柴達(dá)木盆地暴雨過(guò)程的數(shù)值模擬

張海宏 李林 周秉榮 肖宏斌

摘要 利用WRF模式，采用兩重嵌套的設(shè)計(jì)方案模擬柴達(dá)木盆地地區(qū)的2007～2010年期間發(fā)生的3次重大降水過(guò)程，將柴達(dá)木盆地地區(qū)2007年6月17～20日、2008年7月29～30日、2010年5月30～31日3次降雨過(guò)程的模擬結(jié)果進(jìn)行綜合分析。結(jié)果表明，柴達(dá)木盆地地區(qū)各站24 h降雨量的模擬值和觀測(cè)值相比，東部降雨量模擬值偏多，西部降雨量模擬值接近或偏少，芒涯、冷湖、小灶火、格爾木四站24 h降雨量平均分別略多0.5、1.7、0.7、1.2 mm，大柴旦24 h降雨量平均偏少1.2 mm，諾木洪、德令哈、都蘭、烏蘭、天峻各站24 h降雨量分別偏多3.0、2.5、2.7、3.0、3.5 mm。

關(guān)鍵詞 暴雨；數(shù)值模擬；WRF；柴達(dá)木盆地

中圖分類(lèi)號(hào) S161.6；P422 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2014）26-09064-05

Numerical Simulation of Rainstorm in Qaidam Basin

ZHANG Hai-hong et al

（Qinghai Institute of Meteorological Science， Xining， Qinghai 810001）

Abstract Using WRF model with double nested scheme， 3 rainfall processes during 2007-2010 in Qaidam Basin were simulated.Comparing and analyzing the simulated results and observed data of rainfalls on June 17-20， 2007， July 29-30， 2008 and May 30-31， 2010， the simulated 24-hour precipitation is more in east Qaidam Basin and less in west Qaidam Basin. 24-hour precipitation in Mangai， Lenghu， Xiaozaohuo and Germu is 0.5， 1.7， 0.7， 1.2 mm higher. 24-hour precipation in Dachaidan is 1.2 mm lower and 24-hour precipation in Nuomuhong， Delingha， Dulan， Wulan， Tianjun is 3.0， 2.5， 2.7， 3.0， 3.5 mm higher.

Key words Rainstorm； Numerical simulation； WRF； Qaidam Basin

柴達(dá)木盆地為高原型盆地，地處青海省西北部（90°16′～99°16′E、35°00′～39°20′N(xiāo)），是一個(gè)被昆侖山、阿爾金山、祁連山等山脈環(huán)抱的封閉盆地，盆地略呈三角形，東西長(zhǎng)約800 km，南北寬約300 km，面積257 768 km2，為中國(guó)三大內(nèi)陸盆地之一。柴達(dá)木盆地氣候?qū)俑咴箨懶詺夂?，常年干旱，年降水量自東南部的200 mm遞減到西北部的15 mm，年均相對(duì)濕度為30%～40%。柴達(dá)木盆地年平均氣溫在5 ℃以下，氣溫變化劇烈，絕對(duì)年溫差可達(dá)60 ℃以上，日溫差也常在30℃左右，夏季夜間可降至0 ℃以下。根據(jù)青海省氣候監(jiān)測(cè)評(píng)估中心發(fā)布的《柴達(dá)木盆地候變化評(píng)估報(bào)告》顯示，1961～2006年我國(guó)氣溫增幅為0.10～0.20 ℃/10a，而青海高原為0.33 ℃/10a，其中柴達(dá)木盆地高達(dá)0.44 ℃/10a，由此，柴達(dá)木盆地已成為青海高原乃至全國(guó)范圍內(nèi)增溫最顯著的區(qū)域。在氣溫升高的同時(shí)，柴達(dá)木盆地降水量也在持續(xù)增多。柴達(dá)木盆地大部分地區(qū)從1998年以來(lái)降水量持續(xù)增加，增加趨勢(shì)明顯大于青海省其他地區(qū)。有學(xué)者指出，全球氣候變暖給柴達(dá)木盆地帶來(lái)的顯著影響，它也成為整個(gè)青藏高原氣候變化最為敏感和顯著的地區(qū)，種種跡象表明柴達(dá)木盆地氣候由暖干化向暖濕化轉(zhuǎn)型^[1-2]。

數(shù)值模式目前已成為研究大氣運(yùn)動(dòng)過(guò)程的一種重要工具。當(dāng)前國(guó)內(nèi)利用數(shù)值模式進(jìn)行的研究主要針對(duì)各種典型天氣過(guò)程的模擬和分析^[3-8]、空氣污染物擴(kuò)散方面的應(yīng)用^[9-12]以及對(duì)城市邊界層效應(yīng)的模擬和研究^[13-15]。青藏高原位于歐亞大陸的中南部，平均海拔高達(dá)4千多米。高原在地勢(shì)上的巨大隆起產(chǎn)生的動(dòng)力及熱力作用不僅在很大程度上控制著青藏高原及鄰近地區(qū)的天氣氣候，且對(duì)高原地區(qū)大范圍的熱力異常及地氣物理過(guò)程對(duì)全球氣候異常與東亞大氣環(huán)流及中國(guó)災(zāi)害性天氣的發(fā)生、發(fā)展均有重大的影響^[16-17]。WRF（Weather Research and Forecasting Model）是目前國(guó)際上較為先進(jìn)的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心（NCAR）、國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）聯(lián)合其他幾所大學(xué)和科研機(jī)構(gòu)，在整合了過(guò)去的各種模式的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的，為完全可壓縮非靜力模式，水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格點(diǎn)，垂直方向采用地形跟隨質(zhì)量坐標(biāo)，積分計(jì)算時(shí)采用三階或四階Runge-Kunta算法；其主要原理為根據(jù)大氣運(yùn)動(dòng)所遵循的物理規(guī)律構(gòu)建大氣運(yùn)動(dòng)基本方程組，將各個(gè)偏微分方程差分化后利用計(jì)算機(jī)程序去實(shí)現(xiàn)，在給定了初始條件、邊界條件的情況下，可以積分計(jì)算出各物理量（風(fēng)速、氣壓、溫度、濕度等）在各時(shí)次的數(shù)值解，從而預(yù)報(bào)出未來(lái)時(shí)刻的大氣狀態(tài)。筆者在此利用Advanced Research WRFV3.3模式，采用兩重嵌套的設(shè)計(jì)方案模擬柴達(dá)木盆地地區(qū)的2007～2010年期間發(fā)生的3次重大降水過(guò)程。

1 數(shù)值模擬試驗(yàn)設(shè)計(jì)

筆者將WRFV3.3模式用于青海柴達(dá)木盆地，采用兩重嵌套的設(shè)計(jì)方案對(duì)柴達(dá)木盆地近4年來(lái)發(fā)生的3次重大降水過(guò)程（2007年6月17～20日、2008年7月29～30日、2010年5月30～31日）分別進(jìn)行了模擬，并以柴達(dá)木地區(qū)茫涯、冷湖、小灶火、格爾木、大柴旦、諾木洪、德令哈、都蘭、烏蘭、天峻各站的觀測(cè)值進(jìn)行了比較分析。兩重網(wǎng)格嵌套的外層區(qū)域（紅色）覆蓋了整個(gè)青藏高原，中心經(jīng)緯度為33.5°N、90.0°E，范圍3 030 km×1 800 km，網(wǎng)格分辨率30 km；內(nèi)層區(qū)域（黃色）覆蓋了柴達(dá)木盆地，范圍800 km×300 km，網(wǎng)格分辨率5 km（圖1）。

模式計(jì)算運(yùn)行的初始場(chǎng)采用美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心NCEP 1°×1°再分析資料，積分時(shí)間步長(zhǎng)設(shè)定為60 s，柴達(dá)木盆地為戈壁下墊面，地表蒸發(fā)和蒸散作用非常弱，改變各種參數(shù)化方案對(duì)降雨量的影響差異不大。在積分運(yùn)算的過(guò)程中，各種物理過(guò)程的參數(shù)化方案等選取如下：微物理過(guò)程為L(zhǎng)in（水汽、雨、雪、云水、冰雹）方案，陸面過(guò)程為熱量擴(kuò)散方案，長(zhǎng)波輻射為rrtm方案，短波輻射為Dudhia方案，近地面層為MYJ Monin-Obukhov方案，邊界層為T(mén)KE湍流動(dòng)能方案，積云參數(shù)化為Betts-Miller-Janjic方案。

2 結(jié)果與分析

2.1 2007年6月17～20日降水過(guò)程模擬

從2007年6月17～20日柴達(dá)木盆地地區(qū)6 h累積降雨量的模擬結(jié)果（圖2）可以看出，柴達(dá)木盆地芒涯、冷湖、小灶火、格爾木、大柴旦、諾木洪、德令哈、都蘭、烏蘭、天峻各站的模擬值和觀測(cè)值相比，第1天24 h降雨量大柴旦和都蘭均偏少2 mm，格爾木、諾木洪、德令哈、烏蘭、天峻分別偏多2、4、5、3、1 mm；第2天24 h降雨量格爾木、大柴旦、諾木洪、德令哈、都蘭、烏蘭、天峻模擬值分別偏多3、5、3、2、2、4、3 mm；第3天24 h降雨量格爾木、都蘭模擬值分別偏少2和3 mm，大柴旦、諾木洪、德令哈、烏蘭、天峻偏多3～5 mm；第4天24 h降雨量小灶火、大柴旦、諾木洪、德令哈模擬值分別偏少1、2、2和3 mm，格爾木、都蘭、烏蘭、天峻分別偏多1、5、1和3 mm。

偏少1.2 mm，諾木洪、德令哈、都蘭、烏蘭、天峻各站24 h降雨量分別偏多3.0、2.5、2.7、3.0、3.5 mm。

3 結(jié)論與討論

將WRFV3.3模式用于青海省數(shù)值天氣預(yù)報(bào)領(lǐng)域，通過(guò)設(shè)定模擬區(qū)域、兩重嵌套網(wǎng)格以及針對(duì)各種物理過(guò)程選用參數(shù)化方案等，對(duì)柴達(dá)木盆地2007年6月17～20日、2008年7月29～30日、2010年5月30～31日發(fā)生過(guò)的3次降雨天氣過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并與實(shí)測(cè)資料進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，柴達(dá)木盆地地區(qū)各站24 h降雨量的模擬值和觀測(cè)值相比，東部降雨量模擬值偏多，西部降雨量模擬值接近或偏少，芒涯、冷湖、小灶火、格爾木四站24 h降雨量平均偏多0.5、1.7、0.7和1.2 mm，大柴旦24 h降雨量平均偏少1.2 mm，諾木洪、德令哈、都蘭、烏蘭、天峻各站24 h降雨量分別偏多3.0、2.5、2.7、3.0、3.5 mm。

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