云微物理方案在高原低涡个例模拟中的应用效果分析

董宏昌，周 虹，姚 瑞

（1.定西市气象局，甘肃 定西743000；2.成都信息工程大学，四川 成都610225）

高原低涡是指在青藏高原（以下简称“高原”）生成的具有气旋性环流的涡旋系统，在500 hPa等压面常显示有闭合的等高线，是高原地区主要的降水系统之一[1-2]。高原低涡一般消失于高原东部，但也有少部分（约占23.02%）能够移出高原主体，并造成下游地区暴雨、大暴雨等灾害性天气[4-6]，因此，研究移出性高原低涡对下游区域的影响，对于提高高原临近区域的暴雨预报能力有重要的意义。

20世纪80年代我国学者就采用数值模拟的方法对青藏高原的低值系统开始了研究[7]，丁治英等[8]关于高原低涡东移的数值试验指出，低涡西部冷槽与高原低涡东移关系较大，并且高原东部低涡处在南槽北脊形势下有利于东移。孙国武等[9]的分析表明，对流层上部大尺度环境场（南亚高压流型）对高原低涡发展东移有影响。李维京等[10]的研究表明，5°×5°经纬度粗网格不能用来预报低涡系统。早期的学者使用数值方法在高原低涡的生消、动力过程等方面进行了大量研究并取得了丰富的成果，近年来也有学者使用区域模式对高原低涡的东移及其影响进行了诊断分析[11-12]，但多以讨论边界层方案对移动影响为主，对高原低涡系统模拟中云微物理等其它参数化方案发挥的作用研究还不是很充分。

云微物理过程是中尺度模式中最重要的非绝热加热物理过程之一，其在成云降雨过程发生后通过感热、潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流，并在决定大气温度、湿度场的垂直结构中起着关键作用，这也是影响降水预报的关键所在[13]。楼小凤等[14]研究指出，不同云微物理方案在微物理过程描述和处理方法上各有差异，这将导致不同方案对降水模拟存在较大差异。虽然微物理方案有明确的物理基础，但在实际的降水过程模拟中，哪种方案更理想，需要进行深入的对比试验[15-16]。这方面国内外学者已做了大量工作，Rama Rao等[17]使用两组云微物理方案（Purdue Lin、Ferrier）和两组积云方案（Kain-Fritsch、Betts-Miller-Janjic）对3次暴雨案例进行分析，得出Ferrier微物理方案及Betts-Miller-Janjic积云方案对暴雨系统的移动和降雨量都有较好的模拟效果。颜玉倩等[18]在27 km、9 km两种水平分辨率下，分别使用3种积云对流参数化方案和6种微物理方案的组合对2015年8月1—3日青海省大范围降水过程进行了模拟，结果表明WSM5微物理方案的相关系数较大且均方根误差较小，并认为Grell积云对流方案与WSM5微物理方案的组合对降水预报效果最好。牛俊丽等[13]在12 km、4 km 2种水平分辨率下，分别使用5种方案对2013年7月江淮地区历史罕见的大范围暴雨天气进行数值模拟，结果表明随着模式分辨率的增加Produe Lin方案、WSM6、Ferrier方案对降水强度的预报有明显的提高。朱格利等[19]使用8种不同的云微物理过程参数化方案模拟了2010年5月华南暴雨事件，结果表明WSM3方案对小到大雨和大暴雨模拟效果最好，对暴雨的模拟最差，WDM5方案对暴雨模拟效果较好，并结合TS评分和误差分析认为WSM5方案效果最好[19]。回顾业内的研究进展，对于不同地区的不同性质降水，云微物理方案敏感性试验得到的最优方案各有差异[20]，同时对移出青藏高原的低涡系统进行微物理方案应用研究相对比较匮乏。本文采用WRF（Weather Research Forecast）数值模式选取了多种微物理参数化方案，对2019年8月1日12时—3日18时（世界时，下同）甘肃省河东地区的一次低涡系统进行数值模拟，通过分析高原低涡系统的结构演变，对相关微物理参数化方案进行了综合评价，从而为预报业务实践提供参考。

1 天气过程概述

2019年8月1—3日，受高原低涡东移影响，甘肃省河东、四川东北部、宁夏、陕西等地出现了大到暴雨天气。通过参照青藏高原低涡客观识别相关方法[21]，以GFS资料中的分析场绘制了低涡系统移动路径，以及8月1日18时500 hPa的位势高度场（图1）。该系统于7月31日在30.8°N，88.1°E附近生成并随即向东北方向移动，8月1日18时低涡中心位于34°N，100°E，中心强度为5 812.01 gpm，低涡东南方201907号台风韦帕（Wipha）正处于我国雷州半岛（21.3°N，109.4°E）附近，低涡西北侧有弱高压系统，在此形势下低涡系统迅速移出了青藏高原，并先后经过西藏、青海、甘肃、宁夏、陕西、内蒙古、蒙古国、黑龙江等地，最后于8月10日在鄂霍次克海南部区域消失并减弱为西风槽。

图1 2019年8月1日18时500 hPa位势高度场及低涡系统移动路径和对应时间

纵观系统移动路径，整体为沿副热带高压北侧向东北移动，系统中心位势高度随东移呈下降趋势（图2），这说明浅薄的高原低涡系统移出高原后在垂直方向上得到了迅速的发展[22-23]。低涡引发的降雨多分布在移动路径的东南方向（图3），最大降水区域主要在甘肃定西、庆阳一线呈带状分布，累计降水强度与系统停留时间呈正相关。8月1日18时—3日18时甘肃河东兰州、定西、白银、甘南、临夏、庆阳、平凉、天水八市州61个观测站点有93%以上发生降水事件，其中，雨量超过20 mm以上的有41个，50 mm以上的有6个，100 mm以上的有1个。这是一次由高原低涡东移造成强降水的典型天气过程。

图2 低涡中心位势高度随时间变化

图3 WRF模拟区域、模拟时段站点降水实况散点图及系统移动路径及时间

2 模式及试验方案设计

2.1 模式简介

WRF模式是NCAR及NCEP等多家美国研究部门及大学共同研究开发的中尺度数值天气预报模式，其控制方程采用全弹性大气非静力平衡原始方程，水平方向采用Arwkrawa-C网格，垂直方向采用地形追随坐标，是一个集科研与业务一身的中尺度模式框架[24]。目前，WRF模式集成了多种物理选项，其中主要的参数化方案包括长波辐射、短波辐射、云微物理参数化、积云参数化、陆面过程参数化等。本文研究的云微物理参数化方案主要包括水汽、云和降水的显式处理过程，其主要调整组成云和降水的水滴、冰晶和雨、雪、霰、雹等降水粒子的生成、增长和转换等微观物理过程。研究表明不同微物理方案对于降水模拟结果有很大的差异[25-26]。

2.2 驱动数据及试验方案

本文采用WRF模式V4.0版本，模式初始场和侧边界场来自NCEP的再分析资料（FNL），水平分辨率1°×1°，垂直方向27层，最高层100 hPa，时间间隔6 h。降水等相关站点观测资料来源于全国综合气象信息共享平台（CIMISS），降水格点资料使用CMPAS中国区域地面—卫星—雷达三源融合降水分析产品（CMPAS-V2.1）[27]，用于模式模拟效果评估。

试验将对2019年8月1—3日高原低涡系统东移造成甘肃河东区域大范围降水的天气过程进行个例模拟。模拟的中心点为35°N，105°E，投影方式为Lambert，开始时间为2019年8月1日12时，共模拟54 h，考虑模式运行初期稳定性，本文涉及的统计检验仅在后48 h展开。物理参数化方案选择上，除云微物理外均固定选择YSU边界层方案[28]、RRTM长波辐射方案[29]、Dudhia短波辐射方案[30]、Kain-Fritsch积云参数化方案[31]、MM5 Monin-Obukhov近地面层参数化方案和Noah陆面过程方案[32]，云微物理参数化方案选择其中26种分别试验，具体试验编号和对应方案如表1，其中试验1为关闭云微物理过程，2～26为选用不同的参数化方案。网格设计上采用两层嵌套方案，模拟区域如图3，其中粗网格（d1）水平格点数为99×84，格距为12 km，模式结果输出的时间间隔为1 h；细网格（d2）水平格点数为51×51，格距为4 km，输出的时间间隔为10 min，并关闭积云参数化方案，其余参数化方案与粗网格保持一致，垂直方向粗细网格均为33层。

3 模拟结果分析

3.1 不同方案对降水分布的影响

图4为1日18时—3日18时试验区域48 h累计降水分布，其中图4a为使用中国区域地面—卫星—雷达三源融合降水分析产品（CMPAS-V2.1）绘制的降水实况数据，图b及之后为不同云微物理方案的模拟结果。其中NO.X的X为试验编号，r为格点相关系数，其计算公式为：

图4 2019年8月1日18时—3日18时降水分布

式中，N为经纬度格点数，本例中从99°～110°E、31°～39°N每隔0.1°取点，每图共取得经纬度点8 800个；pi、为第i个经纬度点模拟的降水量值及平均值为第i个经纬度点由CMPAS给出的降水量实测值及平均值。相关系数反映了模式模拟值与观测值的对应关系，体现了模拟值偏离观测值的程度，相关系数越大说明模拟值与观测值越接近[33]，这是一种国内外普遍使用的预报验证方法[34-35]。

通过相关系数得分可以看出，大部分（88.46%）云微物理方案相关系数均在0.5以上，因此大多数模拟结果都能较好的表示此次降水量的分布特征，所有方案对陕西北部、甘肃六盘山区及四川绵阳等地降水的中心给出了较好的结果，其中相关系数越高的方案与观测实况吻合程度更好，图4中表现较好的方案有：11号（0.58）、21号（0.57）、5号（0.57）；相对表现较差的为：2号（0.29）、1号（0.49）、4号（0.49）。对于表现较好的方案，均表现出对陕北至庆阳一线降水中心较好的把握能力，例如排首位的11号方案对庆阳陕北交界处降水中心的位置描绘几乎与实况一致。表现较差的3个方案整体也表示了主要的降水区域，不过各自存在一些特异性问题：其中2号量级严重偏小；1号方案关闭了微物理参数化方案，降水仅由Kain-Fritsch积云对流参数化方案产生，因为缺少了微物理过程其强降水中心更加分散、降水区域有扩散趋势，而且出现了许多东西走向的细小雨带，与实况相差较大；4号方案主要问题是漏报了陕西榆林等地的降水中心，且雨带位置有东移的情况。

降水的量级和范围问题。虽然整体而言多数云微物理方案均能给出降水雨带走向和大致范围，但大部分方案都存在降水范围和量级扩大的情况，尤其是陕西北部、甘肃平凉、庆阳区域表现较为明显，预计该问题除受微物理方案自身的影响外，与粗分辨率导致降水中心连接、其它参数化方案选择均有一定关系。另外所有方案在宁夏—内蒙—陕西三省交界处的降水中心、巴中—汉中降水中心等多存在漏报问题，经对比分析该问题与降水位置位于模拟区域边缘有关，模拟中心区域的预报能力要明显的好于边缘区域。

主要降雨带偏移情况。具体分降水区域讨论，位于延安、庆阳降水区是此过程的主要降水中心，其中方案11雨量中心带最为吻合，其次为方案5，其余方案均有一定的偏移，向西北方向偏移较严重的有18、19、10、16号方案，向东南偏移的有14、15号方案。对于宁夏及甘肃河东降水区域而言，降水中心由宁夏东部、宁夏南部至定西、天水至陇南东部三部分构成，其中宁夏东部所有方案均不理想；宁夏南部至定西一线大多数方案模拟效果较好，但部分方案雨带向甘南延伸不足，导致甘南临潭等地的弱降水区未能体现，比较有代表性的如11、22、23号方案等；天水至陇南东部一线除2号方案没有模拟出外，其它方案相差不大，但整体都存在量级虚增，范围向东扩大的问题。综合来看，5号方案在整体上更为理想一些。

3.2 不同微物理方案模拟效果检验

为了客观对比各微物理方案的模拟结果，本文针对甘肃河东站点分别使用TS评分和站点相关系数r对模拟结果进行量化分析（表2）。

表2 不同微物理方案对不同量级降水的TS评分结果

TS评分是目前气象部门常用于短期预报效果评定的工具，它可以反映模式预报结果对特定等级降水的预报准确性，其取值范围为0～1，越接近1表示模拟准确性越高，计算公式为：

式中，TS为TS评分；针对某一等级的降水，NA为模拟正确的站点数，即在站点的观测和模拟均出现了该量级的降水；NB为空报的站点数，即模拟出现了该量级的降水但观测值未达到此量级；NC为漏报的站点数，即观测到该量级降水但模拟值未达到此量级。本文将使用TS评分对WRF模拟的降水进行统计检验，并将模拟的后48 h累计降水量划分为A、B、C、D、E 5个区间，分别对应（0，10）、[10，25）、[25，50）、[50，100）、[100，250）5个降水等级，并分别计算各自的TS评分。站点相关系数的计算方法与格点相关系数计算类似，不同的是将8 800个经纬度格点替换为甘肃河东地区的61个自动观测站点。

对于不同等级降水TS评分，量级由小到大呈下降趋势，说明模拟结果虽然能够较好的把握是否降水，但是对于降水的量级和范围模拟的不够准确。对于A区间，4、7、19、20号方案评分较高，为0.95，24号方案最低，为0.9；对于B区间，1号方案评分最高，为0.85，评分最低的为2、3号方案，为0.67。对于C区间，3号方案评分最高，为0.73，2号方案评分最低，为0.24；对于D区间14号方案评分最高，为0.32，2号方案最低为0；对于E区间15号方案评分最高，为0.5，其余除6、7、9、5、8、3号方案外其它方案均未能成功模拟区间降水，评分为0。综合来看，随着量级的增加不同方案模拟准确率不断下滑，给出的结果差异也越来越大，其中2号方案最为明显。综上，通过对各降水等级TS得分相加后得到总体评分进行排序，前四分之一分别是方案11、7、9、6、5、8和1号方案，表现最差的为2号（1.84）。

3.3 降水强度的时间序列分析

对于降水事件，准确的把握降水起始时间是做好预报服务工作的重要方面，通过对比不同模拟结果中降水强度在时间维度上与观测实况的匹配情况，了解方案在时间维度的雨量分布特征，对于利用区域模式进行高分辨率预报有积极的意义。

为研究不同微物理方案在时间维度上的降雨量级分布特征，从高时间分辨率的d2区域，选择了安定、陇西、渭源、华家岭4个站点分别绘制了对应的降雨分布（图5），1号方案由于未开启微物理方案与积云方案，故无数据不进行对比。从整体上来看各个模拟结果所指示的降水时段基本上能覆盖实际降水时段，以渭源站为例，各个方案模拟的降水时段对于实际降水时段的平均覆盖率能达到96.48%，其它站点如华家岭等略差，但普遍能达到90%以上。

图5 不同方案在时间维度上的降雨量级（色标，单位：mm）分布

图6绘制了各个方案模拟结果与实况的相关系数平均值，每种方案的平均相关系数取自d2区域的安定、华家岭、渭源、通渭、漳县、陇西和岷县7个站点对应方案模拟数据与实况数据相关系数的算术平均值，数据起始时间为2019年8月1日18时，结束时间为2019年8月3日18时，每10 min累计雨量为一个数据。通过数据对比，8号方案相关性最高，其次3、5、7号方案也有较好的表现。

图6 不同模拟结果与10 min累计降水实况的相关系数平均值

3.4 云微物理方案使用对于低涡形态的影响

通过对比模式输出的500 hPa高度场数据，发现不同方案的模拟结果中低涡系统形态有各自的特征。前期试验结果说明，使用微物理过程后5号方案表现最优，2号表现最差。因此本节中选取了未开启微物理过程的1号方案和表现各异的2、5号方案，分别从2019年8月2日00时开始每隔12 h绘制了各自的500 hPa高度场。

2019年8月2日00时，方案5低涡中心已经进入甘肃甘南境内，2号方案虽然低涡系统也进入了甘南，但东移程度明显落后于5号方案，对于未使用微物理过程的1号方案，东移远远落后于使用了微物理过程的方案；至2日12时，此时2、5号方案低涡中心趋同于陇中地区，1号方案则偏向西南；至3日00时，5号方案低涡中心到达陕蒙宁交界，2号方案落后位于宁夏南部，1号方案则一直稳定在陇中区域并且中心位势高度值不断增大，而后低涡系统减弱为深槽；至3日12时，所有方案的低涡中心均移出了模拟区域。通过上述对比可得出2个明显特征：一是开启了微物理过程后描绘的低涡系统移动路径更为连续，并且能够在系统移动中保持稳定的位势高度场低涡特征，限于篇幅图6仅选取了4个时次，事实上在间隔1 h的高度场对比中可清晰的看到，1号方案从2日12时—3日00时几乎稳定的盘踞在陇中区域，3日00时之后低涡系统闭合等高线破裂，同时陕北区域出现低压系统，这一跳跃式的变化不论在其它分析资料中并未出现，也不符合低涡系统常见的变化特征，而采用了微物理过程后多能保持稳定的移动方向和连续的移动轨迹；二是对于降雨量等其它要素模拟准确的微物理方案，多能描绘更合理的高度场形态。

4 结论与讨论

使用WRF模式对一次甘肃陇中地区高原低涡降水天气过程进行了模拟，分别使用26种微物理方案进行对比试验，并从降水分布、降水量及降水时间准确性、对高度场影响等方面进行应用效果分析和评估，得出以下结论：

（1）在降水分布模拟方面，所有方案给出的结果均与三源融合降水分析产品（CMPAS-V2.1）呈正相关，是否开启微物理过程并未对相关性产生太大的差异，其中11号（Morrison 2-mom）方案表现最优，5号（WSM5）、21号（Thompson aerosol-aware）方案相对较好；在模拟结果量化检验中，5号方案甘肃河东站点相关系数最高，11号方案由于未能很好地表示出甘肃甘南区域的弱降水中心，仅排名第十。TS评分中11、5号方案均排名靠前；但综合来看，5号（WSM5）方案更能体现降水量级的变化趋势和分布特征。

（2）降水强度在时间维度上与实况的匹配，各个模拟结果所指示的降水时段基本上能覆盖实际降水时段，平均覆盖率普遍能达到90%以上。在模拟结果与实况相关性分析中，8号（Goddard）方案表现最优，3号（Purdue Lin）、5号（WSM5）等方案也表现较好。

（3）对比未开启微物理过程的情形，虽然本例中使用微物理方案在降水分布和量级准确性上提升并不明显，但其描绘的低涡系统移动路径相对连续，并且能够在系统移动中保持稳定的位势高度场低涡特征，更好地表征了大气状态。相反关闭微物理过程之后，本试验中出现了低涡位置跳跃式变化、移动速度落后于实况、低涡位置与降水实况不吻合等问题。

（4）高原低涡东移过境甘肃河东区域的数值模拟中，虽然Morrison 2-mom、Goddard方案分别在降水分布、降水发生时间等单项上表现较好，但在其它项目比较中难以保持稳定优势，相对WSM5在各个项目上均排名靠前，因此WSM5方案表现最好，而作为暖云方案的Kessler方案由于在降水量级和落区上的严重偏差，表现最差。

上述研究结论仅为一次高原低涡东移过程的模拟结果，模拟的准确性除受云微物理过程影响外，还与大尺度天气背景、模拟区域等因素相关。因此，结论是否适用于其它低涡系统造成的降水事件还有待进一步检验。