边界层参数化方案在梅雨暴雨模拟中的应用比较

陆小勇 沈杭锋 吴 静

(1．浙江省气象局，浙江 杭州310002;2．浙江大学地球科学系，浙江 杭州310027)

0 引言

大气边界层与地面密切相关，地表提供的物质和能量主要消耗和扩散在大气边界层内，大气边界层是地球-大气之间物质和能量交换的桥梁［1］。与大气边界层相关的不同尺度之间的相互作用一直是大气科学中的重要研究方向，谈哲敏等［2］认为大气边界层研究可以粗略分成两类：第一类主要是大气边界层动力学、物理过程本身的研究，包括不同条件下大气边界层动力学、物理过程、边界层结构及演变等;第二类主要是与天气、气候系统相关的边界层过程、不同大气边界层模式发展以及不同层次大气数值模式中的边界层参数化问题等。

边界层过程对于降水有重要作用，大气边界层内的正涡度、辐合、上升运动的有利配置，会将热量、水汽持续不断地输向自由大气，维持暴雨天气，这种动力条件的产生、增强、减弱，制约着暴雨的发生、发展、消亡［3］。在模式模拟中，边界层参数化方案对模拟结果有重要影响。陈炯［4］用WRF模式做试验，有边界层过程比无边界层的结果更好，不考虑边界层，则对流降水少，加入边界层后，则低层辐合、垂直运动增加、层结不稳定增加，使对流的激发作用增强，即考虑边界层后，不稳定层结的范围扩大，但边界层对大尺度的降水影响较小，它主要通过与积云对流的耦合来增大对流降水;蔡芗宁等［5-6］认为边界层方案是影响暴雨模拟的敏感因子，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，即边界层影响了一些低层大气的动、热力结构，边界层可使低层大气层结更不稳定，水汽的垂直输送、涡、散度均可增加，形成深厚云层和积雨云的物理条件，边界层是对流形成的原动机，不同参数化造成上述量的差异从而产生降雨的差异。在复杂的地形条件下，边界层的作用是十分重要的。

1 模式及边界层方案介绍

文中使用的模式是美国新一代中尺度数值模式WRF，它是一个完全可压的非静力模式，采用高度模块化和分层设计，主要包括模式层、驱动层以及中间层，水平方向采用Arakawa-C坐标并支持多重双向嵌套垂直方向提供了高度坐标和质量坐标两种选择，分辨率在1～10 km。

目前，WRF模式的边界层参数化方案也在最初发布版本的基础上进行了改进和增加，现在主要有8个边界层方案(表1)，分别是MRF方案、YSU方案、MYJ方案、QNSE方案、MYNN Level-2．5 方案、MYNN Level-3 方案、BouLac方案和ACM2方案。

表1 WRF模式中边界层参数化方案介绍

在WRF模式中对于边界层的处理主要有两种方案：K闭合方案和扰动动能(TKE)闭合方案。其中，MYF，YSU和ACM2边界层方案采用的是K闭合方案;MYJ方案、QNSE方案、MYNN Level-2．5方案、MYNN Level-3方案和BouLac方案采用的是TKE闭合方案。

1．1 MRF 方案

即中尺度预报模式(Medium Range Forecast Model)方案，Hong和 Pan［7］针对充分混合边界层中的反梯度项和K廓线理论进行了描述，并引入了非局地K方案，边界层高度用临界整体Richardson数来表达，在湍流输送廓线中考虑了反梯度输送通量来处理热量和水汽。

1．2 YSU 方案

即 Yonsei University 方案［8］，该方案是 MRF方案的改进版，Noh等［9］对MRF方案进行了改进，他在风、温度廓线中考虑了逆温层中夹卷造成的热量交换，提出了速度尺度廓线和Prandtl数廓线，考虑了动量的非局地混合;WRF模式的边界层参数化选项中，MRF已经处于要移除的状态。

1．3 MYJ方案

即 Mellor-Yamada-Janjic 方案［10］，具有局部垂直混合的预报湍流动能(TKE)方案，该方案在实际模拟应用中效果较好，应用也较多，适合于研究精细的边界层结构，但是考虑相对复杂，计算量较大，而且使用不同的湍流动能控制，可以使MYJ方案在稳定边界层的表现不同，这也为MYJ的改进和升级保留了空间。

1．4 ACM2 方案

即不对称对流模式(Asymmetric Convective Model)第二代方案［11］，具有非局地向上混合和局地向下混合的非对称对流模式，能够描述对流边界层中超网格尺度和次网格尺度的湍流输送过程，而且也可以模拟在浮力热羽中的快速上升运动和湍流扩散引起的局地切变过程。

1．5 QNSE 方案

即 Quasi-Normal Scale Elimination 方案［12］，这是一个湍流动能预报选项，运用了一个适用于稳定层区域的新理论。这个方案是根据一个稳定边界层新的湍流谱闭合模式发展得到的，这个模式的优点在于能够保留更多复杂物理过程，计算更精确，可用来模拟稳定层结中的湍流切变场。

1．6 MYNN Level-3 和 MYNN Level-2．5 方案

MYNN Level 3即Mellor-Yamada Nakanishi and Niino Level 3边界层方案［13］，是一个预报湍流动能及其他二级通量的方案。此方案是Nakanishi and Niino［14］基于 M-Y level 3［15］改进而成的，融入了凝结物理过程，并改进了主长尺度和闭合常数，从而使得混合层厚度预报和TKE量级有所较低。

MYNN Level 2．5方案则是预报次网格动能方案［13］，它与 MYNN Level 3改进类同，是在原M-Y Level 2．5基础上改进的，虽然在模拟效果表现上稍逊MYNN Level 3，但其计算量和花费要比MYNN Level 3少。

1．7 BouLac方案

即 Bougeault-Lacarrère 边界层方案［16］，这是一个湍流动能预报方案，对于陡峭地形的晴空湍流强度和位置预报较好，能够提供TKE强度的持续预报。

2 梅雨暴雨实况分析

2009年7月23日傍晚开始到24日上午，在气旋低压东移即中低层切变线的影响下，浙江中北部、安徽南部出现较强降水(图1)，两省相关地区有多个站点雨量超过100 mm，其中安徽休宁县岩前站雨量达到197 mm，杭州萧山城区的降水也达到了101．9 mm。本次过程降水时段集中，主要发生在24日凌晨2时到中午12时，强降水造成了农业大面积受淹，居民商铺、仓库、住房等多处受灾，给生产生活带来了严重灾害。

图1 2009年7月23日20时到24日20时实况24 h降水量(单位：mm)

3 模拟设计及结果分析

本次模拟过程中，采用了WRF3．1．1版本，粗网格设置为30 km，细网格是10 km，中心为117°N，30°E。具通过多个参数试验的比较，得出一套最适合的参数：WSM5类的微物理过程方案，RRTM的长波辐射方案，Duhdia的短波辐射方案，Grell-3D的积云参数化方案，模拟初始时刻为2009年7月23日08时(北京时)，积分48 h，使用的初始场资料是美国环境预报中心(NCEP)1°×1°的再分析资料(FNL)。

根据不同的边界层参数化方案，设计了不同的试验(表2)，在比较过程中，首先进行同一类别的比较，再选一个代表性方案，并与不使用边界层方案进行比较，探求边界层参数化的作用和不同参数化方案之间差异原因。

3．1 K-廓线方案之间的比较

从YSU试验和ACM2试验的模拟形势场来看(图略)，无论是海平面气压场，还是850 hPa，500 hPa高度场，两者的天气形势基本一致，低层气旋的强度和位置相接近，而且与实况天气形势相比，也显得较为成功。

但是从模拟24 h雨量情况来看，两个试验之间还是存在一定的差别(图2)。整体而言，两个试验都模拟出了实况降水带，而且位于安徽南部的强降水中心位置比较接近，最大雨量都到达了200 mm以上，与实况最大雨量相一致。但是ACM2试验的降水带分布比较散乱(图2a)，实况主降水中心左右两侧各有一个次中心，而ACM2试验没有很好体现出来;YSU试验不仅雨带集中呈条带状(图2b)，而且两个次中心雨区也有所呈现，因此，YSU方案相比ACM2方案更佳。

表2 试验设计

图2 积分第12～36 h模拟降水与实况降水图(单位：mm)

YSU考虑了在由热力产生的边界层湍流中，增强混合，而在机械引起的边界层湍流中，减弱混合，并整合了夹卷过程的显式方案，还考虑了水汽效应;加入了增强稳定边界层的扩散算法。相比之下，ACM2方案在原理性考虑上不如YSU全面，当然ACM2对于烟羽、涡旋扩散考虑更细致，可能在大气污染扩散中更适用。

3．2 TKE 方案比较

通过对5个TKE试验形势场的比较(图略)，可知，同一类方案在大尺度形势场上基本没有变化，主要还是通过降水情况来做一个比较。

5个方案中，BouLac方案的最大降水量及次降水中心都与实况有一定差距(图略)，同时MYNN2试验(图3b)的最大降水量在180 mm以上，而且主中心左右两侧的次中心并不清楚，因此，这两个试验都不如其他3个。

图3 积分第12～36 h模拟降水与实况降水图(单位：mm)

MYJ试验(图 3a)、MYNN3(图 3c)和 QNSE(图3d)3个试验相比较来看，雨带都比较集中，MYJ最大在200 mm以上，主中心对应较好，但是次中心对应不够明确;QNSE主中心基本同MYJ，但西侧次中心明确，且最大雨量在210 mm以上;MYNN3除了模拟出主中心和西侧次中心之外，东侧次中心带亦比前两个明显，但不足的是最大雨量有所降低，为180 mm以上。综合以上分析，我们认为MYNN3试验的效果应该是最佳的。

MYNN3是基于M-Y level 3改进而成的，融入了凝结物理过程，并改进了主长尺度和闭合常数，从而使得混合层厚度预报和TKE量级有所较低，这可能是此方案相比于MYJ方案中心更明确、落区位置更佳而雨量有所减小的原因。

3．3 K-廓线、TKE和NOPBL的比较

通过以上比较，我们得知K-廓线方案中，YSU试验的效果较好，而TKE方案中，MYNN3的效果最佳，加上不使用边界层参数化试验，即NOPBL试验，将这3个试验做一个比较，来看一下使用边界层方案对模拟会有怎样的影响，不同类型的边界层参数化方案之间会有怎样的区别。

图4 NOPBL试验积分第12～36 h模拟降水与实况降水图(单位：mm)

图4是NOPBL试验的24 h降水情况，可以看到雨带比实况要略微偏南，主雨量中心位置也有偏差，更明显的是，雨量整体减小了很多，最大雨量只有60 mm左右，因此在10 km模拟精度下，边界层参数化方案的使用对模拟效果还是有非常大的影响。

YSU试验和MYNN3试验比较来看，MYNN3试验(图3c)虽然比YSU试验(图2b)的雨量略小，但是主降水中心的位置比YSU更加接近实况中心，而且东西两侧的雨区和次中心更加明显。

从海平面气压场来看(图5)，当不使用边界层方案时，下层平滑，导致低涡中心发展东移速度较快，这造成了局地降水时间的减短，从而使得雨量偏低;而YSU方案和MYNN3方案与实况比较一致，且相互之间区别不大，而越往上相互之间的差异越小。

图5 积分第24 h的模拟和实况海平面气压场(单位：hPa)

从上面分析可以看到，使用与不使用边界层参数化方案，结果相差很大，最主要体现在雨量的锐减和低层的形势场，对中高层的影响较小，这可能是因为没有了PBL的作用，低层的水汽、热量没有及时充分输送到对流系统，从而影响对流的发生和维持，导致雨量的减少。而不同类型的边界层方案，由于考虑的原理有所不同，使得动量扩散系数和热量扩散系数计算方式不同，由此造成了模拟结果有所差异。

4 结语

通过不同参数化方案的比较发现，不同原理的PBL方案，由于都已经考虑比较全面的边界层物理过程，对模式模拟都已经有很好的效果;边界层对模拟的影响主要在低层，对暴雨强度有影响，对落区也有部分影响，地气间的各种交换改变了低层大气的水、热条件，通过对物理量的垂直输送，加剧感热和潜热的释放，加强垂直运动，增强边界层内辐合和低层的水汽辐合，使不稳定层结加强，从而激发并加剧暴雨和强对流。

不同的边界层方案，结构会所有不同，使得边界层内动量、热量、水汽以及能量的垂直输送有差异，从而对模拟结果会产生影响。就此个例而言，WRF3．1增加的 MYNN Level-3方案具有最佳的模拟效果。

现有边界层方案中，依然有部分问题尚待解决，如在稳定条件下的混合;边界层参数化方案与积云参数化的直接耦合;对流边界输送中非局地分量的确定;有待进一步研究完善。

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