大氣邊界層參數(shù)化方案對地面氣象要素擴(kuò)散的影響

大氣邊界層參數(shù)化方案對地面氣象要素擴(kuò)散的影響

1對復(fù)雜下墊面邊界層參數(shù)化方案敏感性試驗(yàn)的多大方面研究原油界面位于受土壤嚴(yán)重影響的流量層的底部，是地氣相互作用和污染帶的主要場所。湍流運(yùn)動是其主要特征,大氣邊界層通過地表強(qiáng)迫和湍流輸送等影響地面和大氣之間的動量\,熱量交換,邊界層內(nèi)的垂直混合決定了污染物的地面濃度,因此邊界層參數(shù)化方案不僅是氣象模式的重要組成部分,也是空氣污染模式的重要基礎(chǔ)。在中尺度數(shù)值模式研究中,發(fā)展出了多種邊界層物理過程參數(shù)化方案,不同的邊界層參數(shù)化方案對地面氣象場和污染物擴(kuò)散的影響,倍受科研工作者的關(guān)注。目前國內(nèi)應(yīng)用比較廣泛的中尺度數(shù)值模式有RAMS、MM5和WRF等。很多學(xué)者對MM5不同邊界層參數(shù)化方案的模擬效果進(jìn)行了研究,主要集中在對暴雨和臺風(fēng)等天氣過程的模擬、與污染模式耦合的空氣質(zhì)量模擬,以及低層溫度場和風(fēng)場的研究。根據(jù)下墊面特征、模式分辨率和模擬對象的不同,不同參數(shù)化方案模擬效果差別很大,但多數(shù)研究者認(rèn)為在不穩(wěn)定條件下,非局地閉合方案的模擬效果優(yōu)于局地閉合方案。針對WRF不同邊界層參數(shù)化方案敏感性試驗(yàn),也獲得了很大的進(jìn)展。例如Zhangetal.通過對2006年3月墨西哥3km分辨率的溫度、相對濕度和風(fēng)速的模擬,發(fā)現(xiàn)各方案模擬的白天風(fēng)速普遍偏高;YSU方案對白天地面溫度的模擬效果較好,夜間則較差;MYJ方案對夜間溫度模擬效果優(yōu)于白天。Huetal.通過2005年夏季美國中南部地區(qū)的模擬,發(fā)現(xiàn)局地閉合的MYJ方案偏差較大;YSU和ACM2方案模擬的白天低層大氣溫度和濕度優(yōu)于局地閉合的MYJ方案。Migliettaetal.利用MYJ和YSU兩種方案模擬了地中海東部克利特島2008年5月14日連續(xù)24h的地面風(fēng)場特征,與合成孔徑雷達(dá)觀測對比后認(rèn)為YSU方案的模擬效果較好。國內(nèi)對WRF不同邊界層參數(shù)化方案敏感性試驗(yàn),主要集中在對主要天氣過程的影響,而對不同參數(shù)化方案如何影響邊界層風(fēng)溫場的研究則相對較少,陳炯等利用WRF的2種邊界層參數(shù)化方案和3種陸面參數(shù)化方案,模擬了北京地區(qū)夏季邊界層的日變化及地面風(fēng)場\,溫度場,并與自動氣象站觀測資料對比分析,認(rèn)為MYJ方案描述的邊界層結(jié)果較YSU方案合理。由于大氣邊界層與下墊面聯(lián)系密切,對于復(fù)雜下墊面邊界層特征的研究一直是大氣邊界層研究領(lǐng)域的難點(diǎn),復(fù)雜下墊面對大氣低層的各種熱力和動力效應(yīng)影響邊界層內(nèi)物質(zhì)和能量的輸送,從而改變邊界層溫度場和風(fēng)場的水平和垂直分布特征。目前對WRF不同邊界層參數(shù)化方案在復(fù)雜下墊面條件下的模擬能力認(rèn)識有限。蘭州市大氣邊界層風(fēng)場、溫度場與污染物的擴(kuò)散具有密切的關(guān)系。本文利用WRFV3.0的3種不同邊界層參數(shù)化方案,對地面風(fēng)和溫度日變化、風(fēng)溫廓線進(jìn)行模擬,并與自動氣象站和低空探測資料對比分析,討論不同參數(shù)化方案模擬復(fù)雜下墊面邊界層氣象場的能力,對提高天氣模擬\,預(yù)報水平和揭示城市空氣污染特征具有重要意義。2選擇數(shù)據(jù)和模擬參數(shù)2.1大氣邊界層觀測試驗(yàn)本文選取2005年1月20日～2月3日在蘭州市西固區(qū)進(jìn)行的大氣邊界層觀測試驗(yàn)的觀測資料,觀測地點(diǎn)位于蘭州市第二自來水廠(下稱西固二水廠)。(1)自動氣象站美國，美國地面溫度、濕度、風(fēng)向和風(fēng)速24h連續(xù)觀測;觀測精度:溫度0.2℃、濕度4%、風(fēng)向5°及風(fēng)速0.3m·s-1。(2)最大高度和精度低空溫度、氣壓、風(fēng)向和風(fēng)速觀測,每天8次(02:00,05:00,08:00,11:00,14:00,17:00,20:00,23:00(北京時,下同),觀測最大高度400～800m;觀測精度:溫度0.2℃、氣壓1.0hPa、風(fēng)向5.0°及風(fēng)速0.25m·s-1。為了檢驗(yàn)不同PBL參數(shù)化方案對蘭州地區(qū)地面氣象場的模擬效果,更好地反映復(fù)雜下墊面不同地點(diǎn)的地面氣象要素特征,我們還利用2005年1月25日00:00～28日00:00期間蘭州市地面自動站觀測資料將不同PBL參數(shù)化方案的模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,以檢驗(yàn)WRF不同邊界層參數(shù)化方案的模擬效果。2.2蘭州天氣分析從500hPa形勢可知,2005年1月20～28日觀測期間,蘭州地區(qū)受西北氣流控制,天氣以晴為主。1月20日,蘭州上空有冷空氣過程,但系統(tǒng)偏北且較弱,對蘭州地區(qū)影響輕微(圖略);23～24日,北部西伯利亞冷空氣(冷槽)東移,南部青藏高原低槽形成。受南北兩槽的影響,蘭州地區(qū)出現(xiàn)弱降水,溫度變化幅度不大(圖1a);25～28日,蘭州地區(qū)受穩(wěn)定的西風(fēng)氣流控制(圖1b～d),天氣晴好。2.3陸面過程參數(shù)化方案WRF模擬區(qū)域中心位于103.82°E,36.05°N,模式采用η地形追隨坐標(biāo)系,垂直分35層,水平三重網(wǎng)格嵌套,其中第一模式域?yàn)?7×53,格距為25km;第二模式域?yàn)?31×91,格距為5km;第三模式域?yàn)?1×46,格距為1km。采用NCEP全球30s地形資料和NCEP再分析資料(每6h輸入一次)。模擬時段為2005年1月25～28日,每隔1h輸出一次模擬結(jié)果。物理過程參數(shù)化方案:微物理過程選取第6標(biāo)準(zhǔn)的WSM方案;積云對流參數(shù)化方案在第一、二重區(qū)域選取Kain-Fritsch(newEta)方案,第三重模式域由于分辨率較高(1km)而沒有啟動積云對流參數(shù)化方案;輻射參數(shù)化方案選取RRTM短波輻射方案和Dudhia長波輻射方案;陸面過程參數(shù)化采用熱交換方案。敏感性試驗(yàn)時,物理過程處理相同,但邊界層參數(shù)化方案分別采用YSU、MYJ和ACM23種PBL參數(shù)化方案。2.4y保障方案WRFV3.0中有3種邊界層參數(shù)化方案,即YSU、MYJ和ACM2方案。下面從閉合方法、湍流交換過程和邊界層高度等方面,介紹3種邊界層參數(shù)方案的主要區(qū)別(表1)及特點(diǎn)。(1)近地層和混合層間通量輸送模型YSU方案是Medium_RangeForecast(MRF)方案的一種改進(jìn)形式,湍流交換公式為?C?t=??t[Kc(?C?tz?γc)?(w′c′)ˉˉˉˉˉˉˉˉh(zh)3],(1)?C?t=??t[Κc(?C?tz-γc)-(w′c′)ˉh(zh)3],(1)其中,C為診斷變量,可以是風(fēng)速、溫度和水汽等;Kc為湍流交換系數(shù):γc=b(w′c′)ˉˉˉˉˉˉˉˉˉ0ws0hγc=b(w′c′)ˉ0ws0h局地梯度修正項(xiàng),其包含大尺度湍渦對總體通量的輸送,即非局地梯度引起的通量輸送;(w′c′)ˉˉˉˉˉˉˉˉo(w′c′)ˉo是位溫或水平風(fēng)速的地面通量,ws0是邊界層中部(0.5h)的混合層速度尺度,(w′c′)ˉˉˉˉˉˉˉˉh(w′c′)ˉh是逆溫層的通量;(1)式右端第二項(xiàng)表示混合層頂部夾卷過程對湍流輸送的影響,是YSU方案與MRF方案的主要區(qū)別。由于模式中將夾卷過程單獨(dú)處理,而不是作為邊界層內(nèi)部的混合過程,從而增加了熱力自由對流的湍流混合,降低了動力強(qiáng)迫對流混合。根據(jù)相似理論分別計(jì)算近地層和混合層的湍流交換,根據(jù)Prandtl數(shù)計(jì)算熱量交換系數(shù),模式中考慮了交換系數(shù)隨高度的變化。將臨界理查遜數(shù)為零的高度作為邊界層頂,使邊界層頂唯一、有效地依賴于浮力廓線。(2)近地層通量的確定MYJ方案為Mellor-Yamada的2.5階湍流閉合模型,它可以預(yù)報湍流動能,并有局地垂直混合。邊界層控制方程組采用邊界層近似,2階矩方程中僅保留湍流動能方程,即湍流動能方程的1.5階閉合方案。根據(jù)Kolmogorov湍流理論給出交換系數(shù),Km與湍流動能的平方根成正比。邊界層高度定義為湍流強(qiáng)度下降到臨界值0.001m2·s-2的高度。近地層通量計(jì)算以M-O相似理論為基礎(chǔ),采用Beljaars的修正形式,在地面動能表達(dá)式中按一定比例增加了地面浮力通量,即:|U|2=u2+v2+(βw?)2,|U|2=u2+v2+(βw*)2,從而使摩擦速度在自由對流和風(fēng)速較小的情況都不為零。由于Mellor-Yamada2.5階模型具有概念清晰、滿足精度要求和節(jié)省計(jì)算時間等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用,但由于考慮的物理過程比較復(fù)雜,當(dāng)不能滿足其假設(shè)條件時,模擬結(jié)果有一定偏差。(3)acm1方案ACM2是ACM1(AsymmetricConvectiveModel)的改進(jìn)方案。ACM1是由Blackadar對流模式改進(jìn)而來,由浮力熱泡作用引起向上的湍流輸送,從模式最底層直接傳遞到其它層,而向下的湍流輸送則由于補(bǔ)償下沉作用而逐層傳遞。ACM2在ACM1方案的向上輸送過程中增加了局地輸送部分,它可以模擬由浮力作用引起的氣塊向上輸送,也可以模擬局地湍流交換。邊界層內(nèi)部的湍渦交換速率分別采用相似理論和局地湍渦交換公式計(jì)算,不穩(wěn)定條件下的交換系數(shù)取兩者的大值。采用理查遜數(shù)方法計(jì)算邊界層高度,不穩(wěn)定條件下的邊界層高度考慮了夾卷層的熱力穿透和風(fēng)切變。3最大pbl參數(shù)化方案在地面站的模擬分析為了檢驗(yàn)不同PBL參數(shù)化方案對蘭州地區(qū)地面氣象場的模擬效果,更好地反映復(fù)雜下墊面不同地點(diǎn)的地面氣象要素特征,利用2005年1月25日00:00～28日00:00期間蘭州市地面自動站觀測資料及西固二水廠的加強(qiáng)觀測資料,將不同PBL參數(shù)化方案模擬結(jié)果進(jìn)行了對比分析,以檢驗(yàn)WRF模式中YSU,MYJ和ACM23種不同邊界層參數(shù)化方案的模擬效果。3.1邊界層參數(shù)化方案的對比圖2a和b是WRF不同邊界層參數(shù)化方案模擬的西固二水廠和蘭州市自動站的地面溫度與觀測資料的日變化對比圖。由圖中可以看出,雖然3種方案均模擬出了溫度的日變化基本特征,但由于對湍流混合過程的處理不同,即使采用相同的陸面參數(shù),地表湍流輸送的差異使得3種邊界層參數(shù)化方案模擬的地面溫度存在差異,地面溫度的模擬對邊界層參數(shù)化方案較為敏感。由圖2還可見,3種邊界層參數(shù)化方案模擬的白天地面溫度與觀測值比較接近,夜間則普遍偏低,偏差最大可達(dá)4℃,模式給出的夜間輻射冷卻效應(yīng)偏強(qiáng)是其中原因之一。不同參數(shù)化方案模擬的西固二水廠和蘭州站的地面溫度與觀測值的誤差統(tǒng)計(jì)分析表明(表2),局地閉合的MYJ方案模擬的地面溫度均優(yōu)于非局地閉合的YSU和ACM2方案,主要原因是冬季邊界層多處于穩(wěn)定狀態(tài),特別是受山谷地形影響,逆溫強(qiáng),近地層湍流沒有充分發(fā)展,物質(zhì)和能量的輸送以局地為主。西固二水廠(圖3a)和蘭州站(圖3b)模擬和觀測的地面溫度散點(diǎn)圖表明,MYJ方案在2個觀測站的相關(guān)系數(shù)分別為0.965和0.943,均高于YSU和ACM2方案。3.2邊界層參數(shù)化方案對比低空風(fēng)速隨高度的變化比較復(fù)雜,不同邊界層參數(shù)化方案模擬的地面風(fēng)速與觀測值的對比如圖4所示。由圖可見,3種邊界層參數(shù)化方案,地面風(fēng)速的模擬值均大于觀測值,其中一個主要原因是模式?jīng)]有考慮建筑物對風(fēng)速的影響。相關(guān)分析表明,ACM2方案的模擬效果最好,MYJ方案次之,YSU方案最差。4垂直地平線氣象重要素模擬4.1不同邊界層參數(shù)化方案對比從系留探空位溫廓線可知,02:00大氣處于穩(wěn)定層結(jié),14:00為近中性層結(jié)。隨著高度的增加,不同邊界層參數(shù)化方案模擬位溫的差異逐漸減小,到距地面約2km,3種參數(shù)方案模擬的位溫基本一致。圖5a為3種邊界層參數(shù)化方案模擬的1月25～28日02:00平均位溫廓線,可以看出,3種參數(shù)化方案模擬的夜間位溫廓線分布基本一致,位溫隨高度增加而增加;與觀測值比較可知,在400m以下各參數(shù)化方案的模擬值均高于觀測值,500m以上則反之。圖5b為2005年1月25～28日14:00平均位溫的模擬與觀測值比較。由圖可見,在邊界層低層(200m以下)和上部(400m以上)3種參數(shù)化方案模擬的白天位溫廓線形式比較一致,在200～400m之間YSU和ACM2方案模擬的位溫廓線比較接近,呈近中性層結(jié),而MYJ模擬的表現(xiàn)為穩(wěn)定層結(jié)。主要原因是3種參數(shù)化方案對不穩(wěn)定層結(jié)的湍流交換參數(shù)化差異大于穩(wěn)定層結(jié),不穩(wěn)定層結(jié)下非局地閉合方案湍流交換較局地閉合方案的偏強(qiáng)。與觀測值對比可知,在400m以下各參數(shù)化方案模擬的位溫低于觀測值,400m以上則反之。從位溫廓線形式來看,非局地閉合方案(YSU和ACM2)白天的模擬效果優(yōu)于局地閉合方案(MYJ),主要原因是非局地方案考慮了由地面熱通量引起的次網(wǎng)格湍流混合作用,加強(qiáng)了整層邊界層湍流混合過程,使模擬位溫分布更接近實(shí)測;而局地閉合的MYJ方案僅考慮模式垂直高度相鄰層之間的湍流交換,湍流交換強(qiáng)度和速率較弱,模擬的垂直位溫梯度大于非局地方案。從2005年1月25～28日3種邊界層參數(shù)化方案在距離地面的各個高度層位溫模擬值與觀測值的均方根誤差統(tǒng)計(jì)來看(表3),300m以下ACM2的均方根誤差最小,300m以上MYJ的均方根誤差最小。其可能的一個原因是3種參數(shù)化方案局地閉合或非局地閉合的差異,由于復(fù)雜地形、非均勻下墊面的影響,造成在低層大氣機(jī)械湍流和熱力湍流(特別是日間熱力湍流)在水平和垂直方向差別較大,湍流交換較強(qiáng),在此情形下,同時考慮局地閉合和非局地閉合的ACM2方案具有相對較強(qiáng)的描述低層大氣湍流交換的能力;而在邊界層上部,受地面影響較小,湍流交換隨高度減弱,局地閉合方案可較好地描述大氣湍流對溫度的影響。4.2風(fēng)廓線對比分析由觀測的風(fēng)廓線可知,近地層風(fēng)垂直分布呈現(xiàn)隨機(jī)性特征,其主要受復(fù)雜地形、下墊面及湍流影響。同時,3種邊界層參數(shù)化方案模擬的風(fēng)廓線差別較大,也反映了各參數(shù)化方案采用的閉合方法和對湍流交換處理方法的不同,導(dǎo)致模擬的風(fēng)廓線存在差異。不同邊界層參數(shù)化方案模擬的2005年1月25～28日02:00和14:00平均風(fēng)廓線如圖6所示。由圖6a可見,夜間非局地閉合方案(YSU和ACM2)模擬的風(fēng)廓線形式相似,與觀測的風(fēng)向風(fēng)速值都比較接近;400m以上,3種方案模擬的風(fēng)廓線差異較大,模擬的風(fēng)速值大于觀測值。白天(圖6b),不同參數(shù)化方案模擬的風(fēng)廓線在500m以下差異較大,且與觀測相比各參數(shù)化方案的模擬風(fēng)速值偏高,風(fēng)向偏差較大。5地面大氣邊界層參數(shù)化方案圖7和圖8分別為3種邊界層參數(shù)化方案模擬的2005年1月25～28日02:00和14:00地面溫度場和風(fēng)場分布。3種參數(shù)化方案模擬的溫度場空間分布特征基本一致,蘭州城區(qū)溫度高于周邊,表現(xiàn)出明顯的城市熱島效應(yīng)。各參數(shù)化方案模擬的夜間溫度(圖7)在蘭州西部盆地下坡氣流輻合交匯處存在冷中心,白天溫度(圖8)在蘭州東\,西部氣流輻散處均存在冷中心。MYJ方案采用局地閉合方法,與其它2種非局地閉合方案(ACM2和YSU)相比,湍流交換能力較弱,受地面影響不如其它2種非局地閉合方案強(qiáng)烈,地面大氣在夜間降溫幅度和白天增溫幅度低于其它2種非局地閉合方案,導(dǎo)致MYJ方案模擬的夜間地面溫度高于其它兩個非局地閉合方案,白天則低于其它2種非局地閉合方案。3種參數(shù)化方案模擬的地面溫度場結(jié)果也表明,受太陽輻射影響,中午大氣向不穩(wěn)定層結(jié)發(fā)展,湍流混合加劇,因此溫度場的分布表現(xiàn)更為均勻。3種參數(shù)化方案模擬的夜間和白天地面流場形勢基本一致,河谷中心風(fēng)速較小。02:00(見圖7),模擬的地面風(fēng)場在蘭州城區(qū)東、西部盆地各有一個輻合中心。其東部盆地輻合中心主要由東部進(jìn)入城區(qū)的偏東氣流和南北兩山的下沉氣流交匯形成,西部輻合中心則主要由西北氣流和南北兩山的下沉氣流所致,南北兩坡表現(xiàn)為弱的下坡風(fēng);14:00(見圖8),3種邊界層參數(shù)化方案模擬的蘭州城區(qū)風(fēng)場幾乎為偏東氣流所覆蓋,南坡的爬坡氣流明顯強(qiáng)于北坡。河谷山地復(fù)雜地形和下墊面特征導(dǎo)致蘭州市區(qū)大氣斜壓性明顯,溫度場和風(fēng)場復(fù)雜。夜間,受輻射冷卻和城市熱島效應(yīng)的影響,南北兩山上空地面大氣溫度比較低,沿山坡