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江淮夏季大暴雨过程的特征分析及WRF模式微物理参数化方案的模拟

阚煜  
【摘要】:江淮地区地处季风区,夏季降水变率较大,20世纪80年代以来,区域持续性大暴雨有显著增加趋势,严重影响国民经济的发展。由于该地区降水异常的成因和暴雨的影响系统均比较复杂,早期对该地区暴雨过程的研究多是个例分析,系统的分类研究不多,而且,已有的模式研究对该地区大暴雨过程的模拟仍存在偏差,且受到降水物理过程的影响极为显著。因此,有必要对近年来造成江淮区域性大暴雨过程的主要天气系统进行分类研究和模拟,深入研究模式中关键的微物理方案对不同天气形势下的大暴雨模拟的影响,有助于提高对江淮区域大暴雨的模拟和预测能力。本论文首先利用2003-2012年江淮流域内的368个站点逐时降水数据对大暴雨过程进行统计。为使用更高分辨率(0.1° ×0.1°)的逐时降水融合数据(2008年-至今)进行对比验证,因此结合逐6小时NCEPFNL高分辨率的再分析资料对近五年(2008-2012年)暴雨过程的天气形势进行分类研究,将五年来区域持续性大暴雨过程主要分成三类:静止锋雨带型,台风本体或外围螺旋雨带型和副高边缘强对流型。根据以上分类,选取代表性个例,利用中尺度模式WRF3.5.1中8种不同微物理方案(Kessler、Purdue Lin、WSM3、WSM5、Eta Ferrier、WSM6、Goddard和Tompson)和2种积云对流参数化方案(KF和BMJ)组成16组对比试验,使用NCEP一日4次再分析资料(水平分辨率:1°×1°)作为驱动场,对每类江淮地区典型的区域持续性暴雨个例进行模拟,并结合上海地区一次副高边缘强对流引发的局地短时暴雨进行对比试验,着眼研究微物理方案对各类型大暴雨日的降水TS评分、降水落区、强度、降水中心以及环流形势等的影响,探究适用于不同类型暴雨的最优组合。主要结论如下:(1)两种积云对流参数化方案对江淮地区不同天气形势引起的区域持续性暴雨的模拟存在系统性的影响和差异:第一类和第三类均是BMJ方案模拟效果优于KF方案,第二类台风型暴雨则是KF方案模拟结果普遍优于BMJ。其中,静止锋雨带型,KF方案模拟降水强度普遍大于BMJ方案;台风本体或外围螺旋雨带型,KF方案组合模拟结果的格点相关性基本都大于BMJ方案,且降水强度较BMJ方案更接近实况;副高边缘强对流型,积云对流方案的改变对降水落区影响较小,落区较实测均偏南,但对暴雨强度影响较大,其中BMJ方案模拟的降水更接近实测。(2)在模拟不同类型的江淮暴雨时,不同微物理方案,对KF和BMJ两种积云方案的选取敏感性存在差异:台风型暴雨和副高边缘型暴雨中,各微物理方案受积云方案的选取影响较大。静止锋雨带型,WSM5和WSM6方案的模拟结果受积云方案的选取影响较小。但是,对三种类型的江淮暴雨模拟,Kessler方案对积云对流方案敏感性都最低,预报结果的格点相关均最小,模拟存在系统性的较大偏差。(3)微物理参数化方案的改变对暴雨中心位置和强度的影响比较显著,表现各有优劣。a)静止锋雨带型暴雨,Ferrier-BMJ方案能够最准确地模拟出降水落区(PC =0.80),且其模拟的强降水中心位置和强度与实测最接近。该方案模拟的风速较大区对应的降水区个数和位置最接近实况,且能够较好地模拟出西风带上的低槽东移以及低层明显的低涡切变线。b)台风本体或外围螺旋雨带型暴雨,Thompson-KF方案不仅对降水总体落区、强降水中心位置和强度模拟较好,并且对站点的中雨、大雨和暴雨的预报评分都有很大的优势。该方案模拟的台风结构呈现出和实测一样明显的不对称性,水汽输送充足,且副高位置最接近实测。c)副高边缘强对流型暴雨,Lin-BMJ既很好地模拟到降水的总体落区,且较为准确地模拟出强降水的中心位置和强度,尤其对站点的暴雨预报评分较高。该方案预报的副高位置与实测相比最为接近。d)但同为副高边缘强对流型暴雨,三种微物理方案(WSM5,WSM6和Lin)对上海地区局地短时暴雨的模拟结果和区域持续性暴雨有所差异:通过对降水落区、强降水中心位置、强度以及风场、位势高度、K指数场等物理量的综合分析得出,虽然WSM5-BMJ方案模拟的雪粒子混合比较大,导致其模拟的降水量比实测偏大,但其模拟的各量级降水落区、强降水中心位置、环流形势与实测最接近,因此模拟效果最优。


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