診斷方程在研究大氣過程中的應(yīng)用

摘 要：利用WRF模式研究影響極端天氣的物理過程受到越來越多的關(guān)注，大多數(shù)研究主要從大氣環(huán)流特征或理論成因定性地進(jìn)行機(jī)理分析，而該文指出診斷方程為研究大氣物理過程提供了一種新的思路，其能夠利用模擬結(jié)果計(jì)算出對(duì)氣象要素具有顯著影響但不能直接計(jì)算得到的物理過程，如包含輻射、湍流交換的非絕熱作作用，因此由診斷方程能定量地分析影響氣象要素變化的各物理過程的相對(duì)重要性和影響結(jié)果，且能更加深層次地進(jìn)行機(jī)理分析。

關(guān)鍵詞：WRF模式 物理過程 診斷方程 高溫天氣 定量分析

中圖分類號(hào)：P426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）10（b）-0167-02

近幾十年來，在全球氣候變暖的背景下，各類極端事件頻發(fā)，如高溫天氣、短時(shí)強(qiáng)降水等。這些極端事件不止給人類生產(chǎn)、生活帶來極大的不便，甚至影響到財(cái)產(chǎn)、人身安全以及國民經(jīng)濟(jì)，因此極端事件的研究對(duì)于有效地避免其帶來的損害是十分必要的。

大氣模式為描寫大氣運(yùn)動(dòng)而建立的基本方程組，其能較為接近地反映出大氣運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)，因此利用模式模擬結(jié)果有助于更好地了解極端事件。由于中尺度WRF模式較其他模式在中國地區(qū)有更好的模擬能力[1]，因此受到廣泛地應(yīng)用，其中大多利用中尺度WRF模式揭示影響大氣的物理過程，但分析角度大多相似。本文目的在于介紹利用診斷方程研究影響大氣物理過程。

1 模式簡介

WRF模式是由美國國家大氣研究中心（NCAR）和美國國家環(huán)境預(yù)測中心（NCEP）等多個(gè)部門共同開發(fā)出的新一代中尺度模式[2]，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種研究與業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)中，除極具特色的數(shù)值化動(dòng)力框架外，WRF模式包含許多先進(jìn)的物理參數(shù)化方案，如微物理、輻射（長波和短波）、云以及與邊界層相關(guān)的地表層、行星邊界層、陸面過程[3]。因此利用WRF模式能很好地模擬出代表中尺度天氣系統(tǒng)的風(fēng)場、溫度場、高度場、氣壓場、水汽通量場和散度場等物理量，并能較為精確地揭示出大氣中氣象要素的變化。然而，對(duì)大氣變化過程起到重要影響作用的一些物理量在模式中不能模擬出來，如湍流、非絕熱作用[4]。

2 診斷方程

許多學(xué)者對(duì)于極端天氣的研究主要從大氣環(huán)流特征及理論成因出發(fā)，研究極端事件形成和維持的原因。曾新民等[5，6]利用WRF模式模擬一次降水過程，得到通過影響地表蒸發(fā)量、低層環(huán)流以及水汽輻合，從而影響較大范圍降水及降水中心的較小范圍暴雨；同時(shí)，通過對(duì)短期高溫天氣的研究指出地表感熱通量對(duì)地面氣溫有較大的影響。尤紅[7]等利用WRF模擬滇中大暴雨得到最大CAPE分布特征能較好地預(yù)示出強(qiáng)降水和強(qiáng)對(duì)流的發(fā)生、發(fā)展和移向。蒙偉光[8]等利用耦合城市冠層的WRF模式對(duì)廣州高溫天氣進(jìn)行模擬，表明無論是在以吸收短波輻射且缺少水汽蒸發(fā)蒸騰的白天還是在能量來自土壤熱通量的向上輸送且潛熱通量小的夜晚均表現(xiàn)為以感熱形式加熱大氣，并且夜間城區(qū)表現(xiàn)較高的最低氣溫及較強(qiáng)的熱島特征均與感熱加熱的持續(xù)時(shí)間有關(guān)。何由等[9]利用WRF模式模擬青藏高原的一次強(qiáng)降水得出強(qiáng)的對(duì)流作用和低層水汽輻合對(duì)降水的形成有較大的作用。從上述研究結(jié)論可以看出大多研究側(cè)重從大氣環(huán)流特征及理論成因出發(fā)，且定性分析影響極端天氣的主要因素，不能定量地反映出各物理過程對(duì)氣象要素的影響大小。

2.1 診斷方程的建立

Zeng[10，11]等研究高溫天氣的物理過程時(shí)，利用熱力學(xué)第一定律得出氣溫隨時(shí)間變化

其中，V為水平風(fēng)矢量，w為垂直速度，和分別為干絕熱過程氣溫直減率和氣層溫度直減率，為非絕熱加熱項(xiàng)。因此影響溫度變化的物理過程有：，即暖（冷）平流引起局地氣溫升高（下降）；，即垂直運(yùn)動(dòng)引起的局地溫度變化；非絕熱加熱項(xiàng)，包括輻射、湍流交換、凝結(jié)過程等的影響。

2.2 診斷方程的應(yīng)用

由于模式輸出的物理量不能直接求得，而診斷方程其余的各項(xiàng)都可由模式輸出結(jié)果計(jì)算得到。因此，非絕熱加熱作用可以根據(jù)診斷方程由其余三項(xiàng)求得，這使得不能直接計(jì)算得到的非絕熱加熱作用對(duì)氣溫變化的影響（之前的研究沒有得到過）可以直接得到。總的來講，由模擬結(jié)果可以定量得到影響氣溫變化三個(gè)因素（溫度平流、絕熱對(duì)流以及非絕熱加熱）的大小，其有助于研究影響氣溫變化的物理過程。

Zeng et al （2014）利用該診斷方程得到湍流輸送的非絕熱過程對(duì)氣溫變化的影響最大，絕熱對(duì)流作用次之，溫度平流影響很小（影響小4～5個(gè)量級(jí)），可以忽略（盡管溫度平流對(duì)單站氣溫的影響相對(duì)較大）；湍流輸送的非絕熱過程在白天使得近地層升溫，夜間使得近地層降溫；而絕熱對(duì)流作用無論是白天還是夜間都使得近地層升溫、且夜間升溫幅度接近于非絕熱過程降溫幅度；此外，絕熱對(duì)流對(duì)氣溫的影響基本不受濕度變化的影響，而非絕熱對(duì)氣溫變化的影響受濕度變化的影響較大，且地面越干燥，其使得地面溫度越高。Zeng et al.（2014）對(duì)比不同陸面方案模擬的w和γ，從而表明在高溫天氣條件下，陸面方案模擬氣溫的缺陷在于不切實(shí)際地弱的絕熱加熱作用以及強(qiáng)烈的非絕熱加熱作用。

3 結(jié)語

大多研究對(duì)于極端天氣如高溫天氣的研究主要從感熱、潛熱、垂直運(yùn)動(dòng)的增暖或冷卻效應(yīng)出發(fā)[12]，即使由溫度的變化方程出發(fā)，但都未能準(zhǔn)確詳細(xì)地分析出影響溫度變化的物理過程[13]。然而，利用診斷方程分析模式模擬結(jié)果則能夠定量地分析出影響氣溫變化的各物理過程的相對(duì)大小，且能夠進(jìn)一步對(duì)影響機(jī)理進(jìn)行解釋。因此，診斷方程為研究大氣物理過程提供一種新的思路。上述診斷方程是針對(duì)氣溫而言，而如風(fēng)速、水汽等物理量的變化同樣可以由診斷方程表達(dá)，因此未來可以利用診斷方程來研究影響降水、風(fēng)速等的大氣物理過程。

參考文獻(xiàn)

[1]王曉君，馬浩.新一代中尺度預(yù)報(bào)模式（WRF）國內(nèi)應(yīng)用進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2011，26（11）：1191-1199.

[2]章國財(cái).美國WRF模式的進(jìn)展和應(yīng)用前景[J].氣象，30（12）：27-31.

[3]Carvalho，D.，Rocha，A.，Gómez-Gesteira， M.，Santos，C.A sensitivity study of the WRF model in wind simulation for an area of high wind energy[J].Environmental Modelling Software，2012，33，23-34.

[4]Wang，W.，Bruy?re，C.，Duda，M.，Dudhia，J.ARW Version 3 Modeling System User’s Guide[M].National Center for Atmospheric Research，2004

[5]曾新民，吳志皇，宋帥，等.WRF模式不同陸面方案對(duì)一次暴雨事件模擬的影響[J].地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（1）：16-28.

[6]曾新民，吳志皇，熊仕焱，等.WRF模式短期高溫天氣模擬對(duì)陸面方案的敏感性[J].中國科學(xué)：地球科學(xué)，2011，41（9）：1375-1384.

[7]尤紅，肖子牛，王曼，等.2008年“7.02”滇中大暴雨的成因診斷與數(shù)值模擬[J].氣象，2010，36（1）：7-16.

[8]蒙偉光，張艷霞，李江南，等.WRF/UCM在廣州高溫天氣及城市熱島模擬研究中的應(yīng)用[J].熱帶氣象學(xué)報(bào)，2010，26（3）：273-282.

[9]何由，陽坤，姚檀棟，等.基于WRF模式對(duì)青藏高原一次強(qiáng)降水的模擬[J].高原氣象，2012，31（5）：1183-1191.

[10]Zeng，X.M.，Wang，B.，Zhang，Y.，Song，S.， Huang，X.，Zheng，Y.，Chen，C.， Wang，G. Sensitivity of high-temperature weather to initial soil moisture：a case study using the WRF model[J].Atmospheric Chemistry and Physics，2014，14：9623-9639.

[11]Zeng，X.M.，Wang，N.，Wang，Y.，Zheng，Y.Q.， Zhou，Z.G.，Wang，G.L.，Chen，C.H.， Liu，H.Q.WRF-simulated sensitivity to land surface schemes in short and medium ranges for a high-temperature event in East China：A comparative study[J]，Journal of Advances in Modeling Earth Systems，2015.

[12]王秋云，嚴(yán)明良，包云軒，等.基于不同陸面參數(shù)化方案的高溫天氣數(shù)值模擬[J].氣象科技，2011，39（5）：537-544.

[13]包云軒，王秋云，嚴(yán)明良，等.復(fù)雜環(huán)境背景下高溫天氣過程的數(shù)值模擬和成因分析[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào)，2010，33（6）：647-656.