WRF 模式中几种不同微物理参数化方案在模拟一次飑线过程中的差异分析

吕 丽，杨浩丽，刘 洋，王 伟，陈红霞

（北京市平谷区气象局，北京 101200）

强对流天气过程是多种尺度系统、多种宏微观过程相互作用的结果。在微观方面，云内各水凝物之间相互作用并与动力、热力效应相互影响；在宏观方面，可以通过感热、潜热、动量输送等过程的反馈作用影响大尺度环流[1-4]。

本文针对这次强对流过程，从不同的微物理方案入手，选取WRF 模式中常用的6 种微物理参数化方案（MR、MY、WDM5、WDM6、Lin、WSM6）进行模拟研究。

1 飑线过程概况及其发展的天气背景

此次飑线过程是在中国东北冷涡槽后的西北气流带来大量冷空气的大尺度背景下形成的。如图1 所示，2009-06-05T00：00 时，500 hPa 高度场显示东北冷涡强度较大，东北冷涡中心位势高度小于548 gpm，温度小于等于-17 ℃，而在冷涡西南侧850 hPa 高空槽后风速大于12 m/s，强西北气流引导中层干冷空气从中高纬度南下至中国黄淮地区，使地面高温与冷空气南下造成的低温相配合。500 hPa 温度槽落后于高度槽，有利于对流不稳定度的加深，而在该区域的上空为200 hPa 急流区所在位置。

图1 2009-06-05T00：00 天气图

2009-06-05的4个时刻增强显示红外卫星云图如图2 所示，合肥雷达站2009-06-05 飑线发展的雷达组合反射率实况图如图3 所示。可见，09：00（世界时，下同）左右，在山东、安徽、江苏三省交界处生成许多小的对流单体，各对流单体逐渐合并加强，向偏南方向移动。13：00 左右，飑线形成，长约100 km，呈东西走向，由几个发展较强的对流单体组成。随后飑线逐渐减弱，16：00 左右飑线系统消散。飑线系统从初生到衰亡大致经历了7 h，整体移动方向为自北向南，速度大致为50 km/h，新生单体具有良好的组织性，飑线具有明显的线状多单体特征。据安徽省气象台监测数据显示，2009-06-05T12：00，淮南、滁州、六安、合肥等地区均出现强对流天气，合肥地面最大风力达到了20 m/s（8 级），寿县最大风力达33 m/s（12 级），怀远和淮南还分别出现了直径分别为10 mm 和8 mm的冰雹。

图2 2009-06-05T09：00、10：00、14：33、16：00增强显示红外卫星云图

图3 2009-06-05T09：00、10：00、11：00、13：00多普勒雷达组合反射率图（合肥雷达站）

2 试验设计及参数化方案简介

为了探讨不同微物理方案对此次飑线过程的模拟效果，本文采用了中尺度WRF 数值模式（WRFⅤ3.2）进行模拟研究。模式的初始以及边界条件是采用了NCEP 1°×1°、时间间隔为6 h 的fnl 再分析资料。模式中的主要物理过程配置如下。长波辐射过程采用了RRTM 方案，短波辐射过程采用了Dudhia 方案，近地面层过程采用了Monin-Obukhov 方案，陆面过程采用了Noah 方案，边界层过程采用了YSU 方案。模式采用了4 层双向嵌套，水平分辨率分别为30 km、10 km、3.3 km 和1.1 km，如图4 所示；垂直方向28层。模拟的初始时间是2009-06-04T06：00，结束时间是2009-06-05T18：00，积分时长36 h。分别选取2 种单参数化方案（Lin、WSM6）和4 种双参数化方案（MR、MY、WDM5、WDM6）进行模拟分析。分析内容主要包括飑线系统的整体形态、飑线系统的垂直结构等。

图4 WRF 模式模拟区域设定示意图

3 飑线的数值模拟

6 种方案都模拟出了自贝加尔湖低槽延伸出来的水汽带、南海至日本海一带的水汽带以及强大的东北冷涡系统。下文即针对此6 种方案模拟效果进行对比分析。

4 模拟结果分析

4.1 飑线发展过程对比分析

6 种微物理方案模拟的此次飑线过程的反射率分布如图5 所示，从6 种方案模拟结果对比来看，WDM6方案中可清晰地模拟出如观测所示的3 个强单体，且分散单体逐渐发生合并，单体合并后逐渐南移形成一东西走向的飑线，其他方案则模拟效果不理想，虽然都模拟出一强的带状回波，但MY 方案、Lin 方案模拟回波强度偏大，且没有模拟出飑线后部大片的层状云区，MR 方案、WSM6 方案模拟的强回波带状结构分散，WDM5 方案的带状结构比实际偏大。

图5 2009-06-05T09：00、13：00 6 种微物理参数化方案模拟的组合反射率对比

4.2 飑线垂直结构对比分析

6 种参数化方案模拟的蚌埠站（32.92°N，117.38°E）上升下沉气流速度随时间演变图如图6 所示。由图中可以看出，6 种参数化方案均模拟出28 个时次即08：00时左右的上升下沉气流速度对，比观测提前1 h 左右。其中，MR 方案、Lin 方案模拟出了强烈的上升气流，MR 方案的上升气流从低层扩展到了中高层，强烈的上升气流导致了MR 方案、Lin 方案模拟出大范围降雨区。WDM6 方案模拟的上升下沉气流最弱，因此从模拟的降雨图上表现出WSM6 方案模拟的降水量最少。MY 方案与WDM5 方案模拟的上升下沉气流强度大体相当，但WDM5 方案的上升气流最大值位于下层，而MY 方案位于中上层。WSM6 方案模拟的上升气流下有强烈的下沉气流区，且模拟出的下沉气流比其他几种方案都要强。

图6 蚌埠站上升下沉气流随时间演变图

4.3 雷达反射率剖面对比

实况及6 种微物理参数化方案中飑线形成时刻雷达反射率剖面图如图7 所示。图7（a）显示，飑线前部对流单体发展旺盛，最大反射率因子可达50 dBZ 以上，云顶高度可达14 km，后部大量层状云区，且出现零度层亮带。6 种微物理参数化方案模拟结果显示，MR 方案模拟回波强度偏大，但回波层顶发展不高，只有11 km 左右，MY 方案模拟的回波层顶可达13 km以上，Lin 方案模拟回波层顶可达12 km 以上，但都没有模拟出飑线后部大片的层状云区；MR 方案、WDM5方案、WSM6 方案模拟出单体较为分散，但大体可模拟出飑线的主体结构，WDM6 方案模拟的强回波区可达50 dBZ 以上、回波层顶高度12 km 以上，前部强对流区后部紧跟大片层状云区，强回波边界清晰，这些特点与实况最接近。

图7 实况及6 种微物理参数化方案飑线形成时刻（14：00、13：00、12：00、11：30、12：00、12：00 时）雷达反射率剖面图

5 结论

云微物理过程参数化方案在非静力高分辨率WRF 模式中具有非常重要的作用。本文选取了常用的6 种微物理参数化方案（MR、MY、WDM5、WDM6、Lin、WSM6），对比分析了不同参数化方案对于飑线发展的模拟效果，模拟结果显示，6 种参数化方案模拟的飑线发展路径相同，发展强度及形态各不相同，说明中小尺度系统的模拟仍以大尺度强迫为主，在合理再现大尺度背景场情况下，不同的微物理参数化方案虽不会对系统的发展路径造成影响，但会对强度等影响很大。分析表明，由于不同方案中模拟的水凝物粒子含量不同，导致了上升下沉气流的差异，进而影响降水的分布。总之，模式模拟降水的大小、落区与很多因素有关。本文中6 种参数化方案的模拟结果与实况均存在偏差，这可能与不同方案中水凝物粒子的转换 过程、相变过程、增长过程、气溶胶活化雨水等过程相关。