GRAPES模式中的坡地辐射方案和其对短期天气过程模拟的影响.pdfVIP

2011年高原山地气象研究暨西南区域气象学术交流会 GRAPES模式中的坡地辐射方案及其对短期天气过程模拟的影响 沈元芳胡江林 (中国气象科学研究院，100081) 摘要 关键词：GRAPES，坡地辐射，短期天气过程，梅雨锋降水 为了改进太阳短波辐射参数化，在非静力中尺度模式GRAPES(全球／区域同化和预报系统)中考 虑了坡地辐射(SLOPE)，并着重讨论其在不同分辨率情况下对我国短期天气过程的影响。数值试验 结果表明：地形坡度和坡向对地表短波辐射(csw)计算有较大的影响，与没有考虑坡地作用的参考运 时间和平均值大得多。在江淮流域一次梅雨锋降水过程中，坡地辐射参数化方案的引入对降水模拟 有较明显的影响，特别在高分辨率(6 km)情况下，降水的增加和减小不仅发生在GSW改变比较大的 地区，且与复杂地形有较好的相关性。另外，由于地形坡度和坡向引起地表温度(TS)的改变与地表热 通量(HFs)的变化一致，且也发生在地形起伏的多山地区。因此，当水平分辨率较高且地形陡峭起伏 时，应当包含坡地辐射。 目前大气数值模式已能较好地描述大尺度地形对大气的机械强迫、动力阻塞和摩擦作用等动力 效应，也能较好的模拟由于地形和海拔不同所引起的大尺度热源热汇的空间分布、季节变化，以及 其对天气气候效应的差异【H】。次网格地形对大气的动力作用也以包络地形【3■12j和重力波拖曳【5】参 数化的形式进行处理。过去的学者也曾对一般的坡地辐射过程作过深入的研究，例如，早在1958年， 傅抱璞拍，曾讨论过坡地对日照和太阳辐射的影响，指出不同坡地、季节和纬度影响太阳短波辐射的 程度不同，并从理论上解释了不同坡向的坡地对太阳辐射日变化的影响程度不同。Lqbalu’，翁笃呜嘲 等较早给出了考虑地形坡度、坡向后计算GSW的公式，但他们没有把坡地辐射的作用放入数值天 气预报模式中去研究。最近，一些学者已在3维大气模式中考虑了坡地辐射，例如，Mahrer等旧1首 先对不规则地形上空的气流作了数值研究；张正秋等【loJ研究了青藏高原地形对地表直接辐射和地面 温度的影响：朱新胜，张耀存【ll】利用P．仃区域气候模式的数值试验表明，次网格地形热力效应参 数化方案的引入对东亚地区夏季气候尤其是降水的模拟有明显的改进。HaugeG等【l2】认为在高压和 无云情况下可以更加详细地研究地形对辐射的作用，他的研究表明，在MM5模式中考虑坡地辐射后 对温度和风场都有改进，在挪威的一次逆温崩溃期间坡地辐射对风的影响甚至比温度还要大。以上 研究表明，如果能够在数值模式中将微观地形参数(如坡度、坡向)的热力效应参数化，通过改进 地面热量平衡方程中各分量的计算，有可能使复杂地形区域地气系统相互作用过程更加接近实际， 地面冷热源的分布更准确合理，进而可在一定程度上改进模式对复杂地形区域天气气候系统发生发 展和演变过程的模拟和预测，更好地理解区域天气气候的形成和变化机理。 大气数值模式中坡地辐射的研究与模式的分辨率密切相关。观测网络的密度通常不能捕获中尺 度和精细尺度的气象结构。大半这种结构是陆面强迫(地形、地表植被、土壤湿度和其他地表特性) 的结果。当水平分辨率较高时，精细尺度的非静力中尺度GRAPES模式可以成为描述和预报这种结构 的工具，应用这样的模式，我们就有可能获得观测以外的资料，捕获精细尺度的气象结构。一般认 为，在数值模式中，当水平分辨率较低且坡地平缓时，通常可忽略坡地辐射，但当水平分辨率较高 且地形陡峭起伏时，应当包含坡地辐射。 本文在非静力中尺度模式GRAPES中考虑了坡地辐射参数化，通过数值试验讨论了地形坡度和 坡向对短波辐射计算的影响，并着重研究了坡地辐射在不同分辨率情况下对我国短期天气过程，特 201 1年高原山地气象研究暨西南区域气象学术交流会 别是对一次梅雨锋降水过程模拟的影响，从中可以看出： (】)GSW较大的差别表明地形坡度和坡向对短波辐射计算的影响，与没有考虑坡地作用的参 考运行(FLAT)相比，早晨和傍晚的GSW最小可减小60％以下，最大也可增加60％以上。 (2)在高分辨率(6l【111)情况下，两种方案GSW差异比较大的地区大多发生在地形复杂的多