陸面過程參數(shù)化對寧波地區(qū)雷暴過程模擬的影響

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(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.上海市氣象局,上海 200030;

3.南京大學(xué) 中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點實驗室,江蘇 南京 210093)

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陸面過程參數(shù)化對寧波地區(qū)雷暴過程模擬的影響

汪雅1,2,苗峻峰1,談?wù)苊?

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院,江蘇 南京 210044;2.上海市氣象局,上海 200030;

3.南京大學(xué) 中尺度災(zāi)害性天氣教育部重點實驗室,江蘇 南京 210093)

摘要：利用耦合復(fù)雜程度不同的陸面過程參數(shù)化方案(Noah、RUC)的新一代中尺度數(shù)值模式WRF,對2006年6月24日發(fā)生在寧波地區(qū)的一次典型的雷暴過程進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗。結(jié)果表明:對于雷暴發(fā)生前期近地面熱力、動力場的特征,Noah方案的模擬較為逼真,RUC方案沒有反映出下墊面覆蓋的多樣性以及城市下墊面的影響,城鄉(xiāng)之間差異不明顯;Noah方案模擬的雷暴啟動、發(fā)展過程與觀測較為一致,RUC方案較好地描述出了演變過程中的關(guān)鍵階段(3次合并過程);由于參數(shù)化所考慮的要素和物理過程存在一定差異,Noah方案在對降水的強(qiáng)度、降水中心位置的模擬方面具有一定優(yōu)勢;雷暴的持續(xù)時間對陸面過程參數(shù)化方案的選擇比較敏感,兩個方案所模擬的雷暴過程持續(xù)時間不同程度地長于實際雷暴持續(xù)時間;無論是哪種下墊面覆蓋類型,白天Noah方案模擬的感熱通量均大于RUC方案,而Noah方案模擬的潛熱通量均小于RUC方案。

關(guān)鍵詞：雷暴過程;陸面過程參數(shù)化;Noah方案;RUC方案;數(shù)值敏感性

0引言

雷暴是在發(fā)展強(qiáng)烈的積雨云中產(chǎn)生的,伴有雷電、大風(fēng)和冰雹等多種天氣現(xiàn)象的中小尺度天氣過程,是我國夏季常見且嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。它發(fā)生發(fā)展的突發(fā)性和局地性強(qiáng),預(yù)報難度大,因而對雷暴的觀測和研究工作一直以來受到氣象學(xué)者們的廣泛關(guān)注。我國對雷暴的研究起步相對較晚,較多的工作為依賴于大尺度環(huán)境背景場和探空資料針對個例的天氣分析(李志楠和康玉霞,1995)或多個個例的氣候?qū)W統(tǒng)計(張敏鋒和馮霞,1998;陳思蓉等,2009),但由于時間和空間的分辨率較低,這些研究工作對于雷暴的認(rèn)識非常有限。隨著加密觀測網(wǎng)絡(luò)的布置和天氣雷達(dá)的不斷發(fā)展,雷暴在發(fā)生發(fā)展過程中精細(xì)特征的識別及其位置的精確定位逐漸成為可能(肖輝等,2002),但目前天氣雷達(dá)難以分辨到近地層的回波特征,并且很難深入地揭示出雷暴過程的影響機(jī)制(李昀英等,2008)。

近年來,隨著計算機(jī)的快速發(fā)展和數(shù)值研究的逐漸深入,雷暴等強(qiáng)對流天氣過程的數(shù)值模擬研究工作也陸續(xù)開展。何宏讓等(1999)采用一個二維云模式,對副熱帶高壓后部的強(qiáng)雷暴的產(chǎn)生及發(fā)展進(jìn)行了數(shù)值模擬,并探討了不同初始擾動方案對模擬效果的影響。陳力強(qiáng)等(2004)運用早期版本的MM5模式對東北冷渦誘發(fā)的強(qiáng)風(fēng)暴過程的垂直環(huán)境條件和不穩(wěn)定能量積累機(jī)制進(jìn)行了分析和討論。張春喜等(2005)在對山東地區(qū)的中尺度對流系統(tǒng)的大尺度環(huán)境進(jìn)行診斷分析的基礎(chǔ)上,用WRFV2通過對比試驗的方法研究了初始對流的觸發(fā)機(jī)制。

上述數(shù)值模擬工作側(cè)重于中尺度動力過程本身的研究,所使用的模式動力學(xué)框架較為簡單、精度不高,另外對于陸面(大氣下邊界)過程的影響被較少地考慮到。事實上,陸面過程勢必影響到中短期天氣的演變,因為太陽輻射、大氣逆輻射的能量直接由陸面過程分配為感熱和潛熱,并反饋到大氣(曾新民等,2012)。同時,數(shù)值模式中對云以及大氣邊界層溫、濕度特征的準(zhǔn)確描述也主要依賴于下墊面的土壤、植被特征和物理生化過程(Xiu and Pleim,2001;Miao et al.,2008,2009)。因此,在對中短期天氣過程的數(shù)值模擬中,陸面方案的選取起著非常重要的作用。近年來,不少研究表明中小尺度天氣過程模擬的結(jié)果對陸面參數(shù)化方案的選取具有依賴性,如,馬紅云等(2009)用WRF模式討論了不同陸面參數(shù)化方案對暴雨過程的影響,其研究結(jié)果表明:強(qiáng)降水中心位置、降水強(qiáng)度的分布對陸面物理過程是敏感的。曾新民等(2012)針對南方地區(qū)強(qiáng)降水事件也作了類似的研究,并指出陸面方案通過影響地表蒸發(fā)量以及低層環(huán)流及水汽輻合,從而影響大范圍降水。然而,以上的研究區(qū)域主要集中于江淮之間和華南一帶,對浙江等地的研究較少;研究內(nèi)容也多限于較強(qiáng)的暴雨事件,針對雷暴等強(qiáng)對流天氣的研究較少。

寧波位于我國東海沿岸,海陸風(fēng)現(xiàn)象較為顯著(宋潔慧等,2009)。海陸風(fēng)的發(fā)生發(fā)展會影響沿岸地區(qū)溫度場、濕度場、風(fēng)場的分布,并引起低層大氣層結(jié)狀況的改變,與沿岸積云對流系統(tǒng)的分布、移動和發(fā)展有著密切的關(guān)系(Talbot et al.,2007;王玉國等,2009;汪雅等,2013;苗峻峰,2014)。統(tǒng)計顯示,寧波境內(nèi)全年雷暴日均在40 d以上,屬于雷暴高發(fā)地區(qū)。到目前為止,針對寧波地區(qū)雷暴等強(qiáng)對流天氣的模擬研究仍然很少。因此,本文以寧波及周邊地區(qū)為研究區(qū)域,在汪雅等(2013)的基礎(chǔ)上,利用新一代中尺度模式WRF分別耦合不同的陸面過程參數(shù)化方案對發(fā)生在該區(qū)域的一次強(qiáng)雷暴過程進(jìn)行了數(shù)值模擬,目的在于探討雷暴過程數(shù)值模擬對陸面過程參數(shù)化方案的敏感性,為天氣研究和預(yù)報業(yè)務(wù)中合理選擇和使用中尺度模式陸面過程參數(shù)化方案提供一些依據(jù)。

1雷暴個例與天氣過程簡介

2006年6月24日14—23時(北京時間,下同),寧波市出現(xiàn)了強(qiáng)雷暴天氣,局部遭受8～10級的大風(fēng)和短時暴雨的襲擊。根據(jù)寧波市氣象局降水資料記錄,有11個站1 h雨量達(dá)到30 mm以上,屬短時極強(qiáng)暴雨。

1.1　天氣尺度背景

有利的大尺度環(huán)流形勢為本次雷暴的形成提供了良好的天氣背景條件:從該日08時由NCEP FNL 1°×1°資料分析的500和850 hPa等壓面環(huán)流形勢(圖1)可以看出,此時500 hPa高度上內(nèi)蒙古北側(cè)受低壓控制,副熱帶高壓脊線位于24°N附近,寧波位于高壓的頂后部,水汽從南海沿高壓西北側(cè)的西南氣流向浙江東部輸送。低層(850 hPa)上,寧波地區(qū)受西南氣流控制,無明顯切變線系統(tǒng)。地面上寧波位于低壓中心附近,風(fēng)場有氣旋式輻合(圖略)。24日上午,寧波云量較少,受短波輻射地表強(qiáng)烈加熱,下層暖濕上層干冷的垂直結(jié)構(gòu)形成強(qiáng)烈的不穩(wěn)定層結(jié),為對流的發(fā)展提供了充足的能量。圖1的陰影區(qū)分別給出了14時的地面抬升指數(shù)和對流有效位能,此時寧波地區(qū)具有較高的對流有效位能,地面抬升指數(shù)也為相對高的負(fù)值區(qū),有利于強(qiáng)對流的爆發(fā)。

圖1　由NCEP FNL 1°×1°資料分析的2006年6月24日08時風(fēng)場(箭矢;單位:m·s-1)和位勢高度場(等值線;單位:dagpm)　　a.500 hPa(陰影表示14時地面抬升指數(shù);單位:℃);b.850 hPa(陰影表示14時對流有效位能;單位:J·kg-1)Fig.1　Wind field(arrows;units:m·s-1) and geopotential height field(contours;units:dagpm) at 08:00 BST 24 June 2006 based on NCEP FNL 1°×1° reanalysis data　　a.500 hPa(shaded area represents the lift index at 14:00 BST;units:℃);b.850 hPa(shaded area represents convective available potential energy at 14:00 BST;units:J·kg-1)

1.2　雷達(dá)資料反映的對流發(fā)展特征

圖2給出了2006年6月24日午后由寧波雷達(dá)觀測到的對流在寧波及周邊地區(qū)的發(fā)展情況。13時之后,在寧波市沿海、慈溪余姚南部一線有輻合帶生成。14時以后,沿海生成的輻合帶上開始有強(qiáng)對流回波生成(圖2a)。同時,從杭州西北部生成的東移的強(qiáng)回波到達(dá)杭州灣頂,并逐漸影響余姚和慈溪(圖2a MCS1)。隨后,外來回波和本地生成回波一并向南發(fā)展傳播。16時在寧海北部和象山港(圖3b中的“Xiangshan Bay”)北側(cè)有強(qiáng)回波生成,向東偏北方向移動,與前面南移的局地回波在象山港北岸合并加強(qiáng)為MCS2(圖2b)。此后,合并的回波向南發(fā)展,到象山港上空與MCS1合并為MCS12(圖2c)。同時,寧波南部有強(qiáng)回波(MCS3)向北移動,18時之后MCS3與MCS12在象山港山上空合并加強(qiáng)為MCS123并向南傳播,入海后強(qiáng)度減弱并逐漸消亡。另外,18時后寧波西南側(cè)有回波單體生成,并逐漸東移。由上可見,本次雷暴過程是一次典型的外來回波與局地生成回波綜合作用而發(fā)展加強(qiáng)的強(qiáng)天氣過程。

圖2　2006年6月24日寧波雷達(dá)觀測到的雷達(dá)基本反射率(0.5°仰角;單位:dBz)a.14時51分;b.16時20分;c.17時40分;d.19時16分Fig.2　Radar basic reflectivity images observed by Ningbo Radar on 24 June 2006(elevation angle is 0.5°;units:dBz)　　a.14:51 BST;b.16:20 BST;c.17:40 BST;d.19:16 BST

2陸面過程參數(shù)化方案簡介

本文數(shù)值模擬研究采用的模式是中尺度模式WRF,它重點考慮從云尺度到天氣尺度等重要天氣的預(yù)報,在目前的短期天氣預(yù)報業(yè)務(wù)和研究中得到了廣泛應(yīng)用。與它的前身MM5中尺度模式相比,WRF模式考慮了較為詳細(xì)的陸面過程,可以描述不同下墊面的感熱、潛熱通量的傳輸過程,并將其作為下邊界條件耦合到大氣模式中,進(jìn)一步加強(qiáng)云、輻射、降水等過程的模擬。

本文選取了兩個比較復(fù)雜的并且被廣泛使用的陸面過程參數(shù)化方案來研究雷暴過程數(shù)值模擬對不同陸面過程參數(shù)化方案的依賴性:1)Noah方案,源于早期的俄勒岡州立大學(xué)(OSU)陸面模式(Pan and Mahrt,1987),其后多個機(jī)構(gòu)對其進(jìn)行了合作開發(fā)并不斷完善逐漸發(fā)展為現(xiàn)在版本。從WRF V2.0之后,Noah方案考慮了城市下墊面的影響,許多與城市相關(guān)的參數(shù)(表面反照率、粗糙度、體積熱容量、土壤熱傳導(dǎo)率、植被成分)在Noah模式中被作了調(diào)整和改進(jìn)(Miao et al.,2007)。2)RUC方案,采用了美國國家環(huán)境預(yù)報中心(NCEP)天氣業(yè)務(wù)預(yù)報系統(tǒng)RUC(Rapid Update Cycle)模式中的陸面物理參數(shù)化方案(Smirnova et al.,1997)。兩種陸面過程參數(shù)化方案的主要差異見表1和楊薇等(2014)。

3模式設(shè)置和試驗方案

本研究采用的模式版本為WRF-ARW V3.2,模式的初始場和邊界條件由NCEP FNL 1°×1°再分析資料提供。模式使用四重嵌套方案,水平格距分別為27、9、3、1 km,垂直方向均具有不等間距的35個σ層,其中2 km以下設(shè)置24層,模式層頂氣壓設(shè)為100 hPa。圖3為模擬所用網(wǎng)格嵌套示意圖與最內(nèi)層網(wǎng)格區(qū)域的地形及主要自動氣象站的分布。最外層區(qū)域為我國中東大部地區(qū),提供大的背景強(qiáng)迫。最內(nèi)層網(wǎng)格區(qū)域D4覆蓋了寧波及其周邊地區(qū),為

圖3　模擬區(qū)域示意圖　　a.四重嵌套區(qū)域;b.D4網(wǎng)格區(qū)域的地形(單位:m)及部分自動氣象站的分布;c.D4區(qū)域陸面覆蓋類型Fig.3　Modeling domain settings of the simulation　　a.Domains 1,2,3,and 4(denoted by D1,D2,D3,and D4);b.Model terrain(units:m) in D4 and the distribution of automatic weather stations;c.land cover category in D4

本文的研究區(qū)域(圖3b),格點數(shù)160×166。短波輻射采用Dudhia方案,長波輻射采用RRTM方案,近地面層采用Monin-Obukhov方案,邊界層選用YSU方案,微物理過程采用Lin方案,積云對流采用Kain-Fritsch方案(D3、D4不采用)。陸面覆蓋采用Boston University/NCEP提供的MODIS 30″格點資料,其土地利用/土地覆蓋類型分布如圖3c所示,其中主要類型為:水體(藍(lán)色),混合林(綠色),農(nóng)田(黃色),城市及建筑用地(紅色)。模式結(jié)構(gòu)詳見汪雅等(2013)。

為了比較不同的陸面過程參數(shù)化方案對2006年6月24日的這次雷暴過程模擬的影響,本文選擇兩個比較復(fù)雜的并且被廣泛使用的Noah和RUC陸面參數(shù)化方案分別對本次雷暴過程作模擬試驗。模式積分時間為2006年6月23日08時至25日08時,模擬結(jié)果1 h輸出一次,各試驗前16 h為模式積分調(diào)整(spin-up)時間。除了陸面過程參數(shù)化方案外,兩個試驗所選的物理過程和模式配置完全一致,因此不同試驗?zāi)M結(jié)果的差異可以看作是由不同的陸面過程參數(shù)化方案所引起的。如不做特殊說明,文中對模擬結(jié)果的分析均是針對D4區(qū)域。

表1Noah與RUC陸面過程參數(shù)化方案的差異

Table 1Differences between Noah and RUC land surface process parameterization schemes

Noah方案RUC方案預(yù)報變量4個土壤層上的土壤溫度和濕度,地表溫度,冠層水分,積雪厚度和密度。6個土壤層的土壤溫度和濕度,地表溫度,冠層水分,積雪厚度和密度。植被參數(shù)化①采用隱式方案求解能量和水分平衡方程;②植被影響包括在其中,植被指數(shù)選項隨時間變化;③處理蒸散時使用土壤和植被類型,植被參數(shù)(如:地面粗糙度和反照率)依賴于植被類型,土壤熱力特性依賴于土壤類型;④考慮了植被的蒸發(fā)作用,植物的蒸騰作用以及植被的截留作用⑤在地表交換系數(shù)中引入熱力粗糙度,潛在蒸發(fā)通過求解彭曼方程得到;⑥為行星邊界層提供熱量和水汽通量。①能量和水分平衡采用隱式方案求解;②植被影響包括在其中,地面粗糙度作為植被類型的函數(shù)引入;③把植被與裸土的蒸發(fā)分開考慮,植被的蒸騰作用較為簡單,對參數(shù)化并不敏感;④各層能量和水汽收支近似平衡;⑤包括3個蒸散分量:裸土蒸發(fā)作用,植被蒸發(fā)作用,植被蒸騰作用;更多的長波輻射冷卻;⑥為行星邊界層提供熱量和水汽通量。土壤參數(shù)化①4個土壤層,自上而下厚度依次為:10,30,60,100cm;②考慮熱力擴(kuò)散和水汽輸送,采用迭代法求解對角矩陣來更新土壤溫度。①6個土壤層,自上而下厚度依次為:2.5,2.5,15,20,120,140cm,頂層土壤較薄;②土壤濕度由Richards水分傳輸方程求解,土壤導(dǎo)水率由二階數(shù)值逼近法得出。

4模擬結(jié)果分析

4.1　陸面參數(shù)化方案對對流系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展過程的影響

由寧波雷達(dá)實際觀測結(jié)果(1.2節(jié))可以看出,本次雷暴過程中主要存在3個中尺度對流系統(tǒng)的發(fā)展演變過程。與圖2相對應(yīng),圖4給出了Noah方案和RUC方案模擬的對應(yīng)時間約1.5 km高度雷達(dá)回波。兩個方案清晰地再現(xiàn)了3個MCS初始、發(fā)展、合并與增強(qiáng)的過程。24日13時,兩個方案均模擬出了局地生成回波,但RUC方案模擬的回波強(qiáng)度較小且位置分散,系統(tǒng)發(fā)展過程相對滯后。圖4b、f反映出兩個方案都模擬出了北來的回波系統(tǒng)已移動到慈溪—余姚一帶,但是RUC方案模擬的MCS1回波強(qiáng)度和回波面積偏小。由圖4c、g可見,RUC方案模擬出了MCS1與MCS2的合并過程,而Noah方案并沒有較好地展示出回波系統(tǒng)的合并過程。18時之后,兩個方案均展現(xiàn)出了3個系統(tǒng)的合并過程(圖4d、g),然而RUC方案所模擬的系統(tǒng)影響范圍較小,只有Noah的2/3,位置偏西南約20 km。此外,兩個方案均模擬出了18時之后于寧波西部生成的回波單體,該系統(tǒng)形成時間與實際相比晚了約1 h?？v觀整個雷暴演變過程,兩個方案分別在不同階段展現(xiàn)了各自的優(yōu)勢:Noah方案對雷暴的啟動與發(fā)展過程及其雷暴的強(qiáng)度和位置的模擬較為合理,而RUC方案較好地描述出了雷暴演變過程中的關(guān)鍵階段,如三次合并過程。

圖4　模擬的2006年6月24日模式D4區(qū)域約1.5 km高度的雷達(dá)回波(陰影;單位:dBz)和10 m風(fēng)場(單位:m·s-1)a.Noah方案13時;b.Noah方案15時;c.Noah方案18時;d.Noah方案20時;e.RUC方案13時;f.RUC方案15時;g.RUC方案18時;h.RUC方案20時Fig.4　Simulated radar reflectivity(shaded areas;units:dBz) at 1.5 km level and wind field at 10 m(units:m·s-1) in D4 on 24 June 2006　　a.Noah scheme at 13:00 BST;b.Noah scheme at 15:00 BST;c.Noah scheme at 18:00 BST;d.Noah scheme at 20:00 BST;e.RUC scheme at 13:00 BST;f.RUC scheme at 15:00 BST;g.RUC scheme at 18:00 BST;h.RUC scheme at 20:00 BST

4.2　陸面參數(shù)化方案對近地面熱動力結(jié)構(gòu)的影響

陸氣之間不斷進(jìn)行的熱量、動量和水汽交換對大氣邊界層的熱動力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,進(jìn)而可影響到雷暴等強(qiáng)對流天氣的發(fā)生和發(fā)展。蒙偉光等(2005)的研究表明陸地表面可通過對前期溫度場、氣壓場、流場的影響,對對流的啟動和中尺度對流的形成起作用。

圖5a、b顯示了雷暴發(fā)生前期不同方案模擬的D4區(qū)域的近地面溫度場。由圖可見,在陸地上,陸面覆蓋的復(fù)雜性引起了近地面氣溫分布的非均勻性,2種方案模擬近地面氣溫分布差別較大。Noah方案模擬的近地面氣溫分布較為合理,沿海溫度低,內(nèi)陸溫度高。同時,Noah方案模擬出了白天寧波西部四明山地區(qū)由于谷地和山地的熱力對比形成溫度低于四周的事實。另外,Noah方案模擬出了城市熱島效應(yīng)(黃利萍等,2012,2013),即城區(qū)氣溫普遍高于周圍郊區(qū)的現(xiàn)象。而RUC方案模擬的近地面層氣溫呈現(xiàn)高溫分布,值普遍在34 ℃以上,沒有合理地反映出下墊面覆蓋的多樣性以及人為排熱對溫度分布的影響。

近地面氣溫的非均勻性引起了空氣密度和氣壓的區(qū)域性差異,并進(jìn)一步產(chǎn)生局地環(huán)流疊加在背景風(fēng)場之上。圖5c、d給出了24日12時的10 m風(fēng)場的分布,可見,西部陸地上受偏西背景風(fēng)主導(dǎo),而東部海域上背景風(fēng)為偏南風(fēng)。在寧波市的西北岸和東北岸,2個方案都模擬出了比較明顯的海風(fēng)特征。海風(fēng)與背景風(fēng)在寧波北部沿岸一帶輻合。在輻合區(qū)上對應(yīng)著較強(qiáng)的抬升運動(圖略),配合一定的不穩(wěn)定層結(jié)和水汽條件,局地的弱對流系統(tǒng)逐漸發(fā)展起來。值得注意的是Noah方案不僅模擬出了海風(fēng)的特征,也模擬出了城鄉(xiāng)溫度差異引起的水平流場,熱島流場與背景風(fēng)、海風(fēng)疊加并在城郊輻合,也進(jìn)一步促進(jìn)了抬升運動和對流的發(fā)展。另外,需要指出的是Noah方案在東南部海域上模擬的風(fēng)速明顯大于RUC方案,其原因有待進(jìn)一步研究。而RUC方案對城市下墊面特征的描述并不充分導(dǎo)致了近地面風(fēng)場的輻合抬升運動并沒有Noah方案強(qiáng)烈,這可能是RUC方案模擬的雷暴發(fā)展初期回波較弱的一個原因。

圖5　Noah(a,c)和RUC(b,d)方案模擬的寧波地區(qū)2006年6月24日12時的2 m溫度場(a,b;單位:℃)和10 m風(fēng)場(c,d;單位:m·s-1)(圖5a中多邊形區(qū)域為寧波市的中心城區(qū))Fig.5　(a,b)Air temperature(units:℃) at 2 m and (c,d)wind speed(units:m·s-1) at 10 m in Ningbo area at 12:00 BST 24 June 2006 simulated by (a,c)Noah and (b,d)RUC schemes(The polygon area in Fig.5a denotes the central city area of Ningbo city)

隨著海風(fēng)的移入,對流系統(tǒng)在輻合區(qū)上逐漸發(fā)展起來(圖4a、e),同時海風(fēng)從海面上攜帶了大量的水汽為后續(xù)對流的增強(qiáng)提供充沛水汽來源,這與Suresh(2007)的觀測結(jié)果相一致。之后,隨著北來的強(qiáng)對流系統(tǒng)逐漸登陸寧波,由于雷暴云中產(chǎn)生的下沉氣流到近地面時向四周散開,使得寧波北部近地面風(fēng)場結(jié)構(gòu)發(fā)生了較大的改變(圖4b、f)。風(fēng)場以強(qiáng)回波區(qū)為中心向四周輻散,輻散中心外圍風(fēng)速均大于10 m·s-1,甚至出現(xiàn)了18 m·s-1的大風(fēng),大風(fēng)和周圍的背景風(fēng)疊加在回波附近形成更強(qiáng)烈的輻合,強(qiáng)烈的輻合引起的抬升促進(jìn)了回波的東南側(cè)新單體的生成,強(qiáng)度逐漸增強(qiáng)。同時,雷暴大風(fēng)的覆蓋范圍也向東南擴(kuò)展。在移動的過程中,強(qiáng)對流系統(tǒng)與東南岸的海風(fēng)相遇,使局地對流與移入對流在象山港西北側(cè)合并加強(qiáng)。由于RUC方案模擬的象山港北側(cè)的海風(fēng)強(qiáng)度較強(qiáng),RUC方案模擬的第三次合并過程早于Noah方案(圖4c、g)。由于太陽輻射的消失引起海陸溫差的演變并且受雷暴系統(tǒng)的風(fēng)場掩蓋,18時之后海風(fēng)特征變得逐漸微弱,近地面主要由偏南風(fēng)主導(dǎo)。

為進(jìn)一步比較Noah方案和RUC方案模擬的風(fēng)場和溫度場的差異,分別對各時刻溫度場和風(fēng)場作區(qū)域內(nèi)站點平均并與觀測值對比(圖6a、b)。比較模擬與觀測,2種方案均較為真實地模擬出了氣溫的日變化特征,但所模擬的最高氣溫出現(xiàn)的時間均提前了約1 h。不同陸面參數(shù)化方案對溫度量值的差異主要集中在白天:雷暴發(fā)生前期(09—12時),Noah方案所模擬的近地面氣溫與實際觀測較為吻合,而RUC方案模擬的近地面氣溫偏高(與圖5a、b的結(jié)論一致)。13時以后對流逐漸發(fā)展起來,Noah方案所模擬的近地面氣溫偏低,這是由于Noah方案模擬的初始階段對流偏強(qiáng)形成更深厚的對流云遮蓋天空所致。雷暴發(fā)生前期(09—12時),模擬風(fēng)速與觀測風(fēng)速較為吻合,其差值約為0.3 m·s-1。此后(12—18時),兩個方案均模擬出由于雷暴的發(fā)生帶來的風(fēng)速增幅過程,然而模擬的風(fēng)速增大時間均較實況提前發(fā)生。從風(fēng)速日變化整個過程來看,Noah方案的模擬結(jié)果與觀測更為接近,而RUC方案與實際偏差稍微大一些。

圖6　不同方案模擬的D4區(qū)域內(nèi)站點平均值與實際觀測的站點平均值比較　　a.2 m溫度(單位:℃);b.10 m風(fēng)速(單位:m·s-1)Fig.6　Comparisons between the hourly site-averaged results simulated by different experiments and the observations in D4　　a.air temperature at 2 m(units:℃);b.wind speed at 10 m(units:m·s-1)

4.3　陸面參數(shù)化方案對降水時空分布特征的影響

圖7是24日雷暴過程降水最集中的12—20時實際觀測的累積降水量(圖7a)和模擬結(jié)果(圖7b、c)。實際觀測到的累積降水區(qū)呈南北向分布,降水大值中心位于(121.5°E,29.4°N)附近,中心值達(dá)到100 mm以上;在其北側(cè)有幾個雨量相對較小的中心,分別位于寧波東北沿岸及象山港上空。兩個方案模擬的降水強(qiáng)度與實際觀測相近,然而都高估了雷暴過程中50 mm以上累積降水量的范圍,且模擬的降水分布均較實際偏西。相比之下,Noah方案模擬的降水空間分布要優(yōu)于RUC方案:首先,Noah方案對降水中心位置和分布模態(tài)的表現(xiàn)較好,而RUC方案沒有模擬出象山港西岸的強(qiáng)降水中心,并且在象山港南北側(cè)模擬出了2個虛假的降水中心;另外,RUC方案低估了主城區(qū)降水。

圖7　2006年6月24日12—20時的累積降水量(陰影;單位:mm)　　a.觀測結(jié)果;b.Noah方案模擬結(jié)果;c.RUC方案模擬結(jié)果Fig.7　Accumulated precipitation from 12:00 BST to 20:00 BST 24 June 2006(shaded areas;units:mm)　　a.observed results;b.simulated results by Noah scheme;c.simulated results by RUC scheme

圖8給出了不同試驗?zāi)M的區(qū)域平均降水強(qiáng)度隨時間的演變情況,觀測的降水強(qiáng)度由自動氣象站觀測值平均而得?？傮w來看,觀測降水時間集中發(fā)生在15—20時,最大平均降水強(qiáng)度達(dá)到5.25 mm·h-1。而兩個試驗?zāi)M的降水持續(xù)時間則比觀測時間長約2 h,這可能與模式初始條件中仍缺少對環(huán)境場中尺度特征的詳細(xì)描述有關(guān)(蒙偉光等,2012)。與觀測相比,兩個方案模擬的最大平均降水強(qiáng)度較小:Noah方案所模擬的最大降水強(qiáng)度約5 mm·h-1,與觀測更為接近;RUC方案的模擬的最大降水強(qiáng)度最小,只有3.5 mm·h-1,比實際觀測低了近30%。同時,Noah方案所模擬的平均降水強(qiáng)度演變特征與觀測特征均呈現(xiàn)單峰形變化,而RUC方案呈現(xiàn)出雙峰形的變化特征。

4.4　陸面參數(shù)化方案對地表通量及熱動力不穩(wěn)定參數(shù)的影響

性質(zhì)復(fù)雜的下墊面所構(gòu)成的陸地表面與大氣之間不斷進(jìn)行著各種時空尺度的相互作用以及能量、水汽等物質(zhì)的交換。盧萍和宇如聰(2008)指出強(qiáng)降水對于陸氣通量有一定的依賴性,其中潛熱通量和感熱通量的作用最大。因此,地表通量特征是否被合理地描述對短時強(qiáng)降水事件的模擬效果有較大的影響。

為探討2個方案模擬的降水空間分布差異的原因,分別對2個方案D4區(qū)域主要覆蓋類型(水體,混合林,農(nóng)田,城市)的表面通量和熱動力不穩(wěn)定參數(shù)取平均,圖9顯示了2個參數(shù)化方案不同地表覆蓋類型的平均感熱通量,潛熱通量,凈輻射,邊界層高度以及不穩(wěn)定參數(shù)的逐時變化。首先,可以看出地表通量和熱動力不穩(wěn)定參數(shù)受下墊面影響顯著;其次,在白天,無論哪種陸面覆蓋類型,Noah方案模擬的感熱(潛熱)通量均大(小)于RUC方案;此外,在陸地表面(混合林,農(nóng)田,城市),潛熱通量和凈輻射對陸面方案的選取最為敏感,其次是感熱通量,最不敏感是邊界層高度。最后,需要指出的是,在水體表面,由于下墊面性質(zhì)比較穩(wěn)定、均一,參數(shù)化方案的選取對模擬結(jié)果的影響較大;而在陸地表面,由于下墊面屬性的多樣性和復(fù)雜性,實際模擬的降水差異是由下墊面本身屬性的差異與參數(shù)化方案的差異共同作用的結(jié)果。

圖9　D4區(qū)域不同方案、不同陸地覆蓋表面在2006年6月24日的平均感熱通量(a;單位:W·m-2)、平均潛熱通量(b;單位:W·m-2)、平均凈輻射(c;單位:W·m-2)、平均邊界層高度(d;單位:km)、平均對流有效位能(e;單位:J·kg-1)、平均對流抑制能(f;單位:J·kg-1)的逐時變化(N:Noah方案,R:RUC方案;紅色代表城市,綠色代表混合林,黃色代表農(nóng)田,藍(lán)色代表水體)Fig.9　Hourly-averaged (a)sensible heat flux(units:W·m-2),(b)latent heat flux(units:W·m-2),(c)net radiation (units:W·m-2),(d)boundary layer height(units:km),(e)convective available potential energy(units:J·kg-1),and (f)convective inhibition energy(units:J·kg-1) simulated by different experiments with different land cover categories in D4 on 24 June 2006(N:Noah scheme,R:RUC scheme;the red,green,yellow and blue colors denote urban,mixed forest,croplands and water bodies,respectively)

5結(jié)論

本文利用中尺度模式WRF分別選用不同的陸面過程參數(shù)化方案(Noah、RUC)對寧波地區(qū)一次夏季強(qiáng)對流天氣(雷暴)過程進(jìn)行了數(shù)值模擬試驗,重點分析了2種不同復(fù)雜程度的陸面過程參數(shù)化方案對于雷暴系統(tǒng)發(fā)生、發(fā)展過程以及近地面熱動力條件的影響,試驗結(jié)果表明:

1)Noah方案不僅模擬出了雷暴前期海陸、山地平原的熱力對比引起的近地面氣溫的不均勻分布,而且還模擬出了城市熱島效應(yīng);然而RUC方案沒有明顯地反映出陸面覆蓋的多樣性以及人為排熱對溫度分布的影響。

2)Noah方案模擬的風(fēng)場輻合較強(qiáng),有利于抬升運動和對流的啟動;由于考慮到了城市下墊面對氣流的拖拽作用,Noah方案所模擬的城郊之間風(fēng)速的差異比RUC方案更為明顯。

3)Noah方案模擬的雷暴啟動、發(fā)展過程與觀測較為一致,而RUC方案較好地描述出了雷暴演變過程中的關(guān)鍵階段(三次合并過程)。

4)不同陸面過程參數(shù)化方案所模擬的雷暴累積降水范圍均較實況偏大,但Noah方案在對降水的走向、強(qiáng)度、降水中心位置的模擬方面具有一定優(yōu)勢。

5)模擬的雷暴持續(xù)時間對陸面過程參數(shù)化方案有很強(qiáng)的依賴性,兩個方案所模擬的雷暴過程持續(xù)時間均長于實際雷暴持續(xù)時間,但程度有差異。

6)潛熱通量和凈輻射對陸面過程參數(shù)化方案的選擇最為敏感,其次是感熱通量,最不敏感的是邊界層高度。無論哪種陸面覆蓋類型,白天Noah方案模擬的感熱通量均大于RUC方案,而Noah方案模擬的潛熱通量均小于RUC方案。

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(責(zé)任編輯：張福穎)

Impact of land surface parameterizations on simulated thunderstorm process over the Ningbo area

WANG Ya1,2,MIAO Jun-feng1,TAN Zhe-min3

(1.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Shanghai Meteorological Bureau,Shanghai 200030,China; 3.Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather of Ministry of Education,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

Abstract:The new generation mesoscale model WRF is used to simulate a typical thunderstorm process in Ningbo area on 24 June 2006,and the impacts of land surface parameterization schemes(Noah and RUC) on numerical simulation of the thunderstorm process are tested.The results show that,for surface thermodynamic field before the thunderstorm happened,the simulated results with Noah scheme are more close to the observations.However,with RUC scheme,the simulated results do not reflect the diversity of underlying surface coverage and the impacts of city underlying surface,and the difference between rural and urban areas is not obvious.The start and development processes simulated by Noah scheme are more reasonable,and the results simulated by RUC scheme describe the key stages in the evolution process of thunderstorm well,such as three merging processes.Because the considered factors and physical process parameterizations are different,the strength and center of accumulated precipitation simulated by Noah scheme are more consistent with the observations than those simulated by RUC scheme.The duration of thunderstorm is strongly sensitive to land surface process parameterization,and both durations simulated by the two schemes are longer than actual duration of the thunderstorm to different degree.Whatever the land cover category in Ningbo area,the sensible heat flux(latent heat flux) simulated by Noah scheme is greater than(less than) that simulated by RUC scheme during the day.

Key words:thunderstorm process;land surface process parameterization;Noah scheme;RUC scheme;numerical sensitivity

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130310001

文章編號：1674-7097(2015)03-0299-11

中圖分類號：P4

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

通信作者：苗峻峰,博士,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向為中尺度數(shù)值模擬,miaoj@nuist.edu.cn.

基金項目:公益性行業(yè)(氣象)科研專項經(jīng)費項目(GYHY201006004)

收稿日期：2013-03-10；改回日期：2013-05-04

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