（大气物理学与大气环境专业论文）wrf模式对热带深对流云及其气体输送作用的模拟研究.pdf

摘要 采用中尺度w r f 模式和在此基础上发展而来的完全在线化学耦合预报模式 w r f c h e m 及n c e pl o x1 0 分析资料对澳大利亚西北部t i w i 岛上发生的热带深对 流云个例进行了模拟和不同参数化方案的敏感性试验，并在取得较好模拟效果 的基础上就其对不同高度痕量气体的输送作用进行了试验和讨论。所得结果可 为进一步认识实际大气过程中热带深对流系统对大气化学成分和气溶胶分布的 影响以及气溶胶的间接气候效应等问题提供帮助。 通过利用w r f 模式对此次热带深对流个例进行边界层参数化方案的敏感性 试验发现，四种不同边界层参数化方案均能较好地再现t i w i 岛上海风锋生成并 向内陆发展的过程。同时，不同方案均能够反映出对流最强对流系统由早期对 流的阵风锋与海风锋相互作用产生的过程的b 型对流系统的特征，但通过对比发 现由于各种方案在早期对流产生的时间、地点以及阵风锋强度上的不同，采用 m y j 边界层参数化方案所得对流云系统在四种边界层方案中与实际情况最接 近，而在微物理参数化方案的敏感性试验中，采用l i n 方案的模拟结果在对流云 体出现的时间、位置和强度方面比其他几种方案与实际情况更为接近。此外采 用该方案模拟所得的降水落区与实际雷达资料也最为接近。 在不同高度痕量气体输送作用的模拟试验中发现，不同层次痕量气体的分 布情况在经过深对流系统作用后存在明显差异。深对流系统能将各高度上的气 体向上输送至高层，但向下输送仅在7 0 0 0 m 以下有较为明显的作用。此外，分 析表明，热带深对流系统可以在较短时间里，将低层气体输送至高层对流层顶 区域，并能明显地改变对流系统发生发展所在和所经过区域的物质浓度分布情 况，但对于大范围区域而言，平流输送作用占据主导地位。同时，在有深对流 系统作用时，1 0 0 0 m 以下及8 0 0 0 m 以上区域的痕量气体对高层1 3 k m 处气体浓 度变化贡献较大，而4 0 0 0 m 至7 0 0 0 m 的中层贡献则较小。 关键词：热带深对流云敏感性试验w r f c h e m 模式痕量气体输送 a b s t r a c t s i m u l a t i o n su s i n gt h ew r fm o d e l 晰t 1 1l l i 曲r e s o l u t i o nc o n f i g u r a t i o na n dn c e p lo xlo r e a n a l y s i sd a t aw e r ec o n d u c t e dt os i m u l a t et h e d e v e l o p m e n to ft r o p i c a ld e e p c o n v e c t i o n ( t d ch e r e a f t e r ) a tt h et i 谢i s l a n d sr e g i o na n dt oi n v e s t i g a t et h e s e n s i t i v i t yo fm o d e lr e s u l tt op b la n dm i c r o p h y s i c a lp a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s b a s e do na r e l a t i v e l y b e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t u s i n gp r o p e rs e l e c t i o n o f p a r a m e t e r i z a t i o ns c h e m e s ，an u m e r i c a le x p e r i m e n ta n dd i s c u s s i o no ft h ee f f e c to f t r a c eg a st r a n s p o r t a t i o na td i f f e r e n ta l t i t u d ew a sc o n d u c t e db yu s i n gt h en e w e s tf u l l y c o u p l e d “o n l i n g ”哏f - c h e mm o d e l t h e s es i m p l ec o n c l u s i o n sm a yh e l pt h ef u t u r e r e s e a r c ht ou n d e r s t a n dt h ei n f l u e n c eo ft h ed i s t r i b u t i o no fd i f f e r e n ta t m o s p h e r i c c h e m i c a lc o m p o n e n t sa n da e r o s o l sb yt h et d c ，a n da l s ot h ea e r o s o li n d i r e c te f f e c t t h er e s u l t su s i n gd i f f e r e n tp b ls c h e m e ss h o wt h a ta l lt h ef o u rt e s t e ds c h e m e s p l a yas i m i l a rs k i l li nr e p r e s e n t i n gt h el a n d - s e ab r e e z ec i r c u l a t i o n , b u ta sh a sb e e n c o m p a r e dt ot h eo t h e rt h r e es c h e m e s ，t h em y js c h e m ep r o d u c e sm o r er i g o r o u s i n t e r a c t i o n sb e t w e e nt h es e ab r e e z ef r o n ta n dt h eg u s tf r o n t ( bt y p ec h a r a c t e r ) ，a n d a l s ot h i ss c h e m eg i v e st h eb e s tr e s u l t si ns i m u l a t i n gt h ea c t u a l d e e pc o n v e c t i o n t e m p o r a l l ya n ds p a t i a l l y a na n a l y s i so ft h ev e r t i c a lv e l o c i t y , p b lh e i g h t ，g i v e s r e a s o n a b l ev e r i f i c a t i o no fd i f f e r e n t i n t e n s i t yo fc o n v e c t i o nu s i n gv a r i o u sp b l s c h e m e s t h em s c h e m ep r e s e n t st h em o s tp o w e r f u lv e r t i c a lv e l o c i t ya n dg i v e sa n a s y m m e t r i c a ld i s t r i b u t i n go ft h ee n e r g yi nt h ep b la l lt h r o t t g ht h ed a y t i m e ，t h e s e c h a r a c t e r i s t i c sa r ec o r r e s p o n d i n gt ot h es t r o n g e s tc o n v e c t i o nw h i c hi st h em o s t s i m i l a rt ot h eo b s e r v a t i o n a f t e rt e s t i n gd i f f e r e n tm i e r o p h y s i c a ls c h e m e sp r o v i d e db y t h em o d e l ，w ec a nf i n dt h a tt h es i m u l a t i o nu s i n gl i ns c h e m er e p r e s e n tt h em o s t a c c u r a t ed e e pc o n v e c t i o nt e m p o r a l l ya n ds p a t i a l l yc o m p a r e dw i t ht h eo b s e r v a t i o n b a s e do nt h ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r i z a t i o ns e l e c t i o n ，a ne x p e r i m e n to ft h ee f f e c t o ft r a c eg a st r a n s p o r t a t i o nb yt d ca td i f f e r e n tl e v e lw a sc o n d u c t e d t h er e s u l t ss h o w t h a tt h et r a c eg a sa tv a r i o u sa l t i t u d e sc a l lb ec h a n g e dd i f f e r e n t l ya f t e rt h et d c h a p p e n e d t h et d c c a nt r a n s p o r tt h et r a c eg a sa tv a r i o u sl e v e lt ot h eu p p e rl e v e l ，b u t f o rt h el o w e rl e v e l ，o n l yt h eg a sb e l o w7 0 0 0 mc a nb et r a n s p o r t e dt ot h es u r f a c e f u r t h e ra n a l y s i si n d i c a t et h a tt h et d cc a na f f e c tt h et r a c eg a sd i s t r i b u t i o na n dm a k e t h el o w e rl e v e lg a st r a n s p o r t e dt ot h eu p p e rl e v e ll o c a l l yi nas h o r tt i m er a n g e d i s t i n c t l y , b u tf o ral a r g e ra r e a , t h el o n gd i s t a n c et r a n s p o r t a t i o nb ya d v e c t i o nw i l lb e a d o m i n a n tf a c t o ra ta l ll e v e l s o t h e r w i s e ，f o rt h et r a c eg a sa t13 k mt r a n s p o s e db y t d c ，t h ec o n t r i b u t i o nf r o ml o w e rl e v e lb e l o w10 0 0 ma n du p p e rl e v e la b o v e8 0 0 0 m i sm o r es i g n i f i c a n tt h a nt l l em i d d l el e v e lb e t w e e n4 0 0 0 m - 7 0 0 0 m k e y w o r d s ：t r o p i c a ld e e pc o n v e c t i o n ；s e n s i t i v i t ye x p e r i m e n t ；，i 心c h e mm o d e l ； t r a c eg a s ；t r a n s p o r t a t i o n 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：三耋组 日期：丝堡垒。厶：2 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：垄玺墼鸣 日 期：垫2 垒：笸：仝 第一章绪论 1 1 热带深对流云的研究意义 第一章绪论 热带深对流云系统为热带海洋上能量的垂直输送，继而向极地输送提供了 原始的动力。在这个过程中产生了降水并推动了全球大气环流。这些对流系统 及其与大尺度环流的相互作用，决定了热带对流区云、湿度、温度以及对流层 结构等气候因素。地球同步卫星可以观测到的长波辐射资料显示，热带深对流 有显著的日变化。此外热带地区对流层上部水汽来源于深对流系统，对维持大 气层的自然温室效应起重要作用i l 】。同时，深对流云是大气质量垂直输送的主 要载体，它能够将含有各种痕量气体和气溶胶的大气在相对较短的时间内由边 界层源区输送到对流层上层甚至平流层低层。在热带地区，深对流甚至可把边 界层大气直接输送到对流层顶或平流层低层【2 】。这些被垂直输送到高层的痕量 气体和气溶胶通常有着比在大气低层更长的生命期或滞留时间，因此，对流输 送可改变它们在区域和全球大气中的循环。鉴于以上原因，对于热带深对流云 系统本身及其对大气中化学成分输送作用的研究就显得尤为重要。 1 2 热带深对流云研究进展 由于热带深对流云系统本身所具有的复杂性，对其发生发展过程和结构在 之前已经进行了一定的研究。在外场观测方面，分别于1 9 8 8 年和1 9 9 5 年在澳 大利亚西北部的t i 、 ，i 岛上进行了i s l a n dt h u n d e r s t o r me x p e r i m e n t0 v e x ) t 3 j 和 m a r i t i m ec o n t i n e n tt h u n d e r s t o r me x p e r i m e n t0 订c t e x ) h 两次较大规模的观测实 验。观测地点t i 丽岛位于澳大利亚大陆西北部5 0 1 0 0 千米处，纬度1 1 0 s ，地 势相对平坦，由两块相对平坦的小岛( 东面的m e l v i l l e ，下面简称m 岛，以及西 面的b a t h u r s t ，下面简称b 岛) 组成，两个小岛东西方向贯穿约1 5 0 k m ，南北方 向延伸约5 0 k m 。m 岛南岸有山脊延伸，其最高海拔为1 0 0 m ，比b 岛高5 0 m ， 第一章绪论 两岛中间由a p s l e y 海峡隔开，每年可分为湿季和干季。湿季大约从1 1 月到次 年4 剧5 1 ，由夏季风期( 在4 0 0 h p a 以下盛行西风) 和夏季风建立间断期( 中低 层盛行偏东风) 组成【6 】。在每年的季节转换期间( 1 1 1 2 月，2 3 月) ，岛上形成 具有明显日周期性的热带对流复合体( 当地人称为h e c t o r ) 。此外，该岛南部的 d a r w i n 地区能够提供良好的飞机起降条件并能提供双线偏振和多普勒雷达及常 规探空资料，因此，t i 淅岛所具备的各种条件及岛上发生雷暴时间的规律性， 使该岛成为很好的对流外场观测场所。 在m c t e x 实验观测期i 日- c a r b o n e 等1 4 j 通过对高精度的多普勒雷达观测进行 分析后发现，t i w i 岛上所生成的对流系统一般可分为两种类型。一种是占8 0 的h e c t o r ( 即t i 丽岛上的深对流系统) 发展所具有的b 型，该类型是指最强的对 流系统是由海风和早期的强风锋相互作用而产生。而第二种a 型情况则发生得相 对较少，只占2 0 左右，该类型系统是由南北岸的海风相互碰撞而形成的。a 型 对流发生时的大气环境条件相对较为稳定，使得海风可以深入内陆地区。在 i t e x 期间，k e e n a n 等【_ 7 】通过卫星、雷达和探空资料总结了h e c t o r 的统计特点和 发展变化过程，他们发现小岛上对流系统的动力发展和多单体的对流结构相一 致，即当时的低空切变，适当的对流有效势能c a p e ，以及湿度条件的相互配合。 由于对深对流系统观测手段的限制，为了弥补观测研究的不足并试图对观 测结果进行解释，在数值模拟方面也已进行了相关研究。g o l d i n g s 】利用英国气 象局的中尺度模式模拟了i t e x 试验期间的两次个例。探究了所模拟的对流对于 分辨率，岛的地形以及微物理过程的敏感性。s a i t o 等【9 j 则比较了t i 晰岛上一次对 流日变化的数值模拟结果和观测结果，发现两者具有很好的一致性。此外，他 们也发现岛上的日变化特点是由早晨的水平强迫对流转变为下午的垂直对流， 并将对流的生命期分为五个阶段：1 ) 干燥阶段：沿海出现由海陆温差导致的海 风锋，水平对流沿着海风的方向出现，尤其是迎风海岸出现得较多，与此同时， 内陆出现r a y l e i g h b e n a r d ( r b ) 对流；2 ) 凝结阶段：海风锋前部以及r b 对流 的上升运动超过了抬升凝结高度，出现浅对流云。这个阶段潜热释放很少，岛 2 第一章绪论 内的基本环流形式与第一阶段相似。至此，岛内环流归类为水平对流。3 ) 降水 阶段：岛南北两岸的海风进一步进入岛内，一些云内的上升运动加剧，降水开 始。背风岸云沿着海风锋排列，迎风岸海风进一步进入局部形成云线。进入的 海风锋在岛的中部形成辐合区域，而r b 对流开始减弱。4 ) 合并阶段：岛的中 部背风向形成东西方向的云线，云体合并，强对流开始形成。5 ) 消散阶段：随 着太阳能加热的减弱，对流运动逐减弱。 1 3 深对流云对痕量气体和气溶胶输送作用的研究进展 在对热带深对流云系统本身研究进行观测和数值模拟研究的同时，深对流 云系统对大气化学成分的垂直输送也在近年来引起了重视。许多针对深对流云 在大气化学成分垂直再分布方面的大型综合观测试验相继在不同地区进行，这 其中包括1 9 9 6 年在美国科罗拉多地区进行的s t e r a o d e e pc o n v e c t i o n 试验、 1 9 9 8 年的e u l i n o x 试验、2 0 0 2 年进行的f r y s l a l f a c e 试验、2 0 0 3 至2 0 0 5 年的t r o c c i n o x 项目。在这些试验中，针对不同的目的对气溶胶及其主要前 始气体以及对流层上层n o x 和臭氧浓度等要素进行了观测。同时，在对观测结 果进行分析的基础上，也运用各种尺度和复杂程度的数值模式对外场观测结果 进行模拟与解释。 大气痕量气体在对流云作用下的垂直再分布主要取决于两个方面，即对流 云的动力结构以及气体本身的物理化学特性。c r u t z e n 和l a w r e n c e t l 0 】利用大尺度 的化学传输m a t c h 模式对深对流云和大尺度降水对地面释放的大气痕量气体 在垂直方向再分布的影响进行了讨论，模拟结果表明气体溶解度对气体的垂直 输送效果有着重要的影响，但该模式未能对云系进行分辨，也就缺乏对输送细 节的深入了解。为了更加细致的了解深对流云体对化学成分输送的影响，w a n g 和c h a n g e l l l 、w a n g 和c r u t z e n 1 2 1 、b a r t h 等先后利用云分辨模式对污染气体在 深对流系统中的输送进行了模拟研究，结果同样表明对可溶性比较低的气体， 动力输送为主要影响因素，而对可溶性比较高的气体，气体的溶解度、气体在 3 第一章绪论 云滴冻结时的保有率则起到了主要作用。 5 r m 等【1 5 】利用包括大气化学气体传输过程的分档云模式对不同溶解度大 气痕量气体在对流云中的垂直再分布进行了模拟研究。结果表明，不仅气体在 液水中的溶解度和液水冻结时的保有率对气体垂直分布有着较大影响，大气环 境中气溶胶的特性以及由此此造成云微物理结构的差异对痕量气体的输送也有 重要影响。虽然该研究取得了非常有意义的结论，但模式本身缺乏对实际大气 过程的再现以及模式中一些会夸大湿沉降的影响而低估垂直输送作用假设都对 了解实际大气中气体输送过程产生了影响。 深对流云系统是热带地区的主要天气系统。在该区域，由于对流的垂直输 送，对流层上层的大气成分构成具有每天8 的更新速率，这与由光化学过程控 制的h o x 和n o x 的产生率相当0 6 。n o x 族气体和h o v 族气体都具有较短的生 命期，通常为几天甚至更短，因此，在对流层上层这些气体的分布和绝对含量 在很大程度上就受到热带深对流输送作用的影响。p r a t h e r 和j a c o b 【l6 】的研究就 表明热带深对流云能改变流层上层的光化学过程的平衡状态，从而增加对流发 生区域对流层上层的臭氧产生率。 深对流云系统对对流层上层气溶胶的影响与对痕量气体的影响有所不同， 其一，在输送过程中通过发生在云中及其出流区卷云内的微物理和化学过程可 以有效的改变气溶胶的数浓度和理化特性；其二，通过将气溶胶前始气体输送 至对流层高层，为新气溶胶质粒在该层的形成提供了源。针对这样的特点， t w o h y 等【1 7 】研究了美国中西部地区中尺度对流风暴卷云出流区附近的大气成分 和新气溶胶质粒的形成。分析结果表明c o 浓度由出流区外部到出流区内存在 着明显上升，而出流区内的气溶胶浓度达也比出流区外高出一个量级以上，同 样，观测资料中n o 的浓度在出流区内外也存在巨大的差异。以上的观测结果 表明，深对流云能够把低层大气化学成分垂直输送到对流层顶并通过卷云出流 区有效地输送到更大区域。 由于深对流云对气溶胶的传输相较于对气体的传输具有一定特殊性，因此 4 第一章绪论 y m 等【1 8 】在对气溶胶的传输特点研究后发现，6 0 以上的气溶胶质粒会通过核化 而溶入云滴，但并非所有包含在云滴中的气溶胶都会随着降水沉降至地面，其 中也有约4 0 的气溶胶物质因云顶和云侧边界区域云滴和冰粒子蒸发而再次成 为气溶胶，但这些新气溶胶的大小、谱结构和化学成分与核化相比都有不同程 度的差异。这也说明在垂直输送的过程中，云中的气溶胶浓度、谱分布和理化 特性都会因云微物理和化学过程发生变化【1 9 1 。 针对深对流云对污染物垂直输送的影响，国内工作者也进行了有益的研究。 高会旺等【2 0 】利用一个硫沉降模式针对积云对硫污染物的垂直输送作用进行了模 拟，结果表明，积云所具有的垂直气流可以对流层高层的污染物浓度增加 5 0 4 0 0 。而李冰等【2 1 】【2 2 1 利用一个耦合的冰雹云化学模式对陕西一次单体积云 对流的发展过程及其对对流层化学成分再分布的影响进行了模拟研究，模拟结 果表明，云内强烈的垂直输送能在很短时间内把低层低浓度的0 3 和高浓度的 n 0 2 快速、有效地输送到对流层的上部，造成化学物种的再分布。此外，深对 流发展的也同样能够促进对流层和平流层的化学物质交换，造成平流层低层高 浓度的0 3 向下侵入，从而影响对流层的化学成分分布特性1 2 2 。 鉴于之前在观测和数值模拟方面所取得的些有意义的结论以及存在的不 足，英国、加拿大和澳大利亚政府共同资助2 0 0 5 年1 1 月至2 0 0 6 年3 月期间在 澳大利亚达尔文地区实施了a c t i v e 项目的协作外场观测试验，该项目主要目 标是观测大气痕量气体和气溶胶在热带对流云中的输送，这次观测也为进一步 了解对流云对热带对流层上层大气化学构成和气溶胶理化特性提供新的基础。 在项目观测期间，除了使用常规地基探测和卫星观测外，还使用了多架装载不 同观测仪器和不同飞行高度的飞机针对对深对流云的各种微物理要素和大气成 分进行了观测。所有参加观测的飞机上都配备了目前较为先进的观测仪器和设 备，包括g r i m m 公司s m p s + c 系统( 探测超细气溶胶尺度分布) 、d m t 的云 气溶胶降水谱分析仪、t e 一4 9 cu v 臭氧探测器等几十种仪器。 5 第一章绪论 1 4 本文的研究内容 通过对国内外热带深对流云系统本身及其对大气化学成分输送作用的研究 进展的简单了解，可以发现，虽然目前已经通过多种手段对该部分问题进行了 研究，但在模式工作方面，仍然缺乏利用中尺度模式和实际大尺度背景场对实 际对流云体的模拟，以及在实际气象条件下深对流云体对化学成分输送作用的 研究。本文利用w r f 和w r f c h e m 模式分别对a c t i v e 项目期间2 0 0 5 年1 1 月1 6 日发生在澳大利亚北部t i 晰岛上的一次热带深对流云系统进行模拟研究， 以期增强对热带深对流云系统及其对化学成分输送过程的认识。 ( 1 ) 在进行简单实况过程分析的情况下，利用w r f 模式并采用实际大尺 度背景场资料和l k m 的高分辨率对深对流系统进行模拟，并进行边界层参数化 敏感性试验以得到适宜于本次对流系统模拟的边界层参数化方案。 ( 2 ) 由于云物理过程对深对流系统有着重要影响，因此在( 1 ) 的基础上 对模式中不同微物理参数化方案进行敏感性试验并找到适宜本次模拟研究的方 案。 ( 3 ) 在利用w r y 模式能够较好地再现本次深对流系统发生发展过程的基 础上，利用完全在线耦合化学模式w r f c h e m 在不同高度处强迫理想化学成分 排放源，就热带深对流系统对不同高度化学成分输送作用的大小及其对局地和 区域化学成分分布的影响进行分析。 6 第二章中尺度数值预报模式w r f 第二章中尺度数值预报w r f 模式 2 1 中尺度数值模式w r f 特点简介1 2 3 i 随着近年来高性能计算机运算能力的不断提高和中小尺度气象学研究的深 入，非静力、高分辨率的中尺度数值预报模式取得了很大的发展。目前，国内 外较流行和应用较多的中尺度模式主要有：美国新一代非静力高分辨率中尺度 模式w r f ；美国p s u n c a r 的中尺度模式m m 5 ；美国o k l a h o m a 大学的区域 预报系统a r p s ；英国的非静力中尺度模式u k m o 以及中国气象局全球区域同 化预报多尺度g r a p e s 模式等。目前所应用的非静力、高分辨率的中尺度数值 模式，为模拟和研究复杂多变的、高时空分辨率的中小尺度天气系统提供了可 能。 w r f ( w e a t h e rr e s e a r c ha n df o r e c a s t ) 模式是新一代中尺度非静力预报模式， 在研究和业务预报领域具有广泛的应用。该模式是由美国国家大气研究中心 ( n c a r ) 、国家大气海洋局的预报系统实验室、国家大气研究中心( f s l ， n c e p n o a a ) 和俄克拉荷马大学的暴雨分析预报中心等多家单位联合发展起来 的新一代非静力平衡、高分辨率、科研和业务预报统一的中尺度预报模式和资 料同化系统。该模式采用全新的程序设计，重点考虑从云尺度到天气尺度等重 要天气的模拟及预报，水平分辨率范围1 1 0 k i n ，支持模拟区域的单向和双向嵌 套。同时，模式包含高分辨率非静力应用的优先级设计、大量的物理参数化方 案选项以及与模式本身相协调的先进的资料同化系统。目前w r f 模式在北美地 区取得了较好的预报效果。其两种版本具有不同的垂直坐标，即地形追随质量 坐标和高度坐标，其中气压和温度是由热动力方程诊断出来的。多个模拟和实 时预报试验表明，w r f 模式对各种天气和中小度系统都具有较强的模拟能力。 模式系统主要由三部分组成：模式的前处理程序，模式主积分程序以及模 式产品的后处理程序。其中前处理程序为模式主积分程序提供匹配的初始场和 第二章中尺度数值预报模式w r f 边界条件，包括w r f 前处理系统w p s ( w r fp r e p r o c e s s i n gs y s t e m ) 部分和三维 变分资料同化( 四维同化) ，w p s 部分对n c e p 的初始场资料和地形、反照率等 静态数据进行处理插值；模式主积分部分对所选模拟区域内的大气过程进行积 分运算；而后处理部分则对模式的输出结果进行分析处理，主要工作包括将模 式s i g m a 层的物理量数据转化到指定等压面或等高面上、对物理量场进行诊断 分析以及图形绘制和格式转换等。 w r f 模式的控制方程是全弹性大气非静力平衡原始方程，垂直方向为s i g m a 坐标，水平方向采用a r w k r a w a - c 网格( 图2 1 ) ，运用了高分辨率的地形和下垫 面分类资料，在时间积分方案上，模式采用r u n g e k u t t a 的3 阶时间积分方案。 物理过程包含大气水平和垂直涡动扩散，积云对流参数化方案和各种云微物理 方案，太阳短波辐射和大气长波辐射方案等。模式的水平分辨率、垂直方向分 层、积分区域及各种物理参数化过程均可根据不同模拟个例的需求进行调整， 此外，模块化设计的程序调用系统使得其本身具有良好的可扩展性。 2 2w r f 模式的动力框架1 2 3 i w r f 模式中采用了两种可供用户选择的坐标形式，即地形高度跟随坐标 ( e u l e r i a nh e i g h tc o o r d i n a t e ) 和气压( 质量) 地形跟随坐标( e u l e r i a nm a s sc o o r d i n a t e ) 。本 文模拟研究所用为模式采用气压( 质量) 地形跟随坐标系统。 根据l a p r i s e 2 4 】提出的用气压作为独立变量的方法，也用作气压地形跟随坐 标改写方程组，气压地形跟随坐标的表达方式为： p h 。p h t h = 了弘= 一p h 8 第二章中尺度数值预报模式w r f 其中，p h 为静力气压，p h s 和p h t 分别为地面和模式大气层顶气压( 图) 。 ( x ，y ) 代表了单位面积的大气柱的质量，因此，通量形式变量为： v = = ( 矾y ，奶，以= 砌，9 = 弘8 其中v = ( ，职) 为水平和垂直速度，= 均为垂直速度。 利用以上变量可以写出通量形式的欧拉方程： a u 徊v ) 一t ( p 电) + 屯( p 吼) = 粕 c 3 t v + ( v k ) 一a y ( p 吼) - t - a y ( p 巾y ) = 毛 静力气压诊断关系为： 状态方程为： a t w + 印k ) 一g ( a l l p 一曲= f w a t 舀+ 固v o ) = ，伊 氐p v ) = 0 o d , + p - l 【v 妫一g w 】= d 吒咖= 一理弘 9 第二章中尺度数值预报模式w r f a 船 引入湿变量后方程组写为： a t u 一。”咿a x p + ( 三) d n p a x 咖2 a t v ，v 叼强瀚戊屯p + ( 三) a n p 每牵2 矗 a t w + ( v v w ) h - g 【( 0 p 呐】2 a t e + 仃- v o ) 。= ，一 氐蚝水功疆20 啾咖+ p t a q 【 v 审) q g 叫= 0 嚷口搬- i - v q 搬) 毒2 干空气密度倒数的诊断方程为： 全气压诊断方程为： 簪2 一 p = p 。芦p o 耸c q , j t 其中，a d 是干空气密度的倒数，理是考虑了全部水物质的空气密度的倒数。对上 述方程组定义参考变量，将变量分为参考变量部分和扰动部分； 1 0 第二章中尺度数值预报模式w r f p = f ( z ) p 。，巾= 甭( z ) ，a = a c z ) + 0 ，弘d = 乒d ( 写y ) f d 由于毪坐标向通常小是水半的，凼而参考廓线和乒，巾和石是体”1 r 1 ) 的凼毅，用 这些扰动变量气压地形跟随坐标下动量方程可写成： a t u 斗m 【a 蕊( u ) + a y ( v u ) a h m ( 哦p + 1 9 l d 伍丸动 ( 哝巾屯p a x 巾一弘d a x 巾) 2 a t v m 【屯( u v ) + a y ( v 的j ( 娜( p - d 饯0 y p t d u i 3 y 蚕) ( 晦巾吨p 巾一 l d 屯妫= r 或w m f 氕( u 甸露 b ) 】气一m 一生g ( 习f a 曙p 一函( ) 】 - i - m 一一屹g 2 f w 质量守恒方程和位势方程为： a t 弘d + m 2 陵u 丐v 】+ m o q d = 0 嘎牵+ 筒主【m 2 p 丸驴如) 褫露一g 川= o 静力平衡关系为： 气吊一f d d 一 t d 懈模式时间积分方案采用的是时间分裂的积分方案，即低频波部分采用 3 阶r u n g e k u t t a 时间积分方案，高频声波部分采用小时间不长积分扰动变量控 制方程组以保证数值稳定性。 定义预报变量牵= v w j 9 ，译，p ，q m ) ，模式方程散= r ( 秭 r u n g e k u t t a 三阶积分方案完成一步积分，即妒矿l 由三步组成： 第二章中尺度数值预报模式w r f 巾。= 妒等r ( 巾，) ，巾9 = 矿+ 等r c o ) ，矿+ 生= 扩+ 警r ( 巾。) 其中，t 为模式积分步长。 2 3 模式的参数化方案1 冽 在模式中，主要主要包含云微物理过程、积云参数化、长波辐射、短波辐射、边界层 参数化、路面过程参数化以及次网格扩散等方案。以下对模式中包含的主要参数化方案进 行简要介绍。 2 3 1 微物理方案 ( 1 ) k e s s l e r 方案 2 5 1 是一个简单的暖云方案，该方案在c o m m a s 模式【2 6 1 的 基础上发展而来，其忽略了液相水与冰相水之间的相变过程，方案计算中包括 水汽、云水和雨三种水成物和雨水的产生、降落、蒸发过程以及云水的增长、 并合过程以及凝结云水的产生等过程。 表2 1 微物理参数化方案列裂2 3 】 第二章中尺度数值预报模式w r f ( 2 ) l i n 方案中各种水成物产生项的参数化方案主要来自于l i n 和r u t l e d g e 及h o b b s 的方案【2 7 1 1 2 引，并在此基础上进行了饱和调整和冰晶沉降方面的修改2 9 1 。 此外，该方案中主要包含有六类水成物：水汽、云水、云冰、雨水、雪和霰， 是w r f 模式中相对较为成熟的微物理参数化方案。 ( 3 ) w s m 3 方案是一个简单的冰相方案。由早期w r f 版本中n c e p 3 方案 改进而来，包括冰晶沉降和其他一些冰相过程，方案中根据冰晶质量比含水量 代替温度来对冰晶数浓度进行诊断。水的相态主要包括三类：水汽、云水( 云冰) 和雨( 雪) ，以温度是否低于0 c 来区分云水和云冰，雨滴和雪晶的区分也采用相 同方法【3 0 1 。与w s m 3 方案类似的还有w s m 5 方案，该方案也包含了简单的冰 相过程，但它允许过冷水的存在以及雪的缓慢融化3 0 1 1 3 1 1 。 ( 5 ) w s m 6 方案包括了雹及与其相关的物理过程，这些过程和l i n 方案比较 接近，但在增长的计算和一些参数的选择上有所不同【3 0 】，此外，该方案采用了 新的方法来计算混合态下雪和霰粒的下降速度【3 2 1 。在三种w s m 微物理方案中， w s m 6 方案是最适宜于云分辨尺度网格模拟的【3 l 】。 ( 6 ) g o d d a r d 方案【3 3 】中与水有关的预报变量有两类，一类是水汽混合比，另 一类是把云水、雨水、冰、雪、霰等的混合物总量作为一个预报变量。降水由 混合物总量通过诊断关系计算出来，计算过程中考虑了复杂的微物理过程：这 个方案改变了模式中水汽和冷凝物的平流输送。 ( 7 ) t h o m p s o n 方案【3 4 】是为了提高冻雨事件的预报水平以达到飞机的安全预 警目的而设计的，预报变量包含6 种水物质和冰晶数浓度。针对微物理过程参 数化方案普遍存在的重复计算雪和霰并低估冰晶在出流区域的量，从而无法准 确计算冻雨的问题，该方案进行了包括对并经核化过程，自动转换过程等过程 的改进【3 5 1 。 ( 8 ) m o r r i s o n 双参数方案1 3 6 】包含有六种水成物：水汽、云水、云冰、雨、雪、 霰( 雹) 以及多种液态、固态和混合态过程。该方案中可根据需要选择常数云滴数 浓度和可变云滴数浓度方法来进行模拟。从理论上来讲，能够实时计算数浓度 第二章中尺度数值预报模式w r f 和混合比的双参数方法可以更好的反应云雨过程。 2 3 2 积云对流参数化方案1 3 7 l ( 1 ) k a i n f r i t s c h ( k f ) 方案网使用了一个简单的包含水汽抬升和下沉运动的 云模式，包括卷出、卷吸、气流上升和气流下沉过程。其相较于早起版本在最 小夹卷率，浅对流过程以及下沉气流等方面进行了一些改进。 ( 2 ) b e t t s m i l l e r j a n j i c ( b m j ) 方案【3 9 】【4 0 1 中对流廓线和缓冲时间为变量，由云 效确定，云效为一个与维数无关的参数，表示流域特征。云效由熵变、降水和 云的平均温度决定。只有当熵变的很小并且非负时，才计算浅对流水汽廓线。 为了使该方案能够应用于较高水平分辨率，也对出发机制进行了修正。此外， 在云中设定最小熵变值，低于该值时，不触发深对流过程；在到达云顶之前， 上升粒子与环境混合；只有当浮力大于设定的正阈值时，才对上升粒子做功。 ( 3 ) g r e l l d e v e n y i 集合方案【4 1 】引入了一个集合积云方案，即在每个格点上运 行多个积云参数化方案，计算变量，而后对结果进行平均，反馈给模式。理论 上来说，可以采用加权平均的方法来优化该方案，而默认的为取同样的权重进 行平均。所有参加集合的方案均为质量一通量型方案，但上升和下沉气流的卷 入卷出参数及降水效率不同。将这种静态控制因子的差异与动态控制因子的差 异相结合来确定云的质量通量。动态控制因子包括c a p e 、低层垂直速度、或 水汽辐合。基于c a p e 的动态控制因子或者平衡c a p e 的变化速率，或者将 释放c a p e 给气候变量，或者在对流时间尺度上移除c a p e 。 2 3 3 边界层参数化方案 ( 1 ) y o n s e iu n i v e r s i t y ( y s 功方案( 4 2 1 ，该方案是m r f 边界层参数化方案【4 3 】 的改进方案，也是用反梯度项表示由非局地引起的通量，在行星边界层顶显式 处理挟卷层。根据大尺度涡旋模式的研究结果，将挟卷表示成与地表浮力通量 成比例的量。边界层项定为临界理查逊数为零的高度，使其唯一有效地依赖于 浮力廓线。 1 4 第二章中尺度数值预报模式w r f 此外，模式中还提供了较早期的m r f 方案1 4 3 1 ，通过计算湍流动能t k e 来 确定边界层扩线的m y j 方案f “4 6 】和新加入的a c m 2 方案。 2 3 4 模式的其他参数化方案2 3 i 除了微物理和积云参数化方案外，w r f 模式还提供了各种辐射参数化和路 面过程参数化等方案，包括r r t m ，e t ag f d l 长波辐射方案；简单短波辐射 方案和g o d d a r d 短波辐射方案和e t ag f d l 短波辐射方案等短波辐射参数化方 案，o s u m m 5 陆面过程方案。 2 4 模式的程序结构和业务流程1 3 7 l w r f 模式程序具有操作的易读性、可维护性、可移植性、运行结构性等特 点，并且可以在带有边界条件和嵌套的有限区域模式中重复使用，这种模块化 的、结构化的程序设计思想允许多个动力框架带物理过程同时并存。模式本身 的软件设计和开发充分考虑了在目前大规模并行计算的并行平台中的运行效 率，可在分布式内存和共享式内存两种计算机上实现并行运算，模式的耦合架 构也使其能够较为容易的整合进新的地球系统模式框架中。 2 4 1 模式程序结构设计1 3 7 l 在程序结构设计上，w r f 模式采用三层结构，包括驱动层、中介层和模式 层。调用结构的最高层是驱动层，最底层为模式层，中阶层位于驱动层和模式 层之间。最高层的驱动层负责控制初始化、时间步长、输入输出( i o ) 、预报区 域、维持嵌套、程序安装管理和并行计算等；模式层主要是数值天气预报的预 报方程、物理参数化过程等部分，整个模式系统的模式层部分允许用户根据需 第二章中尺度数值预报模式w r f 要修改和添加程序而不影响模式的整体功能；中介层主要负责驱动层和模式层 的连接，该层包括驱动层和模式层的连接信息。 w r f 模式应用了继承式软件设计、多级并行分解算法、选择式软件管理工 具、i h j 软件包( 连接信自、交换、输