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边界层参数化及其在中尺度数值模式中的应用

蔡芗宁  
【摘要】: 边界层参数化过程是中尺度数值天气预报模式中次网格尺度参数化过程之一,多年来一直是人们关注的问题。在中尺度模式、大气环流模式、中长期天气预报模式及模拟气候变化的数值模式中,人们已经注意到边界层所起的作用。因此各种边界层方案也纷纷应用于上述模式中,得出了许多有意义的研究成果。尽管边界层的研究已取得了许多成果,提出了各种精度的参数化方案,但许多方案还处于单点试验阶段。由于边界层参数化方案的多种多样性,也就存在着各自的优点,同时也存在着各自的局限性,至今没有一个定论。因此有必要从实践中总结出一个最佳方案。如果能将该方案进一步改进和发展,进而并入一个有良好性能的中尺度模式,那么,可以预期,其模拟结果,特别是行星边界层的模拟将会得到显著改进。这是边界层气象服务于实践的重要方面,也是本文的主要目的。 本文首先对2003年7月4-5日突袭南京的一场特大暴雨,采用非静力中尺度数值模式(MM5)进行模拟,并着重研究了不同边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布、垂直速度、散度、涡度、水汽通量散度以及θ_(se)场的影响。结果表明:在不同的边界层参数化方案下,垂直速度场、水汽通量散度场、涡度场、水平风场的散度以及θ_(se)场都表现出不同的特征;合理边界层方案的引入对预报效果有明显的改进。结合边界层和自由大气的动力、热力结构进行了综合分析,给出了边界层作用与自由大气动力、热力结构的配置情况,说明这种配置对暴雨的形成是至关重要的。 “雅安天漏”是川西的一个特殊降水现象,降水强度大、尺度小,多为局地性降水。本文以MM5模式模拟分析“雅安天漏”为代表,着重研究了不同边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布的影响以及雅安暴雨时的纬向垂直环流结构。结果表明:复杂地形条件下,特别是降水有明显日变化的地区,边界层的作用是十分重要的,这在暴雨时的纬向垂直环流结构中表现地非常明显。不同的边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布、散度和涡度的预报 均有一定的影响。从各种物理量的预报结果和配置来看,MRF方案的预报结果 最接近实况。从6种不同方案对暴雨过程预报的实验看,不同的边界层参数化 方案对雨带特征的模拟都具有一定的能力,同时模式模拟的降水对参数化方案 的选取是敏感的,不同的参数化方案模拟出的降水范围和雨量分布有所差异, 主要表现在降雨量中心强度及雨区分布上。边界层参数化对天气形势场的预报 影响不明显,但对降水中心强度及雨区分布都有较大影响。暴雨的发生发展, 不仅依赖于大尺度形势场,而且与边界层过程有着紧密联系,边界层方案是影 响暴雨模拟的敏感因子。 在上述个例试验的基础上,选了一个预报效果相对较好的边界层参数化方 案MRF方案,移植到高保真非静力区域模式(FNHRM,钟青等)中。目前正 在把WRF模式中的M灯方案移植到FNHRM模式中,再选取一些个例进行检 验,以便在新的动力框架下,察看行星边界层方案的性能。


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