青藏高原地区中小尺度地形湍流拖曳力在WRF中的参数化

Surface wind fields are strongly controlled by difference scales of orography that enhances surface drag through different ways. The water and energy exchanges between TP and surrounding areas and between the land surface and atmosphere highly depend on wind speed, which in turn relies on the orographic effects, particularly the form drag. The turbulent form drag caused by the meso-micro-scale (ca. <5km) topography variance was insufficiently considered in WRF. The goal of this proposal is to investigate the impacts of orographical turbulent form drag on the water cycle and surface energy balance over the Tibetan Plateau with WRF3.7. The main research content includes: 1) Implement an orographical form drag parameterization in the WRF model based on the theory of Beljaars et al. (2004). 2) Key empirical parameters need to be adjusted based on Tibetan Plateau elevation data and observed meteorological datasets, so that the parameterization is applicable to the complex terrains (e.g. mountains and valleys). 3) The revised model is then used to investigate the impacts of this process on the wind speed, air temperature and precipitation in the Tibetan Plateau.

地形起伏通过拖曳作用影响近地边界层大气风速，进而控制高原内外的水汽与能量交换，并进一步影响大气-地表之间水汽和热量的交换速率从而影响边界层物质和能量平衡。目前WRF模式对中小尺度（小于5 km）地形的参数化方案考虑不足。本项目拟研究中小尺度地形对青藏高原水汽与能量的水平传输和边界层动量交换、水汽交换和能量平衡的影响。完善WRF模式对地形拖曳力的表达，主要研究内容包括：1）在最新版本的WRF模式中引入新方案，以反映中小尺度地形引起的湍流尾涡对拖曳力的增强。2）结合台站观测和卫星数据优化方案中的关键参数，以使该方案适应于青藏高原地区的复杂地形，正确表达地形的拖曳作用对大气水平传输以及地表动量损失、水汽平衡和能量平衡的影响。3）利用改进模型研究中小尺度地形在青藏高原内外水汽和能量交换以及地-气能量平衡过程中所起的作用，揭示其对温度和降水的影响。

全球主要的GCM和RCM显著高估青藏高原的降水。这说明使用粗分辨率的模拟由于无法反映复杂地形的影响，导致水汽通量被大大高估，且粗分辨率模拟也不能区分高山对水汽的阻挡效应和河谷对水汽的通道效应。为了反映复杂地形的影响，本项目在WRF中引入了湍流尺度的地形拖曳力参数化方案(TOFD)，增强了复杂地形的动量损失，显著降低了大气边界层的风速，更好地模拟了高原低层大气环流。具体体现为：对照观测数据（CMA站点数据和IGRA探空数据）和ERA-Interim再分析数据，改进后的WRF模式明显减小了地表风速和边界层大气风速的过强偏差。夏季，高原上季风起主导作用，地形的拖曳作用直接导致南风减弱，从而减弱了南亚向高原内部的水汽输送，降低了高原降水量模拟误差（达20%），提高了对降水的空间分布的模拟（与CMA站点降水的空间分布相关性从0.36提高到0.47）。冬季，高原上西风起主导，地形的拖曳作用直接导致西风风速降低，科氏力同时减弱，南北向的气压梯度力作用更加显著，导致高原南边界（喜马拉雅山沿线）南风加强。模拟结果(TOFD)能够很好地反映风速的日变化，但没有这一方案的模拟对日变化模拟很差。引入这一方案后，由于模拟的冬季西风减弱，高原西部降雪误差明显减小。