暴雨的模拟数据与模式介绍

暴雨的模拟数据与模式介绍

1.1 数据来源

本文所采用的资料数据包括“内蒙古微气象观测蒸发试验”中自动雨量计观测的30min累积降水量数据，以及中国自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据集；数值模拟采用NCEP 每6小时一次的1°×1°格点资料作为模式的初始场和边界场。

资料的时间尺度为2012年7月28日北京时间0时至2012年7月30日北京时间0时。

1.2 模式及模拟方案介绍

WRF(Weather Research Forecast)模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度预报模式和同化系统。作为一个完全可压缩非静力模式，它的控制方程组都写为通量形式，水平格点采用Arakawa C格点，垂直方向采用了气压地形追随坐标（简称质量坐标）。重点考虑1－10公里的水平网格。模式将结合先进的数值方法和资料同化技术，采用经过改进的物理过程方案，同时具有多重嵌套及易于定位于不同地理位置的能力。WRF 模式中已经包含了多种物理选项，主要的物理过程及参数化过程包含云微物理参数化、积云参数化、长波辐射、短波辐射、边界层参数化，陆面过程参数化以及次网格扩散等。

1.3 参数化方案简介

1.3.1 微物理参数化方案

Thompson方案改进于较早的Reisner方案，用来做理想试验研究和中纬度冬季观测资料的比较，还被设计用来提高冻雨天气情况下航天安全保障的预报。Kessler方案是一个简单的暖云降水方案，微物理过程包括雨的产生、下降和蒸发，云水的增长和自动转换以及由于凝结产生的云水等程。Ferrier方案预报模式平流项中水汽和总凝结降水的变化。冰水混合相仅在温度高于-l0℃时考虑，

而冰面饱和态则假定在云体低于-10℃考虑。

1.3.2 陆面参数化方案

RUC方案有六个土壤层和两个雪层，考虑了土壤结冰过程、不均匀雪地、雪的温度和密度差异，植被效应和冠层水。计算多层土壤之间的水热传输，以及各层土壤之间的热量和水汽平衡，并使用一个显示方案计算地表通量变化 [16]。PX 方案包括一个两层的“强迫恢复”土壤温度和湿度模式，包括两个土壤层，顶层为1cm厚度，下一层为99cm厚度，从三个方面考虑水通量（蒸散、土壤水分蒸发和冠层蒸发）。方案中格元的植被和土壤参数由土地利用类型的覆盖率及土壤质地类型推得[17]。

1.3.3 边界层参数化方案

MYJ方案基于1.5阶湍流闭合的边界层参数化模式，以湍流动能q作为预报量，对所有的湍流阶量进行诊断，从而达到闭合边界层内动量方程的目的，对于经验常数也作了必要的修正[2]。其计算量小，具有一定的精确性。但同时也出现了对于边界层内湍流以及边界层特征（如边界层高度等）预报不是十分准确的问题。MYNN方案分为MYNN Level 3和MYNN Level 1.5方案，是一个预报湍流动能及其他二级通量的方案，融入了凝结物理过程，并改进了主长尺度和闭合常数，从而使得混合层厚度预报和TKE量级有所降低。UW方案主要采用1.5阶湍流闭合的参数化模式，用来预报湍流动能等物理量，M-Y 1.5级[18]。

1.3 方案设计

具体的试验过程利用WRF模式对2012年7月29日发生于阿拉善盟左旗腾格里沙漠边缘的一次暴雨进行数值模拟，采用两重网格嵌套的格式，模拟的起始时间是2012年7月28日08时（北京时间），积分72小时。区域中心位于37.7535°N,103.9226°E，模拟的区域D01、D02的水平分辨率为 30km、10km，格点数目分别为166×133、276×219，垂直分层均为35层，采用RRTMG长（短）波辐射方案、Monin-Obukhov（Janjic）近地层方案与KF积云对流参数化方案。为比较不同的参数化过程对这场暴雨模拟的影响，本文采用了3种微物理过程参数化方案（Thompson、 Kessler、Ferrier）、3种边界层参数化方案（MYJ、MYNN、UW）、3种陆面模式参数化方案（UN、RUC、PX），经过整合选取以下7组方案进行了一次敏感性实验（表2）：

表2 实验方案

微物理边界层陆面方案一Thompson MYJ UN 方案二Kessler MYJ UN 方案三Ferrier MYJ UN 方案四Thompson MYJ RUC 方案五Thompson MYJ PX 方案六Thompson UW RUC 方案七Thompson MYNN RUC