（气象学专业论文）边界层参数化及其在中尺度数值模式中的应用.pdf

摘要 边界层参数化过程是中尺度数值天气预报模式中次网格尺度参数化过程之 一，多年来一直是人们关注的问题。在中尺度模式、大气环流模式、中长期天 气预报模式及模拟气候变化的数值模式中，人们已经注意到边界层所起的作用。 因此各种边界层方案也纷纷应用于上述模式中，得出了许多有意义的研究成果。 尽管边界层的研究已取得了许多成果，提出了各种精度的参数化方案，但许多 方案还处于单点试验阶段。由于边界层参数化方案的多种多样性，也就存在着 各自的优点，同时也存在着各自的局限性，至今没有一个定论。因此有必要从 实践中总结出一个最佳方案。如果能将该方案进一步改进和发展，进而并入一 个有良好性能的中尺度模式，那么，可以预期，其模拟结果，特别是行星边界 层的模拟将会得到显著改进。这是边界层气象服务于实践的重要方面，也是本 文的主要目的。 本文首先对2 0 0 3 年7 月4 5 日突袭南京的一场特大暴雨，采用非静力中尺 度数值模式( m m 5 ) 进行模拟，并着重研究了不同边界层参数化方案对雨量中 心强度、雨区分布、垂直速度、散度、涡度、水汽通量散度以及口：。场的影响。 结果表明：在不同的边界层参数化方案下，垂直速度场、水汽通量散度场、涡 度场、水平风场的散度以及口，。场都表现出不同的特征；合理边界层方案的引入 对预报效果有明显的改进。结合边界层和自由大气的动力、热力结构进行了综 合分析，给出了边界层作用与自由大气动力、热力结构的配置情况，说明这种 配置对暴雨的形成是至关重要的。 “雅安天漏”是川西的一个特殊降水现象，降水强度大、尺度小，多为局 地性降水。本文以m m 5 模式模拟分析“雅安天漏”为代表，着重研究了不同 边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布的影响以及雅安暴雨时的纬向垂 直环流结构。结果表明：复杂地形条件下，特别是降水有明显日变化的地区， 边界层的作用是十分重要的，这在暴雨时的纬向垂直环流结构中表现地非常明 显。不同的边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布、散度和涡度的预报 均有一定的影响。从各种物理量的预报结果和配置来看，m r f 方案的预报结果 最接近实况。从6 种不同方案对暴雨过程预报的实验看，不同的边界层参数化 方案对雨带特征的模拟都具有一定的能力，同时模式模拟的降水对参数化方案 的选取是敏感的，不同的参数化方案模拟出的降水范围和雨量分布有所差异， 主要表现在降雨量中心强度及雨区分布上。边界层参数化对天气形势场的预报 影响不明显，但对降水中心强度及雨区分布都有较大影响。暴雨的发生发展， 不仅依赖于大尺度形势场，而且与边界层过程有着紧密联系，边界层方案是影 响暴雨模拟的敏感因子。 在上述个例试验的基础上，选了一个预报效果相对较好的边界层参数化方 案m r f 方案，移植到高保真非静力区域模式( f n h r m ，钟青等) 中。目前e 在把w r f 模式中的m r f 方案移植到f n h r m 模式中，再选取一些个例进行检 验，以便在新的动力框架下，察看行星边界层方案的性能。 关键词：边界层参数化，暴雨，数值模拟，“雅安天漏”，复杂地形 p b lp a r a m e t e riz a t i o na n dl t sa p p ii c a t i o n inm e s o s c a ie n u m e ri c a lm o d e a b s t r a c t p l a n c t a r yb o u n d a r y1 a y e rf p b l ) p a r a m e t e r i z a t i o n i sa ne s s e n t i a l p a r t o f n u m e r i c a lw e a t h e rp r e d i c t i o nm o d e l t h e r eh a v e b e e nm a n yp b ls c h e m e sa p p l i e di n a l lk i n d so fm o d e l s s u c ha sm m 5 哏fa n ds oo n t h e r ea r es e v e r a l1 a y e r si n b o u n d a r yl a y e rf o ra 1 1p b ls c h e m e se x c e d tf o rt h eb u l kb o u n d a r yl a y e rs c h e m ei n m m 5 t h e r e f o r e t h ep b ls c h e m ei t s e l fi s p a r to fm o d e l sf u n c t i o n e a c hp b l s c h e m ei sd i f f e r e n ti ni t sf o r m u l a t i o no fv e r t i c a lm i x i n gw i m i nt h ep b la n dt h e s u r f a c ef l u x e s w h i c hi nt u r n1 c a d st ot h ed i f f e r e n c ei nu p p e rf r e ec o n v e c t i o n a t m o s p h e r e t h em a i nw o r ka n df i n d i n g so f t h i ss t u d ya r es h o w na sf o l l o w s ： i nt h i sp a p e l t h en o n h y d r o s t a t i cv e r s i o no fm e s o s c a l en u m e r i c a lm o d e lm m 5i s u s e dt os i m u l a t e h e a v yr a i n w i mt h es a l t l ec o n d i t i o n se x c tf o rt h ep b l p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s t e s t sa r ec o n d u c t e dt od e t e r m i n et h es e n s i t i v i t yo ft h e s i m u l a t i o nt ot h ea v a i l a b l ep b l p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s ，i n c l u d i n gt h eh i rs c h e m e b ts c h e m e e t as c h e m e ，m r fs c h e m ea n dg ss c h e m e s i g n i f i c a n ts e n s i t i v i t yi s s e e nt h a tt h es t r u c t u r eo f m e t e o r o l o g i c a lf i c l d sa n dt h ep r e c i p i t a t i o nv a r yg r e a t l yw i m d i f f e r e n tp b ls c h e m e s t h em r fb o u n d a r yl a y e rs c h e m ep r o d u c e dt h e s t r o n g e s t s t o r m w h i l en 0 b o u n d a r yl a y e rs c h e m ep r o d u c e dt h ew e a k e s ts t o r m r e s u l t ss u g g e s t t h a ta c c u r a t ef o r e c a s t so f h e a v y r a i nc a l lb e u s ta ss e n s i t i v et ot h ef o r n l u l a t i o no ft h e p b l p r o c e s sa st h e ya r et ot h ec l o u dm i c r o p h y s i c a lp a r a m e t e f i z a t i o n d u r i n gt h ep e r i o do f4 m - 5 “1j u l y2 0 0 3 ，ah e a v yr a i no c c u r r e d i n n a n l i n g r e s u l t i n gi ns e v e r et l o o dc a t a s t r o p h e u s i n gt h em m 5 m o d e lt oc o n d u c ti n v e s t i g a t i o n o fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nf o rt h i sc a s e i tw a sb a s i c a l l yp o s s e s s e do fac a p a b i l i t yt o r e p r o d u c et h eg e n e s i s ，d e v e l o p m e n ta n de v o l u t i o no ft h el a r g e s c a l ea n dm e s o s c a l e w e a t h e rs y s t e m s s p e c i a la n a l y s i si sm a d et os e et h ei m p a c to fd i f 琵r e n tb o u n d a r y l a y e rp a r a m e t e f i z a t i o ns c h e m e s o ns o m ef a c t o r sw h i c ha f f e c tt h eh e a v yr a i n f a us u c h a sv e r t i c a lv e l o c i t y ，d i v e r g e n c e ，v o r t i c i t y ，d i v e r g e n c eo fw a t e rv a p o rf l u x ，0 ”f i e l d a n ds oo n t h es i m u l a t e dr e s u l t s u s i n gat w o w a yi n t e r a c t i v en e s t i n gp r o c e d u r e r e v e a l e dt h a tt h ep r e c i p i t a t i o ns i m u l a t e db yt h em o d e li ss e n s i t i v et ot h eb o u n d a r y 1 a y e rp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e d i f f e r e n tp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e sh a v ed i f f e r e n t i n f l u e n c e so nt h em a x i m u mi n t e n s i t yo fr a i n f a l la n dt h ed i s t r i b u t i o no fr a i na r e a s u i t a b l eb o u n d a r yl a y e r p a r m n e t e r i z a f i o ns c h e m eh a so b v i o u si m p r o v e m e n to n s i m u l a t e dr e s u l t s t h e nw es e l e c t4 y a - a n t i a n l o u ”c a s e st os e et h er o l eo fp b lu n d e rt h e c o n d i t i o no f p r e c i p i t o u st o p o g r a p h y y a a ni s1 0 c a t e do nt h ew e s t e d g eo f t h es i c h u a n i i i b a s i n t h ee a s tp e r i p h e r yo ft h eq i n g h a i - x i z a n g ( t i b e t a n ) p l a t e a u w h e t h e ri nt h e a s p e c to f t o t a lr a i nd a y so rt o t a lr a i n f a l la m o u n ti na y e a r ，y a a l li sa l w a y s a ne x t r e m e r a n g e w h i c hh a sb e e nc a l l e d 吖a a n - t i n n l o u ，i nc h i n e s e t h ep r e d i c t e da v e r a g e p h y s i c a l s t r u c t u r e si nt h er a i n i n gp r o c e s sa r ea sf o l l o w s ：( 1 ) p o s i t i v ev o r t e xa n d c o n v e r g e n tc e n t e ri n t h e1 0 w e ra n dm i d d l et r o p o s p h e r ea n dn e g a t i v ev o r t e xa n d d i v e r g e n t c e n t e ri n u p p e rt r o p o s p h e r e ；( 2 ) t h es u p e r p o s i t i o n o ft h el o w l a y e r z o n a l v e r t i c a lc i r c u l a t i o na n dt h eu p1 a y e rz o n a l v e r t i c a lc i r c u l a t i o nf o i - i n sas t r o n g u p w a r dc u r r e n t t h ep o s s i b l em e c h a n i s mo f y a a n t i n n l o u ”i sa sf o l l o w s ：t h ed a y t i m e s e n s i b l eh e a tf l u xa n dl a t e n th e a tf l u xt r a n s m i s s i o no fp b la tt h ee a s ts t e e ds l o p eo f t h et i b e t a np i a t c a l lh e a tt h el o w e ra t m o s p h e r e ，w h i c hw e a k e n st h ed o w n w a r dc u r r e n t a s s o c i a t e dw i 1t h ew e s tw i n do v e rt h et i b e t a np l a t e a u 1 c a d st h e1 0 w1 a y e r q u a s i s t a t i o n a r ya i ri nt h ey a a nt r u m p e tt e r r a i na r e aa n dt h es i c h u a nb a s i nf l o w i n g a l o n gt h es l o p e ，f o r m s aw e a ke a s tw i n di nt h ee a s t1 0 w e rl a y e r ，c h a n g e st h e d o w n w a r dc u r r e n ti n t ot h eu p w a r dc u r r e n ta s s o c i a t e dw i t ht h ee a s tw i n dc l i m b i n gt h e s l o p e ，f o r r n sal o w e rl a y e rv e r t i c a lc i r c u l a t i o ni nt h ee a s tp e r i p h e r yo ft h et i b e t a n p l a t e a u t h el o w e rl a y e re a s tw i n ds t r e n g t h e n sg r a d u a l l ya l o n gw i t ht h ev e r t i c a i c i r c u l a t i o n t h em o m e n t u mt r a n s m i s s i o nf r o mt h e1 0 w e rl a y e ra n d u p p e rt r o p o s p h e r e w e a k e n st h ew e s tw i n di nt h em i d d l et r o p o s p f i e r ea b o v et h es i c h u a nb a s i n ，w h i c h p r o d u c e sm o r ec o n v e r g e n c eo v e rt h el o w e r1 a y e rv e r t i c a lc i r c u l a t i o na n df o r n l sa n d s u p e r p o s e s a n o t h e r u p p e rl a y e r v e r t i c a le i r c u l a t i o no nt h e1 0 w e r1 a y e rv e r t i c a l c i r c u l a t i o n ? f 饧e nt h es t r e n g t ho ft h eu p w a r dc u l t e n tr e a c h e sc e r t a i nd e g r e ea n d m o i s t u r ec o n v e r g e n c eh a se n o u g hv a p o r st of o r mc o n d e n s a t i o n ，w h i c hp r o d u c e s c l o u d sa n d p r e c i p i t a t i o n ，t h e1 a t e n th e a tf u r t h e rw a r l t l st h es l o p ea i ra n de n h a n c e st h e u p w a r dc u r r e n t t h em o r ec o n d e n s a t i o n ，t h em o r el a t e n th e a t ，a n dt h es t r o n g e rt h e u p w a r dc u r r e n ti s f i n a l l y t h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ev e r t i c a lc i r c u l a t i o na n dt h e m a x i m u m p r e c i p i t a t i o ni n t e n s i t yo c c u rm a i n l yi nt h em i d d l en i g h tl a t ed u et ot h e p o s i t i v ef e e d b a c k b e t w e e nt h ev e r t i c a lc i r c u l a t i o na n dt h ec o n d e n s a t i o nl a t e n th e a t l a r g e s c a l e1 0 c a t i o no f r a i nb a n di sd e c i d e db yt h el a r g e s c a l ef l o wp a t t e r n s h o w e v e r b o u n d a r yl a y e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ep r e d i c t i o no fh e a v yr a i n w i 血o u tb o u n d a r yl a y e rp r o c e s s e s i ti s i m p o s s i b l et op r e d i c tt h ew e n t h e rs y s t e m a c c u r a t e l yb e c a u s et h ef l o wp a t t e r n s m o i s t u r ea n di n s t a b i l i t yi n1 0 w e rt r o p o s p h e r e c o u l dn o tb ed e s c r i b e d c o r r e c t l y ，s e q u e n t i a l l y t h ef o r e e a s to fh e a v yr a i ni s u n s u c c e s s f u l i ng e n e r a l t h em r fs c h e m ep r o d u c e dt h eb e s ts t o r mc o m p a r e dw i t h t h eo b s e r v a t i o nd a t a s o w eh a v eb e e n p r e p a r i n g t ot r a n s p l a n tt h em r fs c h e m ef r o m w r fm o d e lt of n h r mm o d e lt h e nw ew i l lc h o o s es o m ec a s e st ot e s tt h ee f f e c t so f p b ls c h e m ei nan e w d y n a m i c a lf r a l t l e k e y w o r d s ：b o u n d a r yl a y e rp a r a m e t e r i z a t i o n ，r a i n s t o r m ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ， “y a - a n t i a n l o u ”，p r e c i p i t o u st o p o g r a p h y i v 第一审绪论 第一章绪论 1 1 引言 行星边界层( p b l ) 是紧靠地球表面，厚度约为1 - 2 公里的一层大气。这层大气受地 面热力和动力影响，并对地面强迫以l 小时左右的时间尺度进行响应。边界层中主要的物 理过程包括动量输送、热量输送、水汽输送、摩擦效应、污染物排放以及地形强迫等。因 此边界层过程对地面和大气之间进行动量、热量和水汽的交换起着十分重要的作用。 从能量观点来看，整个大气的主要能源是太阳辐射，而地面吸收了太阳辐射的大部分， 并且通过p b l 过程传输给大气；为海洋吸收的约9 0 的净辐射造成海水蒸发，储存在水汽 中r q 滞热约8 0 是驱动大气运动的燃料。由此可见，行星边界层是大气运动的重要能源供 给区；与此相反，动量通过边界层湍流向地面输送又是大气运动的主要动量汇，同时约5 0 的大气动能在边界层内被耗散。对中尺度大气系统来说，边界层过程是导致这类系统发 生和发展的重要因子，如热量通量、水汽通量和动量通量在边界层中的乖直揣流输送列这 类系统的发展是十分重要的。显然这种输送随边界层中湍流的强弱而变。由于边界层一般 气象要素在铅直方向变化远大于水平方向，因此通常铅直方向通量是主要的。边界层的规 律决定了边界层内气象要素的时间和空间分布：决定了气体系统中地气之间各种物理量的 交换，不仅对边界层内的物理过程有很大影响，也对整个大气有重要的作_ 【= j ( s t a l l ，1 9 9 1 ： 赵鸣等，1 9 9 1 ) 。与自由大气不同，在边界层中气压梯度力、柯氏力、摩擦力三者具有相同 的量级，而自由大气中运动可以不考虑摩擦力。湍流交换过程在决定边界层的运动状态上 也起着决定性作用。除了湍流交换外，辐射传输、水汽相变等也是边界层内的物理过程， 但起主导作用的是湍流。因此，掌握边界层的主要特性，进而对相关的次网格尺度过程的 作用进行参数化就显得十分必要。 行星边界层的一个主要特点是运动的湍流性。对湍流的定义，由于问题的复杂性，目 前仍然众说纷纭，没有公认的普遍性定义。对湍流的认识，现在比较恰当的提法是：“湍流 是一种不规则的运动，湍流的各个特征量是时间和空间的随机变量。因此它的统计平均值 是有规律的”( 李宗恺等，1 9 8 5 ) 。湍流输送是地面和大气之间进行动量、热量和水汽交换 第一章绪论 的主要渠道。因此掌握低层大气湍流运动的特征，对研究自由人气与边界层人气的相互作 用具有十分重要的意义。边界层的另一个特点是由于柯氏力的影响风向有规则地随高度 右旋。另外，由于边界层的热力影响会形成一个热力边界层，它将影响湍流的运动。 行星边界层的形成是大气与其f 垫面相互作用的结果。一方而大尺度运动决定着边界 层的稳定度，为它提供扰动动能，从力学上说推动了边界层过程，而且边界层的厚度也受 大尺度运动影响；另一方面由于边界层作用也能改变其上气流的特征，冈此边界层的结构 与各种作_ l f ；| 力和热源等综合的外部条件密切相关，并由这些外部条件所限定。而由这些物 理结构所决定的物理量湍流输送过程，对于中尺度和大尺度环流的研究及边界层本身物理 现象的研究是十分重要的。因此大、中尺度数值预报模式必须正确处理边界层和大尺度运 动之间的相互作用。 f 垫面首先影响边界层。通过垂直方向的湍流输送，下垫面的热量平水分可以输送到 大气的上层，作为人气中的一部分能量来源，影响其上的自由大气：同时，高层的动量也 可以输送到低层，以补偿边界层中由于下垫面不光滑而造成的动量摩擦消耗。所以边界层 的湍流属性输送过程对于大气中动量、热量、水分等的输送和平衡，具有极其重要的意义。 近年来，湍流属性输送的概念还广泛地应用于研究大范围天气过程中动量、能量、水分和 热量等的输送和平衡问题，而且已经成为研究人气环流的一种重要方法( 程麟生，1 9 9 4 ) 。 由此可清楚地看出大气湍流的研究对中尺度数值模拟的必要性、迫切性以及边界层理论在 整个大气科学领域中的重要性。 在深入研究边界层参数化在中尺度模式中的作用之前。首先对中尺度模式做一简要概 述，进而了解边界层参数化在中尺度模式中的重要作用。 1 2 中尺度模式中边界层参数化的物理意义 12 1 中尺度数值模式和模拟 9 0 年代以来，我国长江流域山现了数次严重的洪涝灾害，其中1 9 9 1 年的江淮特大洪 涝为近百年来所罕见( 丁一汇等，1 9 9 3 ) ，而2 0 0 3 年淮河流域的洪水无论从干流中一f 游的 最高水位还是最大流量都已经全面超过了1 9 9 1 年的水平。这些严重的灾害造成人民生命财 产的巨火损失，同时也增加了深入研究特大洪涝灾害的特征、成因舸i 预测方法的紧迫性。 人气数值模式在这一研究中正起着越来越重要的作用，其中如何提高中尺度数值天气预报 2 第一章绪论 模式的准确率更是值得深入研究。 自5 0 年代中期研制出有实刚价值的数值大气预报模式后，四十几年来，大气数值模拟 和预报已在大气科学各个领域迅速发展。这方面一个十分活跃且具有挑战性的分支，就是 中尺度大气数值模式年模拟系统的建立以及准业务中尺度天气数值预报的实现。这种中尺 度模式模拟与业务预报系统的建立和迅速发展，不仅在大气科学的理论与应用研究中占有 十分重要的地位，而且可以获得巨大的社会效益和经济效益。 现有的中尺度模式主要有两类：静力模式和非静力模式。在对中 。尺度系统发生和 发展的模拟研究中，静力模式有着广泛的应用和发展，这类模式中有p s u n c a r 的m m 4 模式( a n t h e s 和w a r n e r ，1 9 7 8 ) ；j m a 的准业务中尺度模式n p d j m a 等；世界各国还有 很多的中尺度模式，如我国的周小平等( 1 9 8 8 ) 发展了一个适用于东季风暴雨数值预报 的区域细网格模式。通过大量个例的试验和检验，以及业务化的使用，这些模式都得到了 不同程度的改进，尤以p s u n c a r 系列在各国业务化天气预报中应用最多。m m 4 中尺度 数值模式模拟系统始建于a n t h e s 和w a r n e r ( 1 9 7 8 ) 最初提出的一个流体静力原始方程模式， 之后经宾州大学和n c a r 许多气象工作者的应用及发展，已建立了一个主要供研究用的复 杂模拟系统，在世界各国的应用中，得到了进一步的检验、改进和发展。近年来，该模式 不仅广泛地月j 于中尺度天气现象的研究，而且也用于天气尺度和气候方面的研究。用m m 4 模式研究各种尺度的天气现象取得了重大的研究成果，然而m m 4 中仍存在一些需要进一 步改进的问题，如积云参数化、行星边界层、辐射参数化等物理参数化过程及某些复杂的 中、小尺度天气系统和强对流天气现象的研究，已不再满足流体静力平衡假设，因而需要 用非流体静力模式来研究这些天气现象。非静力模式在近年来也得到了发展。最初的非静 力模式，如c l a r k e ( 1 9 7 0 ) 等的模式主要用于理想场的研究，用实际资料的非静力模式有 英国气象局的( u k m o ) 中尺度模式( t a p p 等，1 9 7 6 ) ，后来这一模式由g o l d i n g ( 1 9 9 0 ) 等进一步发展：o k l a h o m a 大学风暴分析中心发展的非静力风暴尺度数值模式a r p s ( x u e 等，1 9 9 5 ) ；p s u n c a r 的m m 5 模式( d u d h i a ，1 9 9 3 ) 。m m 5 是p s u n c a r 第五代中尺 度数值模式，该模式是在8 0 年代后期研究的中尺度模式m m 4 基础上重新开发的，它比 m m 4 优越之处在于考虑了非静力平衡效应，而且模式的总体框架和物理过程( 如积云参数 化、行星边界层、辐射参数化等物理参数化过程) 都较前一代模式有了很大的改进，是具 1 第一章绪论 有数值天气预报业务系统功能和天气过程机理研究功能的综合系统。中尺度数值天气预报 模式由m m 4 发展到m m 5 ，模式由静力发展到非静力，而且可以模拟更小空间尺度的天气 现象，对于局地扰动的生成平| 1 发展的描述能力也超过了m m 4 模式。 中尺度模式不仅可以模拟中尺度的天气现象，e 1 前它还有两个方面的应用，一是t l 做 区域模式 妖套( g i o r g i o 等，1 9 9 3 ) ，在气候模拟中更加精细地反映出中尺度的现象；另一 方面是经过改造，与区域空气污染预报联系起来，进行空气污染预报( l a p c ，1 9 9 9 ) 。总 之，中尺度模式在大气科学的理论与应用研究中占有十分重要的地位。 1 2 2 中尺度模式中边界层参数化的物理意义 随着对气候变化的预测和关注，以及气象业务预报的要求，短时间和小空间尺度的物 理过程在中尺度预报模式和大气环流模式中的准确表达越来越引起重视，边界层对各种时 间尺度( 短期、中期、长期) 的数值天气预报都起着很重要的作_ i ；j 。短时间尺度的地表温 度、湿度的预报以及短时间尺度、小空间尺度的边界层湍流扩散过程的精确描述，就被摆 在非常显著而又重要的位置上，因此研究行星边界层的湍流过程以及有效的数值算法具有 重要的现实意义。 边界层过程是整个大气变化过程的一个重要环节，对天气、气候有重要影响，因此对 天气、气候进行模拟荆i 预报必须考虑边界层过程。在人尺度的大气模式中，由丁：模式| | | 勺分 辨率很粗，铅直方向分层时边界层内甚至没有层次或仅有很少的层次，这时描写大气运动 基本方程组中边界层摩擦以及湍流热量和水汽输送的影响，只能通过简单的参数化方法来 考虑。对于中尺度模式，模式在水平及铅直方向的分辨率已比大尺度模式高，可以比大尺 度模式更仔细地考虑边界层过程，因此能比较细致地模拟山一些中尺度现象，而模式中对 边界层的考虑也是基于对边界层本身的研究结果。 由于湍流主要集中在边界层内，因此大气运动中的动能大部分消耗在边界层内，因而 它对大气运动产生重要的影响，在时间稍长的天气预报模式及气候模式中都必须考虑边界 层的摩擦作用。边界层中热量和水汽的e k m a n 抽吸则直接为自由大气提供能源和水汽，成 为天气系统演变的一个重要环节。准确地模拟天气和气候变化，必须精确地计算出感热、 潜热年水汽通量。实际大气中，由于下垫面及边界层状况在不同地区不同时刻变化很大， 冈此这些通量的变化也很大，其结果必然会对天气和气候产生巨大的影响。气候模式中常 4 第一章绪论 常通过下垫面对边界层的影响把地气系统耦合起来以模拟不同地区的气候变化。 与湍流、对流输送、凝结和辐射相伴随的物理过程对中尺度大气系统的发生剥1 发展很 重要。由于这些过程在空间上与小尺度甚或分子现象有关，不能显式地包括在中尺度数值 模式中，而这些模式只能分辨格点模式中比网格大的那些尺度，因此对一些次网格尺度现 象必须进行参数化。所谓参数化就是应用经验数据年简明的基本概念对次网格尺度过程和 源汇过程进行明确规定( s p e c i f i c a t i o n ) 。对中尺度系统来说，湿空气在边界层内的水汽通 量、动量通量及边界层内的垂直湍流输送对这类中尺度系统的发展尤为重要。因而对边界 层进行全面的理论研究，进而对这些次网格过程进行参数化就显得十分必要。 为了进一步深入地研究边界层参数化问题在中尺度模式中的作用，有必要对现有中尺 度模式中边界层参数化的研究现状做一简要同顾。 1 3 中尺度模式中边界层参数化的研究现状 数值预报模式中边界层参数化问题是在2 0 世纪6 0 年代整个边界层的相似理论取得进 展后才解决的。6 0 年代以后，边界层结构和变化的数值模拟蓬勃开展起来，再配合各种观 测项目的验证，使边界层的研究产生了巨大飞跃。在这方面，b l a c k a d a r 用推j 的混合长理 论，l a i c h t m a n 和z i l i t i n k e v i c h 等用k o l m o g o r o v 的湍流理论对湍流交换系数的处理使数值 模拟一| 二作取得了很大成功。1 9 7 0 年z i l i t i n k e v i c h 的大气边界层动力学，1 9 7 3 年h a u g e n 主编的微气象学以及l a i c h t m a n 的大气边界层物理学系统总结了那个时代对边界 层及数值模拟方面的工作。7 0 年代和8 0 年代，w y n g a a r d 和d e a r d o r f f 等对湍流通量用所谓 “高阶闭合”方法求解边界层的控制方程组，从而得到三维边界层中风、温和湍流场的时 空分布。8 0 年代以来，对边界层中湍流交换机制和处理方法进行了新的研究，得到了一些 新的计算方法。从数值模拟的计算方法来说，除差分方法外，又发展了有限元方法。总之， 近二、三十年来数值技术的应用，已使人们能从理论上把边界层的时空变化特征模拟出来， 为对边界层进行准确的数值预报打下了良好的基础。现在各种数值模拟技术以及与大、中 尺度模式结合起来的研究仍在蓬勃发展。在进行数值模拟的同时，也对特殊边界层的结构 进行了资料分析并发展了相应的理论，如k a i m a l 和l e n s c h o w 等对对流边界层的研究， c a u g h e y 和m a h r t 等对稳定边界层的研究均取得了较好的成绩。 6 0 年代末到7 0 年代初，关于非均匀下垫面( 包括起伏地形) 上的边界层研究在均匀 第一章绪论 f 垫面已有。定研究的基础上开展起来，如t a y l o r 平1 lw a n n s l e y 关于起伏地形上气流的数值 研究等。由于问题远比均匀下垫面复杂，所以还有大量问题需要研究。8 0 年代以米，= 1 f 均 匀r 垫面的研究已成为边界层研究中的热门课题。 我国主要在6 0 年代年7 0 年代以j 亓才对边界层进行系统的研究。7 0 年代人气所建立了 3 0 0 米气象塔，数值模拟也在大气所、南京大学、北京火学、气象科学研究院、南京气象 学院等单位逐步开展起来。但与发达国家相比，还有不少差距。 有关边界层的模拟和参数化有两种解决途径：一种是把整个边界层作为一个简单的混 合层来处理，这种方案的困难在于边界层中存在各种尺度的大气过程，而且它们之问相对 独立，所以只能描述边界层的整体特性：另一种方案是在边界层中多考虑儿个层次，这样 就需要确定边界层中动量、热量年l i 水汽的湍流通量。这方面，前人也做了火量较有成效的 t 作( d e a r d o f f 1 9 7 2 ；l o u i s ，1 9 7 9 ；b o u g e a u l t 和l a c a r r e r e ，1 9 8 9 ；等等) 。 目前在世界各国( 如欧洲中划预报中心、法国、英国、澳火利皿、日本等) 的数值天气 预报和研究模式中，采j ： j 较多的是l o u i s ( 1 9 7 9 ) 提山的湍流参数化方案。该方案的特点，也 是最重要的一点，就是把湍流交换过程同人气稳定度( r i c h a r d s o n 数) 联系起来。 在当前的m m 5 模式中，边界层参数化有几种不同的处理，主要有： 1 )总体边界层参数化方案( b u l k ) ，把行星边界层看作是由近地层和混合层组成的整体， 是最简单的一种。 2 ) 高分辨边界层参数化方案( h i r ) ，在近中性及稳定层结情况f 采用k 理论，而白天根据 自由对流特征建立的传输模式描写不同高度大气的交换。 3 )能量闭合方案，k 与湍能有关，包括b t 方案及m e l l o r - y a m a d a 的l e v e l2 5 方案，在k 闭合的基础上增加了一个湍流能量预报方程。 4 ) m r f 方案，应用h o l t s l a g 等的三次函数形式求得k ，并加入了逆梯度传输项。 1 4 本文拟解决的问题和论文的结构 通过以上回顾可见：在中尺度模式、大气环流模式、中长期天气预报模式及模拟气候 变化的数值模式中，人们已经注意到边界层所起的作用。因此各种边界层方案也纷纷应用 到上述模式中，并得出了许多有意义的结果。尽管边界层的研究已取得了许多成果，提出 了各种精度的参数化方案，但许多方案还处于单点试验阶段。由于边界层参数化方案的多 第一章绪论 样性，每个均有优点，同时也存在着各自的局限性，至今没有一个定论。冈此有必要从实 践中总结一个最佳方案。如果能将该方案进一步改进和发展，进而并入一个有良好性能的 中尺度模式，那么，可以预期，其模拟结果，特别是行星边界层的模拟将会得到显著改进。 这是边界层气象服务于实践的重要方面，也应是今后的主攻方向之一。 在目前盛行的中尺度数值模式中，对边界层的湍流参数化方案主要用于反映边界层内 的湍流热量输送羽i 动量摩擦作用，冈此现有的中尺度数值模式可以很好地模拟各种中尺度 环流系统。为了便于全面地研究中尺度系统与边界层的相互作用，本文将围绕以下一些问 题展开。在数值天气预报模式中，次网格湍流垂直扩散过程参数化是边界层参数化问题的 重要内容之一，更是一个备受重视的热门课题，那么在数值天气预报模式中，如何细致考 虑发生在边界层中的物理过程? 边界层物理过程的细致研究能否提高业务化天气预报的准 确性? 当大的天气系统发生时，边界层结构又有什么样的变化规律? 这些问题都值得我们 进行深入的研究。 本文的结构安排如下：首先，本文第一章对边界层的作用、中尺度模式中边界层参数 化的物理意义和研究现状做了总结。第二章简单介绍了m m 5 模式的基本特点和动力学框 架以及各种边界层参数化方案、边界层与其上自由大气的相互作用。第三章，对2 0 0 3 年7 月4 5 日突袭南京的一场特大暴雨，采用了非静力中尺度数值模式m m 5 进行模拟，并着重 研究不同边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布、垂直速度、散度、涡度、水汽通 量散度以及0 。场的影响。第四章，选取了4 个“雅安天漏”的个例进行数值预报试验， 考察复杂地形条件下边界层参数化的作用是否更加明显。第五章，在上述个例试验的基础 上，选定一个相对好的边界层参数化方案，移植到高保真非静力区域模式( f n h r m ，钟青 等) 中，再选取一些个例进行检验，以期在新的动力框架下，察看行星边界层方案的性能 ( 目前这部分工作仍在进一步调试中) 。第六章，对全文进行总结及对这一学科朱来研究的 展望。 兰三至兰竺! 堡垄丝望墨星墨垫! 兰查塞塑坌 第二章m m 5 模式