WRF 模式中幾種不同微物理參數(shù)化方案在模擬一次颮線(xiàn)過(guò)程中的差異分析

呂 麗，楊浩麗，劉 洋，王 偉，陳紅霞

（北京市平谷區(qū)氣象局，北京 101200）

強(qiáng)對(duì)流天氣過(guò)程是多種尺度系統(tǒng)、多種宏微觀(guān)過(guò)程相互作用的結(jié)果。在微觀(guān)方面，云內(nèi)各水凝物之間相互作用并與動(dòng)力、熱力效應(yīng)相互影響；在宏觀(guān)方面，可以通過(guò)感熱、潛熱、動(dòng)量輸送等過(guò)程的反饋?zhàn)饔糜绊懘蟪叨拳h(huán)流[1-4]。

本文針對(duì)這次強(qiáng)對(duì)流過(guò)程，從不同的微物理方案入手，選取WRF 模式中常用的6 種微物理參數(shù)化方案（MR、MY、WDM5、WDM6、Lin、WSM6）進(jìn)行模擬研究。

1 颮線(xiàn)過(guò)程概況及其發(fā)展的天氣背景

此次颮線(xiàn)過(guò)程是在中國(guó)東北冷渦槽后的西北氣流帶來(lái)大量冷空氣的大尺度背景下形成的。如圖1 所示，2009-06-05T00：00 時(shí)，500 hPa 高度場(chǎng)顯示東北冷渦強(qiáng)度較大，東北冷渦中心位勢(shì)高度小于548 gpm，溫度小于等于-17 ℃，而在冷渦西南側(cè)850 hPa 高空槽后風(fēng)速大于12 m/s，強(qiáng)西北氣流引導(dǎo)中層干冷空氣從中高緯度南下至中國(guó)黃淮地區(qū)，使地面高溫與冷空氣南下造成的低溫相配合。500 hPa 溫度槽落后于高度槽，有利于對(duì)流不穩(wěn)定度的加深，而在該區(qū)域的上空為200 hPa 急流區(qū)所在位置。

圖1 2009-06-05T00：00 天氣圖

2009-06-05的4個(gè)時(shí)刻增強(qiáng)顯示紅外衛(wèi)星云圖如圖2 所示，合肥雷達(dá)站2009-06-05 颮線(xiàn)發(fā)展的雷達(dá)組合反射率實(shí)況圖如圖3 所示。可見(jiàn)，09：00（世界時(shí)，下同）左右，在山東、安徽、江蘇三省交界處生成許多小的對(duì)流單體，各對(duì)流單體逐漸合并加強(qiáng)，向偏南方向移動(dòng)。13：00 左右，颮線(xiàn)形成，長(zhǎng)約100 km，呈東西走向，由幾個(gè)發(fā)展較強(qiáng)的對(duì)流單體組成。隨后颮線(xiàn)逐漸減弱，16：00 左右颮線(xiàn)系統(tǒng)消散。颮線(xiàn)系統(tǒng)從初生到衰亡大致經(jīng)歷了7 h，整體移動(dòng)方向?yàn)樽员毕蚰希俣却笾聻?0 km/h，新生單體具有良好的組織性，颮線(xiàn)具有明顯的線(xiàn)狀多單體特征。據(jù)安徽省氣象臺(tái)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，2009-06-05T12：00，淮南、滁州、六安、合肥等地區(qū)均出現(xiàn)強(qiáng)對(duì)流天氣，合肥地面最大風(fēng)力達(dá)到了20 m/s（8 級(jí)），壽縣最大風(fēng)力達(dá)33 m/s（12 級(jí)），懷遠(yuǎn)和淮南還分別出現(xiàn)了直徑分別為10 mm 和8 mm的冰雹。

圖2 2009-06-05T09：00、10：00、14：33、16：00增強(qiáng)顯示紅外衛(wèi)星云圖

圖3 2009-06-05T09：00、10：00、11：00、13：00多普勒雷達(dá)組合反射率圖（合肥雷達(dá)站）

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)化方案簡(jiǎn)介

為了探討不同微物理方案對(duì)此次颮線(xiàn)過(guò)程的模擬效果，本文采用了中尺度WRF 數(shù)值模式（WRFⅤ3.2）進(jìn)行模擬研究。模式的初始以及邊界條件是采用了NCEP 1°×1°、時(shí)間間隔為6 h 的fnl 再分析資料。模式中的主要物理過(guò)程配置如下。長(zhǎng)波輻射過(guò)程采用了RRTM 方案，短波輻射過(guò)程采用了Dudhia 方案，近地面層過(guò)程采用了Monin-Obukhov 方案，陸面過(guò)程采用了Noah 方案，邊界層過(guò)程采用了YSU 方案。模式采用了4 層雙向嵌套，水平分辨率分別為30 km、10 km、3.3 km 和1.1 km，如圖4 所示；垂直方向28層。模擬的初始時(shí)間是2009-06-04T06：00，結(jié)束時(shí)間是2009-06-05T18：00，積分時(shí)長(zhǎng)36 h。分別選取2 種單參數(shù)化方案（Lin、WSM6）和4 種雙參數(shù)化方案（MR、MY、WDM5、WDM6）進(jìn)行模擬分析。分析內(nèi)容主要包括颮線(xiàn)系統(tǒng)的整體形態(tài)、颮線(xiàn)系統(tǒng)的垂直結(jié)構(gòu)等。

圖4 WRF 模式模擬區(qū)域設(shè)定示意圖

3 颮線(xiàn)的數(shù)值模擬

6 種方案都模擬出了自貝加爾湖低槽延伸出來(lái)的水汽帶、南海至日本海一帶的水汽帶以及強(qiáng)大的東北冷渦系統(tǒng)。下文即針對(duì)此6 種方案模擬效果進(jìn)行對(duì)比分析。

4 模擬結(jié)果分析

4.1 颮線(xiàn)發(fā)展過(guò)程對(duì)比分析

6 種微物理方案模擬的此次颮線(xiàn)過(guò)程的反射率分布如圖5 所示，從6 種方案模擬結(jié)果對(duì)比來(lái)看，WDM6方案中可清晰地模擬出如觀(guān)測(cè)所示的3 個(gè)強(qiáng)單體，且分散單體逐漸發(fā)生合并，單體合并后逐漸南移形成一東西走向的颮線(xiàn)，其他方案則模擬效果不理想，雖然都模擬出一強(qiáng)的帶狀回波，但MY 方案、Lin 方案模擬回波強(qiáng)度偏大，且沒(méi)有模擬出颮線(xiàn)后部大片的層狀云區(qū)，MR 方案、WSM6 方案模擬的強(qiáng)回波帶狀結(jié)構(gòu)分散，WDM5 方案的帶狀結(jié)構(gòu)比實(shí)際偏大。

圖5 2009-06-05T09：00、13：00 6 種微物理參數(shù)化方案模擬的組合反射率對(duì)比

4.2 颮線(xiàn)垂直結(jié)構(gòu)對(duì)比分析

6 種參數(shù)化方案模擬的蚌埠站（32.92°N，117.38°E）上升下沉氣流速度隨時(shí)間演變圖如圖6 所示。由圖中可以看出，6 種參數(shù)化方案均模擬出28 個(gè)時(shí)次即08：00時(shí)左右的上升下沉氣流速度對(duì)，比觀(guān)測(cè)提前1 h 左右。其中，MR 方案、Lin 方案模擬出了強(qiáng)烈的上升氣流，MR 方案的上升氣流從低層擴(kuò)展到了中高層，強(qiáng)烈的上升氣流導(dǎo)致了MR 方案、Lin 方案模擬出大范圍降雨區(qū)。WDM6 方案模擬的上升下沉氣流最弱，因此從模擬的降雨圖上表現(xiàn)出WSM6 方案模擬的降水量最少。MY 方案與WDM5 方案模擬的上升下沉氣流強(qiáng)度大體相當(dāng)，但WDM5 方案的上升氣流最大值位于下層，而MY 方案位于中上層。WSM6 方案模擬的上升氣流下有強(qiáng)烈的下沉氣流區(qū)，且模擬出的下沉氣流比其他幾種方案都要強(qiáng)。

圖6 蚌埠站上升下沉氣流隨時(shí)間演變圖

4.3 雷達(dá)反射率剖面對(duì)比

實(shí)況及6 種微物理參數(shù)化方案中颮線(xiàn)形成時(shí)刻雷達(dá)反射率剖面圖如圖7 所示。圖7（a）顯示，颮線(xiàn)前部對(duì)流單體發(fā)展旺盛，最大反射率因子可達(dá)50 dBZ 以上，云頂高度可達(dá)14 km，后部大量層狀云區(qū)，且出現(xiàn)零度層亮帶。6 種微物理參數(shù)化方案模擬結(jié)果顯示，MR 方案模擬回波強(qiáng)度偏大，但回波層頂發(fā)展不高，只有11 km 左右，MY 方案模擬的回波層頂可達(dá)13 km以上，Lin 方案模擬回波層頂可達(dá)12 km 以上，但都沒(méi)有模擬出颮線(xiàn)后部大片的層狀云區(qū)；MR 方案、WDM5方案、WSM6 方案模擬出單體較為分散，但大體可模擬出颮線(xiàn)的主體結(jié)構(gòu)，WDM6 方案模擬的強(qiáng)回波區(qū)可達(dá)50 dBZ 以上、回波層頂高度12 km 以上，前部強(qiáng)對(duì)流區(qū)后部緊跟大片層狀云區(qū)，強(qiáng)回波邊界清晰，這些特點(diǎn)與實(shí)況最接近。

圖7 實(shí)況及6 種微物理參數(shù)化方案颮線(xiàn)形成時(shí)刻（14：00、13：00、12：00、11：30、12：00、12：00 時(shí)）雷達(dá)反射率剖面圖

5 結(jié)論

云微物理過(guò)程參數(shù)化方案在非靜力高分辨率WRF 模式中具有非常重要的作用。本文選取了常用的6 種微物理參數(shù)化方案（MR、MY、WDM5、WDM6、Lin、WSM6），對(duì)比分析了不同參數(shù)化方案對(duì)于颮線(xiàn)發(fā)展的模擬效果，模擬結(jié)果顯示，6 種參數(shù)化方案模擬的颮線(xiàn)發(fā)展路徑相同，發(fā)展強(qiáng)度及形態(tài)各不相同，說(shuō)明中小尺度系統(tǒng)的模擬仍以大尺度強(qiáng)迫為主，在合理再現(xiàn)大尺度背景場(chǎng)情況下，不同的微物理參數(shù)化方案雖不會(huì)對(duì)系統(tǒng)的發(fā)展路徑造成影響，但會(huì)對(duì)強(qiáng)度等影響很大。分析表明，由于不同方案中模擬的水凝物粒子含量不同，導(dǎo)致了上升下沉氣流的差異，進(jìn)而影響降水的分布。總之，模式模擬降水的大小、落區(qū)與很多因素有關(guān)。本文中6 種參數(shù)化方案的模擬結(jié)果與實(shí)況均存在偏差，這可能與不同方案中水凝物粒子的轉(zhuǎn)換 過(guò)程、相變過(guò)程、增長(zhǎng)過(guò)程、氣溶膠活化雨水等過(guò)程相關(guān)。