WRF模式边界层参数化方案对西南低涡模拟的影响

应用中尺度数值模式WRF(V3.3版本)选用4种行星边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和NOPBL)对2011年6月16—18日造成强降水的西南低涡过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对西南低涡过程模拟的影响。模拟结果表明:4种边界层参数化方案均能较好地模拟出西南低涡以及暴雨带的东移,其中YSU方案对低涡路径、强度及降水的总体模拟效果最好。YSU和ACM2方案,与MYJ和NOPBL方案相比,模拟的低涡中心区域正涡度柱和垂直上升运动较强,达到的垂直高度更高。造成这种差异的主要原因是对边界层上的夹卷效应以及垂直混合作用考虑的不同。不考虑边界层作用的NOPBL方案模拟的地表风速异常偏大,造成地表热通量明显偏强、边界层高度偏高。YSU、ACM2和MYJ 3种方案模拟的边界层高度和热通量的日变化比较一致,夜间基本维持少变,白天变化大,其中MYJ模拟的边界层高度和热通量较大,ACM2模拟的较小。地表风速是造成热量输送以及边界层高度模拟差异的主要因子。     

WRF模式多种边界层参数化方案对四川盆地不同量级降水影响的数值试验

利用中尺度模式WRF三种边界层参数化方案(MYJ、YSU和ACM2),对2012年四川盆地夏季连续40天逐日降水量进行数值试验,并检验评估了不同边界层参数化方案下模式对分级降水量和边界层结构的模拟能力,分析了各参数化方案对降水量模拟差异的可能原因。结果表明:三种边界层参数化方案对较小量级(小雨和中雨)降水量的模拟,24 h时效优于48 h,ACM2方案效果较好;对较大量级(大雨和暴雨)降水的模拟,48 h时效优于24 h,YSU方案模拟效果较好。对比分析温江站加密探空观测与模式模拟的大气边界层结构表明,ACM2方案对小量级降水时边界层结构的模拟较为准确,而YSU方案更适合于温江站大量级降水时边界层结构的模拟。不同边界层参数化方案对各量级降水量模拟差异的可能原因是边界层湍流混合强度的不同,MYJ方案湍流混合作用较弱,导致底层大量水汽积聚,不稳定性强,容易产生虚假降水,因此对各量级降水模拟能力均有限;YSU方案具有强烈的垂直混合强度,有利于局地水汽的向上输送,更易达到大量级降水发生发展的条件,适用于盆地较大量级降水的模拟;ACM2方案在保证足够湍流混合强度的同时,在较稳定条件下会关闭非局地输送,不致于产生过强降水,适合盆地较小量级降水的数值模拟     

宁夏两次低涡暴雨过程边界层方案的敏感性试验

利用中尺度数值模式WRF选取3种边界层参数化方案（YSU、MYJ和ACM2）对2018年8月20日和2019年8月2日宁夏两次低涡暴雨过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对暴雨过程模拟的影响。结果表明：YSU和MYJ方案对暴雨的预报性能均较优,ACM2方案对强降水的空报率较大;YSU方案对逐时中等强度降水的模拟效果更优。YSU方案对低涡系统的移动路径和中心强度模拟效果最好。相比ACM2方案,YSU和MYJ方案对环境场物理量和边界层内水汽混合比的模拟更接近实况,并且YSU方案能准确地反映边界层内位温分布特征。YSU与ACM2方案的湍流混合强度更强,后者维持较强湍流的时间更长。总体上,YSU方案对宁夏低涡暴雨过程的模拟效果最优。     

台风“莫拉菲”对不同边界层方案的敏感性数值模拟

利用WRF中尺度模式,在不同边界层方案下对2009年第6号台风"莫拉菲"登陆前后的主要过程进行了数值模拟,分析了边界层参数化方案对台风的大环境场、路径、强度和累积降水的影响。并通过对边界层过程中的感热通量和潜热通量进行分析,表明台风强度和累积降水主要是由水汽凝结潜热释放造成的。MRF方案为非局地K理论方案,YSU方案是新一代的MRF方案,增加了显式处理的夹卷层过程,而MYJ方案是Mellor-Yamada2.5级湍流闭合方案,主要是使用TKE闭合方法。模拟结果表明,YSU方案比MRF方案在模拟结果中有明显的改善,MYJ方案出现在模拟台风强度过强的情况。综合来说,YSU方案的模拟结果较好。     

边界层方案对一次西南涡背景下局地暴雨过程影响分析北大核心

利用WRF模式对2017年6月9日重庆合川区一次局地暴雨过程开展对流可分辨尺度的模拟试验,比较三种边界层参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同试验均能模拟出此次降水的主要分布特征,而不同边界层参数化方案能够显著影响降水落区和强度的模拟。MYJ方案对强降水的模拟最好,能较好地模拟出降水触发的时间和位置;其次为BouLac方案,触发时间偏晚约2 h,降水落区与MYJ方案相近;YSU方案模拟的降水分布偏差较大,降水触发的位置和落区偏北。湍流混合强度是造成落区模拟差异的主要原因,通过影响1.5 km高度以下风场分布改变造成此次局地强降水过程的西南涡位置,进而影响到降水的落区。基于YSU方案的湍流混合减弱试验证明了湍流混合强度与降水落区的关系。     

中尺度模式边界层方案对华中区域降水预报的对比试验

选用华中区域中尺度模式中的ACM2、YSU、MYJ三种边界层参数化方案,对2012年5—7月进行降水模拟检验。通过比较三种方案模拟降水的总量分布,表明三种方案能够体现出累积降水的整体分布特征,但存在细节差异,降水TS评分(Ts)和BS偏差(Bs)统计显示ACM2的预报性能优于YSU方案和MYJ方案。大气温湿结构则体现了MYJ方案湍流输送较弱的特点,ACM2和YSU方案因使用非局地闭合理论,模拟结果相近。此外对一次西南低涡暴雨过程进行了分析,结果表明:ACM2方案对低涡移动路径、强度及造成的降水量的总体模拟效果最好。     

WRF模式对山谷城市边界层模拟能力的检验及地面气象特征分析

利用先进的WRF中尺度模式中3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2),模拟了2005年1月25~28日兰州市冬季地面温度和风速的变化,并与同期系留探空和自动气象站的实测资料进行了对比分析。结果表明:对兰州冬季大气边界层地面温度日变化的模拟,局地闭合的MYJ方案优于非局地闭合的YSU和ACM2方案;3种方案模拟的夜间位温廓线较好,白天的较差;在边界层低层,考虑局地和非局地闭合的ACM2方案模拟的位温廓线与观测值比较一致;在边界层上部,局地闭合的MYJ方案则更适合于描述大气湍流对位温垂直分布的影响;3种边界层参数化方案模拟的兰州地区冬季温度场空间分布特征相似,但MYJ方案模拟的夜间温度低于YSU和ACM2方案,白天则高于YSU和ACM2方案。     

不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候模拟的对比研究

用WRF v3.2.1中尺度预报模式和NCEP/NCAR再分析资料,对比研究了WRF模式中5个不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候的模拟效果。结果表明:WRF模式对各边界层参数化方案均较为敏感,采用不同的边界层参数化方案对模拟区域内的夏季降水、气温、环流等气候要素均可产生明显影响。选取MYJ方案和QNSE方案对500 h Pa夏季平均环流的模拟效果较好,YSU方案和QNSE方案对夏季平均日降水量模拟与再分析资料更吻合,YSU方案和MYNN2.5方案对中国东部2 m气温的模拟结果较好。不同边界层参数化方案模拟结果都显示出由于副热带高压偏强,使副热带高压第2次北跳后停留时间过短,导致长江中下游降水偏少,华北地区降水增多。通过比较YSU和QNSE边界层方案,发现YSU方案相比QNSE方案的降水差异,是由于850 h Pa水汽输送造成的。在中国大部分地区YSU方案的2 m温度比QNSE方案高,并且地面2 m气温和降水存在一定对应关系。因此合理选取边界层参数化方案可以提高数值模拟的准确性。     

两种边界层方案对台风“Megi”路径的影响

以WRF为试验模式,对比分析2种边界层参数化方案(YSU、MYJ)对台风"Megi"路径的影响。结果显示,"Megi"路径对边界层方案的变化有一定的敏感性。相比于MYJ方案的模拟结果,YSU方案模拟的边界层垂直混合作用和水汽垂直输送较强,因此对流层高层的水物质含量高于MYJ方案中的结果。分布于台风周围的水物质在对流层高层会以砧云的形态扩散至副高区域,砧云在对流层高层凝结放热增温,在低层形成降水蒸发吸热降温,影响副高区域上下层的温度分布,导致副高强度减弱、位置东退,最终造成台风提前转向。     

鄂东暖区暴雨个例的高分辨率模拟对边界层方案的敏感性

2016年7月5-6日,鄂东发生了一次典型的副热带高压边缘型暖区暴雨。本研究使用WRF模式对该过程进行积云可分辨模拟,重点关注不同边界层方案下(ACM2、YSU、MYJ)短时强降水的差异及其可能原因。结果表明:相比ACM2,YSU和MYJ方案的短时强降水呈现先强后弱的特点;究其原因,与后两种方案下强对流的提前触发和消散有关。具体地,在对流触发前,YSU和MYJ方案模拟的涡流扩散性系数较ACM2偏小,边界层V风倾向偏弱,从而低层南风减速不明显,使得南风辐合偏强并提前触发强对流;而在消亡阶段,YSU和MYJ方案下强对流很快消散,但ACM2方案模拟的低层切变线上不断有对流新生;进一步,通过关闭微物理潜热加热的敏感试验,证实了低层切变线的产生与前期强降水潜热释放对中尺度环境场的改变有关,边界层过程的作用相对较小。另一方面,使用高分辨率模式结果对不同边界层方案下云微物理特征的分析表明,短时强降水的形成与霰的融化主导冷云降水过程有关,相比ACM2,YSU和MYJ方案下短时强降水的先强后弱对应于霰含量的先多后少。     

长江下游地区不同边界层参数化方案的试验研究

利用中尺度数值模式WRFV3.1.1中的MYJ、QNSE、YSU、ACM2、MYNN2.5、MYNN3、Boulac七种不同边界层参数化方案,进行了发生在长江下游地区的3例暴雨的模拟试验.重点分析比较了七个不同边界层参数化方案对降水总量分布、次降水区的边界层结构、关键基本气象要素场的模拟能力,并将降水总量和关键基本气象要素场的模拟结果与实测结果进行了统计检验.通过对比,发现QNSE方案的模拟能力相对优于其他边界层参数化方案.     

不同边界层方案对一次华北暴雨数值模拟的敏感性研究

以2010年8月17—19日华北地区的暴雨事件为研究对象,采用中尺度数值模式WRF,通过8个数值实验测试暴雨事件模拟结果对不同边界层方案的敏感性。结果表明,采用不同边界层方案的模拟结果存在明显差异。分辨率为12 km时,7个边界层方案实验均模拟出类似观测的四处较强降水,但模拟得到的降水强度和强降水中心位置与实况有所差异,NOPBL实验模拟的雨带收缩,降水相对其他模拟实验较少且更为集中。分辨率为4 km时,采用边界层方案的7个实验均可见小尺度降水结构,模拟出较多虚假降水中心,而在NOPBL试验中降水的小尺度结构不明显。检验表明:分辨率为12 km时,MYJ试验的TS评分、相关系数和误差分析等整体表现最优,分辨率为4 km时,Bou Lac试验整体表现最优。与NOPBL试验相比,加入MYJ边界层方案后,模拟的水汽输送增加、上升运动及涡散度绝对值增大。     

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。      

边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风（1614）登陆阶段影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s?1及241 mm;（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;（4）综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。     

利用TWP-ICE试验资料对比两种边界层参数化方案

利用高分辨率WRF单气柱模式,选取了两种边界层参数化方案(YSU,MYJ),对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟,比较了两种方案对边界层结构、云和降水模拟的影响。结果表明:季风活跃期,YSU方案模拟的湍流交换系数较小,湍流混合偏弱,边界层内热通量偏小,使地表热量和水汽不易向上输送,水汽含量在近地表明显偏多,而在边界层及其以上大气层具有显著的干偏差,因此该方案模拟的云中液态水和固态水含量偏低,云量偏少,降水率偏小;MYJ方案对于季风活跃期的边界层结构具有较好的模拟能力,其模拟的云和降水更为准确。季风抑制期,MYJ方案模拟的夜间边界层结构存在较大误差,这是因为该方案模拟的夜间湍流交换系数较大,湍流混合偏强,边界层内热通量偏大,模拟的位温和水汽混合比在边界层内随高度变化较小,而观测廓线在边界层内存在较大梯度。季风抑制期两种方案模拟的云和降水均比观测值偏多,方案之间的差异较小。     

Impact of physical parameterizations on simulation of the Caspian Sea lake-effect snow

The southwestern coast of the Caspian Sea often experiences heavy snowfall during winter season due to the lake effect. The accurate estimation of snowfall in this region is still a challenge for weather forecasters. This study attempts to investigate the simulation of lake-effect snow (LES) event occurring along the southwest coastline of the Caspian Sea from 31 January to 4 February 2014 using Weather Research and Forecasting (WRF) model. The study evaluates the sensitivity of four microphysics (WSM6, Goddard, Morrison, and Thompson) schemes and two planetary boundary layer (PBL) schemes (the Yonsei University (YSU) and the Mellor-Yamada-Janjic (MYJ)), yielding eight distinct combinations. The results indicated that all the simulations overestimated the precipitation. However, the best configurations for estimation of precipitation and snow in terms of their spatiotemporal variation were the Morrison-MYJ and the Goddard-MYJ, respectively. Analyses of the vertical profiles of hydrometeor species showed that the combination of Goddard and MYJ schemes created more snow and graupel than the other configurations. Although the combination of WSM-MYJ schemes revealed the least bias, it was not appropriate for the prediction of snow. A comparison of the two boundary layer schemes showed that the MYJ scheme simulated better intensity and distribution of precipitation than the YSU scheme compared to observations. Also, the maximum radar reflectivity of the model output was useful for identifying the location of maximum precipitation.     

High-resolution Simulation of an Extreme Heavy Rainfall Event in Shanghai Using the Weather Research and Forecasting Model: Sensitivity to Planetary Boundary Layer Parameterization

In this study,an extreme rainfall event that occurred on 25 May 2018 over Shanghai and its nearby area was simulated using the Weather Research and Forecasting model,with a focus on the effects of planetary boundary layer(PBL)physics using double nesting with large grid ratios(15:1 and 9:1).The sensitivity of the precipitation forecast was examined through three PBL schemes:the Yonsei University Scheme,the Mellor?Yamada?Nakanishi Niino Level 2.5(MYNN)scheme,and the Mellor?Yamada?Janjic scheme.The PBL effects on boundary layer structures,convective thermodynamic and large-scale forcings were investigated to explain the model differences in extreme rainfall distributions and hourly variations.The results indicated that in single coarser grids(15 km and 9 km),the extreme rainfall amount was largely underestimated with all three PBL schemes.In the inner 1-km grid,the underestimated intensity was improved;however,using the MYNN scheme for the 1-km grid domain with explicitly resolved convection and nested within the 9-km grid using the Kain?Fritsch cumulus scheme,significant advantages over the other PBL schemes are revealed in predicting the extreme rainfall distribution and the time of primary peak rainfall.MYNN,with the weakest vertical mixing,produced the shallowest and most humid inversion layer with the lowest lifting condensation level,but stronger wind fields and upward motions from the top of the boundary layer to upper levels.These factors all facilitate the development of deep convection and moisture transport for intense precipitation,and result in its most realistic prediction of the primary rainfall peak.