邊界層方案對一次西南渦背景下局地暴雨過程影響分析

吳鉦 劉夢娟 翟丹華 湯劍平 趙磊 葉茂

(1 重慶市氣象科學研究所，重慶 401147；2 中國氣象局 上海臺風研究所，上海 200030；3 重慶市氣象臺，重慶 401147；4 南京大學 大氣科學學院，南京 210023)

引 言

隨著計算機性能的增長，模式分辨率不斷提高、物理參數化方案不斷完善、資料同化能力不斷加強，數值預報準確率有了顯著提高，但災害性天氣的預報準確率還不足[1]。暴雨過程等大多由中小尺度天氣系統引起，因此需要高分辨模式解析這類系統發生發展演變過程，才可能提高災害性天氣預報準確性。Lean，et al[2]研究表明對流可分辨模式一定程度能體現與觀測相近的降水形態。目前國內外多家數值天氣預報中心的業務模式或者研究院所實時運行的預報系統水平分辨率可達2～5 km。研究表明，德國氣象局開發的2.8 km網格距COSMO-DE模式能夠預報深對流過程[3]，美國俄克拉荷馬大學風暴分析與預報中心(CAPS)3 km網格距的風暴尺度集合預報系統(Storm-scale Forecast Ensemble)對3 h累積降水預報有一定的預報能力[4]。ZHU，et al[5]評估了4 km網格距模式系統對中國地區2013—2014年夏季降水預報效果，表明該系統較準確地體現了中國夏季的降水特征，其暴雨定量降水評分優于全球模式。受青藏高原以及周邊地形影響，四川盆地降水精細化預報一直是難點，西南渦系統是引起盆地強降水的重要低層天氣系統[6]，有必要研究對流可分辨模式對西南渦背景下暴雨的模擬預報能力。

對流可分辨模式存在需要參數化表征的次網格過程，這些過程描述的準確性是影響預報準確率的重要因素之一[7]。邊界層過程是其中一個重要的物理過程，該過程通過水汽通量散度、低空急流等因素綜合影響暴雨的落區和強度[8]。Baldauf，et al[3]研究表明，采用降低夜間夾卷層和殘留層垂直混合強度的參數化方案能有效去除夜間虛假弱降水。徐慧燕等[9]研究表明QNSE 方案在三次長江下游地區暴雨過程模擬中表現最好。高篤鳴等[10]評估了MYJ、YSU和ACM2方案對四川盆地2012年夏季連續40 d的降水預報效果，表明較大量級降水YSU方案較優，小雨量級降水ACM2方案較優。劉曉冉等[11]評估了MYJ、YSU、ACM2以及沒有邊界層方案時對一次西南低渦過程模擬影響，結果表明YSU模擬效果總體最好。邊界層方案對梅雨鋒暴雨個例評估中MYJ模擬效果表現相對更好[12-13]，華北地區暴雨個例研究中MYJ在12 km分辨率模擬較好，而BouLac方案在4 km分辨率模擬效果更優[14]。不同的個例有不同的較優方案，過去的研究大都基于大范圍的區域性暴雨過程進行研究，對局地暴雨過程模擬影響的研究相對較少，因此需要深入研究，以認識和改進模式物理過程參數化方案，并提高盆地地區局地暴雨預報準確率具有意義。

2017年6月9日，重慶合川發生了一次較局地強降水過程，本文利用WRF-ARW模式對該次過程進行對流可分辨尺度的模擬，采用三種邊界層參數化方案和兩種近地層參數化方案進行敏感性數值試驗，分析各方案對該次暴雨模擬的影響及原因。

1 個例簡介

2017年6月8日20時—9日08時(北京時，下同)，受高空槽、低空急流、西南渦共同影響，重慶合川地區發生了一次強降水過程(圖1)。12 h累積降水的強降水區域(>70 mm)長約100 km、寬約50 km，從自動站與CMORPH降水融合產品[15]時間—緯度Hovm?ller圖看，降水主要位于30°N附近，強降水從9日01時開始，08時基本結束(圖1c)，合川站累積降水達到164.2 mm，01—03時降水量均超過35 mm·h-1(圖1d)。

圖1 8日20時至9日20時的(a)站點觀測和(b)自動站與CMORPH融合產品；(c)緯向分辨率0.05°的融合產品的小時降水的時間—緯度Hovm?ller圖；(d)合川站的小時降水序列(單位：mm；a中黑色圓點為合川站位置)

圖2為歐洲中心ECMWF的分辨率為0.75°×0.75°的再分析資料ERA-Interim的6月8日20時的500、700和850 hPa天氣形勢。500 hPa高空槽位置位于甘肅西部—四川西部一帶，重慶受偏西波動氣流影響(圖2a)；700 hPa西南氣流控制了重慶地區，并逐漸增強為急流，降水落區位于急流左側(圖2b)；850 hPa的西南渦位于重慶西南部，降水位置位于渦北部切變區，降水位置南部的偏南風暖濕氣流為暴雨過程提供了水汽(圖2c)。

圖2 ERA-interim分析的2017年6月8日20時的(a)500、(b)700、(c)850 hPa等壓面位勢高度(黑色實線，單位：dgpm)、溫度(紅色虛線，單位：℃)和風(風標，長桿代表4 m·s-1)：(a)陰影表示大氣整層可降水量(單位：kg·m-2)；(b、c)陰影表示相對濕度(單位：%)；紅色方框區域為暴雨區

2 模擬設計及參數化方案簡介

本文采用WRF-ARW 4.1 進行模擬，投影采用Lambert投影，標準緯度為20°N和40°N，標準經度為106.5°E，采用9、3 km兩層單向嵌套，格點數分別為600×480、480×360，中心點經度為104.5°E、106.58°E，緯度為30°N、29.8°N，垂直方向層數為51層。除邊界層方案外其他物理過程采用Morrison(2 moments)微物理方案、RRTMG輻射方案和Unified Noah陸面方案，9 km區域采用Kain-Fritsch積云對流參數化方案，3 km區域無積云對流方案。模擬從6月7日08時開始，使用歐洲中心ERA-Interim資料作為模擬初始場和側邊界條件。YSU、MYJ和BouLac 3種邊界層方案以及Revised MM5 Monin-Obukhov和Monin-Obukhov(Janjic)兩種近地層方案被用于4個敏感性試驗進行對比研究(表1)，其中YSU和MYJ只能采用對應的Revised MM5 Monin-Obukhov和Monin-Obukhov(Janjic)近地層方案。MYJ方案為局地的1.5階閉合方案，通過預報湍流動能(TKE)確定擴散系數[16]；YSU方案使用K廓線方法確定擴散系數，通過負梯度項表述非局地輸送過程，同時顯式計算邊界層頂與自由大氣的卷夾過程[17]；BouLac為1.5階閉合方案，通過預報湍流動能(TKE)確定擴散系數，并通過負梯度項表述不穩定情況下的非局地輸送過程[18]。

圖3 模擬區域及地形高度(單位：m)；紅色方框為分析區域

表1 模擬試驗設計

3 模擬對比檢驗

3.1 12 h累積降水

所有試驗均模擬出該大暴雨雨帶的東西向結構，不同試驗差異在于強降水落區和強度(圖4)。YSU_MO試驗模擬降水落區位于四川境內，范圍偏大、強度偏強，落區隨著時間北移。MYJ_MOJ、BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗模擬的強降水落區相似，均優于YSU_MO試驗，BouLac_MO試驗降水強度最強，落區同樣隨時間北移，在31°N有個次降水帶；MYJ_MOJ試驗強降水雨帶沒有明顯的北移，在31°N的次雨帶較弱，分布與觀測最接近；BouLac_MOJ試驗降水量與觀測接近，其降水開始的位置相比觀測偏南?？傮w上MYJ_MOJ和BouLac_MOJ試驗的15 mm以上降水落區比YSU_MO和BouLac_MO試驗偏南，總的降水量小于YSU_MO和BouLac_MO試驗，與觀測更接近。表明邊界層方案和近地層方案能顯著影響降水的落區和強度。

圖4 8日20時至9日08時的12 h累積降水分布(a—d)和104°～109°E平均的小時降水時間—緯度Hovm?ller圖(e—h)(單位：mm)

3.2 組合反射率

所有試驗均模擬出對流系統在西部生成逐漸增強并向東移動的特征，且對流強度相當，不同試驗在對流系統的觸發時間和位置有明顯的差異(圖5)。8日20時，MYJ_MOJ試驗模擬出了與觀測較一致的回波，盡管強度偏弱，而其他試驗均沒有體現。8日22時，觀測回波位于重慶西北部區域，呈準東西走向，YSU_MO試驗回波位置偏西偏北，MYJ_MOJ試驗在重慶西部與四川交界處模擬南北向的強回波，位置與觀測相同，強度強于觀測，走向有一定的偏差；BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗回波位置偏西，走向呈西南—東北走向。所有模擬回波的初始位置與模擬0～1.5 km平均風場有密切的聯系，均位于氣旋性環流北部切變線附近。YSU_MO試驗的模擬回波逐漸向東北移動，強回波區整體偏北，MYJ_MOJ試驗強回波區相比觀測略偏北，BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗回波位置與MYJ_MOJ試驗相似，其中BouLac_MO試驗回波區略偏北。從回波的觸發和初期的演變看，MYJ_MOJ試驗表現較好，其次為BouLac_MOJ試驗。BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗模擬有較明顯差異，說明近地層方案能夠影響該次過程的模擬。

圖5 觀測、各試驗模擬的組合反射率(單位：dBZ)和各試驗模擬的地面1.5 km以下的平均水平風(流線，標準長度代表10 m·s-1)

4 參數化方案影響降水落區的原因分析

天氣形勢分析表明低層水汽輸送是本次過程水汽的主要來源，低渦系統是該次過程的重要動力因素。CHU，et al[19]研究表明，對流系統觸發的時間和位置對預報的準確性有重要的影響，濕度場和風場對對流系統的觸發有最重要的影響。在降水發生前，所有試驗均在重慶西部與四川交界處模擬出西南低渦系統，8日14時，不同試驗模擬的850 hPa低渦系統的位置相似，17時和20時YSU_MO試驗模擬的系統位置偏北偏西，導致降水觸發位置以及降水落區偏北，其他試驗的低渦系統位置較為一致(圖6)。低渦系統的濕度高到低依次為MYJ_MOJ、BouLac_MOJ、BouLac_MO、YSU_MO試驗，濕度較大的區域均在低渦系統附近，但不同方案濕度分布有一定差異，20時MYJ_MOJ試驗在觀測回波位置有濕度大值區，因此其試驗觸發回波的時間和位置與觀測接近(圖5l)，BouLac_MOJ、BouLac_MO試驗低渦位置與MYJ_MOJ試驗相似，但濕度較弱，未能觸發降水，BouLac_MOJ試驗相比BouLac_MO試驗濕度分布相似，但濕度更強，因此初期南部的回波更強(圖5v)。濕度場和動力場的差異導致降水觸發時間和位置的差異，最終影響到該次過程的模擬。

圖6 各試驗模擬0～1.5 km平均的水汽混合比(陰影，單位：g·kg-1)和水平風(流線，標準長度代表10 m·s-1)；東南處和西北處黑色圓點分別為重慶沙坪壩站(57516)和四川溫江站(56187)

位于水汽輸送帶中的重慶沙坪壩站的廓線模擬結果如圖7a—d，該站距降水區域約60 km，在5～10 m·s-1的風速下該站空氣約2～3 h后影響降水區，在8日20時低層的位溫由高到低為YSU_MO、BouLac_MO、BouLac_MOJ和MYJ_MOJ試驗，MYJ_MOJ試驗模擬結果更接近觀測。模擬比濕的順序與位溫相反，YSU_MO試驗最低，該結果與觀測接近，但是由于溫度預報偏差，MYJ_MOJ預報的相對濕度與觀測更接近。MYJ邊界層方案相比YSU在低層更冷更濕的結果與HU，et al[20]在美國德克薩斯和Ruiz, et al[21]在南美的評估結果相同。8日20時緯向風模擬與觀測相近，經向風差別較大，觀測1 km以下為偏北風，1 km以上為偏南風，BouLac_MO、BouLac_MOJ和MYJ_MOJ試驗模擬出了這種變化，所有試驗模擬南風偏強，模擬的降水落區偏北，YSU_MO試驗偏差最大，其降水落區最偏北。采用不同近地層方案的試驗模擬位溫、濕度的差異與采用不同邊界層方案差異相當，說明對此次過程近地層方案對模擬有重要作用。

圖7 8日20時YSU_MO、MYJ_MOJ、BouLac_MO、BouLac_MOJ試驗模擬的重慶沙坪壩站(a—e)和四川溫江站(f—j)的位溫(單位：K)、水汽混合比(單位：g·kg-1)、相對濕度(單位：%)、緯向風(單位：m·s-1)、經向風(單位：m·s-1)廓線；紫色實線為觀測

溫江站位于西南低渦西部，其廓線能夠體現低渦的模擬情況，該站位溫模擬情況與重慶站相似，MYJ_MOJ試驗模擬的低層位溫最低，更接近觀測(圖7f)。除MYJ_MOJ試驗在1～2 km高度略偏濕外，不同試驗模擬的比濕和緯向風差異較小。20時觀測經向風在2 km以下為北風，1.5 km以下平均經向風速為-3.96 m·s-1(圖7j)。模擬經向風的垂直變化強于觀測，1 km以下模擬風速強于觀測，1 km以上弱于觀測，1.5 km以上模擬風向變為南風，且風速強于觀測，YSU_MO、MYJ_MOJ、BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗在1.5 km以下的經向風平均風速分別為-2.68、-4.23、-4.24和-4.62 m·s-1，YSU_MO試驗模擬經向風偏弱，其他試驗模擬經向風平均風速與觀測更接近，強偏北風抑制了低層系統向北移動，因此MYJ_MOJ、BouLac_MOJ和BouLac_MO試驗降水落區相比YSU_MO試驗的模擬結果偏南，與觀測更接近。

所有試驗在低層風場有明顯的日變化特征，白天風速小，夜間風速大，出現低空急流(圖8)，研究表明低空急流的日變化與慣性振蕩有關[22-24]。重慶站經向風模擬如圖8a—d，BouLac_MO、BouLac_MOJ和MYJ_MOJ試驗在低層為偏北風，MYJ_MOJ試驗北風最強，其次為BouLac_MOJ試驗。白天，受較強的湍流混合作用和摩擦影響，所有試驗2 km高度以下邊界層內為南風，風速均勻且風速較小。夜間，YSU_MO試驗在8日18時偏南風開始增強；MYJ_MOJ試驗在8日16—23時低層出現了北風，20時的探空證實了低層北風存在，觀測風向轉換高度約1 km，北風風速最大值達到5 m·s-1，風速和轉換高度均高于模擬值；BouLac_MO、BouLac_MOJ試驗在低層也模擬出北風，相比MYJ_MOJ試驗偏弱，持續時間偏短，其中BouLac_MOJ試驗結果更接近MYJ_MOJ試驗。湍流混合作用強時，地面摩擦更容易影響邊界層風場，使風速降低，同時邊界層內要素場混合充分，要素垂直變化相對較弱。8日18時 MYJ_MOJ試驗500 m以下北風增強，風的垂直變化有增強，說明此時該試驗混合作用較弱，BouLac_MOJ試驗的垂直變化略強于 BouLac_MO試驗，其混合作用很可能弱于BouLac_MO試驗。

溫江站經向風—時間分布如圖8e—h，所有試驗在2 km以下主要為北風，與重慶站模擬結果相似，風場有明顯的日變化，8日17—23時 MYJ_MOJ試驗模擬1.5 km以下北風最強，YSU_MO試驗最弱，BouLac_MOJ試驗略強于BouLac_MO試驗。MYJ_MOJ試驗在白天1.5～2 km高度風速有變化，說明該方案的湍流混合影響高度較低，8日18時 500 m高度北風增強，風的垂直變化變強，此時該試驗混合作用較弱，BouLac_MOJ試驗的垂直變化略強于 BouLac_MO試驗，說明BouLac_MO試驗混合強度略強。

圖8 8日20時至9日08時不同試驗在重慶站(a—d)和溫江站(e—h)經向風的時間—高度(單位：m·s-1)：(a、e))YSU_MO；(b、f)MYJ_MOJ；(c、g)BouLac_MO；(d、h)BouLac_MOJ

湍流參數化方案描述了大氣動量、熱量、水汽等物理量在邊界層內的垂直輸送，體現輸送強弱的量為湍流交換系數。如圖9所示，8日18時重慶站和溫江站MYJ_MOJ試驗湍流強度最弱且混合影響高度最低，這與強的垂直風切以及較強的風速有較好的對應。YSU_MO試驗方案的湍流交換系數整體最強，其經向風相對均一。BouLac_MO試驗的湍流強度和影響高度均高于BouLac_MOJ試驗。強的湍流垂直混合和較高的混合高度使得南風分量較充分的混合到低層，表現為18時重慶YSU_MO和BouLac_MO試驗均為南風，相對應的MYJ_MOJ和BouLac_MOJ試驗在500 m以下為北風，BouLac_MOJ試驗的500 m高度有一定混合，相應的風垂直變化和風速弱于MYJ_MOJ(圖8)。溫江站有類似結果。從BouLac_MO和BouLac_MOJ試驗湍流混合強度差異可以看出，近地層方案在某些情況下能夠對混合強度有重要的影響，達到與邊界層方案相當的程度。

5 湍流混合強度敏感性試驗

YSU湍流擴散系數計算方程為Troen，et al[25]中第(7)式:

(1)

其中：p為重要的敏感參數，默認值為2，p增加時混合減弱，減少時混合增強。

為進一步證實湍流混合強度對本次降水過程的影響，參照HU，et al[19]方法基于YSU邊界層方案設計敏感性試驗(表2)。隨著混合作用變弱，模擬雨帶隨之向南調整，混合減弱后降水強度也有所減弱，說明湍流混合強度能夠對降水落區和強度有顯著影響(圖9)。

圖9 重慶站(a、b)和溫江站(c、d)在8日18時的動量(a、c)和熱量(b、d)湍流交換系數(單位：m2·s-1)垂直廓線分布

表2 湍流混合敏感性試驗設計

湍流垂直混合強時，位溫和水汽能夠較充分地混合到高層，相對應的混合較弱時，低層的邊界層偏冷偏濕，高層的自由對流層偏暖偏干，敏感性試驗證實了這一結果，重慶站8日20時，湍流混合減弱試驗的位溫在1 km以下減小，濕度增加，且湍流越弱，溫度減小和濕度增加的程度越強；2 km以下低層緯向風東風增強，廓線分布接近MYJ_MOJ試驗，經向風在約1.5 km以下模擬的南風明顯減弱，風場相比未減弱試驗有東北風的差異，這與700 hPa的西南急流系統有關，當湍流混合增強時，自由對流層的西南風能夠被較充分的混合到邊界層內，其邊界層內的西南風偏強。溫江站的模擬也有類似的結果，湍流混合減弱試驗模擬的濕度、位溫、風速廓線均向MYJ_MOJ試驗模擬廓線調整，其中試驗YSUp3經向風廓線與MYJ_MOJ試驗幾乎一致(圖11)。

圖10 8日20時到9日08時(a、b)12 h累積降水(單位：mm)；(c、d)小時降水的時間—緯度的Hovm?ller圖；降水為104°～109°E的平均(單位：mm)

圖11 8日20時YSU_MO、MYJ_MOJ、YSUp2.5、YSUp3試驗模擬的重慶沙坪壩站(a—e)和四川溫江站(f—j)的位溫(單位：K)、水汽混合比(單位：g·kg-1)、相對濕度(單位：%)、緯向風(單位：m·s-1)、經向風(單位：m·s-1)廓線(紫色實線為觀測；虛線代表對應方案的邊界層高度)

經向風-時間圖顯示相似結果，湍流混合減弱試驗均在8日17—20時的重慶站500 m以下高度模擬出北風分量，YSUp3試驗的低層結構與MYJ_MOJ試驗最接近，溫江站的模擬風場有類似結果。YSUp3試驗在重慶站11—14時風速相比YSU_MO試驗增強，這種可能與湍流減弱后摩擦作用對風場影響減弱有關。湍流減弱后，模擬北風分量有所增強，降水系統位置因此向南調整(圖12)。

圖12 8日20時到9日08時不同試驗在重慶站(a、b)和溫江站(c、d)經向風(單位：m·s-1)的時間—高度分布

6 結論

本文利用WRF模式，對2017年6月8日夜間至9日上午發生在重慶合川地區的一次局地大暴雨過程進行了3 km網格距的對流可分辨尺度模擬試驗，通過對比模擬和觀測的地面降水和雷達回波反射率檢驗模擬效果，分析邊界層內氣象要素，揭示了三種邊界層參數化方案(MYJ、YSU_MO和BouLac方案)和兩種近地層參數化方案(Revised MM5 Monin-Obukhov和Monin-Obukhov(Janjic)方案)對本次過程影響及機制。主要結論如下：

(1)在對流尺度模擬中，不同的邊界層參數化方案和陸面過程參數化方案可以顯著影響雨帶中強降水的位置。三種邊界層參數化方案中MYJ和BouLac方案總體優于YSU方案，其中MYJ方案對強降水的模擬最好，較好地模擬出了對流觸發的時間和位置，其次為BouLac方案，12 h累積降水落區與采用MYJ方案的試驗相當，但降水觸發的時間偏晚，YSU方案模擬的降水落區偏北，降水觸發位置偏北，時間偏晚；兩種近地層參數化方案對比，Monin-Obukhov(Janjic)方案試驗模擬的降水落區相對偏南，總的降水量小于采用Revised MM5 Monin-Obukhov方案。

(2)對于本次個例而言，邊界層參數化方案和近地層參數化方案主要是通過近地面風場影響西南低渦的位置，從而影響降水觸發位置和降水落區。受700 hPa西南風影響，低渦系統逐漸向東北移動。位于西南渦東南側的重慶站和西南渦西北側的溫江站在8日20時由低到高從偏北風轉為偏南風，YSU方案較強的湍流混合作用使得自由層的偏南風更強的影響到1 km以下風場，其模擬的南風偏強(北風偏弱)，導致模擬的降水落區偏北。調整參數減弱湍流混合強度后，1.5 km以下的經向風廓線向觀測調整，北(南)風分量增強(減弱)，降水落區向南調整。相比采用Revised MM5 Monin-Obukhov方案的試驗，采用Monin-Obukhov(Janjic)近地層方案的試驗模擬位溫低，與觀測更接近，其混合稍弱，低層北風分量略強，降水落區略偏南。

本研究結果表明，1.5 km以下的低層風場對降水落區有重要的影響，通過進一步改進數值天氣預報模式的邊界層參數化方案或者通過資料同化等方式提高低層風場的準確性，對提高盆地內局地暴雨的預報水平具有重要意義。本研究結果基于一次典型的西南急流配合低層西南渦的局地強降水過程，這一類的降水過程以及其他類型的西南渦暴雨是否有相似的結果需要更多研究。