WRF模式对青海东部地区暴雨过程的数值模拟

摘要运用WRFV3.3模式通过设定模拟区域、两重嵌套网格以及针对各种物理过程选用参数化方案等，对青海东部地区2007年8月26～27日发生过的一次大暴雨天气过程进行数值模拟研究，并与实测资料进行对比分析，对WRFV3.3模式在青海地区的模拟效果进行评估。结果表明，从降水量的模拟结果来看，模式对于微物理过程和积云参数化方案敏感，對陆面过程、长波辐射、短波辐射、近地面层和边界层方案不敏感；对2007年8月26日青海东部地区暴雨过程的模拟结果进行评估，西宁、化隆、尖扎、清水河、黄南各站的12 h降水量平均误差分别为-86.5、-75.5、-71.0、-14.0、-100.5 mm；降水落区面积偏大；积分时间为0～12、12～24、 24～36、36～48 h的模拟值和观测值相关系数分别为0.66、0.57、0.60、0.51，平均相关系数0.58。

关键词WRF；青海东部地区；暴雨；数值模拟

中图分类号S161；P422文献标识码A文章编号0517-6611（2014）21-07133-03

Numerical Simulation of Rainstorm in Eastern Qinghai by WRF

ZHANG Haihong et al （Qinghai Institute of Meteorological Science， Xining， Qinghai 810001）

AbstractUsing WRFV3.3 to set area with 2 nested grids and choosing all kinds of parameterized methods， a rainstorm during Aug 26-27， 2007 in eastern Qinghai was simulated and analyzed with observed data and the effect of WRFV3.3 used in Qinghai was estimated. The results show that WRFV3.3 was sensitive with microphysics process and cumulus parameterization but not sensitive with land surface process， longwave radiation， shortwave radiation， ground layer and boundary layer parameterization based on precipitation. The average errors of 12 hours precipitation in Xining， Hualong， Jianzha， Qingshuihe and Huangnan were -86.5， -75.5， -71.0， -14.0， -100.5 mm. The precipitation area was vaster. The correlation coefficients of 0-12， 12-24， 24-36， 36-48 are 0.66， 0.57， 0.60， 0.51 and average correlation coefficient was 0.58.

Key words WRF； Eastern Qinghai； Rainstorm； Numerical simulation

基金项目国家科技支撑计划子课题（2012BAC09B05）。

作者简介张海宏（1984-），男，青海西宁人，助理级工程师，硕士，从事青藏高原地区大气数值模拟研究。

收稿日期20140623数值模式目前已成为研究大气运动过程的一种重要工具。当前国内利用数值模式进行的研究主要针对各种典型天气过程的模拟和分析[1-4]、空气污染物扩散方面的应用[5-8]以及对城市边界层效应的模拟和研究[9-11]。青藏高原位于欧亚大陆的中南部，平均海拔高达4 000 m以上。高原在地势上的巨大隆起产生的动力及热力作用不仅在很大程度上控制着青藏高原及邻近地区的天气气候，且高原地区大范围的热力异常及地气物理过程对全球气候异常与东亚大气环流及中国灾害性天气的发生、发展均有重大的影响[12-13]。2007年8月26～27日，青海东部地区发生了一次较大规模的降水过程，西宁、化隆、尖扎、清水河、黄南有不同程度的中到大雨发生，部分地区24 h降雨量超过40 mm，此次降雨过程伴随着高原低涡的东移，来自孟加拉湾的湿润气流和祁连山北麓的干冷气流在青海东部地区上空相遇，形成了一次较大规模的降水。笔者采用Advanced Research WRFV3.3模式对此次暴雨过程进行数值模拟研究。

1资料与方法

1.1WRF模式简介WRF（Weather Research and Forecasting Model）是目前国际上较为先进的中尺度数值天气预报模式，由美国国家大气研究中心（NCAR）、国家环境预报中心（NCEP）联合其他几所大学和科研机构，在整合了过去的各种模式的基础上开发，为完全可压缩非静力模式，水平方向采用Arakawa C网格点，垂直方向采用地形跟随质量坐标，积分计算时采用三阶或四阶Runge-Kunta算法。其主要原理为根据大气运动所遵循的物理规律构建大气运动基本方程组，将各个偏微分方程差分化后利用计算机程序去实现，在给定了初始条件、边界条件的情况下，可以积分计算出各物理量（风速，气压，温度，湿度等）在各时次的数值解，从而预报出未来时刻的大气状态。

1.2 数值试验设计笔者将WRFV3.3模式用于青海省数值天气预报领域，通过设定模拟区域、两重嵌套网格对青海东部地区2007年8月26日发生过的一次大暴雨天气过程进行数值模拟研究。外层区域的范围包括了整个青藏高原地区，范围3 030 km×1 530 km，网格设置为102×52，网格间距30 km；内层区域的范围包括了青海省地区，范围1 200 km×720 km，网格设置为121×73，网格间距10 km（图1）。初始场采用美国国家环境预报中心1°×1° NCEP再分析资料，模拟起讫时间为2007年8月25日12：00～28日12：00，在对2007年8月26日青海东部地区暴雨过程进行了数图1 模拟区域的范围值模拟的过程中，针对各种物理过程的参数化方案等分别选取微物理过程Lin（水汽、雨、雪、云水、冰雹）方案、陆面过程热量扩散方案、长波辐射rrtm方案、短波辐射Dudhia方案、近地面层MYJ Monin-Obukhov方案、边界层TKE湍流动能方案、积云参数化Betts-Miller-Janjic方案。

2结果与分析

2.1 天气系统的模拟从2007年8月26～27日青藏高原上空500 hPa温度场、高度场和风场的演变情况（图2）可以看出，2007年8月26日上午青藏高原西部地区有一个低涡逐步发展变化并向东移动，自西藏中部逐渐移动至青海南部，27日上午移至四川西部，在高原低涡东移的过程中，来自孟加拉湾的湿润水汽和来自祁连山区北麓的干冷气流相遇，在青海东部地区形成了降水有利条件。注：a～j依次为25日12：00、18：00、26日00：00、06：00、12：00、18：00、27日00：00、06：00、12：00、18：00。比分析，对WRFV3.3模式在青海地区的模拟效果进行评估。结果表明，从降水量的模拟结果来看，模式对于微物理过程和积云参数化方案敏感，对陆面过程、长波辐射、短波辐射、近地面层和边界层方案不敏感；从WRFV3.3模式对青海东部地区2007年8月26～27日大暴雨天气过程的模拟效果来看，西宁、化隆、尖扎、清水河、黄南各站的12 h降水量平均误差分别为-86.5、-75.5、-71.0、-14.0、-100.5 mm，模式输出的降雨量场降水落区面积偏大；积分时间为0～12、12～24、24～36、36～48 h的模拟值和观测值相关系数分别为0.66、0.57、0.60、0.51，各时次平均相关系数0.58。

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图22007年8月25～27日500 hPa风场、温度场、高度场2.2降雨量的模拟从2007年8月26～27日青海省地区地面降雨量场的演变情况（图3）可以看出，26日上午青海省东北部地区祁连山区逐步出现降雨，此后降雨范围逐步扩大，青海湖流域、海北、海东和海南各地均有降水出现；26日下午降雨范围达到最大，青海湖流域和海南6 h累积降雨量达35 mm；26日晚间降雨量范围有所扩大，降雨强度逐渐降低；27日上午降雨范围缩小，降雨强度降低，下午降雨范围再次扩大，降雨量最大地区出现在海南。

对青海东部地区2007年8月26～27日大暴雨天气过程运用WRFV3.3的模拟效果进行评估，分析了12 h降水量模拟结果误差及平均误差，结果发现（表1），西宁、化隆、尖扎、清水河、黄南各站的12 h降水量平均误差分别为-86.5、-75.5、-71.0、-14.0、-100.5 mm，模式输出的降雨量场降水落区面积偏大；积分时间为0～12、12～24、24～36、36～48 h的模拟值和观测值相关系数分别为0.66、0.57、0.60、051，各时次平均相关系数0.58。

42卷21期张海宏等WRF模式对青海东部地区暴雨过程的数值模拟3结论与讨论

将WRFV3.3模式用于青海省数值天气预报领域，通过设定模拟区域、两重嵌套网格以及针对各种物理过程选用参数化方案等，对青海东部地区2007年8月26日发生过的一次大暴雨天气过程进行数值模拟研究，并与实测资料进行对