WRF模拟2007年1月20日至22日加拿大东部雪灾事件：与站点观测和卫星观测的对比外文翻译资料

 2022-11-13 16:23:03

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WRF模拟2007年1月20日至22日加拿大东部雪灾事件：与站点观测和卫星观测的对比

（稿件于2009年5月11日收到，最终定稿于2010年5月7日）

摘要：全球降水观测(GPM)任务的难点之一是利用高频无线微波辐射测量技术提高中高纬度冷季降水的观测。为此，预报模型(WRF)与Goddard微物理方案与卫星数据模拟单元耦合(WRF - sdsu)，是通过提供一个虚拟云库和相应的与GPM微波成像仪(GMI)一致的微波亮温测量，形成陆地降雪反演算法。当这项研究开始时，还没有使用WRF在1公里或更细的云分辨率下对高纬度降雪事件进行研究的结果。本研究测试了WRF中Goddard云微物理方案在加拿大安大略省的CloudSat /云气溶胶激光雷达和红外探路者卫星观测(CALIPSO)验证项目(C3VP)站点上发生的两个不同暴风雪事件(一个是湖泊效应事件，一个是2007年1月20日至22日之间的天气事件)。WRF和Goddard微物理预报的24小时累积降雪与地面雷达观测到的两场降雪相当。该模型准确地预测了大气研究中心试验场两场降雪的开始和结束时间。WRF模拟捕获了地面雷达和卫星观测到的基本云系。（[即CloudSat 和先进微波探测单元B (AMSU-B)]]的观测），包括湖泊事件中出现的雪带。结果表明，WRF能够较好地捕获云的宏观结构。利用Goddard微物理方案中的“2冰”(冰和雪)和“3冰”(冰、雪和霰)选项进行敏感性试验。使用这两种微物理选项的WRF模拟得到的区域和时间平均云类分布图显示了相同的结果(由于垂直速度较弱，因此没有大的雨滴或像霰这样的高密度冰粒子)。这两种微物理方法都产生了相当数量的液态水，当只考虑飞行路径附近的格点时，模式模拟的云液态水与站点观测C3VP飞机测量结果相当。然而,统计对比观察和模拟雷达回波显示模型倾向于高估几种反射率(dBZ),这表明,需要更多的研究来针对高纬度地区的极端寒冷的环境改善当前的云微物理方案,尽管模拟冰/水含量是合理的。未来的飞机观测也需要验证高纬度大陆降雪事件中霰的存在。

1 引言

美国国家航空航天局全球降水测量(GPM)任务是一个多国、多卫星的任务，旨在提供全球统一校准的降水测量。GPM由两个部分组成:一个核心卫星和一组卫星。核心卫星携带双频降水雷达和微波辐射成像仪，称为GPM微波成像仪(GMI)，具有高频通道。这组卫星包括一个国家航空航天局(NASA)提供的卫星，美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和国防气象卫星项目的卫星资产，以及配备被动微波仪器的国际卫星。GPM任务的两个主要目标是通过GMI高频辐射观测中高纬度陆地的寒季降水，并进一步了解高纬度地区的降水过程。2007年，加拿大CloudSat /云气溶胶激光雷达和红外探路卫星观测(CALIPSO)验证项目(C3VP)在加拿大安大略省中南部开展。C3VP是由加拿大环境部在安大略多伦多以北80公里的加拿大大气研究实验中心(CARE)内外举办的一项跨国、多机构的实地实验，GPM参与C3VP是为了改进基于空间的降雪检测和估计算法(Petersen et al. 2007)。本研究采用Goddard微物理方案的天气研究预报模式(WRF)。WRF还与Goddard卫星数据模拟单元(SDSU)中的多传感器、多频卫星模拟器耦合，用于模式评估和GPM算法支持。目标是将雷达、卫星和站点观测测量以及模式数据结合起来，改善对降水的测量。Goddard云微物理方案针对2007年1月20日至2007年1月23日期间在安大略省C3VP站点上观测到的两次不同的暴风雪事件进行了测试。使用了加拿大国King City(安大略)环境雷达、飞机站点观测测量和CloudSat卫星 的观测被用来验证模式模拟。

北美五大湖是独特的水体，它们有足够大的表面积，可以在秋冬季节向经过的寒冷的北极气团中加入大量的暖水汽，从而在五大湖背风面产生暴风雪。在适当的条件下(包括湖气温差、气流和边界层的稳定性)，可能会形成强对流。

由此形成的云线或云带可以产生大量的雪，被称为湖泊效应暴风雪。而典型的暴风雪往往发生在天气尺度系统(即，天气事件)的冷空气一侧，即在稳定的条件下，其抑制对流；然而，大型天气尺度风暴对湖泊的增强也可能是显著的，尽管在这种情况下，任何相关的对流往往比北极空气引起的湖泊效应风暴弱(Hjelmfelt 1990)。

在本研究中模拟的暴雪事件之一是湖泊效应。尽管湖泊效应的动力学已经被很好地研究（Brown 1972；Sykes和Henn 1989；Weckwerth等。1997, 1999；Kelly1984；Cooper et al等人。2000年；Kristovich 1991；Tripoli 2005），关于湖泊效应系统中的云微物理性质的详细研究很少发表（Schroeder等人,2006）。Schroeder等人(2006)指出，在湖泊效应事件中发生强降雪的一个潜在重要因素是通过从较高云层传播来改变湖泊效应。飞机微物理测量的证据表明，在播种区对流边界层（CBL）云内微物理雪生长过程局部增强，播种区CBL比非播种区深。他们还分析了冰粒大小谱，以确定播种区和非播种区之间的微观物理差异。在所有情况下，播种粒子谱比非播种粒子谱预示着更强烈的降雪。由于缺乏对湖泊效应微物理性质的数值和观测研究，许多问题仍然没有得到解决。在这些云系中，诸如雨或霰等大型降水粒子的存在是未知的，正如在冬季高纬度云系中，当整个柱体的气温低于-10°C时，云中液态水的存在也是未知的。

表1列出了一些1989年后的湖泊效应暴风雪模式模拟研究(以及目前的研究)，包括它们的云微物理方案。这些研究更多地关注与湖效应暴风雪相关的动力学，而不是它们的微物理性质。Maesaka等人(2006)使用了云解析模式(CRM;在0.5公里水平分辨率下)，由WRF在5公里水平分辨率下运行并提供初始和边界条件来模拟2003年1月在五大湖区发生的高纬度湖泊效应降雪事件。他们得出的结论是，CRM可以再现如湖泊效应雪事件之类的中尺度天气系统，这些中尺度天气系统是天气尺度和云尺度环流在不同地表条件下相互作用的结果。

表1.利用云解析微物理对湖泊效应暴风雪进行的数值研究的一览表。

然而，他们并没有将WRF嵌套到云解析级别(1公里或更细)，这可能是因为这种设置需要大量的计算资源(Maesaka et al. 2006)。当这项研究开始的时候，还没有使用WRF在1公里或更高分辨率的高纬度降雪事件上的研究结果。“高纬度”一词是用来区别这些事件与伴随中纬度锋面系统的降雪事件。本论文研究的目的之一是确定一个高分辨率的中尺度模式(如WRF)，以及为CRMs设计先进的体积微物理方案，看是否能够正确地模拟与大陆环境中发生的高纬度暴雪相关的云系统和降雪。

Goddard微物理的两个选项[“3冰”(冰、雪和霰)和“2冰”(冰和雪)]在WRF中测试了两个不同的暴风雪事件，它们是在2007年1月20日0000 UTC至2007年1月23日0000 UTC期间在安大略省C3VP站点上观测到的。第2节简要介绍了WRF、Goddard物理包和卫星模拟器。

  1. 简要回顾WRF、Goddard物理包和卫星模拟器

WRF是下一代中尺度预报模式和同化系统。WRF的开发是由美国国家大气研究中心(NCAR)与美国国家海洋和大气管理局(NOAA)和美国国防部(U.S. Department of Defense)的几个合作伙伴牵头的多机构工作。该模式旨在支持研究，促进对中尺度降水系统的认识和预测。它结合了高级数学和数据同化

图1.(a)添加到WRF中Goddard和(b) Goddard SDSU的物理包

技术，多重可重定位嵌套能力，和改进的物理方法。WRF已被广泛应用，从理想化的研究到业务预测，其重点是1-10公里范围内的水平网格。它的物理和动力学选择范围反映了广大科学界的经验和投入(Michalakes et al. 2004)。WRF软件框架(WSF)提供了容纳动态求解器、与求解器接口的物理包和用于初始化的程序的基础设施。WSF中有两个动力学求解器:高级研究WRF (ARW)求解器(最初被称为欧拉质量或“em”求解器)，主要在NCAR开发，以及在国家环境预测中心(NCEP)开发的非流体静力中尺度模式求解器。关于WRF和WSF的详细文档可以在Skamarock等人(2008)中找到。本研究采用ARW版本。

各种Goddard物理包(即，以及使用Goddard的实时预报系统。美国国家航空航天局正在开发的地球观测系统全球分析最近已应用于WRF ARW系统(图1a)。Goddard积云集成(GCE)模式(Tao和Simpson 1993)的一阶体积微物理方案最近被应用到WRF中。该方案主要以Lin等人(1983)为基础，加入了来自Rutledge and Hobbs(1984)的处理。Goddard的微观物理方案包括三种不同的选择: 包含霰在内的3种冰粒子，包含冰雹在内的3种冰粒子，只有云冰和雪2种冰粒子。Goddard 微物理方案最近进行了修改，以减少层状区域过高估计和不真实的云水和霰量(Tao et al. 2003;Lang等人，2007)。

Goddard辐射包包括长波和短波辐射，在美国宇航局Goddard航天飞行中心已经开发了过去20年用于一般循环模式、区域模式和CRMs (Chou and Suarez 1999,2001)。Goddard辐射装置在加入WRF之前，最近做了一些改进：

1）短波辐射的代码进行优化以提高计算速度(2倍)。

2)云光学特性与Goddard微物理学假设一致。

3)平流层可以添加在以上模式气压层层顶。

4)考虑气溶胶对长波和短波辐射的直接影响。(Matsui et al. 2007)。

GoddardSDSU是一个端到端的多卫星模拟器单元。现有被动微波、雷达、可见光-红外光谱、激光雷达、国际卫星云气候学项目、宽带6个模拟器。SDSU可以从模拟的大气剖面和冷凝物中计算出与卫星一致的辐射或反向散射信号，这与Goddard微物理方案学一致(图1b)。例如，它可以产生可直接与高分辨率卫星(即美国TRmm和CloudSat)的产品。这些模拟辐射和后向散射可以直接与卫星观测结果进行比较，建立了一个基于卫星的云参数化评价框架。这种方法优于传统的基于卫星的产品验证模式的方法，因为模式和卫星产品在云微物理中经常使用不同的假设(Matsui et al. 2009)。一旦云模式与卫星观测结果达到满意的一致性，就可以将模拟云、降水、大气状态和卫星一致辐射或反向散射作为先验数据库，用于开发基于物理的云和降水反演算法。因此，SDSU与多尺度建模系统相结合，可以让我们更好地理解云过程，并改善从当前和未来NASA卫星任务中获取降水的能力((Matsui et al. 2008)。

  1. 天气条件

在2007年1月20日至1月23日的72小时内，曾发生两起重大暴雪事件。25km水平分辨率的NCEP北美中尺度(NAM)模式在850 hPa的高度、温度和风速分析如图2所示。2007年1月20日，一股冷锋从北部经过多伦多地区，并伴有一股以加拿大东部为中心的高空 (图2a-c)。冷锋的通过在对流层下部产生了强烈的西北气流，使得休伦湖和乔治亚湾背风和休伦湖上空形成了孤立的雪带。1月20日后，区域(44.230N, 79.780W)出现一系列西北偏东南的雪带。虽然这些波段全天持续存在，但附近King City雷达(位于43.960N, 79.570W)的观测结果显示，在0600 UTC之前，这些波段最为强烈(中心超过30 dBZ)，其回波高度低于3公里。图3a显示了附近King City雷达观测到的24小时降雪[液态水当量(LWE)，单位为mm]。Huang等人(2010)描述了从King City 雷达观测中反演LWE降雪的方法。大部分强降雪发生在休伦湖和CARE站点之间，24小时累计降雪量从2mm到12.5mm不等。根据CARE站点的双围栏国际基准(DFIR) 雨量计观测，该事件的日累积量约为12.3 mm，是整个2006/07季度观察到的最高日累积量(Bringi et al. 2008)。该值(～12.3 mm)与图3a所示CARE 站点的雷达估计值(～12.5 mm)非常吻合。虽然地形（湖面）并不是形成雪带的因素，但它也可能在下风处发挥作用，但周围地区相对平坦，最高海拔只有几百米。由于第一次降雪主要是由于冷空气通过相对温暖的湖面造成的，故本次降雪事件称为湖泊事件。

图2所示.（850-hPa高度(实线;m)、温度(虚线;℃)、风(矢量;m/s) 25公里分辨率的NCEP北美分析的湖泊事件在(a) 1月19日1200 UTC,(b) 1月20日0000 UTC,和(c) 1200 UTC 1月20日1200 UTC,和天气事件 (d) 1月21日0000 UTC,(e) 1月22日0000UTC,(f) 2007年1月22日1200UTC。

图3所示.24小时累计降雪(mm;(a)湖泊事件(1月20日0000UTC-1月21日0000UTC)和(b)天气事件(1月21日1200 UTC -1月22日 1200 UTC)。“X”表示CARE站点地点的位置。

与1月20日的湖泊事件相反，1月22日的第二场暴雪事件是天气尺度系统横穿安大略省南部的结果。1月22日发生的事件是为了响应一个500百帕的短波槽及与之相关的地面低压(图2e,f)在UTC时间0000至1200之间从西向东通过C3VP区域而形成的(Petersen et al. 2007)。与两天前发生的湖泊事件相比，风势相对平静，气温相对温暖。这种天气尺度系统与大范围的轻到中度降雪有关(图3b)。雷达数据显示，1月21日UTC时间1500时左右，降水进入(1公里)内域西部。当系统向东和

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