（气象学专业论文）arem中尺度暴雨模式及其陆面、边界层方案的数值模拟研究.pdf

摘要 本文对a r e m 及其引入的陆面方案c l m 和c c m 3 非局地闭合边界层方案进 行了深入研究。 对2 0 0 4 年6 8 月雅安暴雨的天气学分析表明：雅安暴雨尺度都比较小，多 为中0 尺度；都有明显的暖湿气流向暴雨区输送，但在不同时段水汽来源不同： 6 月份，水汽主要源于孟加拉湾；7 月下旬到8 月上旬，水汽主要源于副高西侧 来自南海的东南厂偏南气流。8 月中旬，登陆台风低压北侧外围的强偏东风急流 为雅安暴雨输送水汽。暴雨区都对应有对流层低层中尺度的风场辐合，这种辐 合将低层高能高湿的暖湿空气向上抬升，触发不稳定，产生对流，形成暴雨。 5 0 0h p a 中高纬度有短波槽活动，是雅安暴雨的触发成因之一，但雅安暴雨并不 都伴随有5 0 0 h p a 低值系统的活动。a r e m 对雅安暴雨的模拟结果与观测的对比 分析表明：a r e m 在8 5 0 h p a 虚假模拟或虚假增强的中尺度涡旋是馍式空报暴雨 的主要原因。 利用我国内蒙古奈曼旗农牧交错带沙漠和农田两种不同典型下垫面的外场 观测资料对引入a r e m 的陆面模式c l m ( c o m m o nl a n dm o d e l ) 进行了o f f - l i n e 验证试验。试验结果表明：无论是沙漠还是农田试验，c l m 都能够较好地模拟 其辐射通量和土壤中的热传导特征，c l m 的模拟结果能够真实地再现试验期间 土壤热传导过程对天气过程的响应。相比而言，模式对沙漠地区长波辐射通量 和干燥时期短波辐射通量的模拟结果好于农田，其原因可能是因为农田下垫面 植被及土壤特征较沙漠复杂，有着很大的不确定性，造成了农田地表反照率和 温度模拟的偏差。而对农田热传导的模拟结果好于沙漠，反映了c l m 对含水量 较大、持水力较强的农田下垫面的热传导模拟能力较好，而对含水量较小、持 水力较弱的沙漠下垫面的热传导模拟能力相对较差。 c l m 与边界层模式的耦合试验表明，加入大气强迫后，并以n c e p 分析资 料驱动模式，c l m 仍然能合理地描述陆面过程特征，对士壤温度和感热通量的 模拟都与观测接近。为边界层模式加入贴地层的试验表明，加入贴地层后，耦 合模式模拟的土壤温度和感热通量与观测更为接近。对边界层内不同垂直分辨 率的敏感性试验表明，边界层内垂直分辨率的不同，对大气风、温、湿结构的 模拟都有影响。 关键词6 衄m ，陆面过程，边界层，耦合试验 n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , a r e m ( a d v a n c e dr e g i o n a le t a - c o o r d i n a t em o d e l ) w i l lb e r e s e a r c h e d a l s o ，l a n ds u r f a c em o d e lc l mw h i c hh a sa l r e a d yc o u p l e dw i t ha r e m a n dn o n l o c a lb o u n d a r yl a y e rs c h e m eo fc c m 3w h i c hh a sa l r e a d yi n t r o d u c e di n a r e mw i l lb er e s e a r c h e dt o g e t h e n w e a t h e ra n a l y s i si sd o n et oh e a v yr a i no c c u r r e di ny a a nd u r i n g1j u n et o3 0 a u g u s t2 0 0 4 t h er e s u l ts h o wt h a tt h es c a l eo ft o r r e n t i a lr a i ni ny a a ni sr e l a t i v e s m a l l ，m o s to ft h e mb e l o n gt om e s o - ds c a l e ；a l lo ft h e mc o m p a n y 、v i t l lo b v i o u sw e t a n dw a r r l 3 f l o wt r a n s p o r t e dt ot o r r e n t i a lr a i na r e a b u ti nd i f f e r e n tp e d o d ，m o i s t u r e s o u r c ep l a c ei sd i f f e r e n t , i nj u n e ，s u b t r o p i c a lh i g hl o c a t i o ni sr e l a t i v ee a s ta n di t s i n f l u e n c ei sr e l a t i v ew e a k ，m a i nm o i s t u r ec o m ef r o mb a yo fb e n g a l d u r i n gl a s t d e k a dj u l yt of i r s td e k a da u g u s t ，s u b t r o p i c a lh i 曲e x t e n dw e s t w a r dt ol1 0 m 0 5 。e ， m o i s t u r ei sm a i n l yc o m ef r o ms o u t hc h i n as e aa l o n g 、析也s o u t h - e a s to rs o u t hi l o w i nt h ew e s to fs u b t r o p i c a lh i g h w i i l ei nm i d d l ed e k a do f a u g u s t ，m o i s t u r e 、i 也h i 曲 e n e r g ya n dh i g hh u m i d i t yi st r a n s p o r t e df r o me a s to c e a n t oy a a nb yt h es 订o n ge a s t l y j e tf l o w i nn o r t ho u t s i d eo fl a n d i n gt y p h o o nd e p r e s s i o n ；m i d d l e - s c a l ew i n d c o n v e r g e n c ei nl o w e rt r o p o s p h e r ei se x i s t e di na l m o s ta l lo fh e a v yr a i nc a s e w a r i t i a n dw e ta i ri nl o w e rl e v e li sl i f t e du p w a r db yt h i sc o n v e r g e n c e ，t h e nc o n v e c t i v e i n s t a b i l i t yi sa r o u s e d ，w h i c hl e a dt ot h eo c c u r r e n c eo ft o r r e n t i a lr a i n ；s h o r tw a v e t r o u g hb e t w e e nm i d d l ea n dh i g hl a t i t u d ei n5 0 0h p ai so n eo fi m p o r t a n tt r i g g e ro f h e a v yr a i ni ny a a n b u tn o ta l lo fh e a v yr a i nc o m p a n yw i t l ll o w - p r e s s u r es y s t e mi n 5 0 0h p a a l s o ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft o r r e n t i a lr a i ni ny a a ni sc o n d u c t e db y a r e m ( a d v a n c e dr e g i o n a le t a c o o r d i n a t em o d e l ) ，t h ec o m p a r i n ga n a l y s i sb e t w e e n s i m u l a t e dr e s u l ta n do b s e r v a t i o n a ld a t es h o wt h a t , f a l s es i m u l a t e do rf a l s ei n t e n s i f i e d m i d d l e s c a l ev o r t e xi n8 5 0h p ab ya r e mi st h em a i nr e a s o no ff a l s ep r e d i c t i o no f t o r r e n t i a lr a i ni ny a a nb ym o d e l 丌i c l m ( c o m m o nl a n dm o d e l ) i sv a l i d a t e db yu s i n gt h ef i e l de x p e r i m e n t sd a t ao v e r d e s e r ta n dc r o p l a n di nn a i m a no f n e i m e n gp r o v i n c ei nc h i n a r e s p e c t i v e l y t h er e s u l t s o ft h i sv a l i d a t e dt e s ts h o wt h a tc l mc a ne f f e c t i v e l ys i m u l a t et h ec h a r a c t e r i s t i c so f r a d i a t i o nf l u xa n dt h e r m a lc o n d u c t i o no fs o i li nb o t hd e s e r ta n dc r o p l a n dt e s t s f u r t h e r m o r e ，t h es i m u l a t i o no fc l mc a nr e a l i s t i c a l l yr e p r o d u c et h er e s p o n s eo f t h e r m a lc o n d u c t i o ni ns o i lt ow e a t h e rp r o c e s sw h i c h h a p p e n e dd u r i n gt h et e s tp e r i o d b u ti nc o m p a r i n g ，a sf o rt h es i m u l a t i o no fl o n g w a v er a d i a t i o nf l u xi nw h o l et e s t p e r i o da n ds h o r t w a v er a d i a t i o nf l u xi nd r yp e r i o d ，t h er e s u l to fd e s e r tt e s ti sb e t t e r t h a nt h a to f t h ec r o p l a n dt e s t ，b e c a u s ev e g e t a t i o na n ds o i lf e a t u r eo f c r o p l a n di sm o r e c o m p l i c a t e dt h a nt h o s eo fd e s e r t ，a n dt os p e c i f yt h e me x a c t l yi su n p r a c t i c a l ，w h i c h c a u s et h es i m u l a t i v ed i f f e r e n c eo fa l b e d oa n dl a n ds u r f a c et e m p e r a t u r ei nc r o p l a n d t e s t b u tf o rt h es i m u l a t i o no f t h e r m a lc o n d u c t i o n ，t h er e s u l to f c r o p l a n dt e s ti sb e t t e r t h i si n d i c a t et h a tc l mh a sab e t t e rt h e r m a lc o n d u c t i o ns i m u l a t i n ga b i l i t yt os u c h l a n ds u r f a c ea sc r o p l a n dw h i c hh a sb i gw a t e rc o n t e n ta n di sg o o da tm a i n t a i nw a t e r w h i l eh a saw o r s ea b i l i t yt ot h o s ed r yl a n ds u r f a c ea sd e s e r t t h et e s to fc l mc o u p l e dw i t hn o r d o c a lb o u n d a r y l a y e rm o d e li n d i c a t e d ， i m p o s e e dw i t ha t m o s p h e r i cf o r c ea n dd r i v e nb yn c e pa n a l y s i sd a t a , c l mc a r ls t i l i d e s c r i b e1 a n ds u r f a c ec h a r a c t e rr e a l i s t i c a l l y , b o t ht h es i m u l a t i o no fs o i lt e m p e r a t u r e a n ds e n s i b l eh e a tf l u xa g r e ew e l lv m ht h eo b s e r v a t i o n t h et e s to fa d d e dan e a rl a n d s u r f a c el a y e ri nb o u n d a r yl a y e ri n d i c a t e d ，b ya d d e dw i t han e a rl a n ds u r f a c el a y e gt h e s o i lt e m p e r a t u r ea n ds e n s i b l eh e a tf l u xs i m u l a t e db yc o u p l i n gm o d e la g r e eb e t t e r w i t ht h eo b s e r v a t i o n t h es e n s i t i v et e s to fd i f f e r e n tv e r t i c a lr e s o l u t i o ni nb o u n d a r y l a y e r n d i c a t e d ，t h es i m u l a t i o no fw i n d ，t e m p e r a t u r ea n ds p e c i a lh u m i d i t yi n a t m o s p h e r ei si n f l u e n c e do b v i o u s l yb yt h ed i f f e r e n c eo fv e r t i c a lr e s o l u t i o ni n b o u n d a r yl a y e r k e yw o r d s ：a k e m ，l a n ds u r f a c ep r o c e s s ，b o u n d a r yl a y e gc o u p l i n gm o d e l 学位论文独创性声明 本人郑重声明： 1 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名： 日期： 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅；有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名；逊 日 期：丛狸、s ! f 第一章绪论 1 1 引言 数值天气预报已日渐成为现代天气预报业务的基础和天气预报业务发展的 主流方向，数值模式预报的准确与否直接关系到日常天气预报的成败，因此， 如何提高数值预报模式的准确率直是气象工作者不懈努力的方向。在数值预 报模式的诸多因素之中，物理过程参数化方案的优化和改进对数值模式预报准 确率的提高起着至关重要的作用。目前，数值模式所遇到的问题大多与物理过 程参数化有关，未来天气和气候模式的研究重点之一仍然是物理过程参数化的 开发和改进。 陆面过程是影响天气或气候变化的重要物理过程，详细描述下垫面与大气 之间的能量和物质的交换过程，即合理计算地表潜热、感热和动量通量，是天 气或气候数值模拟研究的重要内容。陆面过程模式是通过对影响地气能量和物 质交换的过程或因子的详细描述或参数化，改进潜热、感热和动量通量的计算， 这种改进会影响作为驱动数值模式的下边界条件的地表气象要素的计算，进一 步影响大气边界层能量和物质的湍流输送以及对流系统的产生和发展，进而影 响数值模式对温度场、湿度场以及风场的模拟。 陆面过程与大气中其他物理过程还存在着各种反馈机制，感热、潜热影响 大气边界层能量和物质交换过程以及湿对流过程的强度【l j ( a v i s s a re ta 1 ，1 9 8 9 ) ， 已有研究表明，陆面过程模式的改进对天气或气候数值模拟改进的重要作用毋 庸置疑【2 卅。近年来的研究进一步显示，陆面过程参数化的改进对中短期高分辨 率数值天气预报模式的作用也非常重要。加拿大气象专家用一个中尺度模式 ( m c 2 ) 对简单的强迫恢复陆面方案和比较复杂的加拿大陆面方案( c l a s s ) ，在 5k m 和1 0k m 两种分辨率下进行了强降水过程模拟对比试验，结果表明，m c 2 c l a s s 的5 k m 分辨率模拟试验给出与观测降水最接近的模拟结果；m c 2 c l a s s 的1 0 k r n 分辨率试验的降水预报与m c 2 强迫恢复方案的5 k m 分辨率 试验的降水预报技巧相当。原因是，c l a s s 描述的陆面植被特征要比在强迫一 恢复方案中更精细、真实，该方案在一定程度上考虑了陆面次网格内植被类型 的变化。 近年来在中短期业务数值天气预报模式中越来越关注复杂陆面过程及陆气 耦合。日本气象厅针对其全球业务数值预报模式陆面过程存在的将早春降水表 达为降雪的倾向( 会导致早春融雪季节里雪的过度累积，使积雪融化推迟) 以及 在热带和高纬度一些区域土壤水分减少等问题，对模式陆面过程作了改进。在 调整了来自根区的过高蒸腾和较少的雪融水向土壤表面层的渗透以后，陆面过 程的上述系统性偏差得到了较好的克服。美国o r e g o n 州立大学发展的陆面模式 f o s u l s m ) 经改进与美国业务全球数值天气预报模式o “r f ) 和区域中尺度模 式( e t a ) 耦合。应用表明，对地表热通量、降水量、边界层等的预报确实有改 进作用。因此，准确细致地考虑陆面过程是发展和提高大气模式模拟质量的一 个重要内容。 行星边界层是对流层贴近地面的i 2 k m 的一层大气，它受地面影响最直接、 最剧烈，气象要素具有明显的日变化特征，涉及的重要物理过程是湍流扩散， 因此，地面与自由大气的热量、动量及水汽交换是通过大气边界层湍流输送过 程实现。从能量学的观点来看，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，并通过边界层过程传输给大气，被海洋所吸收的大约9 0 的净辐射造成海水蒸发，贮存在水汽中的潜热约8 0 是驱动大气的燃料，与此 相反，约有5 0 的大气动能在大气边界层内被耗散垆j 。可见，行星边界层实际 上是大气运动的重要能量源和能汇区【6 1 ，它对自由大气的动力强迫作用和热力 强迫作用是造成自由大气中天气系统发生、发展、演变和消亡的重要因子之一。 m e c h o s o ( 1 9 9 5 ) 指出，耦合模式中较差的海洋边界层方案导致了东太平洋模拟 季节循环的系统性误差川，h o n g 等人( 1 9 9 6 ) 以及b e l j a a r s 等人( 1 9 9 8 ) 的研 究也表明了边界层过程对天气预报有着显著的影响 弘9 j 。因此，准确细致的边界 层方案同样是发展和提高大气模式模拟质量的又一个重要内容。 a r e m ( a d v a n c e dr e g i o n a le t a c o o r d i n a t em o d e l ) 是基于中国科学院大气物 理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室( l a s g ) r e m 发展 起来的新一代1 1 坐标中尺度暴雨数值预报模式。近年来，该模式不断完善，己 发展到3 0 版本，水平分辨率己提高到1 7 公里，垂直分层为2 0 3 6 层，模式层 顶增加到1 0h p a ，包含了较完善的物理过程和同化初值系统。已在国内外多个 从事气象、水文和环境的科研和业务单位推广使用，并取得了很好的试验效果， 模式的模拟预报能力得到充分的认识和肯定，已逐渐成为我国实时预报和暴雨 等中尺度气象问题研究的主要工具之【l 。 在a l u m 的物理过程中，已引进了c c m 3 非局地的边界层方案( h o l t s l a g ， 1 9 9 3 ) ，增加了与当前世界上较为先进的复杂陆面过程方案c l m ( c o m m o n l a n d m o d e l ) 耦合的选择功能。a r e m 局地与非局地边界层方案的比较试验表明，引 入c c m 3 非局地边界层参数化方案，使a r e m 对降水落区、降水强度和中心预 报得到明显改进( 徐幼平，结题报告) 。a r e m 与c l m 的偶合试验表明，耦 合了c l m 陆面模式后，模式模拟的陆气通量比原来简单的整体通量法的模拟结 果更为合理，改进了原来潜热通量严重偏大的状况，遏制了原来模式中模拟降 水偏多的趋势( 黄伟，硕士论文，2 0 0 3 ) 。但随着人们对模式预报精度要求的不 断提高，对a r e m 及其边界层和陆面过程的研究还远远不够。近年来，大量的 外场观测试验的实施，为模式中边界层和陆面过程参数化方案的改进提供了观 测依据，用外场试验资料来验证和发展边界层和陆面过程模式，无疑是最为客 观有效的方法，它可以加深人们对边界层和陆面过程机制的认识，从而使数值 参数化方案更进一步完善。 1 2 行星边界层湍流扩散参数化研究现状 从2 0 世纪7 0 年代到目前的几十年间，行星边界层在数值模拟研究、观测 认识和观测技术改进等方面均取得了较大的进展，天气或气候模式中湍流扩散 参数化的研究也取得了显著的进展，行星边界层参数化方案归纳起来有3 类： 发展较早的是整体边界层参数化方案( b u l k a e r o d y n a m i cp b l ) “，整体参数 化方案基于k 理论( 即局地闭合理论) ，它的要点是把行星边界层看作是由近地 层和混合层组成的一个整体，且对这样一个整体给定近地层过程和混合层过程 的耦合与匹配关系，然后，用这些耦合公式对地面通量公式的交换系数进行定 义和参数化，最后，再将这些系数代入相应的地面通量公式，对地面通量进行 计算。可以看出，整体边界层方案总是把边界层过程作为对流边界层处理，这 与实际的边界层过程是不相符的。另外，在整体边界层方案中，不可能给出风、 温度和比湿在边界层中随高度的变化及预报方程。所以说，整体边界层方案对 边界层物理过程的描述比较粗糙，不能更好地体现边界层物理过程及其对降水 的影响。为了弥补这个缺陷，在全球环流模式和大尺度天气预报模式中出现了 许多新的边界层物理过程参数化方案。 从2 0 世纪7 0 年代开始，二阶或三阶闭合模式是研究湍流扩散非常重要的手 段。高阶闭合方案使模式中增加了大量的高阶矩的方程，例如在包括湿度预报 的二阶闭合方案中，增加了1 5 个湍流预报方程，因而使模式能在更广泛的大气 边界层条件下得到很好的应用。虽然高阶闭合方案能较真实地反映大气边界层 中的物理过程，但是对大多数模式尤其是g c m 模式来说，该方案要求求解的方 程太多，不仅有巨大的计算资源开销，而且，这些方程的复杂的非线性相互作 用对模式系统的稳定性具有致命的影响，因此，现在或未来相当长的时间内， 它很难在天气或气候模式中实现”。 非局地湍流闭合是在湍流串级输送理论基础上发展的另一种描述对流边界 层的湍流扩散的参数化方法。s t u l l 等( 1 9 8 4 ) 根据大尺度涡能穿过有限距离输 送气流的假定，发展了非局地湍流闭合理论过渡湍流理论【l ”“】，该理论与 k 理论的不同点在于它认为空间任意一点的物理量是空间其他点对该点共同作 用的总效果，空间任一点的物理量不仅与局她的己知量的量值或梯度有关，同 时也与非局地的已知量的量值和梯度有关，这一理论取得了比较广泛的认同。 但巨大的计算资源的消耗使得其很难在天气或气候数值模式中实现。 4 非线性相互作用在边界层不同区域的作用是不同的，在逆温层底的卷挟区 域，湍流扩散的非各项同性的作用尤为突出，直接结果是产生热通量的逆梯度 输送，以k 理论为基础的湍流扩散参数化显然不能描述这种过程。由于卷挟是决 定下垫面与自由大气能量和物质交换的关键过程，所以，在天气或气候模式中， 它的参数化是不能回避的。1 9 9 0 年，h o l t s l a g 等 1 5 1 ) 千 m o e n g 等得到的大涡模拟 资料对k 理论做了逆梯度输送的修正，它利用了非局地闭合的原理，将湍流通量 定义为大尺度梯度的函数，而不象k 理论那样是局地梯度的函数，既克服了一阶 闭合的缺点，又相对过渡湍流理论简单易行，同时计算也不复杂。非局地方案 能反映实际大气存在的湍流通量逆梯度输送过程，能够合理描述稳定、中性和 对流不稳定条件下大气边界层湍流扩散过程，因此，比较适合用于强对流天气 过程的数值模拟。目前，在美国国家大气研究中心( n c a r ) 的气候模式c c m 3 中 1 6 1 7 】，在美国国家环境预报中心( n c e p ) 的中期预报模式 8 】以及欧洲中期天 气预报中心( e c m w f ) 的预报模式中【9 】，都采用非局地边界层方案。 如何确定卷挟过程的高度( 即：大气边界层的高度) 是非局地湍流扩散参 数化方案实施过程中的关键。大气边界层高度与低云的发展和维持有密切相关， 大气边界层高度太低，会导致大气边界层与云层分离，抑制热量、水汽，以及 湍流动能的垂直输送，加速云层的消散；边界层高度太高，则会导致积云虚假 形成，代替层云。近年来，非局地方案较之早期的改进也主要在于行星边界层 高度诊断方程的改变。 相对于湍流扩散高阶闭合参数化或湍流串级输送理论，气候模式中的非局 地闭合是一个非常简化的参数化方案。该方案之所以具有模拟对流边界层湍流 扩散过程的一定能力，是因为其中的湍流扩散参数和非局地项参数化能够描述 对流边界层的主要特征，然而，在地球表面不总是对流边界层控制湍流扩散过 程，例如，在洋面上的大部分区域，大气边界层湍流扩散过程由稳定或弱不稳 定层结控制，非局地闭合方案是否能够真实的描述这种层结，还有待更进一步 的深入研究。目前，更加详细的行星边界层湍流扩散参数化方案已经或正在引 入天气或气候模式，这也是物理过程参数化发展和改进的重要趋势之一。 1 3 陆面过程研究现状 大气、海洋、陆地及冰雪圈组成一个完整的地球气候系统，陆地是其中一 个重要的部分。气象学家很早注意到陆地下垫面状况的改变对气候的影响，由 此，而产生了影响地表能量和物质交换物理过程参数化的研究，即陆面过程研 究。陆面过程的模型研究早在上世纪5 0 年代就出现了，b u d y k o ( 1 9 5 6 ) 提出了 简单的大气和陆面相互作用的参数化方案，上世纪6 0 年代大气环流模式( g c m ) 的出现，促进陆面过程与气候变化耜联系并探讨它们之间相互作用研究的开展， 从那时起，陆面过程研究重点才转向更加详细和真实地参数化地面与大气之间 的能量和物质的交换过程。作为g c m 模式的一个模块，陆面过程在保证g c m 在积分过程中能量和物质守恒方面起着决定性的作用。 经过4 0 多年的研究和发展，陆面模式形成了包含植被、土壤、水文、冰雪 以及其它过程的复杂的系统，它的发展经历了三代。第一代从6 0 年代末到7 0 年代，用空气动力学总体输送公式和几个均匀的陆地表面参数简单地参数化土 壤水的蒸发和地表径流，即水箱模式( b u c k e t ) 。从7 0 年代末到9 0 年代是第二 代模式发展阶段，该阶段陆面参数化的一大进展是显式地引入了植被生物物理 过程，在本质上属于计算土壤、植被与大气间交换、主要考虑物理过程的方案 ( s v a t s ) ，这些方案中有显式地处理植被的作用。以b a t s 1 8 】、s i b 1 9 1 为代表 的一系列不同详尽程度的2 0 多个陆面过程模式不断涌现。它们在一系列可以直 接观测到的陆面参数的基础上，根据物理概念和理论建立起来的关于植被覆盖 表面上空辐射、水分、热量和动量交换以及土壤中水热过程的参数化方案。较 为真实地考虑了植被在陆地水热过程中的作用，尤其对植被生理过程，如蒸腾 进行了较细致地描述，对辐射过程也都作了较大地改进。按其复杂程度，可分 为复杂方案和中等复杂方案两大类。复杂方案主要以s i b 和b a t s 两个方案为 代表，中等复杂程度模式如p a n & m a h r t ( 1 9 8 7 ) 和n o i h a n & p l a n t o n ( 1 9 8 9 ) 发展的 方案。但由于这类方案包含了大量知之甚少的参数，于是，另一种方案是基于 对长期水文循环的认识，隐式地处理植被的作用，使得另一类陆面过程模式 一考虑次网格非均匀性的陆面模式( e n t e k h a b i & e a g l e s o n ，1 9 8 9 ；w o o d e ta i ，1 9 9 2 s c h a a k ee ta 1 1 9 9 6 ) 不断地发展起来。 第二代的二十多个原理大致相同、但结构各有特点的模式，较之第一代 b u c k e t 模型而言，它有相当的发展和改进。然而，它还存在许多不足，随着人 们研究的深入，对一些问题认识深化，发展功能更强、并包含研究为i g b p 计 划所强调的、有深层意义的生化和水文过程的第三代陆面过程模式研究呼声不 断增强，发展新一代陆面过程模式的时机已经到来，迄今向第三代模型迸行挑 战已经开始。第三代模型开始于9 0 年代以后，植物生理生化学和生态学研究取 得显著的进展以及卫星遥感技术的飞快发展为第三代陆面模型的发展创造了条 件，考虑植物吸收c 0 2 进行光合作用的生物化学模式引入到陆面模式中，它也 为植物能生长并响应气候变化的研究打下基础，第三代模型本质上除了考虑土 壤、植被与大气间交换的物理过程外还包括生化过程，是研究物理生化过程的 方案。 从最初的简单b u c k e t 模式到当今包含土壤一植被- 大气相互作用的第三代模 式，迄今为止已有陆面模式3 0 多种。p i l p s ( 陆面参数化方案的相互比较计划 g a r a t t ，1 9 9 3 ) 证明，即使使用相同的大气强迫资料和相同的陆面参数，不同的参 数化方案仍然会得出明显不同的模拟结果，这种现象部分是由于各个参数化方 案的不尽相同，部分是因为模式数值计算过程的不同所引起( s e l l e r s ，1 9 9 5 ) ；0 - 2 4 。另一方面，大多数参数化方案又都具有许多共同的部分，这就使得发展 一个集众多方案之长的，便于大众使用和改进的模块化通用陆面模式成为必需。 基于这样的思想，c l m ( c o m m o nl a n dm o d e l ) 瞄j 发展起来，它综合了b a t s 、 i a p 9 4 2 6 j 和l s m 2 7 1 的优点，并且加入了水文过程和改迸了一些物理过程的参数 化，成为目前世界上发展最为完善的而且最具有发展潜力的陆面过程模式之 2 8 1 。已经成功地耦合到n c a r 的气候模式( c c m 3 ) 和其他的区域气候模式中， 已有的独立和耦合试验都已经证明，c l m 较l s m 模拟结果更好【2 。 伴随着陆面模式研究的深入，其外场观测试验研究也逐渐得到重视和发展。 随着i g b p ( 国际地圈一生物圈计划) ，w c r p ( 世界气候研究计划) ，g e w e x ( 全球能 量和水循环实验) 等一些大型国际核心研究计划的实施，从2 0 世纪8 0 年代开始， 全球在具有代表性的不同气候或生态区相继开展了一系列国际合作的陆面过程 观测试验。我国也相继开展了以h e i f e ( 黑河野外观测实验) 和t m e x ( 青藏高 原实验) ，内蒙古草原实验( n v lg r a s s ) ，h u b e x ( 淮河流域能量与水分循环实验) 为代表的多个试验研究。这些外场试验项目对陆面模式的发展具有相当重要的 意义，以观测分析为基础，研究陆面过程如何影响地气能量交换是发展和完善 陆面过程模式必不可少的过程和重要手段，观测资料分析可以认识陆面过程影 响气候变化的机理，更进一步地发现陆面过程模式的不足以及可能自解决方案。 上述试验获得的外场观测资料不断的用来验证并改进陆面模式，极大地促进了 陆面模式的发展。 1 4 本文拟研究的阔题 影响天气或气候模拟的物理过程参数化的改进和发展是目前大气科学数值 模拟的重要研究内容之，而行星边界层湍流扩散参数化的发展和改迸，最有 可能显著地改进数值模拟结果，在中尺度数值模式中对行星边界层的处理通常 要求尽可能细致，特剐是对风、温、湿的垂直分布和结构的模拟。国外一些著 名的中尺度模式，其边界层过程都考虑得很细致，如a n t h e s 3 0 1 等的模式及后来 的m m 4 、m m 5 ，目前，a r e m 中行星边界层参数化相对落后。所以，改进a r e m 中的边界层参数化方案尤为迫切和必要。 在改进a r e m 边界层参数化方案之前，我们先采用单柱模式作为研究手段。 单柱模式原理简单，没有复杂动力过程的影响，更能反映物理过程参数化影响 模拟的机制，而且可操作性强，便于针对不同的研究问题设计不同的研究方案， 并更易实现模式与观测的直接对比。因此，是物理过程参数化最有效的研究手 段之一，国际上一些重大研究机构将单柱模式的开发作为其模式开发计划的重 要内容之一，另外，一些重大观测计划也将单柱模式列为重要的研究手段。 本文将利用a r e m ，将陆面过程和行星边界层作为一个整体来研究，重点 关注陆面过程和大气边界层湍流扩散过程的相互作用和反馈。本文分为以下三 个部分： 首先，本文对2 0 0 4 年汛期雅安暴雨进行了天气学分析，并用a r e m 对其迸 行了数值模拟研究。雅安地处青藏高原东坡，正处于a r e m 模式中陡峭地形的 边缘，研究雅安暴雨对有效提高模式地形边缘的模拟能力具有十分重要的意义。 而且，雅安暴雨尺度大多较小，对陆面和边界层过程的改变较为敏感( 黄伟， 硕士论文，2 0 0 3 ) ，因此，研究雅安暴雨，对研究陆面及边界层过程对暴雨模 拟的作用也具有重耍的意义。 其次，在复杂下垫面条件下，研究c l m 对地气能量和物质交换过程的模拟 能力。利用外场观测资料的o f f - l i n e 试验是验证和发展陆面方案的有效方法，本 文以内蒙古奈曼旗农牧交错地区沙漠和农田两种不同典型下垫面上的外场观测 试验资料为基础，进行o f f - l i n e 数值模拟试验，以考察c l m 对不同类型下垫面陆 面特征的模拟能力及存在问题，以便更好地应用于天气与气候数值模式。 最后，将c l m 陆面模式和非局地闭合行星边界层参数化方案进行耦合，组 成一个一维单柱耦合模式，用这个耦合模式设计了系列敏感性试验，以考察 加入大气强迫之后的陆面响应，以及加入复杂陆面过程后对边界层内大气的影 响，并且考察边界层模式垂直分辨率提高之后的模拟效果。 第二章a r e m 中尺度暴雨模式及其边界层模式 和陆面过程c l m 模式简介 2 1a r e m 中尺度暴雨模式简介 2 1 1a r e m 动力框架 a r e m 的主要特点在于对地形的处理。众所周知，地形对气流和天气有很重 要的影响。目前大多数的数值预报模式选用仃坐标作为垂直坐标，将地表面处理 成个坐标面，从而无论地形如何复杂，其下边界条件总是一样简单，不会出 现坐标面与地面相截的问题。但是。坐标系并没有完全解决复杂地形的问题，因 为它将复杂的下边界条件问题转化为方程组中气压梯度力等项的结构问题。如 水平气压梯度力变成了两项之和的形式，其中一项是沿等。面的位势梯度，而另 一项是沿等a 面的地面气压梯度，这项作为对前一项坐标面倾斜的修正。在有地 形的情况下，两项的量级相同，符号相反，水平气压梯度力成为两个大项的小 差，地形越陡，g 面越倾斜，计算误差也越大。即使改进差分方案也不能避免大 项小差的计算误差。这种计算误差大大她影响了数值预报的正确度。为了解决口 坐标面倾斜的问题，a r e m 模式动力框架采用了乙蟑g c m 难一能构造完全能量 守恒时空差分格式的数学模型f 3 ”，具有很好的计算稳定性。垂直方向采用了曾 庆存和m e s i n g e r 提出的_ n 坐标系，即： r = o - - g , 栌兹嚣，仃= 器 b ， 其中，z 。是地形高度，z b 是用来构造坐标面的平缓地形，p d z ) 是参考大气( 如 标准层结大气) 在z 高度处的气压，p ：和p 。分别表示大气上界气压( 即模式上界 气压) 和地面气压。对于地表面：p = p ；，则1 = 唯；丽大气上界：p = p f ，则q = o 。 地形表示为由三维网格块构成的阶梯状。在模式内部形成刚体的侧边界， 使坐标面保持准水平状态，同时保持了a 坐标具有简单的下边界条件这优点。 对复杂地形采用了国际上先进的计算方法和处理技巧，有效地解决了复杂地形 所带来的计算问题，能较好地考虑真买地形的作片j ，从向避兑j 征蚝峭地彤情 况下，g 面过于倾斜而造成的“大项小差”的缺点。 模式的基本控制方程为： i d u ：一杰三，p ) 一， v - + ，。+ d ( 2 - 1 - 2 ) u f m ；l 筹一耋l ( 矿) + 厂u 一+ 巩，珥，” ( 2 1 3 ) - - 警= 一耋删+ s ( c o + 等 ( ) 陀、 + d h , t + b 。r + 丽p r l 【h 。+ 矗s ) 警= 一扫啪；觑l l ( 。岔p 2 鸭) 咖獭刊 ( 2 ) 丝：_ s r i o 。 ( 2 1 6 ) a 卵 。 尸玎 椎哳= o ( 2 1 - 乃 p =陋可 弋j qs u ：矿：肌丌：掣 u 0 s ：盟：翌 p ? 1 + t p 2 驰) = 志( ：等一f 嚣) ) = 志( z 百o f vs m o f 筹) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 佗1 t o ) ( 2 1 1 2 ) 肿) = 丢 ：孚f 舅j 卵志+ c o s h 篇 尸：p 丝十c o s h g l n p 2 一 a a oa t 3 0 q ( 1 ) = 一f d v d r l q ( z ) ：矿堂+ u 曼垫兰： a 0 0a s i n 0 0 2 = 志( 学+ 等) j ；：旦翌：塑+ 。! 翌+ 。鱼 d t o ta s i n 0 0 2 a a o 厂= 2 s 曰+ ! 譬“ p e a x = p 志+ s c o f i 如丽o i n p 2 = p 盖+ s c o t l 如等 q , a = ( 1 + 0 6 0 8 q ，) + 等) - l ( 2 1 1 4 ) ( 2 1 ，1 5 ) ( 2 1 ，1 6 ) 佗，1 1 7 ) ( 2 1 1 8 ) f 2 1 1 9 ) f 2 、1 2 0 ) f 2 1 2 1 ) ( 2 ，1 ，2 2 ) f 2 1 2 3 ) c ：= ( 1 + 0 8 6 q ，b( 2 1 2 4 ) 式中，丸和0 分别是经度和余纬，p 为气压，t 为时间坐标，u 为纬向风分量， v 为经向风分量，t 为大气温度，e 为空气湿度，西为位势高度。a 和(