陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响

汪雅,苗峻峰,谈哲敏

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;2.上海市气象局,上海 200030;

3.南京大学 中尺度灾害性天气教育部重点实验室,江苏 南京 210093)



陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响

汪雅1,2,苗峻峰1,谈哲敏3

(1.南京信息工程大学 大气科学学院,江苏 南京 210044;2.上海市气象局,上海 200030;

3.南京大学 中尺度灾害性天气教育部重点实验室,江苏 南京 210093)

摘要：利用耦合复杂程度不同的陆面过程参数化方案(Noah、RUC)的新一代中尺度数值模式WRF,对2006年6月24日发生在宁波地区的一次典型的雷暴过程进行了数值模拟试验。结果表明:对于雷暴发生前期近地面热力、动力场的特征,Noah方案的模拟较为逼真,RUC方案没有反映出下垫面覆盖的多样性以及城市下垫面的影响,城乡之间差异不明显;Noah方案模拟的雷暴启动、发展过程与观测较为一致,RUC方案较好地描述出了演变过程中的关键阶段(3次合并过程);由于参数化所考虑的要素和物理过程存在一定差异,Noah方案在对降水的强度、降水中心位置的模拟方面具有一定优势;雷暴的持续时间对陆面过程参数化方案的选择比较敏感,两个方案所模拟的雷暴过程持续时间不同程度地长于实际雷暴持续时间;无论是哪种下垫面覆盖类型,白天Noah方案模拟的感热通量均大于RUC方案,而Noah方案模拟的潜热通量均小于RUC方案。

关键词：雷暴过程;陆面过程参数化;Noah方案;RUC方案;数值敏感性

0引言

雷暴是在发展强烈的积雨云中产生的,伴有雷电、大风和冰雹等多种天气现象的中小尺度天气过程,是我国夏季常见且严重的自然灾害之一。它发生发展的突发性和局地性强,预报难度大,因而对雷暴的观测和研究工作一直以来受到气象学者们的广泛关注。我国对雷暴的研究起步相对较晚,较多的工作为依赖于大尺度环境背景场和探空资料针对个例的天气分析(李志楠和康玉霞,1995)或多个个例的气候学统计(张敏锋和冯霞,1998;陈思蓉等,2009),但由于时间和空间的分辨率较低,这些研究工作对于雷暴的认识非常有限。随着加密观测网络的布置和天气雷达的不断发展,雷暴在发生发展过程中精细特征的识别及其位置的精确定位逐渐成为可能(肖辉等,2002),但目前天气雷达难以分辨到近地层的回波特征,并且很难深入地揭示出雷暴过程的影响机制(李昀英等,2008)。

近年来,随着计算机的快速发展和数值研究的逐渐深入,雷暴等强对流天气过程的数值模拟研究工作也陆续开展。何宏让等(1999)采用一个二维云模式,对副热带高压后部的强雷暴的产生及发展进行了数值模拟,并探讨了不同初始扰动方案对模拟效果的影响。陈力强等(2004)运用早期版本的MM5模式对东北冷涡诱发的强风暴过程的垂直环境条件和不稳定能量积累机制进行了分析和讨论。张春喜等(2005)在对山东地区的中尺度对流系统的大尺度环境进行诊断分析的基础上,用WRFV2通过对比试验的方法研究了初始对流的触发机制。

上述数值模拟工作侧重于中尺度动力过程本身的研究,所使用的模式动力学框架较为简单、精度不高,另外对于陆面(大气下边界)过程的影响被较少地考虑到。事实上,陆面过程势必影响到中短期天气的演变,因为太阳辐射、大气逆辐射的能量直接由陆面过程分配为感热和潜热,并反馈到大气(曾新民等,2012)。同时,数值模式中对云以及大气边界层温、湿度特征的准确描述也主要依赖于下垫面的土壤、植被特征和物理生化过程(Xiu and Pleim,2001;Miao et al.,2008,2009)。因此,在对中短期天气过程的数值模拟中,陆面方案的选取起着非常重要的作用。近年来,不少研究表明中小尺度天气过程模拟的结果对陆面参数化方案的选取具有依赖性,如,马红云等(2009)用WRF模式讨论了不同陆面参数化方案对暴雨过程的影响,其研究结果表明:强降水中心位置、降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的。曾新民等(2012)针对南方地区强降水事件也作了类似的研究,并指出陆面方案通过影响地表蒸发量以及低层环流及水汽辐合,从而影响大范围降水。然而,以上的研究区域主要集中于江淮之间和华南一带,对浙江等地的研究较少;研究内容也多限于较强的暴雨事件,针对雷暴等强对流天气的研究较少。

宁波位于我国东海沿岸,海陆风现象较为显著(宋洁慧等,2009)。海陆风的发生发展会影响沿岸地区温度场、湿度场、风场的分布,并引起低层大气层结状况的改变,与沿岸积云对流系统的分布、移动和发展有着密切的关系(Talbot et al.,2007;王玉国等,2009;汪雅等,2013;苗峻峰,2014)。统计显示,宁波境内全年雷暴日均在40 d以上,属于雷暴高发地区。到目前为止,针对宁波地区雷暴等强对流天气的模拟研究仍然很少。因此,本文以宁波及周边地区为研究区域,在汪雅等(2013)的基础上,利用新一代中尺度模式WRF分别耦合不同的陆面过程参数化方案对发生在该区域的一次强雷暴过程进行了数值模拟,目的在于探讨雷暴过程数值模拟对陆面过程参数化方案的敏感性,为天气研究和预报业务中合理选择和使用中尺度模式陆面过程参数化方案提供一些依据。

1雷暴个例与天气过程简介

2006年6月24日14—23时(北京时间,下同),宁波市出现了强雷暴天气,局部遭受8～10级的大风和短时暴雨的袭击。根据宁波市气象局降水资料记录,有11个站1 h雨量达到30 mm以上,属短时极强暴雨。

1.1　天气尺度背景

有利的大尺度环流形势为本次雷暴的形成提供了良好的天气背景条件:从该日08时由NCEP FNL 1°×1°资料分析的500和850 hPa等压面环流形势(图1)可以看出,此时500 hPa高度上内蒙古北侧受低压控制,副热带高压脊线位于24°N附近,宁波位于高压的顶后部,水汽从南海沿高压西北侧的西南气流向浙江东部输送。低层(850 hPa)上,宁波地区受西南气流控制,无明显切变线系统。地面上宁波位于低压中心附近,风场有气旋式辐合(图略)。24日上午,宁波云量较少,受短波辐射地表强烈加热,下层暖湿上层干冷的垂直结构形成强烈的不稳定层结,为对流的发展提供了充足的能量。图1的阴影区分别给出了14时的地面抬升指数和对流有效位能,此时宁波地区具有较高的对流有效位能,地面抬升指数也为相对高的负值区,有利于强对流的爆发。

图1　由NCEP FNL 1°×1°资料分析的2006年6月24日08时风场(箭矢;单位:m·s-1)和位势高度场(等值线;单位:dagpm)　　a.500 hPa(阴影表示14时地面抬升指数;单位:℃);b.850 hPa(阴影表示14时对流有效位能;单位:J·kg-1)Fig.1　Wind field(arrows;units:m·s-1) and geopotential height field(contours;units:dagpm) at 08:00 BST 24 June 2006 based on NCEP FNL 1°×1° reanalysis data　　a.500 hPa(shaded area represents the lift index at 14:00 BST;units:℃);b.850 hPa(shaded area represents convective available potential energy at 14:00 BST;units:J·kg-1)

1.2　雷达资料反映的对流发展特征

图2给出了2006年6月24日午后由宁波雷达观测到的对流在宁波及周边地区的发展情况。13时之后,在宁波市沿海、慈溪余姚南部一线有辐合带生成。14时以后,沿海生成的辐合带上开始有强对流回波生成(图2a)。同时,从杭州西北部生成的东移的强回波到达杭州湾顶,并逐渐影响余姚和慈溪(图2a MCS1)。随后,外来回波和本地生成回波一并向南发展传播。16时在宁海北部和象山港(图3b中的“Xiangshan Bay”)北侧有强回波生成,向东偏北方向移动,与前面南移的局地回波在象山港北岸合并加强为MCS2(图2b)。此后,合并的回波向南发展,到象山港上空与MCS1合并为MCS12(图2c)。同时,宁波南部有强回波(MCS3)向北移动,18时之后MCS3与MCS12在象山港山上空合并加强为MCS123并向南传播,入海后强度减弱并逐渐消亡。另外,18时后宁波西南侧有回波单体生成,并逐渐东移。由上可见,本次雷暴过程是一次典型的外来回波与局地生成回波综合作用而发展加强的强天气过程。

图2　2006年6月24日宁波雷达观测到的雷达基本反射率(0.5°仰角;单位:dBz)a.14时51分;b.16时20分;c.17时40分;d.19时16分Fig.2　Radar basic reflectivity images observed by Ningbo Radar on 24 June 2006(elevation angle is 0.5°;units:dBz)　　a.14:51 BST;b.16:20 BST;c.17:40 BST;d.19:16 BST

2陆面过程参数化方案简介

本文数值模拟研究采用的模式是中尺度模式WRF,它重点考虑从云尺度到天气尺度等重要天气的预报,在目前的短期天气预报业务和研究中得到了广泛应用。与它的前身MM5中尺度模式相比,WRF模式考虑了较为详细的陆面过程,可以描述不同下垫面的感热、潜热通量的传输过程,并将其作为下边界条件耦合到大气模式中,进一步加强云、辐射、降水等过程的模拟。

本文选取了两个比较复杂的并且被广泛使用的陆面过程参数化方案来研究雷暴过程数值模拟对不同陆面过程参数化方案的依赖性:1)Noah方案,源于早期的俄勒冈州立大学(OSU)陆面模式(Pan and Mahrt,1987),其后多个机构对其进行了合作开发并不断完善逐渐发展为现在版本。从WRF V2.0之后,Noah方案考虑了城市下垫面的影响,许多与城市相关的参数(表面反照率、粗糙度、体积热容量、土壤热传导率、植被成分)在Noah模式中被作了调整和改进(Miao et al.,2007)。2)RUC方案,采用了美国国家环境预报中心(NCEP)天气业务预报系统RUC(Rapid Update Cycle)模式中的陆面物理参数化方案(Smirnova et al.,1997)。两种陆面过程参数化方案的主要差异见表1和杨薇等(2014)。

3模式设置和试验方案

本研究采用的模式版本为WRF-ARW V3.2,模式的初始场和边界条件由NCEP FNL 1°×1°再分析资料提供。模式使用四重嵌套方案,水平格距分别为27、9、3、1 km,垂直方向均具有不等间距的35个σ层,其中2 km以下设置24层,模式层顶气压设为100 hPa。图3为模拟所用网格嵌套示意图与最内层网格区域的地形及主要自动气象站的分布。最外层区域为我国中东大部地区,提供大的背景强迫。最内层网格区域D4覆盖了宁波及其周边地区,为

图3　模拟区域示意图　　a.四重嵌套区域;b.D4网格区域的地形(单位:m)及部分自动气象站的分布;c.D4区域陆面覆盖类型Fig.3　Modeling domain settings of the simulation　　a.Domains 1,2,3,and 4(denoted by D1,D2,D3,and D4);b.Model terrain(units:m) in D4 and the distribution of automatic weather stations;c.land cover category in D4

本文的研究区域(图3b),格点数160×166。短波辐射采用Dudhia方案,长波辐射采用RRTM方案,近地面层采用Monin-Obukhov方案,边界层选用YSU方案,微物理过程采用Lin方案,积云对流采用Kain-Fritsch方案(D3、D4不采用)。陆面覆盖采用Boston University/NCEP提供的MODIS 30″格点资料,其土地利用/土地覆盖类型分布如图3c所示,其中主要类型为:水体(蓝色),混合林(绿色),农田(黄色),城市及建筑用地(红色)。模式结构详见汪雅等(2013)。

为了比较不同的陆面过程参数化方案对2006年6月24日的这次雷暴过程模拟的影响,本文选择两个比较复杂的并且被广泛使用的Noah和RUC陆面参数化方案分别对本次雷暴过程作模拟试验。模式积分时间为2006年6月23日08时至25日08时,模拟结果1 h输出一次,各试验前16 h为模式积分调整(spin-up)时间。除了陆面过程参数化方案外,两个试验所选的物理过程和模式配置完全一致,因此不同试验模拟结果的差异可以看作是由不同的陆面过程参数化方案所引起的。如不做特殊说明,文中对模拟结果的分析均是针对D4区域。

表1Noah与RUC陆面过程参数化方案的差异

Table 1Differences between Noah and RUC land surface process parameterization schemes

Noah方案RUC方案预报变量4个土壤层上的土壤温度和湿度,地表温度,冠层水分,积雪厚度和密度。6个土壤层的土壤温度和湿度,地表温度,冠层水分,积雪厚度和密度。植被参数化①采用隐式方案求解能量和水分平衡方程;②植被影响包括在其中,植被指数选项随时间变化;③处理蒸散时使用土壤和植被类型,植被参数(如:地面粗糙度和反照率)依赖于植被类型,土壤热力特性依赖于土壤类型;④考虑了植被的蒸发作用,植物的蒸腾作用以及植被的截留作用⑤在地表交换系数中引入热力粗糙度,潜在蒸发通过求解彭曼方程得到;⑥为行星边界层提供热量和水汽通量。①能量和水分平衡采用隐式方案求解;②植被影响包括在其中,地面粗糙度作为植被类型的函数引入;③把植被与裸土的蒸发分开考虑,植被的蒸腾作用较为简单,对参数化并不敏感;④各层能量和水汽收支近似平衡;⑤包括3个蒸散分量:裸土蒸发作用,植被蒸发作用,植被蒸腾作用;更多的长波辐射冷却;⑥为行星边界层提供热量和水汽通量。土壤参数化①4个土壤层,自上而下厚度依次为:10,30,60,100cm;②考虑热力扩散和水汽输送,采用迭代法求解对角矩阵来更新土壤温度。①6个土壤层,自上而下厚度依次为:2.5,2.5,15,20,120,140cm,顶层土壤较薄;②土壤湿度由Richards水分传输方程求解,土壤导水率由二阶数值逼近法得出。

4模拟结果分析

4.1　陆面参数化方案对对流系统发生、发展过程的影响

由宁波雷达实际观测结果(1.2节)可以看出,本次雷暴过程中主要存在3个中尺度对流系统的发展演变过程。与图2相对应,图4给出了Noah方案和RUC方案模拟的对应时间约1.5 km高度雷达回波。两个方案清晰地再现了3个MCS初始、发展、合并与增强的过程。24日13时,两个方案均模拟出了局地生成回波,但RUC方案模拟的回波强度较小且位置分散,系统发展过程相对滞后。图4b、f反映出两个方案都模拟出了北来的回波系统已移动到慈溪—余姚一带,但是RUC方案模拟的MCS1回波强度和回波面积偏小。由图4c、g可见,RUC方案模拟出了MCS1与MCS2的合并过程,而Noah方案并没有较好地展示出回波系统的合并过程。18时之后,两个方案均展现出了3个系统的合并过程(图4d、g),然而RUC方案所模拟的系统影响范围较小,只有Noah的2/3,位置偏西南约20 km。此外,两个方案均模拟出了18时之后于宁波西部生成的回波单体,该系统形成时间与实际相比晚了约1 h。纵观整个雷暴演变过程,两个方案分别在不同阶段展现了各自的优势:Noah方案对雷暴的启动与发展过程及其雷暴的强度和位置的模拟较为合理,而RUC方案较好地描述出了雷暴演变过程中的关键阶段,如三次合并过程。

图4　模拟的2006年6月24日模式D4区域约1.5 km高度的雷达回波(阴影;单位:dBz)和10 m风场(单位:m·s-1)a.Noah方案13时;b.Noah方案15时;c.Noah方案18时;d.Noah方案20时;e.RUC方案13时;f.RUC方案15时;g.RUC方案18时;h.RUC方案20时Fig.4　Simulated radar reflectivity(shaded areas;units:dBz) at 1.5 km level and wind field at 10 m(units:m·s-1) in D4 on 24 June 2006　　a.Noah scheme at 13:00 BST;b.Noah scheme at 15:00 BST;c.Noah scheme at 18:00 BST;d.Noah scheme at 20:00 BST;e.RUC scheme at 13:00 BST;f.RUC scheme at 15:00 BST;g.RUC scheme at 18:00 BST;h.RUC scheme at 20:00 BST

4.2　陆面参数化方案对近地面热动力结构的影响

陆气之间不断进行的热量、动量和水汽交换对大气边界层的热动力结构产生重要影响,进而可影响到雷暴等强对流天气的发生和发展。蒙伟光等(2005)的研究表明陆地表面可通过对前期温度场、气压场、流场的影响,对对流的启动和中尺度对流的形成起作用。

图5a、b显示了雷暴发生前期不同方案模拟的D4区域的近地面温度场。由图可见,在陆地上,陆面覆盖的复杂性引起了近地面气温分布的非均匀性,2种方案模拟近地面气温分布差别较大。Noah方案模拟的近地面气温分布较为合理,沿海温度低,内陆温度高。同时,Noah方案模拟出了白天宁波西部四明山地区由于谷地和山地的热力对比形成温度低于四周的事实。另外,Noah方案模拟出了城市热岛效应(黄利萍等,2012,2013),即城区气温普遍高于周围郊区的现象。而RUC方案模拟的近地面层气温呈现高温分布,值普遍在34 ℃以上,没有合理地反映出下垫面覆盖的多样性以及人为排热对温度分布的影响。

近地面气温的非均匀性引起了空气密度和气压的区域性差异,并进一步产生局地环流叠加在背景风场之上。图5c、d给出了24日12时的10 m风场的分布,可见,西部陆地上受偏西背景风主导,而东部海域上背景风为偏南风。在宁波市的西北岸和东北岸,2个方案都模拟出了比较明显的海风特征。海风与背景风在宁波北部沿岸一带辐合。在辐合区上对应着较强的抬升运动(图略),配合一定的不稳定层结和水汽条件,局地的弱对流系统逐渐发展起来。值得注意的是Noah方案不仅模拟出了海风的特征,也模拟出了城乡温度差异引起的水平流场,热岛流场与背景风、海风叠加并在城郊辐合,也进一步促进了抬升运动和对流的发展。另外,需要指出的是Noah方案在东南部海域上模拟的风速明显大于RUC方案,其原因有待进一步研究。而RUC方案对城市下垫面特征的描述并不充分导致了近地面风场的辐合抬升运动并没有Noah方案强烈,这可能是RUC方案模拟的雷暴发展初期回波较弱的一个原因。

图5　Noah(a,c)和RUC(b,d)方案模拟的宁波地区2006年6月24日12时的2 m温度场(a,b;单位:℃)和10 m风场(c,d;单位:m·s-1)(图5a中多边形区域为宁波市的中心城区)Fig.5　(a,b)Air temperature(units:℃) at 2 m and (c,d)wind speed(units:m·s-1) at 10 m in Ningbo area at 12:00 BST 24 June 2006 simulated by (a,c)Noah and (b,d)RUC schemes(The polygon area in Fig.5a denotes the central city area of Ningbo city)

随着海风的移入,对流系统在辐合区上逐渐发展起来(图4a、e),同时海风从海面上携带了大量的水汽为后续对流的增强提供充沛水汽来源,这与Suresh(2007)的观测结果相一致。之后,随着北来的强对流系统逐渐登陆宁波,由于雷暴云中产生的下沉气流到近地面时向四周散开,使得宁波北部近地面风场结构发生了较大的改变(图4b、f)。风场以强回波区为中心向四周辐散,辐散中心外围风速均大于10 m·s-1,甚至出现了18 m·s-1的大风,大风和周围的背景风叠加在回波附近形成更强烈的辐合,强烈的辐合引起的抬升促进了回波的东南侧新单体的生成,强度逐渐增强。同时,雷暴大风的覆盖范围也向东南扩展。在移动的过程中,强对流系统与东南岸的海风相遇,使局地对流与移入对流在象山港西北侧合并加强。由于RUC方案模拟的象山港北侧的海风强度较强,RUC方案模拟的第三次合并过程早于Noah方案(图4c、g)。由于太阳辐射的消失引起海陆温差的演变并且受雷暴系统的风场掩盖,18时之后海风特征变得逐渐微弱,近地面主要由偏南风主导。

为进一步比较Noah方案和RUC方案模拟的风场和温度场的差异,分别对各时刻温度场和风场作区域内站点平均并与观测值对比(图6a、b)。比较模拟与观测,2种方案均较为真实地模拟出了气温的日变化特征,但所模拟的最高气温出现的时间均提前了约1 h。不同陆面参数化方案对温度量值的差异主要集中在白天:雷暴发生前期(09—12时),Noah方案所模拟的近地面气温与实际观测较为吻合,而RUC方案模拟的近地面气温偏高(与图5a、b的结论一致)。13时以后对流逐渐发展起来,Noah方案所模拟的近地面气温偏低,这是由于Noah方案模拟的初始阶段对流偏强形成更深厚的对流云遮盖天空所致。雷暴发生前期(09—12时),模拟风速与观测风速较为吻合,其差值约为0.3 m·s-1。此后(12—18时),两个方案均模拟出由于雷暴的发生带来的风速增幅过程,然而模拟的风速增大时间均较实况提前发生。从风速日变化整个过程来看,Noah方案的模拟结果与观测更为接近,而RUC方案与实际偏差稍微大一些。

图6　不同方案模拟的D4区域内站点平均值与实际观测的站点平均值比较　　a.2 m温度(单位:℃);b.10 m风速(单位:m·s-1)Fig.6　Comparisons between the hourly site-averaged results simulated by different experiments and the observations in D4　　a.air temperature at 2 m(units:℃);b.wind speed at 10 m(units:m·s-1)

4.3　陆面参数化方案对降水时空分布特征的影响

图7是24日雷暴过程降水最集中的12—20时实际观测的累积降水量(图7a)和模拟结果(图7b、c)。实际观测到的累积降水区呈南北向分布,降水大值中心位于(121.5°E,29.4°N)附近,中心值达到100 mm以上;在其北侧有几个雨量相对较小的中心,分别位于宁波东北沿岸及象山港上空。两个方案模拟的降水强度与实际观测相近,然而都高估了雷暴过程中50 mm以上累积降水量的范围,且模拟的降水分布均较实际偏西。相比之下,Noah方案模拟的降水空间分布要优于RUC方案:首先,Noah方案对降水中心位置和分布模态的表现较好,而RUC方案没有模拟出象山港西岸的强降水中心,并且在象山港南北侧模拟出了2个虚假的降水中心;另外,RUC方案低估了主城区降水。

图7　2006年6月24日12—20时的累积降水量(阴影;单位:mm)　　a.观测结果;b.Noah方案模拟结果;c.RUC方案模拟结果Fig.7　Accumulated precipitation from 12:00 BST to 20:00 BST 24 June 2006(shaded areas;units:mm)　　a.observed results;b.simulated results by Noah scheme;c.simulated results by RUC scheme

图8给出了不同试验模拟的区域平均降水强度随时间的演变情况,观测的降水强度由自动气象站观测值平均而得。总体来看,观测降水时间集中发生在15—20时,最大平均降水强度达到5.25 mm·h-1。而两个试验模拟的降水持续时间则比观测时间长约2 h,这可能与模式初始条件中仍缺少对环境场中尺度特征的详细描述有关(蒙伟光等,2012)。与观测相比,两个方案模拟的最大平均降水强度较小:Noah方案所模拟的最大降水强度约5 mm·h-1,与观测更为接近;RUC方案的模拟的最大降水强度最小,只有3.5 mm·h-1,比实际观测低了近30%。同时,Noah方案所模拟的平均降水强度演变特征与观测特征均呈现单峰形变化,而RUC方案呈现出双峰形的变化特征。

4.4　陆面参数化方案对地表通量及热动力不稳定参数的影响

性质复杂的下垫面所构成的陆地表面与大气之间不断进行着各种时空尺度的相互作用以及能量、水汽等物质的交换。卢萍和宇如聪(2008)指出强降水对于陆气通量有一定的依赖性,其中潜热通量和感热通量的作用最大。因此,地表通量特征是否被合理地描述对短时强降水事件的模拟效果有较大的影响。

为探讨2个方案模拟的降水空间分布差异的原因,分别对2个方案D4区域主要覆盖类型(水体,混合林,农田,城市)的表面通量和热动力不稳定参数取平均,图9显示了2个参数化方案不同地表覆盖类型的平均感热通量,潜热通量,净辐射,边界层高度以及不稳定参数的逐时变化。首先,可以看出地表通量和热动力不稳定参数受下垫面影响显著;其次,在白天,无论哪种陆面覆盖类型,Noah方案模拟的感热(潜热)通量均大(小)于RUC方案;此外,在陆地表面(混合林,农田,城市),潜热通量和净辐射对陆面方案的选取最为敏感,其次是感热通量,最不敏感是边界层高度。最后,需要指出的是,在水体表面,由于下垫面性质比较稳定、均一,参数化方案的选取对模拟结果的影响较大;而在陆地表面,由于下垫面属性的多样性和复杂性,实际模拟的降水差异是由下垫面本身属性的差异与参数化方案的差异共同作用的结果。

图9　D4区域不同方案、不同陆地覆盖表面在2006年6月24日的平均感热通量(a;单位:W·m-2)、平均潜热通量(b;单位:W·m-2)、平均净辐射(c;单位:W·m-2)、平均边界层高度(d;单位:km)、平均对流有效位能(e;单位:J·kg-1)、平均对流抑制能(f;单位:J·kg-1)的逐时变化(N:Noah方案,R:RUC方案;红色代表城市,绿色代表混合林,黄色代表农田,蓝色代表水体)Fig.9　Hourly-averaged (a)sensible heat flux(units:W·m-2),(b)latent heat flux(units:W·m-2),(c)net radiation (units:W·m-2),(d)boundary layer height(units:km),(e)convective available potential energy(units:J·kg-1),and (f)convective inhibition energy(units:J·kg-1) simulated by different experiments with different land cover categories in D4 on 24 June 2006(N:Noah scheme,R:RUC scheme;the red,green,yellow and blue colors denote urban,mixed forest,croplands and water bodies,respectively)

5结论

本文利用中尺度模式WRF分别选用不同的陆面过程参数化方案(Noah、RUC)对宁波地区一次夏季强对流天气(雷暴)过程进行了数值模拟试验,重点分析了2种不同复杂程度的陆面过程参数化方案对于雷暴系统发生、发展过程以及近地面热动力条件的影响,试验结果表明:

1)Noah方案不仅模拟出了雷暴前期海陆、山地平原的热力对比引起的近地面气温的不均匀分布,而且还模拟出了城市热岛效应;然而RUC方案没有明显地反映出陆面覆盖的多样性以及人为排热对温度分布的影响。

2)Noah方案模拟的风场辐合较强,有利于抬升运动和对流的启动;由于考虑到了城市下垫面对气流的拖拽作用,Noah方案所模拟的城郊之间风速的差异比RUC方案更为明显。

3)Noah方案模拟的雷暴启动、发展过程与观测较为一致,而RUC方案较好地描述出了雷暴演变过程中的关键阶段(三次合并过程)。

4)不同陆面过程参数化方案所模拟的雷暴累积降水范围均较实况偏大,但Noah方案在对降水的走向、强度、降水中心位置的模拟方面具有一定优势。

5)模拟的雷暴持续时间对陆面过程参数化方案有很强的依赖性,两个方案所模拟的雷暴过程持续时间均长于实际雷暴持续时间,但程度有差异。

6)潜热通量和净辐射对陆面过程参数化方案的选择最为敏感,其次是感热通量,最不敏感的是边界层高度。无论哪种陆面覆盖类型,白天Noah方案模拟的感热通量均大于RUC方案,而Noah方案模拟的潜热通量均小于RUC方案。

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(责任编辑：张福颖)

Impact of land surface parameterizations on simulated thunderstorm process over the Ningbo area

WANG Ya1,2,MIAO Jun-feng1,TAN Zhe-min3

(1.School of Atmospheric Sciences,NUIST,Nanjing 210044,China;2.Shanghai Meteorological Bureau,Shanghai 200030,China; 3.Key Laboratory of Mesoscale Severe Weather of Ministry of Education,Nanjing University,Nanjing 210093,China)

Abstract:The new generation mesoscale model WRF is used to simulate a typical thunderstorm process in Ningbo area on 24 June 2006,and the impacts of land surface parameterization schemes(Noah and RUC) on numerical simulation of the thunderstorm process are tested.The results show that,for surface thermodynamic field before the thunderstorm happened,the simulated results with Noah scheme are more close to the observations.However,with RUC scheme,the simulated results do not reflect the diversity of underlying surface coverage and the impacts of city underlying surface,and the difference between rural and urban areas is not obvious.The start and development processes simulated by Noah scheme are more reasonable,and the results simulated by RUC scheme describe the key stages in the evolution process of thunderstorm well,such as three merging processes.Because the considered factors and physical process parameterizations are different,the strength and center of accumulated precipitation simulated by Noah scheme are more consistent with the observations than those simulated by RUC scheme.The duration of thunderstorm is strongly sensitive to land surface process parameterization,and both durations simulated by the two schemes are longer than actual duration of the thunderstorm to different degree.Whatever the land cover category in Ningbo area,the sensible heat flux(latent heat flux) simulated by Noah scheme is greater than(less than) that simulated by RUC scheme during the day.

Key words:thunderstorm process;land surface process parameterization;Noah scheme;RUC scheme;numerical sensitivity

doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130310001

文章编号：1674-7097(2015)03-0299-11

中图分类号：P4

文献标志码：A

通信作者：苗峻峰,博士,教授,博士生导师,研究方向为中尺度数值模拟,miaoj@nuist.edu.cn.

基金项目:公益性行业(气象)科研专项经费项目(GYHY201006004)

收稿日期：2013-03-10；改回日期：2013-05-04

汪雅,苗峻峰,谈哲敏.2015.陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响[J].大气科学学报,38(3):299-309.doi：10.13878/j.cnki.dqkxxb.20130310001.

Wang Ya,Miao Jun-feng,Tan Zhe-min.2015.Impact of land surface parameterizations on simulated thunderstorm process over the Ningbo area[J].Trans Atmos Sci,38(3):299-309.(in Chinese).