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《第28届中国气象学会年会——S9大气物理学与大气环境》2011年
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WRF模拟SACOL夏季边界层结构及不同边界层方案的对比

王腾蛟  张镭  赵世强  王瑾  
【摘要】:本文利用WRF中尺度数值模式中四种不同的边界层参数化方案(YSU,MYJ,QNSE和ACM2),模拟了2009年7月27日-29日兰州大学半干旱气候与环境观测站(SACOL)的近地层气象要素日变化规律,近地层风温场的水平分布以及边界层内风温廓线的垂直变化,并与同期SACOL站实测资料进行对比。具体地,四种边界层方案可以分为两类:YSU和ACM2方案是一阶闭合方案,扩散方程中除了局地扩散项外,还考虑了对流大尺度湍涡导致的非局地混合作用以及边界层顶的夹卷过程;MYJ和QNSE方案是TKE闭合方案,只考虑了局地混合作用。结果表明:(1)从近地层热力学变量(2m温度,感热通量和潜热通量)的模拟来看,四种边界层参数化方案模拟值在白天相互分离,并与实测值有一定差距;夜间,模拟值向实测值汇聚,相互差异减小。从近地层动力学变量(摩擦速度和10m风速)的模拟来看,与实测值的符合程度远不如近地层热力学变量,不论白天还是夜间,模拟值都距离实测值有一定差距。分析模拟的相对湿度可知,四种边界层方案都高估了SACOL站的水汽含量,与实测值相差50%(最大时)。可见,WRF模式对半干旱地区近地层大气水汽含量的模拟是不合理的,这很可能是模式对中国西北地区下垫面(比如:植被覆盖率、土壤含水量等)描述失真导致的结果。从边界层高度的模拟来看,四种方案模拟值各自分离,且相距较大,这印证了各方案中对边界层得计算方法各不相同。总体来看,没有一种边界层方案能很好的模拟出近地层气象要素的日变化规律。相比较而言,加入了非局地混合作用以及边界层顶夹卷作用的YSU方案对对流边界层的模拟更优,而MYJ局地闭合方案则对稳定边界层的模拟更优。总体来看,YSU方案能更好地模拟出夏季SACOL近地层气象要素的变化规律;WRF模式对温度的模拟最好,相关系数达到了0.95左右,对风速的模拟最差,相关系数只有0.75左右,这与风场本身的随机多变性有很大的关系。(2)四种参数化方案模拟的温度场水平分布特征基本一致:温度场的分布和地形分布基本吻合,西南角地势较高处温度较低,形成一个冷中心,而西北—东南向谷地则温度较高。加入了非局地闭合项的YSU方案模拟的夜间温度较高,白天温度较低,但高温区范围较大,且分布更均匀。模式模拟出SACOL的地面流场主导风向为东南风。由于SACOL站附近地形特殊,昼夜交替有明显的山谷风变化特点。(3)从模拟的边界层风、温垂直变化来看,考虑了非局地混合作用以及边界层顶夹卷作用的YSU方案和ACM2方案模拟出了对流边界层中混合层的弱稳定性特征。

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