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MM5模式对北方暴雨的模拟误差分析及模式凝结加热对模拟结果的影响探讨

王建捷  
【摘要】:本文对96.8华北特大暴雨在20km分辨率、4种不同对流参数化方案(KUO方案、GRELL方案、KAIN—FRITSCH方案和BETTS—MILLER方案)条件下的模拟结果,进行了与常规探空观测的误差分析。同时考察了4种方案模拟试验中暴雨区网格尺度(显式方案)和次网格尺度(对流参数化方案)凝结加热的水平、垂直分布特征及与暴雨区环境场动力、热力变量分布特征的联系;利用PV反演方法,定量诊断比较了不同对流参数化方案试验中,凝结加热导致的风场和高度场的扰动强度和分布特征,探讨了凝结加热对暴雨中尺度影响系统模拟结果的影响。得到以下初步结论: (1)对观测的误差分析表明,4种对流参数化方案试验得到的基本气象要素模拟值相对观测的均方根误差表现为高层明显大于低层;在300hPa以下,K-F方案的模拟误差相对最小,KU方案的模拟误差相对最大。4种方案试验在对流层高层的误差对方案选择的不敏感性,表明模式大气高层的明显模拟误差主要不是来源于对流参数化方案的影响。(2)对流参数化方案差别引起的暴雨区环境场气象要素模拟偏差(均方根偏差)总体上是随积分时间而加大的,温度偏差随积分时间增长在对流层低层较快,高层次之,而风速偏差随积分时间的增长在对流层中层较快;风速偏差在对流层中层较大,而温度偏差在对流层低层最明显。(3)气柱累积平均的加热率水平分布显示,4个试验给出的加热总覆盖范围的差别不大,但加热大值区的位置和量值的差别比较清楚,除KU方案试验表现出次网格尺度加热范围和强度显著大于网格尺度加热以外,其他3个试验中的网格尺度加热的范围和强度均大于次网格尺度加热的范围和强度。在暴雨时段内4种方案对流加热率随时间变化不大,但KU方案加热率始终保持比其他3方案强3~4倍;显式方案加热率随积分时间则有清楚的变化,KU方案试验中的显式方案加热率始终小于其他3个试验。总凝结加热的演变趋势与降水强度的变化趋势是比较一致的。(4)从网格尺度与次网格尺度气柱累积加热的配置来看,K-F和GR方案试验中,次网格尺度加热发生于低层对流不稳定环境,网格尺度加热则出现在对流中性环境下,其中K-F方案的对流加热呈现出与网格尺度加热的平缓过渡与叠至;KU和BM方案试验中,网格尺度加热嵌于对流加热区,两种加热过程基本上都是发生在弱对流不稳定—对流中性的环境。相比之下,K-F方案试验中的网格与次网格尺度加热的配置在物理意义上似乎更合理,比较接近温带/中纬度对流发生时的观测特征,而KU和BM方案可能对于描述温带/中纬度中尺度深对流是不具优势的。(5)凝结加热是暴雨区中尺度结构发生和演变的贡献者和影响者,凝结加热与正位涡、正涡柱、水汽辐合区的位置和分布特征是密切关联的;在不同积分时刻,由PV反演得到的风场和高度场的扰动范围和强度与当时总凝结加热的多寡有明显对应关系,即加热强、扰动也强,反之亦然;凝结加热产生的附加环流对96.8暴雨影响系统——低层暖式风切变有加强作用。分析认为,在中尺度模拟研究中,仅有大尺度环流特征和降水的总体分布(如24h累积降水量分布)与实况的吻合还不足以反映中尺度特征和演变的模拟就具有合理性,中尺度模拟结果细化特征的验证、特别是降水随时间演变特征合理性的验证是非常重要的。

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