青藏高原及下游关键区大气边界层高度对降水影响的研究

本项目拟分析得到青藏高原及长江中游不同地形不同季节大气边界层高度及其变化规律，评估主要边界层参数化方案对青藏高原及长江中游边界层高度的刻画能力和对预报降水的影响，建立边界层高度的修正模型，研究边界层物理过程对降水的影响机理。为此，将利用青藏高原及长江中游多个探空站的同步联合加密观测资料进行边界层高度的特征分析；对主要边界层参数化方案求解的青藏高原及长江中游边界层高度进行对比分析，并评估这些参数化方案得到的预报降水及其日变化与观测结果的差异；利用边界层高度的观测值，建立主要边界层参数化方案中边界层高度的修正模型，并通过敏感试验，从动量、热量、水汽等方面研究边界层物理过程对降水的影响机理。通过本项研究，可增强对青藏高原及长江中游大气边界层结构的认识，深入理解边界层物理过程对降水的影响机理，为深入研究青藏高原地区边界层参数化方案的改进和青藏高原独特地形对我国西南及长江流域暴雨的影响打下基础。

青藏高原对大气能量和水循环的影响与其大气边界层结构密切相关。由于青藏高原地形复杂且可用资料稀少，对青藏高原边界层结构的认识依然有限，数值模式在该区域的预报能力也比较薄弱。加强对青藏高原边界层结构的认识，评估边界层参数方案在该区域的刻画能力，研究边界层对降水的影响，有助于研究青藏高原地区边界层参数化方案的改进及其独特地形对我国暴雨的影响机理。本项目利用三次青藏高原及下游地区多站同步加密探空资料，采用气块法和理查逊数法估算了对流边界层和稳定边界层的高度，发现青藏高原及下游地区的边界层结构与地形相关，且在不同季节有明显不同。对YSU、MYJ、MRF三种边界层参数化方案模拟的对流边界层高度（14LT）进行分析发现，对流边界层高度的模拟值与其观测值有较大偏差，青藏高原及周边地区的偏差大于长江中游。三种边界层方案模拟出了相近的边界层高度日变化，在白天，MYJ模拟的边界层高度较高而YSU模拟的边界层高度较低；在夜里，MYJ模拟的边界层高度也较高而MRF模拟的边界层高度较低。对三种边界层参数化方案模拟的逐小时降水及降水日变化进行分析发现，逐小时降水的模拟值在青藏高原及下游地区存在高估，尤其在长江中游更明显；边界层参数化的选择，不仅影响着降水日变化的幅度，也影响着降水日变化的位相，总体上MRF方案模拟的降水量要好于YSU方案和MYJ方案。临界理查逊数的敏感性试验表明，不同临界理查逊数会导致模式水汽场、流场及物质场的差异，进而对降水落区和强度产生影响。个例研究显示，不同边界层参数化方案会造成动力场和水汽场的差异，并从微观方面影响云水和雨水，最终导致降水差异；而环流形势对边界层方案的选择有显著的敏感性，不同边界层方案导致的大气温湿结构的差异，直接影响着天气系统的模拟结果，进而影响预报降水。此外，批量试验分析表明，MYJ方案对降水次数的过度预报是造成其对总降水严重高估的重要原因，其预报的CAPE过高致使对流频繁启动且强度也大；ACM2方案比MYJ方案预报的降水日变化更接近实况，其预报的隐式（显式）降水少于（多于）MYJ方案，原因在于MYJ方案的局地闭合特性使得其预报的低层大气太湿，最终影响KF积云参数化方案生成隐式降水，而隐式、显式降水物理过程之间的能量竞争造成了MYJ方案预报的显式降水较ACM2方案偏少。