弱天气尺度强迫下江淮流域一次飑线的数值模拟及资料同化

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飑线常伴有雷暴大风、短时强降水、冰雹等,易造成人员伤亡和财产损失,因此,飑线一直是中尺度对流系统研究的重点。本文针对2016年7月26日发生在江苏北部的弱天气尺度强迫下一次飑线过程,开展不同云微物理和边界层参数化方案以及雷达资料同化对飑线模拟影响的研究。首先,分别选用WRF(Weather Research and Forecasting)模式中具有一定代表性的5种云微物理参数化方案和5种边界层参数化方案进行数值模拟,然后利用模拟结果诊断分析不同参数化方案模拟差异的原因。然后,利用WRF-3DVar同化系统进行敏感性试验,得出最优水平尺度参数、方差调节参数和同化时间间隔,以此分析同化雷达观测对此次飑线模拟的影响,并通过分析雷达组合反射率、动力场、水汽场和温度场探究改进的原因。云微物理参数化方案试验表明:不同云微物理参数化方案对此次飑线过程的模拟差别很大,只有NSSL 1-momlfo方案能够较好的再现回波的位置、强度及层云区,其余四种方案模拟的回波均与实况存在不同程度的差异。NSSL方案模拟的上升气流更强劲,冷池范围更集中;水成物集中在一个狭窄的水平区域,中低层以雨水为主,中高层以雪粒子和霰粒子为主,与此相应,NSSL方案释放的相变潜热最多,又进一步加强了上升运动。边界层参数化方案试验表明:GBM方案、UW方案及YSU方案都能较好地再现回波强度及层云区特征,其中GBM方案模拟的虚假回波最少且回波位置及垂直结构最接近实况,其余四种方案模拟的雷达回波与实况存在不同程度的差异。GBM方案为飑线提供了充足的水汽和不稳定能量,强劲上升气流及低层不稳定层结相配合向上输送大量的水汽和能量,同时低层辐合和高层辐散维持上升气流的发展。同化试验表明:此次飑线对水平尺度参数(len scaling)较敏感,当水平尺度参数为0.3,方差调节参数(var scaling)为0.6时预报效果最好。在1 h循环同化时间窗里,30 min同化一次的模式预报结果要优于20 min、10 min的。同化直接改进分析场中不同高度上风场,间接影响低层正涡度、辐合及高层辐散,进而促进气旋式环流和上升气流发展,同时还改进飑线发生区域不同高度上的水成物混合比,加大了飑线前沿的温度梯度。进一步对预报场的分析发现,同化改进了中低层风场、水汽场及温度场的预报,进而间接改进中低层气旋式环流和垂直上升运动及冷池的预报,最终改进飑线的预报。总之,云微物理参数化方案、边界层参数化方案以及雷达资料同化均能影响此次飑线模拟,其中云微物理参数化方案对模拟效果的影响最显著,其次是雷达资料同化的影响,最后为边界层参数化方案的影响。
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