WRF对兰州一次局地降水过程的数值模拟

吴捷

摘要：2020年9月22日傍晚18时，兰州发生了弱天气尺度背景的午后局地短时热对流降水天气，此次降水是由祁连山移过来的局地干冷平流与兰州近地层的暖气团交汇触发。针对此次降水过程，本论述采用WRF模式耦合不同复杂程度陆面模式NOAH 和 CLM4，从温度场、垂直风场和水平水汽通量三方面来诊断分析对流系统的发展和维持机理。结果表明： CLM4能合理地再现此次降水过程，尤其是18：30后续降水和降水落区，这可能是由于CLM4模拟的近地层温度场和垂直风场更接近实况，结合地表的水汽输送和近地层空气的加热作用促进局地辐合上升运动，加强对流系统发展，有利于边界层内对流系统的维持和持续发展，所以合理复现此次局地强降水过程。因此，陆面过程参数化方案的选择对此次局地强对流降水模拟的影响很大。

关键词：陆面过程参数化方案;WRF;局地强降水

中图分类号：P458.2             文献标志码：A

0引言

兰州地处青藏高原边缘山脉与黄土高原相间的河谷，具有独特的山谷地形，在地形抬升作用和城市热岛效应下兰州地区易发生午后局地热对流天气。局地强降水过程具有持续时间短、影响范围广、不易预报等特点，易导致街道积涝，山体滑坡等灾害，因此提高强降水预报的准确性是十分有益的事情。近年来，随着数值模式的日益完善，采用中尺度数值模式对强对流天气过程进行数值模拟和诊断分析，可以更好地理解降水内部机理[1-3]。其中，杨茜茜等[4]针对南京市2013年8月16日的局地午后热对流过程，通过不同边界层方案对比分析，得出此次对流触发是由于边界层内的湍流强度相对较强，且边界层空气较冷、湿，生成强劲的上升气流，促使了此次局地天气过程;袁成松等[5]通过 WRF模式进行诊断分析得出：边界层内强烈的垂直运动，促进不稳定能量释放，低空水汽辐合带，提供了充足的水汽条件，以及β中尺度低涡的共同作用对暴雨过程中降水的产生、加强和维持起着重要作用。

作为边界层物质和能量的源和汇之一，陆面可以直接地表感热和潜热通量分布，进而影响局地环流，所有这些因素都会最终影响边界层的热力学结构及对流系统的发展[6-7]。曾新民等[8]通过对比四个陆面模式得出降水对陆面参数化方案很敏感，且不同陆面方案模拟结果与地表感潜通量、低层大气环流和水汽辐合有明显的相关性; Gao等[9]针对广州市2017年5月6日至7日发生的创纪录的极端降雨事件，进行下垫面敏感性试验，得出此次暴雨对小尺度陆面的变化非常敏感，包括地形和土地类型，以及陆面参数化方案的选择，这表明地表条件的微小变化会间接导致降水过程的持续时间和落区。

兰州地处中国西北，属于干湿气候过渡区，对地表能量和水汽的输送较为敏感，因此，针对兰州地区开展不同陆面模式对降水模拟效果的比较工作非常必要。2020年9月22日傍晚18时兰州地区自北向南出现对流性降水天气，持续时间近3 h，兰州大部地区出现了雷阵雨、阵性大风及冰雹等灾害性天气过程。其中，最大降水量出现在永登县水槽沟为26.3 mm。城区部分街道积涝明显，导致交通严重堵塞，影响人们生产、生活。针对此次弱天气尺度背景的午后局地短时热对流降水天气事件，本论述利用中尺度数值模式（Weatherand Research Forecasting Model，WRF）耦合不同复杂程度的陆面模式，通过地表热通量、垂直风场和水平水汽通量诊断分析来探讨陆面参数化方案对边界层演变和对流系统发展的影响。

1资料与模式简介

1.1数据来源

所用数据包括：美国环境预报中心（National Cen⁃ters for Environmental Prediction，NCEP）发布的 FNL0.25°×0.25°间隔6 h 的客观分析资料，中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Surface Data AssimilationSystem V2.0，CLDAS-V2.0）提供的0.0625°×0.0625°每1 h一次降水产品。

1.2数值模式简介

本论述采用中尺度模式 WRF（Weather Researchand Forecasting V4.0）耦合CLM4（Community Land Mod⁃el Version 4，CLM4）[10]和 NOAH（unified Noah land sur⁃face model，Noah）[11]两种不同复杂程度的陆面模式。

WRF 模式是由美国国家大气研究中心（NationalCenter for Atmospheric Research，NCAR）和國家环境预报中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、俄克拉荷马大学风暴分析预测中心等，共同合作开发的新一代中尺度数值预报系统。其中，NOAH模式源于早期的俄勒冈州立大学陆面模式，该方案的土壤层厚度随地表植被类型而变化，使用迭代法求解对角矩阵以更新土壤温度，综合考虑了城市下垫面的影响。CLM4是第三代陆面模式，综合了美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）陆面模式、生物-大气传输方案（Biosphere-At⁃mospheric Transport Scheme，BATS）[12]和中国大气物理研究所的陆面模式（Institute of Atmospheric PhysicsLand Surface Model，IAP94） ，详细刻画了植被﹑积雪、土壤中的各种物理过程，强调多相态传输和动态植被的复杂处理。

1.3数值实验设计

针对兰州地区2020年9月22日的强降水过程，利用FNL分析资料为模式提供初始场和边界条件，采用中尺度模式WRF（V4.0）耦合不同陆面模式进行数值实验（分别用NOAH和CLM4表示），以及关闭陆面模式的敏感性试验（用no-flux表示）。

模式模拟采用三重双向嵌套方案（如图1所示），模拟区域中心为36.04°N 、103.90°E ，网格点数分别为163×163、244×244和367×367，对应格距分别为27 km，9km，3 km，模式垂直方向设置为50层，每组试验除陆面过程参数化方案不同外，四组试验中其余物理过程参数化方案设置均相同（见表1所列）。模拟的启动时刻为2020年9月22日08：00 BJT，连续积分18 h，模拟结果每小时输出1次。

2降水实况与天气形势分析

2020年9月22日午后祁连山东部有对流云生成，随着高空较强的西北风推动，对流云携带大量级的冷气团（局地冷平流）越过乌鞘岭，经永登，移动到受暖气团控制的兰州地区上空。由15：00～22：00逐小时降水（如图2所示）可清楚看到对流单体的触发和移动过程，于傍晚15时左右，局地冷平流和兰州城区的暖气团形成了激烈交汇，触发强对流过程，进而形成疾风骤雨、电闪雷鸣的突发天气。

由22号下午14时降水发生前500 hPa 和700hPa 环流形势场显示，兰州地区上空盛行平直的西风带，无明显的槽脊系统过程。由700hPa 高度场的水汽分布可知（如图3（b）所示），除从祁连山移来的对流云携带的水汽，兰州附近无明显的水汽输送通道，因此认为此次降水的水汽来源是对流云携带的水汽。综上，降水发生前兰州地区没有受到大尺度天气系统的影响，所以判定兰州此次降水过程为弱天气尺度背景的午后局地短时热对流降水。

3结果与分析

3.1雷达回波模拟

一般认为强降水在雷达回波观测上的数值大于或等于40 dBZ，雷暴约为45 dBZ。在绘制图4时我们重点关注雷达反射率数值大于或等于40 dBZ 的区域，认为15 dBZ 以下为杂波略去，绘制了4个代表性时次的雷达组合反射率的模拟值与观测值（如图4所示）。其中，no-flux敏感试验表明，若关闭陆气通量，则无法预报出降水，而NOAH方案虽然模拟出来降水过程但是未能合理模拟后续降水和18：30的降水落区，仅 CLM4方案较合理地模拟出兰州市强对流触发过程和降水落区。除陆面参数化方案不同外，上述三组试验其他设置均相同，因此可以合理地推测：降水模拟结果可能与陆面参数化方案的选择有较大关系。

3.2降水发生前后边界层的演变

为了直观地分析不同陆面方案在对流系统维持机制的差异，图5选取对流系统演化过程中3个时次，沿对流单体移动方向作垂直剖面，绘制边界层的发展演变图，分别从温度场、垂直风场和水平水汽通量三方面来诊断分析。

17时CLM4和NOAH在103.11°E 近地表附近的水汽辐合区（如图5（a）、（d），虚线阴影区域所示），水汽汇聚十分明显，在高空600 hPa为水汽辐散区，与实际观测一致，此时对流云带来的局地冷平流移动至兰州上空，冷暖气团交汇生成降水。此外，由垂直风场和温度场可以看出，CLM4在103.37°E 附近有上升气流，且近地表温度略高于NOAH。17：30时，在地表和近地层空气的加热作用下，CLM4模拟的垂直风场加强，103.37°E 附近有强烈的局地辐合上升运动，使边界层高度抬高，导致高空500 hPa的水汽辐散区加强（如图5（b），实线阴影区域所示），促进对流系统的维持和持续发展;此时，NOAH模拟的垂直风场较弱（如图5（e），实线阴影区域所示），高空水汽辐散区持续减弱，对流系统开始衰减，降水开始停止。

17：00～18：00，CLM4模拟的近地表温度场比NO⁃ AH高，且边界层内垂直运动也较强，将地表水汽输送至边界层，同时较强的上升气流加强了对流过程，有利于边界层内对流系统的维持和持续发展，所以模拟出       18：00后期的降水，而NOAH这些特征表现的并不明显（如图5（e）、（f）所示），所以降水在18：30后停止。

综上，此次局地强降水过程是在对流云携带的水汽和兰州地区的地表水汽输送的共同作用下产生的，其中兰州局地暖气团的热力作用导致强烈的局地辐合上升运动，加强了高空600 hPa 的对流过程，充足的水汽配合风场的垂直运动，促进了对流系统的发展且维持了较长时间。

4结论

本论述通过在中尺度模式WRF 中耦合不同陆面模式，模拟2020年9月22日兰州一次局地强降水，对比分析不同陆面过程参数化方案模拟对对流系统发展维持的影响。首先，由实际观测可知，在降水发生前期兰州地区上空盛行平直的西風带，无明显的槽脊系统过程。是从祁连山东移的局地干冷平流与兰州局地暖气团交汇，触发了此次弱天气尺度背景的午后局地短时热对流降水。

针对此次降水的对流触发过程，采用WRF耦合不同复杂程度陆面模式NOAH 和CLM4，从温度场、垂直风场和水平水汽通量三方面来诊断分析对流系统的维持机制。模拟结果表明对流触发对陆面过程参数化方案的依赖性很强。CLM4方案合理地模拟出18：30后续降水和降水落区，这可能是由于CLM4模拟的近地层温度场和垂直风场更接近实况，降水触发后，近地层空气的加热较快，形成局地辐合上升气流，较强的对流运动将近地表的水汽输送至高空，导致高空500 hPa 的水汽辐散区加强，进一步促进对流系统发展，所以CLM4方案合理复现此次局地强降水过程。

因此，结合数值模拟的诊断分析得出此次局地强对流天气过程的触发和维持机理：对流云携带的水汽和兰州地区的地表水汽输送为此次过程提供充足的水汽条件，兰州局地暖气团的热力作用为边界层风场的垂直运动提供动力条件，在水汽条件和动力条件的共同作用下边界层内产生强烈的局地辐合上升运动，加强了高空600 hPa 的对流过程，促进了对流系统的发展且维持了较长时间。

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