1、第 41 卷 第 1 期2023 年 2 月Vol.41 No.1February，2023干旱气象Journal of Arid Meteorology不同边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段暴雨模拟的影响试验邢蕊1，2，杨健博1，3，田梦1，3，邱晓滨1，3，庄庭4，朱晓晶2（1.天津市海洋气象重点实验室，天津 300074；2.天津市滨海新区气象局，天津 300457；3.天津市气象科学研究所，天津 300074；4.天津市气象探测中心，天津 300061）摘要：边界层参数化方案是造成数值模式预报误差的重要来源之一，筛选适用于环渤海地区台风暴雨模拟的边界层参数化方案，可为该地后续业务应
2、用及科研工作提供参考依据。应用WRFV4.3模式中的8种边界层参数化方案（ACM2、BouLac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU），对2021年第6号台风“烟花”北上阶段造成的暴雨过程进行数值模拟试验，对比分析不同边界层参数化方案对暴雨模拟结果的影响，并基于ERA5资料进行边界层热动力结构的模拟效果检验。结果表明：（1）各方案对台风北上阶段的降水（24 h累积降水量、累积降水极值和位置、降水ETS评分、小时最大降水量以及逐小时10.0、20.0 mm降水的落区分布）模拟结果表现出明显差异，对路径的模拟差异主要体现在模拟时段的中后期。（2）局地闭合的BouLac方案对于10.0
3、 mm以上量级24 h累积降水量的ETS评分表现最优，而非局地ACM2方案所模拟的24 h累积降水量在25.0、50.0、100.0 mm以上量级降水的ETS评分均为最优，且累积降水极值、区域平均24 h累积降水量以及小时最大降水量均值等也与ERA5资料较为接近，在环渤海地区海陆共存的下垫面背景下，ACM2方案是最适合台风“烟花”暴雨过程模拟的参数化方案。（3）与其他方案相比，ACM2方案对于边界层高度、位温和水汽混合比垂直廓线的模拟与实况最接近，这是ACM2方案对大雨以上量级预报较为准确的原因。（4）各方案模拟的700 hPa垂直速度基本决定了小时最大降水量的变化趋势以及区域平均24 h累积
4、降水量的相对大小。关键词：边界层参数化方案；北上台风；暴雨；2021年第6号台风“烟花”文章编号：1006-7639（2023）01-0091-12 DOI：10.11755/j.issn.1006-7639（2023）-01-0091中图分类号：P444 文献标志码：A引 言台风在登陆北上过程中，边界层受不同特征下垫面影响，内部的热动力过程具有不同特点，并对台风强降水产生重要影响（陈联寿等，2004；蔡义勇等，2019；陈联寿和许映龙，2017；李英和陈联寿，2005；夏丽花等，2014）。在中尺度数值模式中，边界层和陆面过程对暴雨的强度和中心位置会产生明显影响，因此对边界层和陆面过程进行改
5、进，可有效改善数值模式对暴雨的模拟（赵鸣，2008）。边界层参数化方案描述边界层复杂的水平和垂直湍流运动过程，对于台风以及其他各类天气过程的模拟具有重要影响（蔡芗宁等，2006；崔驰潇等，2018；王晨稀，2013；许鲁君等，2018；周彦均等，2019）。基于数值敏感性试验发现台风边界层通过摩擦混合、辐射、湍流效应和积云的夹卷作用等可将边界层的影响扩展至整个自由大气（邓国等，2005），并对台风路径、强度及降水的模拟产生明显影响。不同边界层参数化方案通过影响台风外围螺旋雨带造成台风尺度的变化，进而影响副热带高压的强弱，最终对台风路径造成影响（王雨邢 蕊，杨健博，田 梦，等.不同边界层参数化方
6、案对台风“烟花”北上阶段暴雨模拟的影响试验 J.干旱气象，2023，41（1）：91-102，XING Rui，YANG Jianbo，TIAN Meng，et al.Effect of different boundary layer parameterization schemes on simulation of the heavy rainfall during Typhoon In-Fa（2106）moving northward period J.Journal of Arid Meteorology，2023，41（1）：91-102，DOI：10.11755/j.issn.10
7、06-7639（2023）-01-0091收稿日期：2022-05-10；改回日期：2022-10-25基金项目：天津市海洋气象重点实验室开放基金项目（2022TKLOM05）、天津市自然科学基金项目（20JCYBJC00780）、环渤海区域科技协同创新基金项目（QYXM202112）及天津市气象局科研项目（202114zdxm01、202115dgxm04、202226dgxm05）共同资助作者简介：邢蕊（1985），女，博士，高级工程师，主要从事台风和灾害性天气高分辨率数值模拟的研究。E-mail:。通信作者：杨健博（1989），男，博士，高级工程师，主要从事大气边界层数值模拟及相关研究。
8、E-mail:。41 卷干旱气象星等，2017）；同时不同边界层参数化方案对边界层中水汽通量大小的模拟存在明显差异，而水汽供应的强弱会影响台风上层暖心结构的不同，从而导致台风强度模拟的差异（周昊等，2013）。另外，边界层中物理量的垂直输送过程和各过程间的相互作用会对台风降水产生影响，在对强降水过程进行模拟时，非局地混合方案在垂直方向上的湍流作用更强，模拟的强降水范围和强度均大于局地混合方案，预报技巧优于局地混合方案（代昕鹭等，2017）。研究表明不同地区和生命史不同阶段的台风所适用的边界层参数化方案并不相同。徐亚钦等（2017）利用WRF模式对影响浙江的9个西太平洋台风进行模拟发现，SBU-
9、YLin 微物理和 BouLac 边界层方案相对更适合模拟浙江台风，而对于南海地区2016年第21号台风“莎莉嘉”，YSU和ACM2（非局地闭合）方案明显优于QNSE和MYJ方案（局地闭合方案）（丁成慧等，2018）；对于生命史不同阶段的台风模拟而言，QNSE和ACM2方案对2012年第16号台风“SANBA”发展初期边界层过程的处理较完善（温晓培等，2016），而对于登陆减弱阶段的2016年第14号台风“莫兰蒂”，BouLac方案在台风路径和降水模拟上更优，MYJ方案则在台风强度模拟上更优（王叶红等，2020）。由于不同方案采用的计算理论不同，随着积分时间延长，不同方案表现出来的模拟差异不断
10、叠加，最终使得台风等天气系统的模拟结果出现较大偏差（Hu et al.，2010），对于特定环境下的某种天气系统，需要有针对性地开展本地化的检验及调试等工作（吴志鹏等，2021）。环渤海地区具有海陆共存的下垫面分布特征，台风北上移入环渤海区域后，存在海、陆、气间的相互作用，边界层过程较复杂，目前针对北上台风暴雨开展边界层参数化方案数值试验的研究相对较少，不同边界层方案对于北上台风暴雨过程模拟的适用性特征尚不明确。另外，近年来台风北上的频率相对较高，往往会造成暴雨及以上量级降水，选择合适的边界层参数化方案对于准确预报北上台风暴雨具有重要意义。本文拟利用中尺度数值模式 WRFv4.3对 2021年
11、第 6号台风“烟花”北上阶段暴雨过程进行8种边界层参数化方案的数值敏感性试验，并分析各试验对暴雨模拟结果的差异及产生差异的原因，筛选最适合台风“烟花”北上阶段暴雨模拟的边界层参数化方案，以期为业务预报提供参考。1资料与方法1.1资 料使用ECMWF（European Centre for Medium-Range Weather Forecasts）的 ERA5 再分析资料（水平分辨率为 0.250.25）作为模式的初始场和侧边界条件；同时将模拟的边界层热动力结构与ERA5资料进行对比。利用中央气象台实时下发的台风“烟花”路径强度资料及中国气象局CMPAS（China Meteorologic
12、al Administration Multisource Precipitation Analysis System）实况格点降水资料（水平分辨率为0.050.05）与模拟结果进行对比验证。文中附图涉及地图基于国家测绘地理信息局标准地图服务网站下载的审图号为GS（2019）3082号的标准地图制作，底图无修改；文中所有时间均为世界时。1.2模式设置中尺度数值模式为WRFv4.3，采用三重双向嵌套及追随台风中心的移动嵌套方案，模拟区域中心为（120E，37N），水平分辨率为18、6、2 km，格点数414372、226226、412412，垂直方向分42层，模式顶层气压50 hPa，主要物理过
13、程包括WSM6云微物理过程方案、Dudhia短波辐射方案、RRTM长波辐射方案、Noah陆面过程方案，并仅在最外层使用Kain-Fritsch积云对流参数化方案。边界层参数化方案及相应的地面层方案配置见表1，为尽可能减小地面层参数化方案的差异对模拟结果的影响，在各试验中尽量选择一致的地面层方案。模式积分时间为2021年7月28日18：00至30日00：00，共积分30 h，每1 h输出一次结果。另外，由于D03网格数据所计算的区域平均垂直速度大于实况（ERA5再分析资料），而D01网格的垂直速度与实况更接近，并且实况资料的分辨率（0.250.25）与D01网格（18 km）更接近，因此使用D0
14、1网格数据与ERA5资料进行对比分析。目前，WRF模式中常用的边界层参数化方案大致分2类，即局地闭合与非局地闭合方案，其中局地闭合方案中每个格点上的脉动通量完全由该格点上物理量的平均量决定，非局地闭合方案则综合考虑了该格点及周边格点对脉动通量的共同影响。本文 8 种边界层方案中，局地闭合方案包括 MYJ（Mellor and Yamada，1982）、MYNN（Nakanishi and Niino，2009）、BouLac（Bougeault and Lacarrre，1989）、QNSE（Sukoriansky et al.，2005）、GBM（Grenier et al，2001）、UW
15、（Bretherton and Park，2009）方案，非局地闭合方案为 YSU（Hong et al.，2006）和92第 1 期邢蕊等：不同边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段暴雨模拟的影响试验ACM（Pleim，2007）方案。1.3AS指数、ETS、BS评分的定义AS（Area Spread）指数（Schumacher et al.，2010）在集合预报中用来定量描述各集合成员预报的某阈值降水空间分布发散程度。对于某阈值的降水预报结果，AS为所有集合成员预报的该阈值降水所包围的全部区域面积除以各集合成员在该阈值降水预报所包围面积的平均值，计算公式如下：AS=j=1mPj1ni=1n
16、j=1mPi,j，其中 Pj=1i=1nPi,j10其他（1）式中：n为集合成员总数；m为格点总数；若第i个集合成员在第j个格点所预报的降水量达到或超过某阈值，则Pi,j=1，否则Pi,j=0；对于第j个格点而言，若某个或某几个集合成员在该格点预报的降水量达到或超过某阈值，则Pj=1，若所有集合成员均未达到设定的阈值，则Pj=0（每一个集合成员均为m个格点总数）。因此，AS指数计算公式中的分子代表所有集合成员预报某阈值降水在m个格点的空间范围中所包围的全部空间面积，分母则代表各集合成员预报某阈值降水所占面积的算术平均值。对于AS指数的详细解释及概念图可参考Schumacher 等（2010）文献。对8种边界层参数化方案模拟的某阈值降水计算AS指数，定量考察边界层方案对北上台风“烟花”降水落区预报的差异。另外，使用 ETS（Equitable Threat Scores）和 BS（Bias Scores）评分对各试验模拟的24 h累积降水量进行分级检验，计算公式如下：ETS=(H-R)/(H+M+FA-R)（2）R=(H+M)(H+FA)/(H+M+FA+D)（3）BS=(H+FA)/(
