The Influences of Boundary Layer Parameterization Schemes on Mesoscale Heavy Rain System

The mesoscale numerical weather prediction model (MM4) in which the computations of the turbulent exchange coefficient in the boundary layer and surface fluxes are improved, is used to study the influences of boundary layer parameterization schemes on the predictive results of the mesoscale model. Seven different experiment schemes (including the original MM4 model) designed in this paper are tested by the observational data of several heavy rain cases so as to find an improved boundary layer parameterization scheme in the mesoscale meteorological model. The results show that all the seven different boundary layer parameterization schemes have some influences on the forecasts of precipitation intensity, distribution of rain area, vertical velocity, vorticity and divergence fields, and the improved schemes in this paper can improve the precipitation forecast. Key words Boundary layer parameterization - Mesoscale numerical weather prediction (MNWP) - Turbulent exchange coefficient - Surface fluxes - Heavy rain This paper was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 49875005 and No. 49735180).

北京地区一次典型大雾天气过程的边界层特征分析

利用中国科学院大气物理研究所325 m铁塔15层风、温、湿梯度观测资料和3层超声资料,对2002年12月1-4日发生在北京地区的持续大雾天气过程进行近地面层大气边界层特征分析。结果表明,近地面大气边界层较大的相对湿度（〉70%）、较小的风速（〈3.0 m·s^-1）和风速垂直切变（〈0.02 s^-1）、稳定的层结结构以及较低的气温是北京持续大雾天气形成的主要原因。冷空气的侵入使得边界层相对湿度迅速减小,风速和风速垂直切变增大,破坏近地面大气边界层的结构,导致大雾的消散。分析还发现,大雾的维持与消散主要受风场等动力因素的影响,热力层结是大雾维持和消散的必要条件。冷空气的侵入自上而下影响平均风场,而对湍流风场的影响则是自下而上的。尺度分析结果表明,大雾期间,近地面边界层内中尺度动量通量和感热通量都大于湍流尺度的,中尺度动量通量与平均风速基本呈反相关;冷空气的侵入使得湍流通量显著加强,是导致大雾天气消失的主要原因。

边界层过程对暴雨影响的敏感性试验

用MM5v3模式对江淮暴雨进行了计入与不计入边界层和计入与不计入地面通量的敏感性试验,结果指出二者的影响是一致的,地面通量是边界层影响的主要部分。一般说,不计边界层影响,则湿位涡、水汽通量散度、涡度、低空急流等分布发生变化,其中心位置改变,强度也有改变(大部分减弱),造成总的降水减弱和降水位置的改变。边界层正是通过湿位涡、水汽通量散度、涡度、低空急流等因素的综合影响来影响暴雨,并影响暴雨的落区和强度。

边界层过程对“98·7”长江流域暴雨预报影响的数值试验研究

通过ETA模式对“98·7”长江流域暴雨过程的数值试验研究 ,讨论了行星边界层过程对暴雨数值预报的影响 ,结果表明边界层过程在这次暴雨预报中有重要作用。具体结论为 :( 1 )降水大范围落区是受大尺度流场所决定的 ,但边界层过程对暴雨预报具有重要的作用 ;( 2 )不考虑边界层过程会影响对天气系统的正确预报 ,包括影响大气低层的运动场、水汽及大气不稳定度 ,从而影响暴雨的预报 ;( 3)从时间层次上看 ,由于地表通量有着显著的日变化 ,边界层过程的作用不仅与暴雨本身发生发展及消亡的阶段有关 ,也与各阶段的时间 (白天或夜间 )有联系 ;( 4 )在空间范围内 ,边界层过程对大气的影响是通过大气流场重新分布来影响降水的环境条件 ,故地表通量分布和低层流场的相互配置作用十分重要。长江南北的情况有所不同 ,长江流域南侧区是地表通量的大值区 ,也是长江流域雨区水汽和不稳定能量的源区 。

WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究

边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度数值模式,以QNSE(Quasi-Normal Scale Elimination)边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.(2003)提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。

北京地区夏季边界层急流的基本特征及形成机理研究

首先指出了北京地区夏季边界层急流的基本特征,即北京地区边界层急流一般出现在白天高温背景下或发生局地暴雨的夜间,强度存在明显的日变化,垂直分布具有明显的“鼻状”结构特征,急流核高度一般为600～900m。从中尺度扰动方程出发,并通过天气过程演变实例,研究了地形热力作用、局地强降水在边界层急流形成过程中的作用,指出:(1)夏季高温背景下,平原与山区之间温度梯度方向、强度的变化,是造成低空风垂直切变加速或减速,即边界层急流形成或消失的直接原因,因此这种边界层急流的高度一般要低于山体的高度。(2)局地暴雨与边界层急流之间存在明显的正反馈现象:由于局地暴雨同时改变了对流层中层和近地面层气温的水平分布,这种热力强迫作用造成了边界层气流加速;反过来,边界层气流的加速又加强了急流前方的风速辐合——如果急流方向水平垂直于山坡,这种迎风坡上的辐合将更强,造成局地降水强度进一步增强。

江南地面热通量对江淮气旋暴雨影响的模拟研究

通过对一次江淮气旋暴雨个例的数值模拟，研究地面热通量与大尺度流型结合作用对气旋降水系统的影响。过程前期存在南北两大片地面热通量正值区，北片位于气旋所在处及其前方，南片位于上游低空急流处。模拟比较两片地面热通量的作用发现，前期南片地面热通量，特别是强潜热通量，通过与其上空低空急流的共同作用，对后期下游江淮气旋降水系统的加强起着更为重要的作用。对其机制的初步探讨表明：由地面通量进入低层大气的水汽，通过西南气流向长江中下游输送，改变下游大气的温湿结构，并通过积云对流和层状云雨潜热释放等非绝热过程。

1998年青藏高原东侧边界层风场与长江暴雨洪水的关系

应用１９９８年６～８月四川省和重庆市探空资料，分析了青藏高原东侧大气边界层风场演变与长江上游暴雨和长江洪水的关系。结果表明：１９９８年夏季长江上游的暴雨天气与高原东侧成都边界层风场变化密切相关，当成都边界层为东北风时，高原东侧边界层维持气旋式偏东流场，长江上游未来产生暴雨等强对流天气当为西南风等其他风向时，高原东侧边界层维持反气旋式偏南流场，未来是无降水天气；高原东侧边界层的动力激发作用是 １９９８年长江上游暴雨产生的重要机制。并且，再次证明了西邻青藏高原的成都是长江上游天气变化关键点的观点。

2010年前汛期末华南西部和东部暴雨对比分析

2010年前汛期末期中国华南出现暴雨过程,暴雨在华南西部与东部有不同影响,利用NCEP再分析资料和常规观测资料,分析此次暴雨特征与机理。结果表明:对中国华南地区整体而言,暴雨期间高层受南亚高压东南伸弱脊辐散区影响;中层副热带高压西伸脊先东退、后西伸;暴雨区位于低层相当位温锋区南侧、气流辐合;边界层偏南风急流形成后暴雨发生。分区而言,华南西部两次出现各持续1 d的多站点暴雨时期;每次暴雨站数明显增加,较之前低层能量大、中低层层结不稳定且整层大气可降水量大;两个多站点暴雨日期之间边界层中尺度偏南风急流有两次明显减弱,低层水汽辐合与上升运动发生明显中断。华南东部多站点暴雨只出现一次但持续3 d,虽然在暴雨前期3个指数条件均没有西部两次暴雨前期好,但是连续3 d多站点暴雨期间较大尺度偏南风边界层急流基本维持,低层水汽辐合与上升运动没有发生明显中断,导致了东部暴雨站点多、强度大及持续时间长。因此,对于华南前汛期暖区暴雨而言,边界层偏南风急流的生消活动与水平尺度均较重要。

长江上游暴雨的边界层动力诊断研究

本文应用诊断分析方法研究了大气边界层动力特征与长江上游暴雨天气的关系。结果表明：大气边界层对暴雨天气有重要影响，成都边界层风场分量ｕ，ｖ＜０时，对应暴雨天气，ｕ，ｖ＞０时，无降水天气；边界层内正涡度、辐合、上升运动的出现、增强、减弱与暴雨的发生、发展、结束相联系；与青藏高原东部边缘东北－西南走向地势相关的边界层动力激发作用是长江上游暴雨产生的一种物理机制。

台风“潭美”(1312)倒槽影响江汉平原强降水分析

利用热带气旋最佳路径数据、GFS(Globle Forecast System)0.5°×0.5°再分析资料以及FY⁃2E卫星TBB资料等分析2013年8月23-24日发生在湖北江汉平原的强降水机理。结果表明:23日傍晚登陆的热带低压“潭美”(1312)南北走向850 hPa倒槽在江汉平原上空停滞,江汉平原西部宜昌站与东部武汉站低层都是暖平流,但高层只在武汉出现冷平流,江汉平原先后受到两个α深对流云团影响,短时强降水站次较少、降水量较小。24日傍晚冷空气从黄河下游南侵,850 hPa倒槽在江汉平原顺时针旋转为西南至东北走向,豫鄂之间925 hPa相当位温锋区加强。宜昌、武汉都是低层暖平流、高层冷平流。宜昌静力不稳定与可降水量加大,武汉维持静力不稳定与大值可降水量,两站风的垂直切变减小,这些促使江汉平原湿对流发展。江汉平原β尺度对流云团多次合并形成一个α深对流云团,短时强降水站次较多、降水量较大。短时强降水落区与850 hPa倒槽位置关系密切。定量诊断结果表明,纬向风地转偏差科氏力促进850 hPa鄂西南24日20时以后由偏北风转为偏南风,倒槽向西移出湖北;但南北风的平流项与对流项却一直不利于鄂西南地区南风增加,它们是“潭美”低层倒槽滞留江汉平原的主要原因。

安徽北部一次局地特大暴雨过程的中尺度特征分析

利用NCEP 0.25°×0.25°再分析资料、自动站加密观测资料、卫星和雷达资料,对2018年6月27—28日安徽北部出现的一次局地特大暴雨过程进行特征分析,结果表明:(1)此次特大暴雨过程发生在冷涡后部的大尺度天气背景中,低槽具有前倾结构,环境场提供了充足的水汽和能量条件;(2)降水具有低质心暖云降水特征,后向传播、低槽移动缓慢和引导气流弱是导致降水长时间维持的主要原因;(3)雷暴高压的地面出流和环境西南风的辐合导致的边界层中尺度辐合线是对流的主要触发、维持和增强机制,与对流风暴主体靠近时边界层中尺度辐合线触发、维持和增强作用强,远离对流风暴主体时作用减弱;(4)边界层中尺度辐合线的位置与等温线密集带暖侧保持一致,对流单体主要在其冷侧新生或发展增强,强降水中心位于雷暴高压冷中心附近;(5)位于风暴后部的边界层中尺度辐合线呈准静止状是造成后向传播长时间维持,进而强降水持续降落在安徽北部地区的重要原因。

边界层和陆面过程对中国暴雨影响研究的进展

总结了近年来我国学者关于边界层和陆面过程对中国暴雨影响的研究成果。此类研究主要应用中尺度数值模式,有的对边界层过程和陆面过程做敏感性试验,有的则对模式中边界层和陆面过程参数化作改进。结果表明:边界层和陆面过程对我国暴雨有明显影响。主要表现在影响暴雨的强度以及使暴雨中心位置有一定的变动,但决定暴雨发生发展的主要因子是大中尺度动力过程。对边界层和陆面过程的改进能有效改善数值模式对暴雨的模拟。

南京地区一次降水过程湍流特征研究

利用南京大学浦口校区大气科学园的近地层湍流脉动资料及Meteorological InformationComprehensive Analysis and Process System气象数据资料,针对2008年5月南京地区一次降水过程,分析比较了降水前后的湍流强度、归一化湍流动能、近地层通量输送和速度能谱特征.结果表明:从气象要素上看,降水临近时风速变化大,温度、气压降低明显,降水期间湿度很高.从湍流特征上看,降水时湍流强度突变增大,归一化湍流动能也变大,湍流活动增强;u、v方向动量输送-u′w′、-v′w′强度都增大,但输送方向相反,此时近地层归一化摩擦速度也明显变大;感热通量w′T′迅速减小,甚至微弱逆向输送;降水前后风速能谱惯性副区基本满足Kolmogorov的-2/3次方律,降水时u、v能谱低频段峰值频率左移明显,分析低频段峰值对应涡的尺度发现,近地层中降水前后贡献湍流能量最大的涡尺度存在很大差异.

η模式边界层方案的优化及其对暴雨的数值试验

利用 1 6层垂直不等距MEM ,引入高分辨边界层方案 ,将模式垂直分层增加至2 1层 ,并将改进后的模式用于暴雨的数值模拟。结果表明 :改进后的模式对降水的预报特别是暴雨的预报有了很大的改进 ,其降水场的预报TS评分、特别是暴雨TS评分明显高于以前的模式 ,这对模式进一步的业务化具有重要意义。敏感性试验表明 :提高模式的垂直分辨率有益于暴雨预报水平的提高。模式对混合长和湿有效率较为敏感 ;

一η模式中高分辨边界层方案及对降水影响的数值试验

利用16层垂直不等距中尺度η模式,引入高分辨边界层湍流闭合方案,且将垂直分层加密至21层。将改进后的模式用于边界层过程的模拟,结果表明,改进后的模式能较好地模拟出边界层的日变化过程及边界层结构;通过对暴雨个例的数值模拟,发现改进后的模式对降水预报的TS评分,特别是暴雨TS评分有明显提高;最后对边界层过程影响暴雨的机制进行了简单的探讨。试验表明,地表潜热通量结合低空急流的水平输送是夏季切变线和准静止锋这一类强降水形成的主要原因之一。

副热带高压控制下河北局地强降水触发与维持机制分析

2018年8月5日晚上,河北中部局地强降水引发山洪并造成2人死亡。利用常规观测资料、地面自动站资料、NCEP再分析资料、VDRAS资料、风云四号气象卫星和多普勒天气雷达资料等,分析了强降水发生的环流背景及触发与维持机制。结果表明:强降水发生在500 hPa偏强偏北的西太平洋副热带高压控制之下,受北上台风云雀影响,河北上空水汽含量异常充沛:地面露点温度高达28~29℃,大气可降水量偏离气候平均达4σ以上,同时对流有效位能CAPE很大,0~6 km深层垂直风切变很弱,环境条件有利于产生强降水。河北中部三处强降水形成的物理过程各不相同:保定东南部强降水的触发和增强系统为阵风锋,阵风锋向南、向东推进形成中尺度辐合中心,雷暴单体经过辐合中心合并增强、后向传播形成准静止雨带;保定西部强降水由边界层增强的偏东气流在太行山前迎风坡抬升触发,降水形成的冷池与偏东风对峙使回波在山前维持;保定东北部强降水经历了南北向对流云带和东西向对流云带两个阶段,是夜间最强降水阶段。6日01时保定东侧低空(距地1500 m)加强的东南气流与其西侧正南气流形成的南北向辐合线使得南北向回波发展,随着东南气流转为正南气流,其与北侧偏东气流形成的准东西向暖式切变线使得回波转为东西向,夜间增强的低空偏南气流主导了保定东北部强降水回波的加强和维持,是决定强降水落区的关键因子。

北京地区一次PM2.5重污染过程的边界层特征分析

利用北京市环境保护监测中心和美国大使馆的细颗粒物(PM2.5)逐时监测数据,中国科学院大气物理研究所325 m气象梯度塔资料以及实况天气图和探空资料,对2015年11月27日至12月1日北京的PM2.5重污染过程的边界层特征进行了分析。研究发现:这次重污染过程持续时间长、强度大,其中PM2.5浓度超过75μg/m3的时次共计126 h,超过150μg/m3共计116 h,小时最高PM2.5浓度为522μg/m3。在高低空环流场配置的影响下,近地面静风和多层逆温结构抑制了污染物在水平和垂直方向上的输送,加上边界层内的深厚湿层,使得其中气溶胶不断吸湿增长,高PM2.5浓度得以维持。在重污染期间,湍流动能较低,不利于污染物的水平和垂直扩散。垂直方向的湍流动能一直占水平方向的15%～20%左右,水平湍流动能占主要贡献。摩擦速度与湍流动能呈现出相似的变化趋势,不同高度之间的摩擦速度差别不大。超出前后时次一个数量级的湍流强度尖峰的出现是湍流场发生调整的一个信号,是PM2.5浓度发生剧烈转变的前兆,预示着污染状况更加糟糕。重污染过程中感热通量的输送方向为从地面向大气输送,感热通量和潜热通量都大幅减少,并且表现出明显的日变化特征。对湍流功率谱计算和分析表明,在重污染过程期间,时间尺度为5 min至6 h的中尺度过程对从地面到大气方向的动量和热量通量输送做出了重要贡献。

WRF不同边界层参数化方案对重庆一次暴雨过程的模拟

利用中尺度天气预报数值模式(WRF)中的3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2)模拟了重庆2012年8月30日-9月1日的一次暴雨过程,结合同期的观测资料分析了3种不同边界层参数化方案模拟降水强度和降水落区的差异,对各方案模拟重庆区域内的降水能力进行了检验评估.通过垂直速度、水汽通量散度和相对涡度等基本物理量的诊断,对比分析了不同方案模拟降水的差异.结果表明, 3种边界层方案均能模拟出此次雨带的移动方向,但YSU方案能较好地模拟出降水落区、降水强度和降水趋势, MYJ方案模拟效果次之, ACM2方案模拟效果较差. YSU方案模拟降水的动力条件和水汽条件配置符合实际降水情况,是模拟效果较好的主要原因.

2009年夏季四川盆地两次暴雨过程对比分析

利用NCEP 1°×1°每6 h一次的再分析资料、常规气象站降水资料及探空资料,对2009年6月26—29日("6·26")和7月30日—8月2日("7·30")发生在四川盆地的两次暴雨过程进行对比分析。结果表明:(1)"6·26"暴雨过程降水影响系统主要是盆地中部的低槽及低层西南低涡,"7·30"暴雨过程则为两高之间的切变线、辐合线及西南低涡。(2)水汽通量流函数的对比分析显示,两次过程中水汽输送通道不同,"6·26"过程水汽主要来自孟加拉湾;而"7·30"过程则是孟加拉湾的水汽经中南半岛到达南海,与南海偏南气流汇合加强,向盆地中东部输送形成,且水汽通量的势函数及辐散分量对未来6 h累积降水的落区及中心有很好的指示作用。(3)中高层干冷空气向边界层下滑进入暖湿高能区,在埃克曼非平衡流向埃克曼平衡流调整过程中,强迫边界层中空气产生较强的垂直上升运动,且垂直运动延伸至中高层,同时激发中层的次级环流,可能是两次暴雨过程发生发展的重要物理机制。