WRF中三种边界层参数化方案对新疆“2·28”大风过程模拟的对比分析

许多研究调查了模式预报对边界层方案的敏感性,这些研究基本上针对的是热力驱动的混合边界层。对于动力驱动的边界层,不同边界层方案的性能及其对边界层气象要素的预报效果还不清楚。运用WRF3.4.1中三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)对新疆"2·28"大风过程进行数值模拟,结果显示:三种边界参数化方案能模拟出发生大风的区域、大风过程中10 m风速、2 m温度和比湿的变化趋势;三种方案对边界层内大气的温度、湿度的模拟差异与它们对边界层顶的夹卷过程、边界层内垂直混合的处理有关;YSU方案的模拟结果显示更多的高空动量下传,更多的有效位能转化为动能;MYJ方案模拟大风区域更大,受地形影响更明显。

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义,湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统,离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA相似理论迭代方案B),并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下,根据边界层铁塔4层高度风速拟合,发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素,在不稳定条件下方案B低估了动量通量,方案A优于方案B,而在稳定条件下方案A低估了动量通量,方案B优于方案A,两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场农田植被交替的环境条件,不同季节下垫面植被类型的差异,以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z_0和热量粗糙度z_(0h)的差异,不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象,使用了Zeng等1998年提出的用辐射地表温度订正裸土下垫面感热能量方法后,计算结果也有明显改善。

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。

边界层参数化方案对降水预报的影响

利用新一代WRF模式模拟了2003年7月8—10日的江淮暴雨,就WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验。发现分辨率为20 km时,WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度。采用边界层方案显然比不采用边界层方案的模拟效果好,但是MYJ方案与MRF方案相比并没有明显的优越性。另外发现边界层物理过程对格点尺度降水影响很小,模式主要通过边界层物理过程和积云对流过程之间的耦合,来改善对流性降水的模拟。

古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估

为准确描述我国最大的固定/半固定沙漠—古尔班通古特沙漠区域的大气边界层结构,利用该沙漠腹地2017年的梯度铁塔和通量观测数据,基于中尺度气象模式WRF(Weather Research and Forecast v3.7.1),分析了5种边界层参数化方案在古尔班通古特沙漠的适用性。结果表明:(1)采用WRF模拟沙漠腹地近地层内的边界层特征时,2 m气温的模拟存在冷偏差,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出4个季节2 m气温的日变化特征,其中非局地方案ACM2(Asymmetric Convective Model version 2)对2 m气温效果最好,局地方案BL方案的模拟偏差最大。(2)5种边界层参数化方案均能够模拟出10 m风速的日变化特征,其中局地方案BL(Bougeault-Lacarrere)对10 m风速效果最佳。(3)采用WRF模拟沙漠近地层内的地表通量特征时,感热通量存在高估现象,潜热通量存在低估现象,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节模拟时间段内地表净辐射通量的日变化特征,其中局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjie)的模拟精度最高。

不同边界层参数化方案对天津一次海陆风过程模拟对比分析

针对行星边界层物理组成多元,气象要素分布不均匀且特点复杂,选用WRF模式中4种运用广泛的行星边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2、UW)进行数值模拟实验。结果表明:(1)4种方案均有效模拟出相关气象要素,且基于天津这一沿海城市成功模拟出海陆风;(2)4种方案原理上不尽相同,但是模拟结果中主体趋势都一致;(3)对于不同的下垫面,使用合适的方案可大大提高模拟精度;(4)目前的WRF模式还不能准确地模拟出小尺度风。