吳捷

摘要：2020年9月22日傍晚18時，蘭州發(fā)生了弱天氣尺度背景的午后局地短時熱對流降水天氣，此次降水是由祁連山移過來的局地干冷平流與蘭州近地層的暖氣團交匯觸發(fā)。針對此次降水過程，本論述采用WRF模式耦合不同復雜程度陸面模式NOAH 和 CLM4，從溫度場、垂直風場和水平水汽通量三方面來診斷分析對流系統(tǒng)的發(fā)展和維持機理。結果表明： CLM4能合理地再現(xiàn)此次降水過程，尤其是18：30后續(xù)降水和降水落區(qū)，這可能是由于CLM4模擬的近地層溫度場和垂直風場更接近實況，結合地表的水汽輸送和近地層空氣的加熱作用促進局地輻合上升運動，加強對流系統(tǒng)發(fā)展，有利于邊界層內對流系統(tǒng)的維持和持續(xù)發(fā)展，所以合理復現(xiàn)此次局地強降水過程。因此，陸面過程參數化方案的選擇對此次局地強對流降水模擬的影響很大。

關鍵詞：陸面過程參數化方案;WRF;局地強降水

中圖分類號：P458.2???????????? 文獻標志碼：A

0引言

蘭州地處青藏高原邊緣山脈與黃土高原相間的河谷，具有獨特的山谷地形，在地形抬升作用和城市熱島效應下蘭州地區(qū)易發(fā)生午后局地熱對流天氣。局地強降水過程具有持續(xù)時間短、影響范圍廣、不易預報等特點，易導致街道積澇，山體滑坡等災害，因此提高強降水預報的準確性是十分有益的事情。近年來，隨著數值模式的日益完善，采用中尺度數值模式對強對流天氣過程進行數值模擬和診斷分析，可以更好地理解降水內部機理[1-3]。其中，楊茜茜等[4]針對南京市2013年8月16日的局地午后熱對流過程，通過不同邊界層方案對比分析，得出此次對流觸發(fā)是由于邊界層內的湍流強度相對較強，且邊界層空氣較冷、濕，生成強勁的上升氣流，促使了此次局地天氣過程;袁成松等[5]通過 WRF模式進行診斷分析得出：邊界層內強烈的垂直運動，促進不穩(wěn)定能量釋放，低空水汽輻合帶，提供了充足的水汽條件，以及β中尺度低渦的共同作用對暴雨過程中降水的產生、加強和維持起著重要作用。

作為邊界層物質和能量的源和匯之一，陸面可以直接地表感熱和潛熱通量分布，進而影響局地環(huán)流，所有這些因素都會最終影響邊界層的熱力學結構及對流系統(tǒng)的發(fā)展[6-7]。曾新民等[8]通過對比四個陸面模式得出降水對陸面參數化方案很敏感，且不同陸面方案模擬結果與地表感潛通量、低層大氣環(huán)流和水汽輻合有明顯的相關性; Gao等[9]針對廣州市2017年5月6日至7日發(fā)生的創(chuàng)紀錄的極端降雨事件，進行下墊面敏感性試驗，得出此次暴雨對小尺度陸面的變化非常敏感，包括地形和土地類型，以及陸面參數化方案的選擇，這表明地表條件的微小變化會間接導致降水過程的持續(xù)時間和落區(qū)。

蘭州地處中國西北，屬于干濕氣候過渡區(qū)，對地表能量和水汽的輸送較為敏感，因此，針對蘭州地區(qū)開展不同陸面模式對降水模擬效果的比較工作非常必要。2020年9月22日傍晚18時蘭州地區(qū)自北向南出現(xiàn)對流性降水天氣，持續(xù)時間近3 h，蘭州大部地區(qū)出現(xiàn)了雷陣雨、陣性大風及冰雹等災害性天氣過程。其中，最大降水量出現(xiàn)在永登縣水槽溝為26.3 mm。城區(qū)部分街道積澇明顯，導致交通嚴重堵塞，影響人們生產、生活。針對此次弱天氣尺度背景的午后局地短時熱對流降水天氣事件，本論述利用中尺度數值模式（Weatherand Research Forecasting Model，WRF）耦合不同復雜程度的陸面模式，通過地表熱通量、垂直風場和水平水汽通量診斷分析來探討陸面參數化方案對邊界層演變和對流系統(tǒng)發(fā)展的影響。

1資料與模式簡介

1.1數據來源

所用數據包括：美國環(huán)境預報中心（National Cen?ters for Environmental Prediction，NCEP）發(fā)布的 FNL0.25°×0.25°間隔6 h 的客觀分析資料，中國氣象局陸面數據同化系統(tǒng)（CMA Land Surface Data AssimilationSystem V2.0，CLDAS-V2.0）提供的0.0625°×0.0625°每1 h一次降水產品。

1.2數值模式簡介

本論述采用中尺度模式 WRF（Weather Researchand Forecasting V4.0）耦合CLM4（Community Land Mod?el Version 4，CLM4）[10]和 NOAH（unified Noah land sur?face model，Noah）[11]兩種不同復雜程度的陸面模式。

WRF 模式是由美國國家大氣研究中心（NationalCenter for Atmospheric Research，NCAR）和國家環(huán)境預報中心（National Centers for Environmental Prediction，NCEP）、俄克拉荷馬大學風暴分析預測中心等，共同合作開發(fā)的新一代中尺度數值預報系統(tǒng)。其中，NOAH模式源于早期的俄勒岡州立大學陸面模式，該方案的土壤層厚度隨地表植被類型而變化，使用迭代法求解對角矩陣以更新土壤溫度，綜合考慮了城市下墊面的影響。CLM4是第三代陸面模式，綜合了美國國家大氣研究中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）陸面模式、生物-大氣傳輸方案（Biosphere-At?mospheric Transport Scheme，BATS）[12]和中國大氣物理研究所的陸面模式（Institute of Atmospheric PhysicsLand Surface Model，IAP94） ，詳細刻畫了植被﹑積雪、土壤中的各種物理過程，強調多相態(tài)傳輸和動態(tài)植被的復雜處理。

1.3數值實驗設計

針對蘭州地區(qū)2020年9月22日的強降水過程，利用FNL分析資料為模式提供初始場和邊界條件，采用中尺度模式WRF（V4.0）耦合不同陸面模式進行數值實驗（分別用NOAH和CLM4表示），以及關閉陸面模式的敏感性試驗（用no-flux表示）。

模式模擬采用三重雙向嵌套方案（如圖1所示），模擬區(qū)域中心為36.04°N 、103.90°E ，網格點數分別為163×163、244×244和367×367，對應格距分別為27 km，9km，3 km，模式垂直方向設置為50層，每組試驗除陸面過程參數化方案不同外，四組試驗中其余物理過程參數化方案設置均相同（見表1所列）。模擬的啟動時刻為2020年9月22日08：00 BJT，連續(xù)積分18 h，模擬結果每小時輸出1次。

2降水實況與天氣形勢分析

2020年9月22日午后祁連山東部有對流云生成，隨著高空較強的西北風推動，對流云攜帶大量級的冷氣團（局地冷平流）越過烏鞘嶺，經永登，移動到受暖氣團控制的蘭州地區(qū)上空。由15：00～22：00逐小時降水（如圖2所示）可清楚看到對流單體的觸發(fā)和移動過程，于傍晚15時左右，局地冷平流和蘭州城區(qū)的暖氣團形成了激烈交匯，觸發(fā)強對流過程，進而形成疾風驟雨、電閃雷鳴的突發(fā)天氣。

由22號下午14時降水發(fā)生前500 hPa 和700hPa 環(huán)流形勢場顯示，蘭州地區(qū)上空盛行平直的西風帶，無明顯的槽脊系統(tǒng)過程。由700hPa 高度場的水汽分布可知（如圖3（b）所示），除從祁連山移來的對流云攜帶的水汽，蘭州附近無明顯的水汽輸送通道，因此認為此次降水的水汽來源是對流云攜帶的水汽。綜上，降水發(fā)生前蘭州地區(qū)沒有受到大尺度天氣系統(tǒng)的影響，所以判定蘭州此次降水過程為弱天氣尺度背景的午后局地短時熱對流降水。

3結果與分析

3.1雷達回波模擬

一般認為強降水在雷達回波觀測上的數值大于或等于40 dBZ，雷暴約為45 dBZ。在繪制圖4時我們重點關注雷達反射率數值大于或等于40 dBZ 的區(qū)域，認為15 dBZ 以下為雜波略去，繪制了4個代表性時次的雷達組合反射率的模擬值與觀測值（如圖4所示）。其中，no-flux敏感試驗表明，若關閉陸氣通量，則無法預報出降水，而NOAH方案雖然模擬出來降水過程但是未能合理模擬后續(xù)降水和18：30的降水落區(qū)，僅 CLM4方案較合理地模擬出蘭州市強對流觸發(fā)過程和降水落區(qū)。除陸面參數化方案不同外，上述三組試驗其他設置均相同，因此可以合理地推測：降水模擬結果可能與陸面參數化方案的選擇有較大關系。

3.2降水發(fā)生前后邊界層的演變

為了直觀地分析不同陸面方案在對流系統(tǒng)維持機制的差異，圖5選取對流系統(tǒng)演化過程中3個時次，沿對流單體移動方向作垂直剖面，繪制邊界層的發(fā)展演變圖，分別從溫度場、垂直風場和水平水汽通量三方面來診斷分析。

17時CLM4和NOAH在103.11°E 近地表附近的水汽輻合區(qū)（如圖5（a）、（d），虛線陰影區(qū)域所示），水汽匯聚十分明顯，在高空600 hPa為水汽輻散區(qū)，與實際觀測一致，此時對流云帶來的局地冷平流移動至蘭州上空，冷暖氣團交匯生成降水。此外，由垂直風場和溫度場可以看出，CLM4在103.37°E 附近有上升氣流，且近地表溫度略高于NOAH。17：30時，在地表和近地層空氣的加熱作用下，CLM4模擬的垂直風場加強，103.37°E 附近有強烈的局地輻合上升運動，使邊界層高度抬高，導致高空500 hPa的水汽輻散區(qū)加強（如圖5（b），實線陰影區(qū)域所示），促進對流系統(tǒng)的維持和持續(xù)發(fā)展;此時，NOAH模擬的垂直風場較弱（如圖5（e），實線陰影區(qū)域所示），高空水汽輻散區(qū)持續(xù)減弱，對流系統(tǒng)開始衰減，降水開始停止。

17：00～18：00，CLM4模擬的近地表溫度場比NO? AH高，且邊界層內垂直運動也較強，將地表水汽輸送至邊界層，同時較強的上升氣流加強了對流過程，有利于邊界層內對流系統(tǒng)的維持和持續(xù)發(fā)展，所以模擬出?????? 18：00后期的降水，而NOAH這些特征表現(xiàn)的并不明顯（如圖5（e）、（f）所示），所以降水在18：30后停止。

綜上，此次局地強降水過程是在對流云攜帶的水汽和蘭州地區(qū)的地表水汽輸送的共同作用下產生的，其中蘭州局地暖氣團的熱力作用導致強烈的局地輻合上升運動，加強了高空600 hPa 的對流過程，充足的水汽配合風場的垂直運動，促進了對流系統(tǒng)的發(fā)展且維持了較長時間。

4結論

本論述通過在中尺度模式WRF 中耦合不同陸面模式，模擬2020年9月22日蘭州一次局地強降水，對比分析不同陸面過程參數化方案模擬對對流系統(tǒng)發(fā)展維持的影響。首先，由實際觀測可知，在降水發(fā)生前期蘭州地區(qū)上空盛行平直的西風帶，無明顯的槽脊系統(tǒng)過程。是從祁連山東移的局地干冷平流與蘭州局地暖氣團交匯，觸發(fā)了此次弱天氣尺度背景的午后局地短時熱對流降水。

針對此次降水的對流觸發(fā)過程，采用WRF耦合不同復雜程度陸面模式NOAH 和CLM4，從溫度場、垂直風場和水平水汽通量三方面來診斷分析對流系統(tǒng)的維持機制。模擬結果表明對流觸發(fā)對陸面過程參數化方案的依賴性很強。CLM4方案合理地模擬出18：30后續(xù)降水和降水落區(qū)，這可能是由于CLM4模擬的近地層溫度場和垂直風場更接近實況，降水觸發(fā)后，近地層空氣的加熱較快，形成局地輻合上升氣流，較強的對流運動將近地表的水汽輸送至高空，導致高空500 hPa 的水汽輻散區(qū)加強，進一步促進對流系統(tǒng)發(fā)展，所以CLM4方案合理復現(xiàn)此次局地強降水過程。

因此，結合數值模擬的診斷分析得出此次局地強對流天氣過程的觸發(fā)和維持機理：對流云攜帶的水汽和蘭州地區(qū)的地表水汽輸送為此次過程提供充足的水汽條件，蘭州局地暖氣團的熱力作用為邊界層風場的垂直運動提供動力條件，在水汽條件和動力條件的共同作用下邊界層內產生強烈的局地輻合上升運動，加強了高空600 hPa 的對流過程，促進了對流系統(tǒng)的發(fā)展且維持了較長時間。

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