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ARPS和WRF模式對黃土高原半干旱區(qū)夏季晴天邊界層特征的模擬分析

2021-09-16 09:35王田田張文煜楊瑞鴻
氣象與環(huán)境科學(xué) 2021年5期
關(guān)鍵詞:邊界層對流通量

黃 山,王田田,張文煜,羅 漢,劉 瑩,楊瑞鴻

(1.甘肅省人工影響天氣辦公室/甘肅省干旱氣候變化與減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,蘭州 730020;2.中國科學(xué)院大氣物理研究所云降水物理與強(qiáng)風(fēng)暴重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100029;3.中國科學(xué)院大學(xué),北京100049;4.鄭州大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,鄭州 450001)

引 言

大氣邊界層是指直接受地面影響的對流層底層,主要通過湍流運(yùn)動來影響自由大氣的運(yùn)動狀態(tài),大氣邊界層也是氣象要素有顯著日變化的低層大氣[1]。大氣邊界層高度是表征邊界層特征最重要的物理參數(shù)之一,廣泛應(yīng)用于物理量廓線、邊界層結(jié)構(gòu),以及數(shù)值模式的邊界層參數(shù)化研究中[2-3]。

黃土高原主要由黃土塬、溝壑、川、山、梁及峁坪等多種形態(tài)地貌組成。由于其特殊的地理、氣候環(huán)境,以及復(fù)雜的下墊面情況,形成了獨(dú)特的陸面過程特征和大氣邊界層結(jié)構(gòu)。氣候系統(tǒng)對陸面過程及邊界層過程的響應(yīng)比較敏感[4-5],是氣候變化的典型敏感區(qū),同時也是生態(tài)農(nóng)業(yè)脆弱區(qū)。分析和模擬該地區(qū)邊界層過程對認(rèn)識特殊氣候環(huán)境的維持機(jī)理、提高該地區(qū)天氣和氣候預(yù)測能力有一定幫助[6]。有學(xué)者通過分析典型觀測資料,研究了西北干旱半干旱區(qū)黃土高原陸面過程、輻射平衡、邊界層厚度變化等特征[7-14]。隨著數(shù)值模式的發(fā)展,數(shù)值模擬已逐漸成為大氣邊界層研究的一種重要手段。國外很多學(xué)者利用WRF模式模擬出了所研究區(qū)域的邊界層結(jié)構(gòu)特征[15-18]。Mayer 等[19]利用SUMO觀測資料驗(yàn)證了WRF模式4種邊界層參數(shù)化方案的模擬能力,發(fā)現(xiàn)非局地方案更能表征邊界層的時間演變,MJY方案對邊界層高度和近地層溫度的模擬偏低。Gómeznavarro等[20]對比不同邊界層參數(shù)化方案對風(fēng)場的模擬效果,發(fā)現(xiàn)非局地邊界層方案可以更好地解析復(fù)雜地形邊界層內(nèi)風(fēng)的特征。Banks 等[21]對比分析了WRF模式8種邊界層參數(shù)化方案對不同天氣類型城市下墊面邊界層高度模擬效果,發(fā)現(xiàn)非局地邊界層方案的模擬更準(zhǔn)確。Sarkar等[22]利用ARPS區(qū)域氣候模式耦合一個簡單的地表參數(shù)化方案,改進(jìn)了模式對城市邊界層的模擬能力。國內(nèi)也有很多評估WRF模式對邊界層氣象場特征模擬能力的研究[23-25],還有一些利用數(shù)值模擬探索特定邊界層的發(fā)展機(jī)制及影響因子的研究[26-30]。針對西北干旱半干旱區(qū)大氣邊界層的模擬研究也有很多,涉及風(fēng)溫場、能量平衡、陸面過程及邊界層高度等多方面[5,8,31-33]。

本文在前人研究結(jié)果的基礎(chǔ)上,分別利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)和WRF(Weather Research and Forecasting Model)兩種數(shù)值模式,對2009年7月黃土高原夏季大氣邊界層高度進(jìn)行模擬,采用蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)的觀測資料和榆中國家基準(zhǔn)氣候站的探空資料作為驗(yàn)證資料,對比兩種模式的模擬能力,分析典型晴天條件下黃土高原夏季邊界層高度的變化特征,為進(jìn)一步利用數(shù)值模式研究黃土高原大氣邊界層結(jié)構(gòu)提供參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 觀測站及資料情況

選取蘭州大學(xué)半干旱氣候與環(huán)境觀測站(SACOL)渦動相關(guān)儀實(shí)際觀測資料和榆中國家基準(zhǔn)氣候站(區(qū)站號:52983)的探空資料作為模式模擬驗(yàn)證資料。SACOL站位于蘭州大學(xué)榆中校區(qū)的萃英山頂(35.95°N、104.14°E,海拔1961 m),是按照國際標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)的氣候觀測平臺,站內(nèi)觀測環(huán)境和周圍自然環(huán)境狀態(tài)均保持良好,下墊面基本為塬面梁峁原生植被,屬于典型溫帶半干旱氣候,年平均氣溫6.7 ℃,年平均降雨量381.8 mm,蒸發(fā)量1528.5 mm,全年日照時數(shù)2607.2 h,年平均風(fēng)速約為1.6 m/s(試驗(yàn)場地山頂全年盛行西北風(fēng)和東南風(fēng))。SACOL站渦動相關(guān)儀實(shí)際觀測資料的時間步長為1 h。榆中國家基準(zhǔn)氣候站位于35.87°N、104.15°E,海拔高度1875 m,探空資料為該站2009年7月2日觀測數(shù)據(jù),早晚兩次分別開始于07:15和19:15。

1.2 模式介紹

分別采用ARPS和WRF 2種模式模擬黃土高原地區(qū)夏季邊界層過程。初始資料為NCEP l°×l°分辨率的全球再分析格點(diǎn)資料。模擬試驗(yàn)中采用初始場和側(cè)邊界條件,3層嵌套,水平分辨率分別為36 km、12 km和4 km,模擬區(qū)域?yàn)?3°-45°N、88°-108°E,模式內(nèi)層區(qū)域中心位置為(36.7°N、103.5°E)。模式積分初始時刻為2009 年6 月30日00:00,共模擬一個月,每小時輸出一次結(jié)果,積分步長為600 s。ARPS模式垂直方向分為60層,平均層間距為300 m,采用1.5階TKE閉合方案;WRF模式垂直方向分為34層,采用YSU邊界層參數(shù)化方案。

2 模擬結(jié)果分析

從整個模擬時段中選取2009年7月2日00時至7月3日00時作為代表,采用線性插值方法將所在模式層的模擬值分別插值到觀測點(diǎn)處,比較檢驗(yàn)?zāi)J降哪M能力。從2009年7月2日08時500 hPa和700 hPa環(huán)流形勢(圖略)與實(shí)際觀測情況可知,模擬區(qū)域處于高壓脊控制,天氣以晴為主。

2.1 感熱通量對比

對比感熱通量模擬值與觀測值(圖1)發(fā)現(xiàn),兩種模式的模擬結(jié)果都能夠較好地反映SACOL站感熱通量的變化特征。WRF模式模擬值較ARPS模式模擬值整體略微偏大,夜間WRF模式的模擬結(jié)果與實(shí)測的更接近,上午時段ARPS模式對感熱通量的模擬與實(shí)測值擬合更良好,午后觀測值呈現(xiàn)階梯狀降低趨勢,模式模擬值變化較平滑,這是由于站點(diǎn)上空午后多有淡積云飄過,而模式模擬結(jié)果不存在云的影響。實(shí)測感熱通量最大值出現(xiàn)在12時,模式模擬最大值大約出現(xiàn)在12-13時,WRF模式模擬的最大值與實(shí)測值幾乎相等。此外,WRF模式對于感熱通量正負(fù)值轉(zhuǎn)換時間的模擬比ARPS模式的更好,這主要是2種模式本身動力框架設(shè)置不同,以及不同參數(shù)化方案選取造成的差異。

圖1 2009年7月2日ARPS和WRF模式模擬的感熱通量值與觀測值對比

就整個7月而言(圖略),兩種模式對感熱通量均有一定的模擬能力,逐點(diǎn)誤差小于一個標(biāo)準(zhǔn)方差。兩種模式在白天的模擬效果較夜間的好,上午的模擬效果較下午的好??偟膩砜矗珹RPS模式的模擬曲線較WRF模式模擬得更加平滑,WRF模式對能量的總體描述較ARPS模式的更接近實(shí)測。為了對比模擬值與觀測值,本文采用了線性插值方法,將模擬結(jié)果差值到SACOL站的位置。插值會產(chǎn)生一定的誤差,這可能是造成模擬值較觀測值偏大的一個原因。

2.2 邊界層特征分析

WRF模式的模擬結(jié)果在垂直方向上以層為單位,每個地區(qū)隨地形變化縱坐標(biāo)也會略微發(fā)生變化。SACOL站W(wǎng)RF模式縱坐標(biāo)層數(shù)與相對高度的對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 SACOL站W(wǎng)RF模式縱坐標(biāo)層數(shù)與相對高度的對應(yīng)關(guān)系

2.2.1 位溫垂直分布

熱力特性是判斷和區(qū)分大氣邊界層性質(zhì)的重要指標(biāo)之一,位溫是大氣最具表現(xiàn)力的熱力屬性之一[7]。本文模擬分析了大氣位溫的垂直分布,進(jìn)而根據(jù)位溫廓線法分析邊界層高度的演變過程。

位溫廓線法是由位溫廓線特征結(jié)合逆溫強(qiáng)度來確定邊界層高度的一種方法[34-37]。白天有對流發(fā)展時,邊界層高度為對流混合層頂(即上部穩(wěn)定層的底部),夜間可將近地面逆溫高度視為邊界層高度。

由位溫廓線模擬結(jié)果(圖2)和探測結(jié)果(圖3)可以看出,2種模式都能模擬出位溫的垂直變化趨勢。ARPS模式模擬的邊界層高度明顯偏高,WRF模式模擬的最大邊界層高度約為2100 m。從圖3可看出,19時在1700 m高度以下位溫幾乎不隨高度變化、比濕隨高度增加,在該高度以上位溫突然增加,比濕突然減小,由此可以確定,19時對流邊界層高度為1700 m。WRF模擬的19時邊界層高度為1747 m(圖4),與觀測結(jié)果基本一致,WRF模式可以較準(zhǔn)確地模擬出黃土高原夏季晴天邊界層高度。

圖2 SACOL站2009年7月2日逐小時位溫廓線變化模擬結(jié)果

圖3 2009年7月2日榆中站探空觀測位溫廓線

從圖4可以看出,在00-08時和20-24時,由于地面輻射冷卻通過湍流交換向上傳播而形成穩(wěn)定邊界層,邊界層高度相對較低,逆溫層高度在06-07時最低(約為400 m),這與07時探空觀測位溫廓線所表征的基本一致。在夜間穩(wěn)定邊界層高度變化過程中,00-08時和22-24時兩個時段邊界層變化相對穩(wěn)定,20-22時邊界層變化速度相對較快,這是因?yàn)樵谝归g穩(wěn)定邊界層發(fā)展的早期階段,由于地面附近溫度快速降低,大氣層結(jié)由不穩(wěn)定向穩(wěn)定的變化在開始階段較快,之后變慢并逐漸趨于穩(wěn)定,夜間穩(wěn)定邊界層高度均在600 m以下。08時以后,太陽輻射增強(qiáng),湍流活動加強(qiáng),邊界層發(fā)展,高度逐漸上升,08-11時為對流邊界層的快速抬升階段,對流邊界層發(fā)展強(qiáng)烈;12-15時為對流邊界層的穩(wěn)定抬升階段,15-19時,雖然地面感熱通量對大氣的加熱不是最強(qiáng),但是由于之前地面強(qiáng)烈加熱導(dǎo)致的對流邊界層頂抬升還有一定的時間延續(xù)性,對流邊界層高度在此時達(dá)到最大,約為2000-2100 m; 之后逐漸下降,直到22時以后變?yōu)榉€(wěn)定邊界層。感熱通量和邊界層高度的日變化有一定的相關(guān)關(guān)系,邊界層高度的演變總是滯后于感熱通量的變化。

圖4 WRF模擬的SACOL站2009年7月2日邊界層高度變化

2.2.2 風(fēng)速垂直分布

由模擬的風(fēng)廓線(圖5、6)和探測的風(fēng)廓線(圖7)可以看出,兩種模式都能模擬出風(fēng)速的垂直變化基本趨勢。ARPS模擬的風(fēng)廓線非常平滑,幾乎沒有模擬出風(fēng)向切邊;模擬的07時和19時的風(fēng)速也小于實(shí)際觀測值。由風(fēng)速極值法[38]推斷,ARPS模擬的對流邊界層頂?shù)母叨燃s為3700 m,這與ARPS模式利用位溫廓線法確定的邊界層高度一致,但都較實(shí)際觀測值偏高很多。

圖5 ARPS模擬的SACOL站2009年7月2日逐小時風(fēng)廓線

圖6 WRF模擬的SACOL站2009年7月2日逐小時風(fēng)廓線

圖7 2009年7月2日榆中站探空觀測風(fēng)廓線

WRF模擬的風(fēng)廓線更接近實(shí)際觀測,在對流邊界層內(nèi)盛行東南風(fēng),在對流邊界層以上約4500-4800 m高度處出現(xiàn)切變,變?yōu)槲鞅憋L(fēng)。近地層內(nèi)南北分量風(fēng)風(fēng)速隨高度迅速增大,地面以上500 m至2200 m處南北分量風(fēng)速大致呈均一狀態(tài),2200 m以上風(fēng)速隨高度逐漸遞減,至4500 m左右出現(xiàn)南北分量風(fēng)切變,風(fēng)向由北風(fēng)轉(zhuǎn)為南風(fēng)。根據(jù)風(fēng)速極值法推斷,WRF模擬的邊界層高度為2050 m左右,這與位溫廓線法確定的邊界層高度非常接近。

3 結(jié)論與討論

(1)在4 km水平分辨率下,ARPS和WRF 2種模式都能夠模擬出黃土高原半干旱區(qū)夏季晴天的陸面感熱通量狀況。但是對于邊界層高度特征的模擬,采用1.5階TKE閉合方案的ARPS模式模擬能力較差,采用YSU邊界層參數(shù)化方案的WRF模式的模擬情況與實(shí)際觀測較為接近,這也與在干旱半干旱地區(qū)的WRF模擬敏感性試驗(yàn)得出的結(jié)果相一致[23,35]。

(2)從觀測和模擬的結(jié)果可以看出,在黃土高原半干旱地區(qū)夏季晴天,感熱通量和邊界層高度的日變化有一定的相關(guān)關(guān)系,感熱通量與白天對流邊界層高度之間的相關(guān)關(guān)系較與夜間穩(wěn)定邊界層高度的相關(guān)關(guān)系更顯著,白天對流邊界層高度的發(fā)展總是滯后于感熱通量的變化。

(3)綜合觀測和模擬邊界層高度、位溫和風(fēng)速垂直變化,得到黃土高原半干旱區(qū)夏季晴天時,白天對流邊界層高度可達(dá)2100 m,夜間穩(wěn)定邊界層高度約為400-500 m。白天對流邊界層的發(fā)展經(jīng)歷初始抬升-快速抬升-穩(wěn)定抬升3個階段,衰減經(jīng)歷開始逐漸衰減-快速衰減-穩(wěn)定邊界層3個階段。

本文只選擇了SACOL站一個夏季晴天的個例來作模擬分析。由于黃土高原半干旱地區(qū)地形復(fù)雜,其陸面熱過程和邊界層過程相互影響,情況復(fù)雜,因此還需要更多的野外觀測、衛(wèi)星遙感反演和模擬實(shí)驗(yàn),以獲得對大氣邊界層特征及其形成和發(fā)展機(jī)理更加全面而深入的認(rèn)識。

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