WRF对兰州一次局地降水过程的数值模拟

WRF对兰州一次局地降水过程的数值模拟作者：***

来源：《甘肃科技纵横》2022年第03期

摘要：2020年9月22日傍晚18时，兰州发生了弱天气尺度背景的午后局地短时热对流降水天气，此次降水是由祁连山移过来的局地干冷平流与兰州近地层的暖气团交汇触发。针对此次降水过程，本论述采用WRF模式耦合不同复杂程度陆面模式NOAH 和 CLM4，从温度场、垂直风场和水平水汽通量三方面来诊断分析对流系统的发展和维持机理。结果表明： CLM4能合理地再现此次降水过程，尤其是18：30后续降水和降水落区，这可能是由于CLM4模拟的

近地层温度场和垂直风场更接近实况，结合地表的水汽输送和近地层空气的加热作用促进局地辐合上升运动，加强对流系统发展，有利于边界层内对流系统的维持和持续发展，所以合理复现此次局地强降水过程。因此，陆面过程参数化方案的选择对此次局地强对流降水模拟的影响很大。

关键词：陆面过程参数化方案;WRF;局地强降水

中图分类号：P458.2 文献标志码：A

0引言

兰州地处青藏高原边缘山脉与黄土高原相间的河谷，具有独特的山谷地形，在地形抬升作用和城市热岛效应下兰州地区易发生午后局地热对流天气。局地强降水过程具有持续时间短、影响范围广、不易预报等特点，易导致街道积涝，山体滑坡等灾害，因此提高强降水预报的准确性是十分有益的事情。近年来，随着数值模式的日益完善，采用中尺度数值模式对强对流天气过程进行数值模拟和诊断分析，可以更好地理解降水内部机理[1-3]。其中，杨茜茜等[4]针对南京市2013年8月16日的局地午后热对流过程，通过不同边界层方案对比分析，得出此次对流触发是由于边界层内的湍流强度相对较强，且边界层空气较冷、湿，生成强劲的上升气流，促使了此次局地天气过程;袁成松等[5]通过 WRF模式进行诊断分析得出：边界层内强烈的垂直运动，促进不稳定能量释放，低空水汽辐合带，提供了充足的水汽条件，以及β中尺度低涡的共同作用对暴雨过程中降水的产生、加强和维持起着重要作用。

作为边界层物质和能量的源和汇之一，陆面可以直接地表感热和潜热通量分布，进而影响局地环流，所有这些因素都会最终影响边界层的热力学结构及对流系统的发展[6-7]。曾新民等[8]通过对比四个陆面模式得出降水对陆面参数化方案很敏感，且不同陆面方案模拟结果与地表感潜通量、低層大气环流和水汽辐合有明显的相关性; Gao等[9]针对广州市2017年5月6日至7日发生的创纪录的极端降雨事件，进行下垫面敏感性试验，得出此次暴雨对小尺度陆面的变化非常敏感，包括地形和土地类型，以及陆面参数化方案的选择，这表明地表条件的微小变化会间接导致降水过程的持续时间和落区。

兰州地处中国西北，属于干湿气候过渡区，对地表能量和水汽的输送较为敏感，因此，针对兰州地区开展不同陆面模式对降水模拟效果的比较工作非常必要。2020年9月22日傍晚18时兰州地区自北向南出现对流性降水天气，持续时间近3 h，兰州大部地区出现了雷阵雨、阵性大风及冰雹等灾害性天气过程。其中，最大降水量出现在永登县水槽沟为26.3 mm。城区部分街道积涝明显，导致交通严重堵塞，影响人们生产、生活。针对此次弱天气尺度背景的午后局地短时热对流降水天气事件，本论述利用中尺度数值模式（Weatherand Research Forecasting Model，WRF）耦合不同复杂程度的陆面模式，通过地表热通量、垂直风场和水平水汽通量诊断分析来探讨陆面参数化方案对边界层演变和对流系统发展的影响。

1资料与模式简介

1.1数据来源

所用数据包括：美国环境预报中心（National Cen⁃ters for Environmental Prediction，NCEP）发布的 FNL0.25°×0.25°间隔6 h 的客观分析资料，中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Surface Data AssimilationSystem V2.0，CLDAS-V2.0）提供的0.0625°×0.0625°每1 h一次降水产品。

1.2数值模式简介

本论述采用中尺度模式 WRF（Weather Researchand Forecasting V4.0）耦合CLM4（Community Land Mod⁃el Version 4，CLM4）[10]和 NOAH（unified Noah land sur⁃face model，Noah）[11]两种不同复杂程度的陆面模式。

WRF 模式是由美国国家大气研究中心（NationalCenter for Atmospheric Research，NCAR）和国家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、俄克拉荷马大学风暴分析预测中心等，共同合作开发的新一代中尺度数值预报系统。其中，NOAH模式源于早期的俄勒冈州立大学陆面模式，该方案的土壤层厚度随地表植被类型而变化，使用迭代法求解对角矩阵以更新土壤温度，综合考虑了城市下垫面的影响。CLM4是第三代陆面模式，综合了美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）陆面模式、生物-大气传输方案（Biosphere-At⁃mospheric Transport Scheme，BATS）[12]和中国大气物理研究所的陆面模式（Institute of Atmospheric PhysicsLand Surface Model，IAP94），详细刻画了植被﹑积雪、土壤中的各种物理过程，强调多相态传输和动态植被的复杂处理。

1.3数值实验设计

针对兰州地区2020年9月22日的强降水过程，利用FNL分析资料为模式提供初始场和边界条件，采用中尺度模式WRF（V4.0）耦合不同陆面模式进行数值实验（分别用NOAH和CLM4表示），以及关闭陆面模式的敏感性试验（用no-flux表示）。

模式模拟采用三重双向嵌套方案（如图1所示），模拟区域中心为36.04°N 、103.90°E ，网格点数分别为163×163、244×244和367×367，对应格距分别为27 km，9km，3 km，模式垂直方向设置为50层，每组试验除陆面过程参数化方案不同外，四组试验中其余物理过程参数化方案设置均相同（见表1所列）。模拟的启动时刻为2020年9月22日08：00 BJT，连续积分18 h，模拟结果每小时输出1次。

2降水实况与天气形势分析