马媛媛;杨毅;胡小明;戚友存;张曼
【摘 要】许多研究调查了模式预报对边界层方案的敏感性,这些研究基本上针对的是热力驱动的混合边界层.对于动力驱动的边界层,不同边界层方案的性能及其对边界层气象要素的预报效果还不清楚.运用WRF3.4.1中三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)对新疆“2·28”大风过程进行数值模拟,结果显示:三种边界参数化方案能模拟出发生大风的区域、大风过程中10m风速、2m温度和比湿的变化趋势;三种方案对边界层内大气的温度、湿度的模拟差异与它们对边界层顶的夹卷过程、边界层内垂直混合的处理有关;YSU方案的模拟结果显示更多的高空动量下传,更多的有效位能转化为动能;MYJ方案模拟大风区域更大,受地形影响更明显.
鲁迅艺术学院【期刊名称】《沙漠与绿洲气象》
路桥年票【年(卷),期】2014(008)003
【总页数】11页(P8-18)
【关键词】WRF模式;边界层参数化方案;大风过程;动力作用沦陷区的女人
【作 者】马媛媛;杨毅;胡小明;戚友存;张曼
【作者单位】兰州大学大气科学学院,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730000;兰州大学大气科学学院,甘肃省干旱气候变化与减灾重点实验室,甘肃兰州730000;Center for Analysis and Prediction of Storms, University of Oklahoma, Norman, OKlahoma 73072, USA;南京信息工程大学大气科学学院,江苏 南京210044;南京信息工程大学大气科学学院,江苏 南京210044
【正文语种】中 文河南油田高级中学
【中图分类】P456.75-6岁幼儿年龄特点
WRF（Weather Research and Forecasting）模 式自诞生以来就在不断更新发展，其描述的物理过程也逐渐完善，包括行星边界层内的物理过程。行星边界层直接受下垫面影响，主要响应地表的摩擦阻力、蒸发、蒸腾、热量输送以及地形等作用。边界层内大气通过地表强迫、湍流输送等作用和地面发生能量交换，影响近地层温度场和风场，而大气污染过
程也主要发生在该层，这对人类生产生活有直接影响。关注边界层内的大气运动，最重要的是分辨次网格尺度的湍流运动，这可以通过边界层参数化来解决。然而尽管经历了几十年的发展历史，边界层参数化方案依旧是模式误差的一个主要来源[1-4]。
近年来边界层参数化方案在数值模拟中的重要作用以及不同边界层参数化方案在数值模拟中的差异成为研究重点。已有研究表明WRF中尺度模式有很好的模拟性能[5]。Sarkar等[6]研究指出改进边界层参数化方法可以提高模式模拟能力。Steeneveld等[7]和Zhang ＆ Zheng[8]研究发现模式模拟的结果对边界层参数化方案的选择响应显著。不同边界层参数化方案对物理过程（如垂直湍流交换）的参数化方法不同，其模拟的结果也会有不同程度的差异。众多学者 [9-17]对不同边界层参数化方案进行了对比研究。Hu X M等[3]通过对美国东南部地区夏季的模拟，对比了WRF模式中的MYJ、YSU与ACM2边界层参数化方案，发现局地闭合的MYJ方案模拟的温度与湿度偏差最大。然而现有的诸多关于边界层参数化方案的研究，大多是针对热力驱动的混合边界层[3，9，12]，非常少的研究调查了边界层参数化方案在动力驱动的边界层的模拟性能[18]。尽管这些年的模式对热力边界层的模拟有了明显进步，对动力驱动的边界层的模拟还需要进一步改进 [2，9，19]，而且WRF3.4.1（2012年8月16日发行）中YSU边界层参数化方案的改进提高了其对动力边界层的模拟性
能[20]，此改进的YSU边界层参数化方案需要被进一步的评估。
新疆由于其特殊的地理位置和地形地貌，成为中国盛行大风的地区之一，以三十里风区和百里风区最为著名。2007年2月26日—3月1日，新疆北疆各地、天山山区、哈密的部分地区出现了一次大风过程，其中27日午后到28日凌晨，三十里风区和百里风区瞬间风力超过12级，吐鄯托盆地甚至出现了14级强风，瞬间最大风速为41.8 m/s。受大风天气影响，28日凌晨由乌鲁木齐开往阿克苏的5807次旅客列车，在行至吐鲁番的珍珠泉至红山渠之间（属三十里风区）时，11节车厢脱轨侧翻，造成重大人员伤亡。王澄海等[21]、汤浩等[22]对此次天气过程使用WRF模式进行了模拟分析，指出WRF模式能较好地模拟出此次大风的演变和分布特征，由较强的气压梯度造成的高空动量下传，边界层内湍流运动加强引起的大气对流不稳定性增强是此次天气过程的形成原因。
本文以这次大风驱动的动力边界层为着眼点，使用WRF3.4.1中三种边界参数化方案（YSU、MYJ、ACM2）进行模拟分析，并与同期的MICAPS资料对比，分析和讨论了WRF3.4.1中YSU、MYJ、ACM2边界层参数化方案对于新疆大风过程中气象和能量要素的模拟差异及产生这种差异的原因。
1 WRF模式及三种边界层方案介绍
WRF模式是由 NCEP（National Centers for Environmental Prediction） 和 NCAR （The National Center for Atmospheric Research）联合开发的一种统一的气象模式。该模式为完全可压缩非静力模式。水平方向采用Arakawa C网格点，垂直方向采用地形追随质量坐标，在时间积分方面采用三阶或四阶的Runge-Kutta 算法[23]。
WRFV3.4.1中有13种边界层参数化方案。本文着重分析如下三种方案：YSU、MYJ和ACM2方案。
YSU方案是非局地的K理论方案，在控制方程中加入逆梯度项来表示非局地通量，不仅考虑了边界层内简单的局地湍流扩散，还考虑了对流大尺度湍涡导致的非局地混合作用和边界层顶的夹卷过程。它将来自混合层顶的夹卷过程中的热量通量单独处理，而不是作为边界层内部的混合过程。该方案考虑了交换系数的高度变化，通过相似理论来计算交换系数。边界层高度取临界Richardson数的高度表达。WRF3.4.1（2012年8月16日发行）中YSU边界层参数化方案的改进提高了其对动力边界层的模拟性能[20]。
MYJ方案是局地的Mellor-Yamadas 2.5阶方案，可以预报湍流动能，并有局地垂直混合。边界层控制方程组采用边界层近似，忽略科氏力作用，2阶方程中仅保留湍流动能方程，即湍流动能方程1.5阶闭合。边界层高度定义为湍流强度下降到临界值0.001 m2/s2的高度。该方案的湍流扩散系数通过湍流动能计算，边界层高度由湍流动能廓线决定，适用于所有稳定条件和弱不稳定条件的边界层，但在对流边界层中误差较大。
ACM2方案是不对称对流模式（Asymmetric Convective Mode1）第二代方案，具有非局地向上混合（大气不稳定）和局地向下混合（大气稳定或中性）的非对称对流模式，能够描述对流边界层中超网格尺度和次网格尺度的湍流输送过程，而且也可以模拟在浮力热羽中的快速上升运动和湍流扩散引起的局地切变过程。边界层内部的湍流交换系数分别采用K相似理论和局地湍涡交换公式计算，在不稳定条件下，湍流交换系数取两者的大值；夹卷过程的湍流交换系数采用局地湍涡交换公式来计算，因为K相似理论计算得到的湍流交换系数在边界层顶接近0。边界层高度用Richardson数来计算。
2 模拟方案设计及资料说明
在本文的模拟试验中，边界资料使用的是6 h一次，分辨率为1°×1°，共4 d的NCEP再分析
资料。与模式输出结果对比的则是MICAPS资料。
边缘化模式设计的中心选在43°N，90°E。选用三重嵌套，水平网格数分别为 67×40、124×73 和 229×112，相应的水平网格距分别为27 km、9 km和3 km，模式模拟区域见图1。垂直方向从1 000 hPa到100 hPa分为40层。积分步长为120 s，每3 h输出一次，积分时间从2007年2月25日00时到2007年3月1日00时（世界时），共4 d。物理过程参数化方案为：WSM3类简单冰方案、RRTM长波辐射方案、Dudhia短波辐射方案、Noah陆面过程方案、积云对流方案为浅对流Kain Fritsch方案，do3区域未采用积云对流方案。边界层参数化方案分别为YSU、MYJ、ACM2 方案。
模式中心（43°N，90°E）在吐鲁番盆地（图1）。吐鲁番盆地大部分地形在海拔500 m以下，有些地方比海平面还低，其四周为山地环绕，北部的博格达山和西部的喀拉乌成山，高度都在3 000 m以上，南部的觉罗塔格山，一般在1 500 m以下。本次数值试验中，分辨率为3 km的do3区域地形复杂。
3 模拟结果分析
3.1 模拟概况
三种边界层参数化方案均模拟出了风的相对分布和位于鄯善县（图2中标明SS的地方）及托克逊县（图2中标明TKX的地方）的两个大风区域（图2中的a1，a2，a3）。大风区域以外观测值和模拟值一致，鄯善县的观测值也与模拟值接近，托克逊县观测值小于模拟值。这是由于所选时刻的观测资料较少，不能全面再现风的分布。另外托克逊县地形最低，甚至低于海平面，狭管效应和地形作用引起的下坡风（夜间山风）使得该地的风速比周围地区的大很多。当地形比较复杂时，模式中各物理量在地形坐标中的水平及垂直梯度变化相对于平坦地形时加强，这会造成模式的计算误差[24]。三种边界层参数化方案的对温度（图2中的b1，b2，b3）和比湿值（图2中的c1，c2，c3）的模拟结果与观测值（比湿的观测值由露点温度计算而得）很接近。对比三种边界层参数化方案，虽然整体的模拟结果接近，但是YSU和ACM2方案模拟的大风、温度分布相近，MYJ方案模拟的大风区域更明显，大风区域内温度较低。
3.2 10 m风速、2 m温度和比湿在大风过程中的变化
图2 2007年 2月 28日 00时（当地时间，下同）10 m 风速（a1，a2，a3），2 m 温度（b1，b2，b3）及比湿（c1，c2，c3）的观测值（图中圆点）和三种边界层参数化方案的模拟值的对比（背景颜与观测点的颜越接近，表示模拟值越接近观测值）
三种边界层参数化方案对10 m风速、2 m温度和比湿的模拟值与观测值的趋势一致，模拟的风速（图3a）都比观测值偏大，对低值风速的模拟效果好于高值。MYJ的模拟值最大，偏差也最大，YSU方案与ACM2方案的模拟结果接近。在大风发生之前，白天的模拟优于夜间，在大风期间，即当地时间27日12时到次日00时，风速逐渐增大，模拟值与观测值的偏差也逐渐增大。另外对大风区域内的4个典型站点进行分析发现，在风速不超过20 m/s时，模式的模拟值高估，否则模式会低估。这与Shimada等[25]、张碧辉等[16]的研究一致。
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