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1、第卷第期气象科学乙年月,在细网格模式中引人总体边界层参数 化方案的数值试验潘晓滨魏绍远空军气象学院提要本文把模式中的总体边界层参数化方案引入到十一层 细 网格原始方程数值模式中去,用它与仅考虑简单边界层摩擦的细网格模式对一典型江淮气旋天气过程分别作了小时对比棋拟试验,初步试验结果表明 边界层 总体参数化方案的引入是可行的,对模式的预报效果在某些方面有显著改进。关健词边界层,数值预报模式,数值试验一、引言众人所知,边界层过 程是大气运动的一个重要物理过 程,它在自由大气和地表之 间的能量、热量和水汽交换中起着桥梁作用,对天气系统有着直接的影响,近年来,对中尺度天气系统的许多模拟结果 亦表明,边
2、界层对中尺度系统,尤其是对暴雨的降水系统有很大 的作用二,因而,在数值预报模式中考虑边界层的影响,引入合适的参数化方案,对改进模式降水及夭气系统的预报是很有必要的。目前,在数值预报模式中处理边界层物理过 程的方法 主要有两大类幻,一类是总体边界层参数化方案,即把整个边界层看成一层,边界层内的热量、水汽和动量通量仅与地面条件有关,引入地面能量收支方程预报地面温度,通过交换系数把地面和模式最低层的温度、湿度及动量变化联 系起来。另一类是高分辨的边界层模式,如等人早期应用等人提出较有代表性的高分辨边界层模式基于计算条件及预报时效的考虑,本文把美国模式 中的总体边界层参数化方案引入我们正在为空军研制的
3、中尺度数值预报业务化系统的模式中去试图探讨引入这种方案的可能性以及对模式预报效果的影响。年月日收到,年月日收到修改稿。期潘晓滨等在细 网格模式中引入总体边界层参数化方案的数值试验一馗才乃带才聆古家 一、口,、乙户月、尸,勺 山 砂、本文 采用的空军中尺度数值预报模式为型跳点网格模式。,方程组 采用的是通量形式的原始方程组,水平格距取公里,范围取火个格点 垂直方 向等距地分成十一层,并采用 广义的。坐标系,垂直变量除垂直速度。定义在半数层上,其它变量均 定义在整数层上模式包含了简单的边界层摩擦,辐射,大尺度凝结和对流降水重要物理过 程,其中大尺度凝结用饱和凝结法计算,对流降水用郭晓岚的年方案计算
4、试验中忽略 了地形的影响。为 了验证把中尺度模式中的总体边界层参数化方案引入上述模式的可能性,本文对一次江淮气旋天气过程个例分别用了基础模式和引入了边界层总体参数化方案模式作了初步的对比试验为此,建立了下面两个基本的试验方案方案就是基础模式中考虑简单边界层摩擦方案,即分别在、两个方 向上的动量方程右端分别加上。一,一瓷一。瓷一。沁这两项其 中口为拖曳 系数,取常数沁一,为地面上的风速,计算时取模式最低层上的风代替只在模式的第十、十一层上计算动量方程右端这两项。方案把中的总体边界层参数化方案引入基础模式,取代方案且考虑 了陆分布的影响,这 时反把模式最 下一层看作边 界层,在这层中考虑 了动量、
5、感热和水汽的湍流垂直输送。首先,引入地面能量收支平衡方程预报地面温度 孕一告一个一。一。一,一,一一其 中为地面净得 短 波 辐射,令为地 面 吸收的大气向下长波辐 射,个为地 面 长波辐 射,为湍流引起的地面感热通量,一二为分子热传导项,为凝结潜热项。然后,在模式最低层的热量方程、水汽方程和两个动量方程的右端分别加上二口,口。一。口,一口这四项其中久一一凡、一几几,、分别为地面风速以及风速在、两个方向上的分量,计算时用模式第十一层上的风代替。叭、分别是模式最低层的密度、比湿、位温氏、,分别是地面位温和饱和比湿为水汽有效率。 、分别是动量、热量交换系数为拖曳系数,。,它们都是变系数。 、气象科
6、学卷为整体数。的函数三 、谧石两尸一盆其中为边界层的厚度取最低。层的高度,、,取模式最低层上的风分别取为地面和模式最低 层的温度这样,系数、在大气层结稳定和不稳定情况下的计算公式分别为在不稳定情况下一一屯一梦一云,一一汉一这里的 屯。一。一。在稳定情况下一。一。、侃为中性值,一一,一其中。为临界数,为卡曼常数。为粗糙度三、模拟结果分析本文选取年月一日一次典型江淮倒槽锋生气旋造成对流降水的天气过 程作为模拟对象,以月日时常规气象资料作为初始场,用方案、分别进行了小时的对比试验。这次天气过程从日时天气形势来看,图上整个欧亚大陆为二脊一槽型,低槽从贝加尔湖一直伸向我国的西部,并伴有较强的冷空气,相应
7、的地面图上,有一条较强的冷锋南下,锋前有一低压倒槽从我国西南地区向东北方向伸展到华北地区日时北部冷空气进入倒槽,河南的固始地面出现气旋,造成周围的雷雨天气 气旋形成以后,向偏东方向移去,时移到了渤海下面给出的是一些主要对比分析结果地面气压场图、分别给 出的是月日时地面气压场实况和、两种方案地面气压预报结果,从实况图很容易看到此时气旋已在朝鲜半岛登陆,冷高压的主体已控制了我国的大部冷高压的前缘的浙江东南部有一新生的锋面气旋很明显方案报得与实况相近,分别在冷高压的前缘山东半岛和江西的九江附近报 出两个闭合低压中心来,尽管其中位置较实况有所落后,但形势和强度都基本上报出来了。方案没有报出闭合低压,只
8、报出向东北方向伸得很深的低摺,且海上副高报得偏强,对低压或倒槽的冷高压两方案预报的结果类似,与实况也较类似此外,由于方案引入了地面能量收支平衡方程,因此,利用它可以预报地面温度,这是方案所不能的,方案预报的地面温度结果和实况较为一致 图略,且在河套到长江上游地区的地面锋区也预报出来,可见,在型跳点细 网格模式中引入地表能量收支方程是合理的,引入到模式中进行计算没有产生大的偏差。期潘晓滨等在细网格模式中引入总体边界层参数化方案的数值试验图年月日时地面气压场实况图两方案小时地面气压场预报结果实线为方案,虚线为方案高度场从高层小时预报 的结果来看,、方案预报 的等值线走 向比较 一致,均 在乌兰巴托
9、到河套一线上 空预报一气压槽,与实况较为一致,无大的差 异图略,但在低层两方案预报 的结果差 异 明显,图给出的是月日等高线实况,图给出的是方案、分别预报小时等高线的结果,从实况可以看 出,在我国的辽东、山东半岛到 华南为气压槽,方 案预报 的形势与实况似 乎一致,但它预报槽的位置基 本 上在实况的高压脊 附近,较实况落后米个径距,相差甚远,而方案尽管等值线的走向及强度报得与实况仍有一些差别,但它所报的低 压中心及其相应的槽与实况的槽位置接近因而,方 案要比方案的预报结果要好。淤罄图年月日时等高线实况图两方案小时等高线预报结果实线为方案、虚线为方案气象科学卷降水这次气旋是 由华南倒槽冷空气加入
10、锋生形成的,形成后基本上向东北方向移动,造成了自华南到东北近乎一条东北西南走向的雨带,图给出的是月日一日小时地面累积降水实况分布,可以看出,雨带范围内基本上有三个雨强中心广西南部及汉水流域各有一个降水量在以上的雨强中心,东北有的降水中心图给出的是、方案小时降水预报的结果,从图可以看出,方案预报的雨带范围、走向与实况较为一致,只是降水量较实况大一倍多,广西南部的降水中心报得与实况很接近,降水量达,汉水流域的降水中心报在了闽南,较实况位置偏南,强度达,东北地区的降水 中心报得与实况较接近,强度达,方案预报的雨 区范围太大,所报的降水强度与实况接近,它只报出一个位置在湖南长沙附近的雨强中心,降水量达
11、,因此,对降水的预报,两方案各有优劣。 释释释、找代并洲”萝萝萝图年月日时一日时地图两方 案小时地 面降水量预 报 结 果面降水实况单位 毫米实线为方案虚线为方案单位 毫米四、结语本文在未计地形影响的细网格模式里引入了一个总体的边界层参数化方案,并与一个考虑简单的边界层摩擦方案对一江淮气旋过程作了小时对比模拟试验,显然,从考虑的物理过程的角度来看,总体边界层参数化方案不仅考虑了湍流对动量的垂直输送,而且还考虑了感热和潜热的垂直输送,且动量、热量的交换系数及拖曳系数都取成变系数,考虑 了地表的非均匀性和海陆分布差异的影响,因此,方案对边界层过程的描述较方案更合理和全面事实上,从上面的分析模拟结果
12、来看,方案预报的某些方面较方案有显著改进,此外,从计算所需的。来看,用、方案作小时预报试验在。一。机上分别需印。分钟和期潘晓滨等在细 网格模式中引入总体边界层参数化方案的数值试验分钟左右,因而,在型跳点细 网格模式 中引入总体边界层参数化方案可行且有较好的预报能力。通过 以上的对比分析,可以得出以下几点在模式中考虑一个总体边界层参数化方案主要对以下低层预报结果有较大的影响 这从方案与方案预报结果相似,但在低层和地面气压场上方案较方案的预报效果有显著的改进。方案对雨区的范围、雨带的走向及降水中心位置报得与实况较为一致,只是降水量较实况夸大,这可能与考虑潜热垂直湍流输送的水汽有效率及动量、热量的交
13、换系数取得不当有关 方案尽管预报的降水强度与实际差别不大,但雨区报得太大,且降水中心没有方案报得好。方案引入能量平衡收支方程预报的地面温度与实际场相接近,说明地表能量收支平衡方程引入可行,不然,如果由地表能量收支方程预报的地 面温度与实际相差很大,则引入总体边界层参数化方案以后,预报结果 不可能好因而,能量收支方程在细网格模式 中的正确应用是 引入总体边界层参数化方案的前提 方案没有引入地表能量收支平衡方程,考虑的边界层摩擦很粗糙由于湍流垂直输送的各项因子作用及一些待定系数的获取还需做大量的个例试验,特别是在细 网格模式中引入总体边界层参数化方案考虑真实地形 的动力作用是必要的,因此,改进和完善细 网格模式需做更进一步的工作。参考文献,一一一 ,”,一一 ,斗叮一几一一以活晓滨、魏绍远用型跳点网格模式作数值预报试验气象科学一,云,动丫,一气象科学卷一一一一一己一一,一一
