ISSN 1004-4965

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不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

沈新勇 马铮 郭春燕 李小凡

沈新勇, 马铮, 郭春燕, 李小凡. 不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 793-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.001
引用本文: 沈新勇, 马铮, 郭春燕, 李小凡. 不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响[J]. 热带气象学报, 2017, 33(6): 793-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.001
Xin-yong SHEN, Zheng MA, Chun-yan GUO, Xiao-fan LI. THE EFFECT OF BOUNDARY LAYER PARAMETERIZATION SCHEMES ON THE SIMULATION OF TURBULENT EXCHANGE PROPERTIES OF A MEI-YU RAINSTORM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2017, 33(6): 793-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.001
Citation: Xin-yong SHEN, Zheng MA, Chun-yan GUO, Xiao-fan LI. THE EFFECT OF BOUNDARY LAYER PARAMETERIZATION SCHEMES ON THE SIMULATION OF TURBULENT EXCHANGE PROPERTIES OF A MEI-YU RAINSTORM[J]. Journal of Tropical Meteorology, 2017, 33(6): 793-811. doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.001

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

doi: 10.16032/j.issn.1004-4965.2017.06.001
基金项目: 

国家自然科学基金项目 41375058

国家自然科学基金项目 41530427

国家自然科学基金项目 41475039

国家重点研发计划 2016YFC0203301

国家重点基础研究发展计划973项目 2015CB453201

江苏省自然科学基金重点项目 BK20150062

详细信息
    通讯作者:

    沈新勇,男,江苏省人,教授,博士生导师,主要从事中尺度气象学和大气污染研究。E-mail: sxydr@126.com

  • 中图分类号: P435

THE EFFECT OF BOUNDARY LAYER PARAMETERIZATION SCHEMES ON THE SIMULATION OF TURBULENT EXCHANGE PROPERTIES OF A MEI-YU RAINSTORM

  • 摘要: 利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。

     

  • 图  1  a. 7月4日20时—5日20时江淮地区的累计降水量(单位:mm);b. 7月5日02时FY-2C卫星云图

    图  2  a. 7月4日12时500 hPa位势高度场(单位:10 gpbm);b. 7月5日00时850 hPa水汽通量散度

    (阴影,单位:10-6 g/(s·cm2·hPa))和垂直涡度(等值线:单位:10-5 m-1

    图  3  模式区域设置

    图  4  模拟区域4日20时—5日20时的累计降水量实况  单位:mm。

    图  5  不同方案模拟的7月4日20时—5日20时累计降水量  单位:mm。

    a. NO_PBL;b. MYJ;c. MYNN2;d. MYNN3;e. BouLac;f. GBM。

    图  6  三个不同研究区域的选择和MYJ方案模拟的24小时的累计降水量

    单位:mm。

    图  7  观测与各试验的雨带(112~120 °E,32~35 °N)(a)、A区域(b)和B区域(c)的区域平均降水率随时间的变化

    单位:mm/h。横坐标为日时。

    图  8  各方案模拟的细网格模拟区域平均的4日00时—5日12时的水平风速时间-高度剖面单位:m/s。

    a.实况分析场;b. MYNN2;c. MYNN3;d. BouLac;e. GBM;f. NoPBL。

    图  9  0418时(a)、0421时(b)、0500时(c、d)的A区域(a、b)和B区域(c、d)平均的各试验得到的温度(a、c,单位:K)及水汽混合比(b、d,单位:kg/kg)的垂直廓线

    图  10  实况分析的A区域(a)和B区域(b)的区域平均的温度(实线,单位:K)和比湿(虚线,单位:kg/kg)的时间-高度剖面

    图  11  各方案模拟的4日00时—5日15时B区域的区域平均垂直速度的时间-高度剖面  单位:10-2 m/s。

    a. MYJ; b. MYNN2; c. MYNN3; d. BouLac; e. GBM; f. NoPBL。

    图  12  不同方案在0500 UTC的θse沿114~115 °E平均的南北向剖面

    单位:K。a.实况分析场; b. MYJ; c. MYNN3; d. NO_PBL。

    图  13  不同方案在A区域平均的TKE高度-时间剖面

    单位:m2/s2。a. MYJ; b. MYNN2; c. MYNN3; d. BouLac; e. GBM。

    图  14  图 13,但为C区域

    图  15  MYNN2模拟的A区域平均的浮力作用项(a,单位:10-3 m2/s2)、切变项(b,单位:10-3 m2/s2)和湍流输送项(c,单位:10-4 m2/s2)的高度-时间剖面

    图  16  0418(a~b)和0506(c~f)区域A(a~d)和区域C(e~f)湍流热量、水汽交换系数(a、c、e)和湍流动量交换系数(b、d、f)垂直廓线

    单位:m2/s。

    图  17  MYNN3(a、b), MYJ(c、d), GBM(e、f)方案B区域的感热通量(a、c、e)和潜热通量(b、d、f)随时间和高度的变化

    单位:W/m2

    图  18  a.各方案在B区域0500 UTC的湍流热量、水汽交换系数随高度的分布情况;b. GBM方案在B区域的TKE随时间和高度变化

    单位:m2/s2

    表  1  WRF模式部分边界层参数化方案简介

    边界层方案 湍流闭合阶数 局地/非局地 处理湍流闭合方式
    Yonsei University[33] 1阶闭合 非局地 K廓线闭合
    Mellor-Yamada-Janjic[34] 1.5阶闭合 局地 TKE闭合
    Asymnietric Convective Model version 2[35] 1阶闭合 非局地 向上混合过程为过渡湍流混合,向下为局地K混合
    MYNN Level-2.5[36] 1.5阶闭合 局地 TKE闭合
    MYNN Level-3[37] 2阶闭合 局地 TKE闭合
    Bougeault-Lacarrere[38] 1.5阶闭合 局地 TKE闭合
    Grenier-Bretherton-McCaa[39] 1.5阶闭合 局地 TKE闭合
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    表  2  试验设计

    试验名 边界层方案 近地面层方案 陆面过程方案
    MYJ Mellor-Yamada-Janjic方案 Monin-Obukhov方案(Eta近似) Noah方案
    MYNN2 MYNN level-2.5方案 Monin-Obukhov方案(Eta近似) Noah方案
    MYNN3 MYNN level-3方案 Monin-Obukhov方案(Eta近似) Noah方案
    BouLac Bougeault-Lacarrere方案 Monin-Obukhov方案(Eta近似) Noah方案
    GBM Grenier-Bretherton-McCaa方案 Monin-Obukhov方案(MM5近似) Noah方案
    NO PBL 不使用边界层方案 Monin-Obukhov方案(Eta近似) Noah方案
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2016-09-04
  • 修回日期:  2017-04-30
  • 刊出日期:  2017-12-01

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