fēng)，相比MYJ_MOJ試驗(yàn)偏弱，持續(xù)時(shí)間偏短，其中BouLac_MOJ試驗(yàn)結(jié)果更接近MYJ_MOJ試驗(yàn)。湍流混合作用強(qiáng)時(shí)，地面摩擦更容易影響邊界層風(fēng)場，使風(fēng)速降低，同時(shí)邊界層內(nèi)要素場混合充分，要素垂直變化相對(duì)較弱。8日18時(shí) MYJ_MOJ試驗(yàn)500 m以下北風(fēng)增強(qiáng)，風(fēng)的垂直變化有增強(qiáng)，說明此時(shí)該試驗(yàn)混合作用較弱，BouLac_MOJ試驗(yàn)的垂直變化略強(qiáng)于 BouLac_MO試驗(yàn)，其混合作用很可能弱于BouLac_MO試驗(yàn)。

溫江站經(jīng)向風(fēng)—時(shí)間分布如圖8e—h，所有試驗(yàn)在2 km以下主要為北風(fēng)，與重慶站模擬結(jié)果相似，風(fēng)場有明顯的日變化，8日17—23時(shí) MYJ_MOJ試驗(yàn)?zāi)M1.5 km以下北風(fēng)最強(qiáng)，YSU_MO試驗(yàn)最弱，BouLac_MOJ試驗(yàn)略強(qiáng)于BouLac_MO試驗(yàn)。MYJ_MOJ試驗(yàn)在白天1.5～2 km高度風(fēng)速有變化，說明該方案的湍流混合影響高度較低，8日18時(shí) 500 m高度北風(fēng)增強(qiáng)，風(fēng)的垂直變化變強(qiáng)，此時(shí)該試驗(yàn)混合作用較弱，BouLac_MOJ試驗(yàn)的垂直變化略強(qiáng)于 BouLac_MO試驗(yàn)，說明BouLac_MO試驗(yàn)混合強(qiáng)度略強(qiáng)。

圖8 8日20時(shí)至9日08時(shí)不同試驗(yàn)在重慶站(a—d)和溫江站(e—h)經(jīng)向風(fēng)的時(shí)間—高度(單位：m·s-1)：(a、e))YSU_MO；(b、f)MYJ_MOJ；(c、g)BouLac_MO；(d、h)BouLac_MOJ

湍流參數(shù)化方案描述了大氣動(dòng)量、熱量、水汽等物理量在邊界層內(nèi)的垂直輸送，體現(xiàn)輸送強(qiáng)弱的量為湍流交換系數(shù)。如圖9所示，8日18時(shí)重慶站和溫江站MYJ_MOJ試驗(yàn)湍流強(qiáng)度最弱且混合影響高度最低，這與強(qiáng)的垂直風(fēng)切以及較強(qiáng)的風(fēng)速有較好的對(duì)應(yīng)。YSU_MO試驗(yàn)方案的湍流交換系數(shù)整體最強(qiáng)，其經(jīng)向風(fēng)相對(duì)均一。BouLac_MO試驗(yàn)的湍流強(qiáng)度和影響高度均高于BouLac_MOJ試驗(yàn)。強(qiáng)的湍流垂直混合和較高的混合高度使得南風(fēng)分量較充分的混合到低層，表現(xiàn)為18時(shí)重慶YSU_MO和BouLac_MO試驗(yàn)均為南風(fēng)，相對(duì)應(yīng)的MYJ_MOJ和BouLac_MOJ試驗(yàn)在500 m以下為北風(fēng)，BouLac_MOJ試驗(yàn)的500 m高度有一定混合，相應(yīng)的風(fēng)垂直變化和風(fēng)速弱于MYJ_MOJ(圖8)。溫江站有類似結(jié)果。從BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗(yàn)湍流混合強(qiáng)度差異可以看出，近地層方案在某些情況下能夠?qū)旌蠌?qiáng)度有重要的影響，達(dá)到與邊界層方案相當(dāng)?shù)某潭取?/p>

5 湍流混合強(qiáng)度敏感性試驗(yàn)

YSU湍流擴(kuò)散系數(shù)計(jì)算方程為Troen，et al[25]中第(7)式:

(1)

其中：p為重要的敏感參數(shù)，默認(rèn)值為2，p增加時(shí)混合減弱，減少時(shí)混合增強(qiáng)。

為進(jìn)一步證實(shí)湍流混合強(qiáng)度對(duì)本次降水過程的影響，參照HU，et al[19]方法基于YSU邊界層方案設(shè)計(jì)敏感性試驗(yàn)(表2)。隨著混合作用變?nèi)?，模擬雨帶隨之向南調(diào)整，混合減弱后降水強(qiáng)度也有所減弱，說明湍流混合強(qiáng)度能夠?qū)邓鋮^(qū)和強(qiáng)度有顯著影響(圖9)。

圖9 重慶站(a、b)和溫江站(c、d)在8日18時(shí)的動(dòng)量(a、c)和熱量(b、d)湍流交換系數(shù)(單位：m2·s-1)垂直廓線分布

表2 湍流混合敏感性試驗(yàn)設(shè)計(jì)

湍流垂直混合強(qiáng)時(shí)，位溫和水汽能夠較充分地混合到高層，相對(duì)應(yīng)的混合較弱時(shí)，低層的邊界層偏冷偏濕，高層的自由對(duì)流層偏暖偏干，敏感性試驗(yàn)證實(shí)了這一結(jié)果，重慶站8日20時(shí)，湍流混合減弱試驗(yàn)的位溫在1 km以下減小，濕度增加，且湍流越弱，溫度減小和濕度增加的程度越強(qiáng)；2 km以下低層緯向風(fēng)東風(fēng)增強(qiáng)，廓線分布接近MYJ_MOJ試驗(yàn)，經(jīng)向風(fēng)在約1.5 km以下模擬的南風(fēng)明顯減弱，風(fēng)場相比未減弱試驗(yàn)有東北風(fēng)的差異，這與700 hPa的西南急流系統(tǒng)有關(guān)，當(dāng)湍流混合增強(qiáng)時(shí)，自由對(duì)流層的西南風(fēng)能夠被較充分的混合到邊界層內(nèi)，其邊界層內(nèi)的西南風(fēng)偏強(qiáng)。溫江站的模擬也有類似的結(jié)果，湍流混合減弱試驗(yàn)?zāi)M的濕度、位溫、風(fēng)速廓線均向MYJ_MOJ試驗(yàn)?zāi)M廓線調(diào)整，其中試驗(yàn)YSUp3經(jīng)向風(fēng)廓線與MYJ_MOJ試驗(yàn)幾乎一致(圖11)。

圖10 8日20時(shí)到9日08時(shí)(a、b)12 h累積降水(單位：mm)；(c、d)小時(shí)降水的時(shí)間—緯度的Hovm?ller圖；降水為104°～109°E的平均(單位：mm)

圖11 8日20時(shí)YSU_MO、MYJ_MOJ、YSUp2.5、YSUp3試驗(yàn)?zāi)M的重慶沙坪壩站(a—e)和四川溫江站(f—j)的位溫(單位：K)、水汽混合比(單位：g·kg-1)、相對(duì)濕度(單位：%)、緯向風(fēng)(單位：m·s-1)、經(jīng)向風(fēng)(單位：m·s-1)廓線(紫色實(shí)線為觀測；虛線代表對(duì)應(yīng)方案的邊界層高度)

經(jīng)向風(fēng)-時(shí)間圖顯示相似結(jié)果，湍流混合減弱試驗(yàn)均在8日17—20時(shí)的重慶站500 m以下高度模擬出北風(fēng)分量，YSUp3試驗(yàn)的低層結(jié)構(gòu)與MYJ_MOJ試驗(yàn)最接近，溫江站的模擬風(fēng)場有類似結(jié)果。YSUp3試驗(yàn)在重慶站11—14時(shí)風(fēng)速相比YSU_MO試驗(yàn)增強(qiáng)，這種可能與湍流減弱后摩擦作用對(duì)風(fēng)場影響減弱有關(guān)。湍流減弱后，模擬北風(fēng)分量有所增強(qiáng)，降水系統(tǒng)位置因此向南調(diào)整(圖12)。

圖12 8日20時(shí)到9日08時(shí)不同試驗(yàn)在重慶站(a、b)和溫江站(c、d)經(jīng)向風(fēng)(單位：m·s-1)的時(shí)間—高度分布

6 結(jié)論

本文利用WRF模式，對(duì)2017年6月8日夜間至9日上午發(fā)生在重慶合川地區(qū)的一次局地大暴雨過程進(jìn)行了3 km網(wǎng)格距的對(duì)流可分辨尺度模擬試驗(yàn)，通過對(duì)比模擬和觀測的地面降水和雷達(dá)回波反射率檢驗(yàn)?zāi)M效果，分析邊界層內(nèi)氣象要素，揭示了三種邊界層參數(shù)化方案(MYJ、YSU_MO和BouLac方案)和兩種近地層參數(shù)化方案(Revised MM5 Monin-Obukhov和Monin-Obukhov(Janjic)方案)對(duì)本次過程影響及機(jī)制。主要結(jié)論如下：

(1)在對(duì)流尺度模擬中，不同的邊界層參數(shù)化方案和陸面過程參數(shù)化方案可以顯著影響雨帶中強(qiáng)降水的位置。三種邊界層參數(shù)化方案中MYJ和BouLac方案總體優(yōu)于YSU方案，其中MYJ方案對(duì)強(qiáng)降水的模擬最好，較好地模擬出了對(duì)流觸發(fā)的時(shí)間和位置，其次為BouLac方案，12 h累積降水落區(qū)與采用MYJ方案的試驗(yàn)相當(dāng)，但降水觸發(fā)的時(shí)間偏晚，YSU方案模擬的降水落區(qū)偏北，降水觸發(fā)位置偏北，時(shí)間偏晚；兩種近地層參數(shù)化方案對(duì)比，Monin-Obukhov(Janjic)方案試驗(yàn)?zāi)M的降水落區(qū)相對(duì)偏南，總的降水量小于采用Revised MM5 Monin-Obukhov方案。

(2)對(duì)于本次個(gè)例而言，邊界層參數(shù)化方案和近地層參數(shù)化方案主要是通過近地面風(fēng)場影響西南低渦的位置，從而影響降水觸發(fā)位置和降水落區(qū)。受700 hPa西南風(fēng)影響，低渦系統(tǒng)逐漸向東北移動(dòng)。位于西南渦東南側(cè)的重慶站和西南渦西北側(cè)的溫江站在8日20時(shí)由低到高從偏北風(fēng)轉(zhuǎn)為偏南風(fēng)，YSU方案較強(qiáng)的湍流混合作用使得自由層的偏南風(fēng)更強(qiáng)的影響到1 km以下風(fēng)場，其模擬的南風(fēng)偏強(qiáng)(北風(fēng)偏弱)，導(dǎo)致模擬的降水落區(qū)偏北。調(diào)整參數(shù)減弱湍流混合強(qiáng)度后，1.5 km以下的經(jīng)向風(fēng)廓線向觀測調(diào)整，北(南)風(fēng)分量增強(qiáng)(減弱)，降水落區(qū)向南調(diào)整。相比采用Revised MM5 Monin-Obukhov方案的試驗(yàn)，采用Monin-Obukhov(Janjic)近地層方案的試驗(yàn)?zāi)M位溫低，與觀測更接近，其混合稍弱，低層北風(fēng)分量略強(qiáng)，降水落區(qū)略偏南。

本研究結(jié)果表明，1.5 km以下的低層風(fēng)場對(duì)降水落區(qū)有重要的影響，通過進(jìn)一步改進(jìn)數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的邊界層參數(shù)化方案或者通過資料同化等方式提高低層風(fēng)場的準(zhǔn)確性，對(duì)提高盆地內(nèi)局地暴雨的預(yù)報(bào)水平具有重要意義。本研究結(jié)果基于一次典型的西南急流配合低層西南渦的局地強(qiáng)降水過程，這一類的降水過程以及其他類型的西南渦暴雨是否有相似的結(jié)果需要更多研究。