边界层过程对梅雨锋暴雨的触发发展机制研究及其参数化的验证与改进

The atmospheric boundary layer is influenced by the underlying surface, playing an important role in the triggering and developing of meso-scale storms. But the effects of boundary layer processes such as the interaction of different scale systems and the spatial-temporal distribution of water vapor, heat flux, and boundary layer height, turbulence intensity on Mei-Yu front rainstorm are poorly understood. In addition, there are a variety of scale turbulent exchanges in the boundary layer under Mei-Yu front rainstorm. The question that boundary layer parameterization schemes in the numerical model can reasonably describe these complex processes is worth considering. The cloud-resolving modeling will contribute to solution of these problems. This study is focused on analyzing the role of small-scale systems in the boundary layer interaction with convergence line and Mei-Yu front meso-scale systems on triggering and developing Mei-Yu front rainstorm. We will investigate the spatial-temporal distribution of physical quantities such as water vapor and heat flux in the boundary layer before, during, and after the developing period of Mei-Yu front using cloud-resolving modeling and observations, with an emphasis of the parameterizations of the boundary layer processes and their improvement in operational models under severe weather scenarios. A goal of this study is to make the prediction more accurate and lay the foundation of improving the ability of precipitation modeling by meso-scale model.

大气边界层主要指的是受下垫面影响较大的大气层，其在中尺度暴雨的触发和发展过程中扮演着重要的角色，但是我们对于一些边界层过程如边界层内不同尺度系统相互作用和水汽、热通量、边界层高度、湍流强度等要素的时空变化在梅雨锋暴雨中的作用了解甚少。此外，在梅雨锋暴雨这种恶劣天气条件下，边界层中存在多种尺度的湍流交换，这时数值模式中边界层参数化方案是否还能合理的描述这种复杂过程也是一个值得思考的问题。高分辨的云分辨模式将有助于这些问题的解决。本研究主要使用高分辨的云分辨模式并结合一些非常规观测资料，分析边界层内小尺度系统与辐合线、梅雨锋等中尺度系统的相互作用在梅雨锋暴雨触发发展中的作用，给出边界层内水汽、热通量等物理量的时空分布与暴雨之间的关系，探讨边界层参数化方案对深对流和暴雨等恶劣天气模拟的影响及其改进方法，为提高暴雨的预报水平和改进中尺度模式模拟和预报暴雨的能力奠定基础。

大气边界层主要指的是受下垫面影响较大的大气层，其在中尺度暴雨的触发和发展过程中扮演着重要的角色。为了弄清在梅雨锋暴雨这种恶劣天气条件下的边界层动力结构特征，本项目对分析了梅雨锋暴雨边界层的热力和动力结构，对于边界层内的热通量输送和湍流动能的时空变化特征，以及湍流动能各收支项的分布及变化特征进行了分析。研究结果表明：暴雨过程对边界层结构有很大影响，降水区的边界层高度明显低于非降水区。在暴雨发展和强盛阶段，会出现位于边界层顶以上的湍流动量交换系数的大值区，且在相应区域有明显的湍流动量通量的垂直输送。降水发生时段内边界层热通量和湍流动能的时空分布特征与晴空日变化特征表现出显著不同。降水区近地面湍流动能弱于其它区域，但是在468m以上高度则显著强于其他区域。降水区湍流动能的来源主要是平均风切变所产生的机械湍流。湍流输送作用将低层的湍流动能输送至较高的高度。临界高度与湍流动能的大值中心高度对应。最后对发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了多组不同的边界层参数化方案数值模拟实验。发现边界层参数化方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较为显著的影响。在降水率以及地面要素的模拟上，各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段。不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动、假相当位温的垂直分布产生影响，直接影响降水时空分布的模拟。相比于其他方案，MYJ方案在降水区域的湍流动能以及湍流交换强度明显偏弱，对热通量的输送也偏弱。GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强，热通量输送在边界层以上的高度上误差明显。本项目按照计划要求，发表了40篇学术论文（其中SCI论文13篇，核心期刊论文27篇），参加国际学术会议2次，培养硕士毕业研究生18名，较好地完成了项目的计划要求和研究目标，为提高暴雨的预报水平和改进中尺度模式模拟和预报暴雨的能力做出了较好的贡献。