WRF模式對青海東部地區暴雨過程的數值模擬

摘要運用WRFV3.3模式通過設定模擬區域、兩重嵌套網格以及針對各種物理過程選用參數化方案等，對青海東部地區2007年8月26～27日發生過的一次大暴雨天氣過程進行數值模擬研究，并與實測資料進行對比分析，對WRFV3.3模式在青海地區的模擬效果進行評估。結果表明，從降水量的模擬結果來看，模式對于微物理過程和積云參數化方案敏感，對陸面過程、長波輻射、短波輻射、近地面層和邊界層方案不敏感；對2007年8月26日青海東部地區暴雨過程的模擬結果進行評估，西寧、化隆、尖扎、清水河、黃南各站的12 h降水量平均誤差分別為-86.5、-75.5、-71.0、-14.0、-100.5 mm；降水落區面積偏大；積分時間為0～12、12～24、 24～36、36～48 h的模擬值和觀測值相關系數分別為0.66、0.57、0.60、0.51，平均相關系數0.58。

關鍵詞WRF；青海東部地區；暴雨；數值模擬

中圖分類號S161；P422文獻標識碼A文章編號0517-6611（2014）21-07133-03

Numerical Simulation of Rainstorm in Eastern Qinghai by WRF

ZHANG Haihong et al （Qinghai Institute of Meteorological Science， Xining， Qinghai 810001）

AbstractUsing WRFV3.3 to set area with 2 nested grids and choosing all kinds of parameterized methods， a rainstorm during Aug 26-27， 2007 in eastern Qinghai was simulated and analyzed with observed data and the effect of WRFV3.3 used in Qinghai was estimated. The results show that WRFV3.3 was sensitive with microphysics process and cumulus parameterization but not sensitive with land surface process， longwave radiation， shortwave radiation， ground layer and boundary layer parameterization based on precipitation. The average errors of 12 hours precipitation in Xining， Hualong， Jianzha， Qingshuihe and Huangnan were -86.5， -75.5， -71.0， -14.0， -100.5 mm. The precipitation area was vaster. The correlation coefficients of 0-12， 12-24， 24-36， 36-48 are 0.66， 0.57， 0.60， 0.51 and average correlation coefficient was 0.58.

Key words WRF； Eastern Qinghai； Rainstorm； Numerical simulation

基金項目國家科技支撐計劃子課題（2012BAC09B05）。

作者簡介張海宏（1984-），男，青海西寧人，助理級工程師，碩士，從事青藏高原地區大氣數值模擬研究。

收稿日期20140623數值模式目前已成為研究大氣運動過程的一種重要工具。當前國內利用數值模式進行的研究主要針對各種典型天氣過程的模擬和分析[1-4]、空氣污染物擴散方面的應用[5-8]以及對城市邊界層效應的模擬和研究[9-11]。青藏高原位于歐亞大陸的中南部，平均海拔高達4 000 m以上。高原在地勢上的巨大隆起產生的動力及熱力作用不僅在很大程度上控制著青藏高原及鄰近地區的天氣氣候，且高原地區大范圍的熱力異常及地氣物理過程對全球氣候異常與東亞大氣環流及中國災害性天氣的發生、發展均有重大的影響[12-13]。2007年8月26～27日，青海東部地區發生了一次較大規模的降水過程，西寧、化隆、尖扎、清水河、黃南有不同程度的中到大雨發生，部分地區24 h降雨量超過40 mm，此次降雨過程伴隨著高原低渦的東移，來自孟加拉灣的濕潤氣流和祁連山北麓的干冷氣流在青海東部地區上空相遇，形成了一次較大規模的降水。筆者采用Advanced Research WRFV3.3模式對此次暴雨過程進行數值模擬研究。

1資料與方法

1.1WRF模式簡介WRF（Weather Research and Forecasting Model）是目前國際上較為先進的中尺度數值天氣預報模式，由美國國家大氣研究中心（NCAR）、國家環境預報中心（NCEP）聯合其他幾所大學和科研機構，在整合了過去的各種模式的基礎上開發，為完全可壓縮非靜力模式，水平方向采用Arakawa C網格點，垂直方向采用地形跟隨質量坐標，積分計算時采用三階或四階Runge-Kunta算法。其主要原理為根據大氣運動所遵循的物理規律構建大氣運動基本方程組，將各個偏微分方程差分化后利用計算機程序去實現，在給定了初始條件、邊界條件的情況下，可以積分計算出各物理量（風速，氣壓，溫度，濕度等）在各時次的數值解，從而預報出未來時刻的大氣狀態。

1.2 數值試驗設計筆者將WRFV3.3模式用于青海省數值天氣預報領域，通過設定模擬區域、兩重嵌套網格對青海東部地區2007年8月26日發生過的一次大暴雨天氣過程進行數值模擬研究。外層區域的范圍包括了整個青藏高原地區，范圍3 030 km×1 530 km，網格設置為102×52，網格間距30 km；內層區域的范圍包括了青海省地區，范圍1 200 km×720 km，網格設置為121×73，網格間距10 km（圖1）。初始場采用美國國家環境預報中心1°×1° NCEP再分析資料，模擬起訖時間為2007年8月25日12：00～28日12：00，在對2007年8月26日青海東部地區暴雨過程進行了數圖1 模擬區域的范圍值模擬的過程中，針對各種物理過程的參數化方案等分別選取微物理過程Lin（水汽、雨、雪、云水、冰雹）方案、陸面過程熱量擴散方案、長波輻射rrtm方案、短波輻射Dudhia方案、近地面層MYJ Monin-Obukhov方案、邊界層TKE湍流動能方案、積云參數化Betts-Miller-Janjic方案。

2結果與分析

2.1 天氣系統的模擬從2007年8月26～27日青藏高原上空500 hPa溫度場、高度場和風場的演變情況（圖2）可以看出，2007年8月26日上午青藏高原西部地區有一個低渦逐步發展變化并向東移動，自西藏中部逐漸移動至青海南部，27日上午移至四川西部，在高原低渦東移的過程中，來自孟加拉灣的濕潤水汽和來自祁連山區北麓的干冷氣流相遇，在青海東部地區形成了降水有利條件。注：a～j依次為25日12：00、18：00、26日00：00、06：00、12：00、18：00、27日00：00、06：00、12：00、18：00。比分析，對WRFV3.3模式在青海地區的模擬效果進行評估。結果表明，從降水量的模擬結果來看，模式對于微物理過程和積云參數化方案敏感，對陸面過程、長波輻射、短波輻射、近地面層和邊界層方案不敏感；從WRFV3.3模式對青海東部地區2007年8月26～27日大暴雨天氣過程的模擬效果來看，西寧、化隆、尖扎、清水河、黃南各站的12 h降水量平均誤差分別為-86.5、-75.5、-71.0、-14.0、-100.5 mm，模式輸出的降雨量場降水落區面積偏大；積分時間為0～12、12～24、24～36、36～48 h的模擬值和觀測值相關系數分別為0.66、0.57、0.60、0.51，各時次平均相關系數0.58。

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圖22007年8月25～27日500 hPa風場、溫度場、高度場2.2降雨量的模擬從2007年8月26～27日青海省地區地面降雨量場的演變情況（圖3）可以看出，26日上午青海省東北部地區祁連山區逐步出現降雨，此后降雨范圍逐步擴大，青海湖流域、海北、海東和海南各地均有降水出現；26日下午降雨范圍達到最大，青海湖流域和海南6 h累積降雨量達35 mm；26日晚間降雨量范圍有所擴大，降雨強度逐漸降低；27日上午降雨范圍縮小，降雨強度降低，下午降雨范圍再次擴大，降雨量最大地區出現在海南。

對青海東部地區2007年8月26～27日大暴雨天氣過程運用WRFV3.3的模擬效果進行評估，分析了12 h降水量模擬結果誤差及平均誤差，結果發現（表1），西寧、化隆、尖扎、清水河、黃南各站的12 h降水量平均誤差分別為-86.5、-75.5、-71.0、-14.0、-100.5 mm，模式輸出的降雨量場降水落區面積偏大；積分時間為0～12、12～24、24～36、36～48 h的模擬值和觀測值相關系數分別為0.66、0.57、0.60、051，各時次平均相關系數0.58。

42卷21期張海宏等WRF模式對青海東部地區暴雨過程的數值模擬3結論與討論

將WRFV3.3模式用于青海省數值天氣預報領域，通過設定模擬區域、兩重嵌套網格以及針對各種物理過程選用參數化方案等，對青海東部地區2007年8月26日發生過的一次大暴雨天氣過程進行數值模擬研究，并與實測資料進行對