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1、边界层过程对梅雨锋暴雨影响的模拟试验 潘晓滨 李艳春 王亮 解放军理工大学气象学院南京211101 摘 要 本文采用 MM5 V3-4 版本中尺度非静力平衡模式以其中的 Blackadar 高分辨率方案作为控制试验选用无摩擦 Burk-ThomphonEta M-Y方案及 MRF 方案对 1999 年 6 月 23 日 08 时24 日 08 时的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟 对比试验重点分析和讨论边界层过程对暴雨的影响和作用试验表明Blackadar 方案能够较好地模拟此次暴雨天气过 程边界层过程通过影响与暴雨相关的物理量诸如垂直速度涡度散度及低空急流等从而影响暴雨的落区范围 及大小等它对
2、降水特别是雨量中心强度的短期预报有较大影响在模式中计入边界层内地面热通量对降水的增幅影响 显著边界层内的中尺度扰动及急流上的风速脉动是此次暴雨形成重要的动力条件 关键词梅雨锋暴雨边界层过程数值模拟 1 引言 行星边界层是大气中的一个重要能量源和能量汇它在自由大气和地球表面之间的动量 热量和 水汽交换中起着重要作用对大气中的天气系统的发生与发展有着十分重要影响在区域中尺度数值天 气预报模式中行星边界层物理过程参数化又是一个很重要的问题特别是对暴雨数值预报尤为重要 Cheng, et al.,1992细致的较为准确地描述大气边界层内物理过程已成为高分辨率数值预报模式中 必不可少的内容目前处理行星边
3、界层PBL过程主要有两种方法其一为整体Bulk边界层方 案其二是以多层刻划模式底部的高分辨 PBL 参数化方案国内外很多学者研究指出1 2高分辨的行星 边界层方案相对于总体行星边界层方案对改善暴雨中心的模拟确有作用 而去掉边界层方案影响最大的 就是强暴雨中心的模拟边界层过程可以通过改进感热潜热动量的湍流输送地表通量和低层风湿 场等进而改善对降水的模拟MM5 模式3提供无摩擦总体Deardoff, 1972高分辨率 Blackadar 1976Zhang and Anthes1982Eta Mellor-YamadaBurk-Thomphon 和 MRF 等行星边界层参数化方案 供不同用途的模拟
4、其中Blackadar 方案适用于高精度的 PBL它根据总体 Richardson 数Rb将大 气划分为 2 个体系夜间体系和白天自由对流体系的 4 种类型稳定机械驱动湍流强迫对流不 稳定自由对流不稳定感热通量和水汽通量的计算则分别跟这四类层结相关而边界层变量的预报 则分别跟两种体系相关而 Eta Mellor-Yamada 与 Burk-Thomphon 方案4为一种湍流闭合方案它是在 K 闭合的基础上再增加了一个湍流能量TKE预报方程MRF 方案5是引入美国了美国业务全球模式 中的非局地大气边界层垂直扩散方案它是建立在 Troen-Mahrt 对反梯度项和 K 廓线的描述的基础上 垂直扩散
5、采用显式方案并允许较长的时间步长为进一步了解和认识各参数化方案的适用性和对降水 模拟的影响本文将在对其不同边界层参数化方案对比模拟试验的基础上重点讨论和研究边界层过程 的时空分布变化对暴雨的作用 1 2 天气过程分析 1999 年长江中下游地区 6 月 7 日入梅比常年提前 11 天到 7 月 22 日出梅梅雨期长达 45 天比常年平均偏多 25 天在梅雨期间梅雨锋上暴雨频繁主要降水集中在 6 月 711 日1519 日和 22 日7 月 1 日尤其以 6 月 22 日7 月 1 日的最为严重长江中下游和江南北部的降雨强度大 持续时间长特别是苏皖南部浙北杭嘉湖地区持续出现 68 天暴雨或大暴雨
6、天气本文选取了其 中的 6 月 23 日 08 时24 日 08 时的一次暴雨过程进行模拟研究 这次暴雨过程是由一股西路冷空气东进南下引起的6 月 22 日冷空气移到湖北西部槽前的正 涡度平流引导西南涡东移在两湖地区形成较大的辐合区该地区降水加强23 日上午该系统移到江 淮地区由于低涡的东移副高的稳定使得江南地区 变高加大位于华南地区的低空急流北进至安徽南 部湖北东部安徽北部出现暴雨或大暴雨图 1 为 观测的日降水量实况的客观分析结果 最外层值线是 10mm间隔 10mm较大的暴雨中心均沿着梅雨锋 分布主要暴雨区域雨量大于 50mm有两个一 个在江西北部安徽南部即汉口南京沿着长江峡 谷 呈 西
7、 南 东 北 走 向 的 暴 雨 带29N32N 114E119E观测的最大日降水量实况为 123mm 位于116.78E30.13N附近另一个暴雨区在 图 1 6 月 23 日 08 时-24 日 08 时常规观测 广西北部湖南中南部23N27N106E113E 24 小时降水实况图unitmm 附近此外在107E24.5N附近还有一个中心值为 85.8mm 的降水 3 模拟试验方案 本文采用的是 MM5 V3-4 版本中尺度非静力平衡模式以 Blackadar 高分辨率边界层参数化方案作 为控制试验选用无摩擦Burk-ThomphonEta M-Y 方案及 MRF 方案对选取的此次暴雨个例
8、进行对比 模拟试验和分析模拟区域中心位于116E 30N范围为4340个格点水平分辨率 60 公里 垂直方向 35 层不等距分层(面) 模式中考虑了积云对流网格尺度凝结辐射等主要物理过程其 中积云对流为 Kuo-Anthes 方案, 网格尺度凝结为 Reisner 的混合相方案辐射采用云辐射方案分别 考虑了晴空和有云情况下太阳短波辐射和大气及地表的长波辐射初始场以 T106 为分析背景场用常 规观测资料最优插值分析获得水平侧边界采用时变出流入流条件顶部取辐射边界条件模拟时 间从 6 月 23 日 08 时至 24 日 08 时积分步长为 90 秒 4 试验结果分析 4.1 降水量的模拟 2 图
9、 2 给出的是各方案 24hr 降水量的模拟结果由图可见 各方案模拟的降水的范围形状和位置大体相当除 B-T 方 案未模拟出江淮地区的降水中心其它方案均模拟出东北-西 南走向的带状降雨带及位于朝鲜半岛 江淮地区和西南地区的 三个降水高值区 但与实况仍有一定的差异 以江淮地区强降 水中心进行对比分析各方案对该中心的 24hr 降水模拟普遍 偏南均在 30N 以南而实际降水中心在(31N117 E) Blackadar 方案模 拟的江淮降水中 心位置较好最 大雨量值偏小 MRF 模拟的雨 量最大与实际 雨量大小也较相 符但位置偏西, 且在最大中心的 东面出现一个次 中心B-T 方案 未能模拟出江淮
10、 降水中心强降 水 范 围 太 大 M-Y 方案模拟的 位置相对来说最 好只是降水量 偏小不考虑边 界层的 null 方案 模拟的强降水范围太大且最大降水值过小上述各方案模拟的降水范围均比实际大中心位置也均比 实际偏南除 Blackadar 和 MRF 的中心值超过了 100mm其他方案均较实际偏小,均不足 100mm综合 来看无边界层方案的降水的位置和强度相对都是较差的Blackadar 高分辨方案和 MRF 方案的降水是 较理想的但相比较而言 Blackadar 方案模拟暴雨中心的位置较好 4.2 垂直速度场分布 图 2 各方案 2 4 小时模拟的降水量m m ( a ) B l a c
11、k a d a r 方案 ( b ) M R F 方案 ( c ) B - T 方案 ( d ) M - Y 方案 ( e ) n u l l 方案 ( b ) ( c ) ( d ) ( e ) ( a ) 3 研究表明2, 垂直速度对于 降水相当重要 垂直运动造成 的水汽热量 动量 涡度等物 理量的垂直输 送对天气系统 的发展有很大 的影响 大气中 的能量转换主要是通过垂直运动来实现的 图 3a是由实际观测资料用运动学方法计算得出的 850hPa 垂直速度场可以看出 23 日 20 时 主要的上升运动区沿江淮流域呈西南东北带状走向上升运动中心位于33N122E的黄海上空 中心最大速度为 8
12、.4m/s24 日 08 时该中心有所东移同时在28N114E附近出现又一上升运动中 心中心最大速度为 7.2m/s图 3b给出的是 Blackadar 方案模拟的 850hPa 垂直速度场由图可见 23 日 20 时华中地区存在两个明显的上升速度中心分别位于28N115E和27N112E大小 分别为 13.3cm/s 和 11.8cm/s排列成西南东北带状走向与实际情况比较接近在此带状等值区的西 南方向24N108E附近还有一个大值区为 10.4cm/s 24 日 08 时带状高值区断开分别位于江淮 和西南地区上空且大小也明显减弱江淮地区为 8.92 cm/s图略此时降水也明显减小除 nul
13、l 方案的积分结果未能模拟出带状垂直上升运动区外其它各方案的模拟结果均有上述特点图略可 见边界层过程对于中尺度暴雨数值模拟非常重要 它能通过改进垂直速度的模拟进而改善暴雨的落区及 强度的模拟 4.4 低空急流的作用 绝大多数江淮暴雨过程都伴随有低空急流6它可以起到三个方面的作用一是通过底层暖湿平流 的输送产生位势不稳定层结二是在急流最大风速的前方有明显的水汽辐合和质量辐合或强上升运动 三是在急流轴的左前方是正切变涡度区有利于对流活动的发生在暴雨期里850hPa 上在我国东南地 区及至朝鲜半岛南部海域上一直维持着风速在 1824m/s 的低空急流图 4 给出的是 Blackadar 方案的 模拟
14、的 850hPa 流场与等风速线分布在 23 日 20 时及 24 日 08 时东南地区均存在风速的闭合等值线 中心位于115 E27 N附近两个时次的风速大小虽有变化但强度均较大中心风速超过 18m/s 且后一时次的闭合等值线比前一时次更加狭长中心风速值也更大达到 23.1m/s急流特征更加明显 其它各方案也有相似的模拟结果急流核的范围和位置均较好但在急流强度上存在差异MRF 方案 图 3 2 3 日 2 0 时 8 5 0 h P a 垂直速度场u n i t c m / s a 实况资料分析 b B l a c k a d a r 方案模拟 a b 4 模拟的中心 风速最大 24 日 0
15、8 时达 25m/s而 null 方案的 风速值最小 为 15.8m/s 急流位置一 般在降水区 域的东南侧 雨区位于其速度大值区的左前方低空急流为降水区提供了充足的暖湿空气低空急流中心位置及强度 随时间的演变反映了低空急流与暴雨之间的正反馈作用低空急流引发了暴雨的产生暴雨的发展反过 来又激发了急流的增强 4.3 地表热通量对降水的贡献 表 1 给出的是各试验方案在考虑地表热通量和不考虑地表热通量时的 24h 累积降水中心值及每小时 降水量峰值其中 1h 降水强度峰值反映中小尺度雨团的最大强度7而过程降水是 24h 累计量其值既 反映中小尺度雨团的强度也反映雨团发生的频度HF 为考虑地表热通量
16、时的情形NHF 为不考虑地 表热通量时的情形表中括号内的数值为相应试验去除的地面热通量对降水的增幅比它反映了在模式 中计入边界层内相应地面热通量 对模拟降水的影响程度 当然 这一影响不能视为单纯边界层的作用 而是它与环流系统结合通过平流扩散积云对流和层状云降雨潜热释放等一系列物理过程的结果 表 1 各试验方案模拟的中心分类降水量unitmm 过程降水中心值 每小时降水强度峰值 降水分类 降水量 试验方案 总降水 对流降水 非对流降水 总降水 对流降水 非对流降水 HF 109 75 34 7.09 4.14 2.95 Blackadar NHF 35.6(67%) 32.6(55%) 3(91%) 3.85(46%) 3.63(12%) 0.22(92%) HF 124 112 12 8.74 3.97 4.7
