兰州地区强降水模拟对不同陆面模式的敏感性研究

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短时强降水是影响西北地区最主要的强对流灾害性天气,易引发山洪、泥石流等地质灾害,且近年来降水统计表明,自20世纪60年代以来中国西北地区的降水强度和频率显著增加。其中兰州位于西北地区的中东部,地处青藏高原边缘山脉与黄土高原相间的河谷,具有独特的山谷地形;同时兰州也位于干湿气候过渡区,是陆气相互作用的敏感区,适合进行下垫面敏感性研究。但早期的强降水研究大多根据大尺度环流形势和水汽来源对强降水进行统计分类,针对陆气过程对强降水的影响研究很少。因此,本文基于高分辨率观测资料和精细化数值预报产品,对兰州地区两次强对流的内部结构、组织形式和发展演变过程深入研究,探究不同复杂程度的陆面模式对兰州地区强降水模拟的影响。本文选取两次发生在兰州地区不同天气背景下强降水事件:(1)2018年4月19日高空低槽型背景的局地强降水;(2)2020年9月22日弱天气尺度背景的局地短时热对流降水。通过中尺度数值模式WRF耦合陆面模式NOAH、CLM4和RUC,来探究不同陆面模式对降水模拟的影响,并从陆气相互作用方面研究强降水模拟差异的内在原因。得到的主要结论如下:(1)2018年4月19日的局地强降水的模拟结果:RUC陆面参数化方案能合理模拟出降水发生前兰州较强的地表感热通量和水汽水平输送,为对流触发提供必要的水汽条件和热力条件,因此,其模拟的对流触发接近观测。(2)2020年9月22日的局地短时热对流的数值模拟结果:CLM4模拟的地表潜热通量较多,通过局地辐合上升运动将水汽输送至边界层内,加强了对流系统发展,从而合理复现此次局地强降水过程。此外CLM4模拟的能量传输分布与兰州城区土地类型分布一致,相比之下,NOAH模拟地表潜热通量偏少,向大气释放的感热偏大,在城市地区尤其明显。综上,陆面过程参数化方案通过影响地表能量平衡,进而通过地表潜热和感热变化影响边界层的水汽输送,从而影响对流触发的时空位置。这些研究结果证实了中尺度数值模式中的陆面参数化方案对兰州强降水过程有显著影响,对进一步认识陆气相互作用对强降水的发生发展机制及其预报有一定意义。
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