WRF 模式中幾種不同微物理參數(shù)化方案在模擬一次颮線過程中的差異分析

呂 麗，楊浩麗，劉 洋，王 偉，陳紅霞

（北京市平谷區(qū)氣象局，北京 101200）

強對流天氣過程是多種尺度系統(tǒng)、多種宏微觀過程相互作用的結果。在微觀方面，云內各水凝物之間相互作用并與動力、熱力效應相互影響；在宏觀方面，可以通過感熱、潛熱、動量輸送等過程的反饋作用影響大尺度環(huán)流[1-4]。

本文針對這次強對流過程，從不同的微物理方案入手，選取WRF 模式中常用的6 種微物理參數(shù)化方案（MR、MY、WDM5、WDM6、Lin、WSM6）進行模擬研究。

1 颮線過程概況及其發(fā)展的天氣背景

此次颮線過程是在中國東北冷渦槽后的西北氣流帶來大量冷空氣的大尺度背景下形成的。如圖1 所示，2009-06-05T00：00 時，500 hPa 高度場顯示東北冷渦強度較大，東北冷渦中心位勢高度小于548 gpm，溫度小于等于-17 ℃，而在冷渦西南側850 hPa 高空槽后風速大于12 m/s，強西北氣流引導中層干冷空氣從中高緯度南下至中國黃淮地區(qū)，使地面高溫與冷空氣南下造成的低溫相配合。500 hPa 溫度槽落后于高度槽，有利于對流不穩(wěn)定度的加深，而在該區(qū)域的上空為200 hPa 急流區(qū)所在位置。

圖1 2009-06-05T00：00 天氣圖

2009-06-05的4個時刻增強顯示紅外衛(wèi)星云圖如圖2 所示，合肥雷達站2009-06-05 颮線發(fā)展的雷達組合反射率實況圖如圖3 所示?？梢?，09：00（世界時，下同）左右，在山東、安徽、江蘇三省交界處生成許多小的對流單體，各對流單體逐漸合并加強，向偏南方向移動。13：00 左右，颮線形成，長約100 km，呈東西走向，由幾個發(fā)展較強的對流單體組成。隨后颮線逐漸減弱，16：00 左右颮線系統(tǒng)消散。颮線系統(tǒng)從初生到衰亡大致經(jīng)歷了7 h，整體移動方向為自北向南，速度大致為50 km/h，新生單體具有良好的組織性，颮線具有明顯的線狀多單體特征。據(jù)安徽省氣象臺監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，2009-06-05T12：00，淮南、滁州、六安、合肥等地區(qū)均出現(xiàn)強對流天氣，合肥地面最大風力達到了20 m/s（8 級），壽縣最大風力達33 m/s（12 級），懷遠和淮南還分別出現(xiàn)了直徑分別為10 mm 和8 mm的冰雹。

圖2 2009-06-05T09：00、10：00、14：33、16：00增強顯示紅外衛(wèi)星云圖

圖3 2009-06-05T09：00、10：00、11：00、13：00多普勒雷達組合反射率圖（合肥雷達站）

2 試驗設計及參數(shù)化方案簡介

為了探討不同微物理方案對此次颮線過程的模擬效果，本文采用了中尺度WRF 數(shù)值模式（WRFⅤ3.2）進行模擬研究。模式的初始以及邊界條件是采用了NCEP 1°×1°、時間間隔為6 h 的fnl 再分析資料。模式中的主要物理過程配置如下。長波輻射過程采用了RRTM 方案，短波輻射過程采用了Dudhia 方案，近地面層過程采用了Monin-Obukhov 方案，陸面過程采用了Noah 方案，邊界層過程采用了YSU 方案。模式采用了4 層雙向嵌套，水平分辨率分別為30 km、10 km、3.3 km 和1.1 km，如圖4 所示；垂直方向28層。模擬的初始時間是2009-06-04T06：00，結束時間是2009-06-05T18：00，積分時長36 h。分別選取2 種單參數(shù)化方案（Lin、WSM6）和4 種雙參數(shù)化方案（MR、MY、WDM5、WDM6）進行模擬分析。分析內容主要包括颮線系統(tǒng)的整體形態(tài)、颮線系統(tǒng)的垂直結構等。

圖4 WRF 模式模擬區(qū)域設定示意圖

3 颮線的數(shù)值模擬

6 種方案都模擬出了自貝加爾湖低槽延伸出來的水汽帶、南海至日本海一帶的水汽帶以及強大的東北冷渦系統(tǒng)。下文即針對此6 種方案模擬效果進行對比分析。

4 模擬結果分析

4.1 颮線發(fā)展過程對比分析

6 種微物理方案模擬的此次颮線過程的反射率分布如圖5 所示，從6 種方案模擬結果對比來看，WDM6方案中可清晰地模擬出如觀測所示的3 個強單體，且分散單體逐漸發(fā)生合并，單體合并后逐漸南移形成一東西走向的颮線，其他方案則模擬效果不理想，雖然都模擬出一強的帶狀回波，但MY 方案、Lin 方案模擬回波強度偏大，且沒有模擬出颮線后部大片的層狀云區(qū)，MR 方案、WSM6 方案模擬的強回波帶狀結構分散，WDM5 方案的帶狀結構比實際偏大。

圖5 2009-06-05T09：00、13：00 6 種微物理參數(shù)化方案模擬的組合反射率對比

4.2 颮線垂直結構對比分析

6 種參數(shù)化方案模擬的蚌埠站（32.92°N，117.38°E）上升下沉氣流速度隨時間演變圖如圖6 所示。由圖中可以看出，6 種參數(shù)化方案均模擬出28 個時次即08：00時左右的上升下沉氣流速度對，比觀測提前1 h 左右。其中，MR 方案、Lin 方案模擬出了強烈的上升氣流，MR 方案的上升氣流從低層擴展到了中高層，強烈的上升氣流導致了MR 方案、Lin 方案模擬出大范圍降雨區(qū)。WDM6 方案模擬的上升下沉氣流最弱，因此從模擬的降雨圖上表現(xiàn)出WSM6 方案模擬的降水量最少。MY 方案與WDM5 方案模擬的上升下沉氣流強度大體相當，但WDM5 方案的上升氣流最大值位于下層，而MY 方案位于中上層。WSM6 方案模擬的上升氣流下有強烈的下沉氣流區(qū)，且模擬出的下沉氣流比其他幾種方案都要強。

圖6 蚌埠站上升下沉氣流隨時間演變圖

4.3 雷達反射率剖面對比

實況及6 種微物理參數(shù)化方案中颮線形成時刻雷達反射率剖面圖如圖7 所示。圖7（a）顯示，颮線前部對流單體發(fā)展旺盛，最大反射率因子可達50 dBZ 以上，云頂高度可達14 km，后部大量層狀云區(qū)，且出現(xiàn)零度層亮帶。6 種微物理參數(shù)化方案模擬結果顯示，MR 方案模擬回波強度偏大，但回波層頂發(fā)展不高，只有11 km 左右，MY 方案模擬的回波層頂可達13 km以上，Lin 方案模擬回波層頂可達12 km 以上，但都沒有模擬出颮線后部大片的層狀云區(qū)；MR 方案、WDM5方案、WSM6 方案模擬出單體較為分散，但大體可模擬出颮線的主體結構，WDM6 方案模擬的強回波區(qū)可達50 dBZ 以上、回波層頂高度12 km 以上，前部強對流區(qū)后部緊跟大片層狀云區(qū)，強回波邊界清晰，這些特點與實況最接近。

圖7 實況及6 種微物理參數(shù)化方案颮線形成時刻（14：00、13：00、12：00、11：30、12：00、12：00 時）雷達反射率剖面圖

5 結論

云微物理過程參數(shù)化方案在非靜力高分辨率WRF 模式中具有非常重要的作用。本文選取了常用的6 種微物理參數(shù)化方案（MR、MY、WDM5、WDM6、Lin、WSM6），對比分析了不同參數(shù)化方案對于颮線發(fā)展的模擬效果，模擬結果顯示，6 種參數(shù)化方案模擬的颮線發(fā)展路徑相同，發(fā)展強度及形態(tài)各不相同，說明中小尺度系統(tǒng)的模擬仍以大尺度強迫為主，在合理再現(xiàn)大尺度背景場情況下，不同的微物理參數(shù)化方案雖不會對系統(tǒng)的發(fā)展路徑造成影響，但會對強度等影響很大。分析表明，由于不同方案中模擬的水凝物粒子含量不同，導致了上升下沉氣流的差異，進而影響降水的分布?？傊?，模式模擬降水的大小、落區(qū)與很多因素有關。本文中6 種參數(shù)化方案的模擬結果與實況均存在偏差，這可能與不同方案中水凝物粒子的轉換 過程、相變過程、增長過程、氣溶膠活化雨水等過程相關。