WRF模拟青藏高原东南部极端旱涝年降水的参数敏感性研究

为了进一步评估和提高区域模式对青藏高原地区极端气候的模拟能力,利用WRF模式,采用不同模式参数(包括边界位置、积云对流、边界层参数化方案和水平分辨率)模拟了青藏高原东南部极端旱(2006年)、涝(1998年)年夏季降水。对比不同参数模拟的降水结果表明:整体而言,无论是旱年还是涝年,除南边界以外的模式边界位置对高原主体和东南部降水模拟的影响较小;边界层方案对降水空间形态的模拟影响较小,而对降水量级的影响较大;积云对流方案对降水空间形态和量级的影响均较大;采用15 km水平分辨率时可显著改善模式对高原主体和东南部降水的模拟水平。WRF采用适当的参数组合能较好地模拟高原主体和东南部降水的空间分布,但降水量偏大。整体而言,能较好模拟旱年降水的边界层和积云对流参数化方案组合也能较好模拟涝年降水。模式模拟的高原南侧降水偏多可能使高原南侧西风偏强,并进一步造成云南西南部降水偏多;湖南南部降水偏多可能在云南东北部至贵州地区激发出较强的气旋式环流偏差,该偏差环流在四川盆地形成异常强的偏北风,导致低纬度地区进入四川盆地的水汽偏小,从而在四川盆地形成明显的相对干偏差。因此,模式在四川盆地降水模拟能力的提高不仅要做好参数的本地化工作,还需要关注盆地以外地区的影响。     

台湾地形对海棠台风影响的数值模拟研究

应用美国国家大气研究中心(NCAR)研发的WRF(Weather Research and Forecasting)气象模式,研究海棠台风(2005)接近并登陆台湾岛的过程中的强度、结构的演变,以及地形强迫作用对台风的影响.对模拟结果的评估表明,在整个海棠台风(2005)模拟实验期间,WRF模式很好地抓住了台风海棠强风,低中心气压的高强度特征.对引起台风降水的中尺度系统的分析表明,一方面台风环流与中央山脉地形共同作用激发出垂直次级环流在降水区域产生强烈的上升运动;另一方面,水平风场源源不断给该地区输送暖湿空气,为对流发展提供充足的水汽.分析结果表明中央山脉地形与台风环流场之间的配置形势对台风降水有着重要的影响.     

分辨率对区域气候极端事件模拟的影响

利用NCAR MM5V3对1999年6月长江流域的极端异常降水事件进行了模拟,主要研究不同水平和垂直分辨率对极端区域气候事件模拟的影响。数值模拟试验表明:模式能够模拟出极端强降水的主要分布特征;水平分辨率的提高降低了模式模拟的强降水偏差,对逐日降水变化的模拟更加合理,而垂直分辨率的提高基本上也都减小了模拟的强降水过程的偏差,改善对强降水的模拟能力;模式水平、垂直分辨率的提高在一定程度上增强了对强降水过程的模拟能力。水平分辨率的提高能够改善模式对海平面气压的模拟,而垂直分辨率的提高可以改善模式模拟的地面气温和低层环流。分辨率对中层大气环流的影响不是很敏感。不同积云对流参数化方案模拟的对流降水比率随水平分辨率的变化是不同的,Grell方案对流降水比例随分辨率的提高而增加,而Kain-Fritsch方案的结果相反。     

二十面体网格和经纬网格全球模式在中国区域模拟效果对比

为了评估二十面体网格全球模式MPAS和经纬网格全球模式WRF在中国区域的模拟效果,对比了两模式对2010年10月23—28日中国区域的涡度场、降水场、高度场和温度场的模拟效果,结果表明:在30和60 km准均匀模拟下,MPAS和WRF模式对中国区域500 hPa高度处涡度场的模拟效果都比较好,但都难以模拟出局地的涡度极值中心,两模式模拟效果相当;从第3天的日累积降水的模拟结果来看,两模式基本都能模拟出降水分布情况,MPAS模式模拟结果整体要优于WRF,WRF对降水中心的模拟要优于MPAS;MPAS对高层高度场和温度场的模拟较好,WRF对中、低层的模拟较好,且WRF的预报时效性比MPAS长;网格分辨率的提高对MPAS模式模拟效果的改善不大,而WRF模式的模拟效果得到了提高.     

WRF模式不同分辨率模拟分析

利用WRF中尺度模式对内蒙古地区2011年降水天气过程进行模拟分析,主要研究模式不同水平分辨率对温度和降水的影响。结果表明:水平分辨率为27km时,模式可以较好的模拟我区的降水落区和强度;不同分辨率下模拟单站降水结果存在差异,分辨率提高,模式空报率下降,但是漏报率却明显增加,TS评分降低;分辨率提高与温度预报准确率无明显的正相关,模式前12h预报准确率明显高于后12h,模式分辨率提高对后12h温度预报准确率结果有明显改善。     

WRF和MM5模式对辽宁暴雨模拟的对比分析

用近年开发的新一代中尺度预报模式WRF(Weather Research Forecast)和已被广泛应用的MM5模式分别模拟研究了2002年8月3~4日发生在辽宁的一次区域性暴雨过程。模拟结果显示WRF模式能够比较成功地反映出导致暴雨发生的高低空环流背景和暴雨的分布状况;WRF和MM5模拟结果的对比分析表明:由于WRF的动力框架具有一定的优越性使得模式结果得到改善,在前处理和所选物理过程相同的情况下,WRF模式对能够代表本次暴雨过程中中尺度天气系统的高度场、风场、散度场、水汽通量场以及垂直速度场等物理量的模拟效果要好于MM5。高空形势场的影响使WRF模拟的降水落区和强度更接近实况。     

多普勒雷达资料同化的稀疏化方式对暴雨过程的影响研究

利用中尺度非静力WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其三维变分同化系统,对2007年7月淮河流域的一次强降雨过程进行多普勒雷达径向速度资料的三维变分同化试验,重点考察雷达资料的不同稀疏化方式对同化结果以及对暴雨数值模拟的影响。结果表明:同化多普勒雷达径向速度资料使得模式初始风场包含了更丰富的中尺度特征信息,有效调整了初始场的环流结构,能够改善模式对暴雨过程的模拟效果;以不同的稀疏化处理方式同化多普勒雷达径向速度资料对分析场会产生不同的影响,进而影响模式的降水预报效果,本次试验中当极坐标网格径向分辨率取10 km的时候降水过程的预报效果最好。     

不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候模拟的对比研究

用WRF v3.2.1中尺度预报模式和NCEP/NCAR再分析资料,对比研究了WRF模式中5个不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候的模拟效果。结果表明:WRF模式对各边界层参数化方案均较为敏感,采用不同的边界层参数化方案对模拟区域内的夏季降水、气温、环流等气候要素均可产生明显影响。选取MYJ方案和QNSE方案对500 h Pa夏季平均环流的模拟效果较好,YSU方案和QNSE方案对夏季平均日降水量模拟与再分析资料更吻合,YSU方案和MYNN2.5方案对中国东部2 m气温的模拟结果较好。不同边界层参数化方案模拟结果都显示出由于副热带高压偏强,使副热带高压第2次北跳后停留时间过短,导致长江中下游降水偏少,华北地区降水增多。通过比较YSU和QNSE边界层方案,发现YSU方案相比QNSE方案的降水差异,是由于850 h Pa水汽输送造成的。在中国大部分地区YSU方案的2 m温度比QNSE方案高,并且地面2 m气温和降水存在一定对应关系。因此合理选取边界层参数化方案可以提高数值模拟的准确性。     

高分辨率模式中积云参数化方案对模拟台风“凡亚比”的影响

在高水平分辨率模式(3～6 km)中,对于是否应该再使用积云参数化方案,仍存在着争论.为此,利用WRF模式,在5 km水平分辨率下,研究了不同云降水方案对一次台风过程模拟的影响,并对影响原因进行了初步探索.结果表明,即使在5 km高水平分辨率下,使用积云参数化方案仍能有效改善对台风路径的模拟,同时,成熟的混合冰相微物理方案对模拟台风路径也非常重要;对台风强度模拟,对积云参数化方案的选择较为敏感和复杂;在48 h预报时效内,只使用微物理方案模拟的降水较好,使用积云参数化方案容易产生较多的虚假降水,但能改善第3天24 h累积降水模拟.这些研究结果为利用高水平分辨率模式模拟台风和改进积云参数化方案提供一定借鉴.     

WRF模式不同云微物理参数化方案及水平分辨率对降水预报效果的影响

利用WRF模式和GFS资料对一次大尺度天气系统作用下的暴雨过程进行了回报,分析了WRF模式不同降水方案和3种不同的水平分辨率（45km,15km和5km）对降水预报效果的影响。结果表明：①对于大尺度强迫作用较强的暴雨,尤其是层状云降水为主的暴雨,云微物理过程方案对降水的影响远大于积云参数化方案对降水的影响。②WRF模式不同的微物理过程方案对各等级降水量的预报效果差别较大。其中Kessler方案的TS评分明显随降水量级的增加而减小,其他6个方案的TS评分都呈现＂两头大,中间小＂的特点,即小雨和暴雨的TS评分较高,而中雨和大雨的TS评分较低。③对于小雨量级的降水,Lin方案的预报效果最好;对于中雨和大雨量级的降水,WSM 3方案的预报效果最好;对于暴雨量级的降水,WSM 5方案的预报效果最好;整体预报效果最好的是WSM 3方案,其次是WSM 5方案,Kessler方案最差。④WRF模式的降水预报效果并不总是随水平分辨率的提高而提高。模式水平分辨率的提高存在明显的阈值（15km左右）,当模式的水平分辨率提高到超过这一阈值以后,预报效果开始转差。     

MRI模式对华南春雨气候态及年际变率的模拟：不同模式分辨率的比较

本文利用日本气象研究所（MRI）参加第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的大气环流模式在高、中、低三种分辨率下的AMIP试验结果,评估了其对华南春雨气候态和年际变率的模拟能力,比较了不同分辨率的模拟结果。结果表明,三种不同水平分辨率（120 km、60 km和20 km）的模式均能再现北半球春季位于中国东南部的降水中心。相较于120 km模式,20 km模式能够更为合理地模拟出华南春雨位于南岭—武夷山脉的降水中心。水汽收支分析表明,60 km、20 km模式高估了水汽辐合,使得华南春雨的降水强度被高估。在年际变率方面,在三种分辨率下,模式均能较好地再现观测中El Ni?o衰减年春季的西北太平洋反气旋以及华南春雨降水正异常。较之120 km模式,60 km、20 km模式模拟的降水正异常的空间分布和强度更接近观测,原因是后者模拟的El Ni?o衰减年春季华南地区的水平水汽平流异常更接近观测。本研究表明,发展高分辨率气候模式是提高华南春雨的气候态和年际变率模拟水平的有效途径之一。     

雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响——以西苕溪流域为例

天气雷达估测降雨是径流模拟和洪水预报的重要信息之一。由于雷达网格降雨存在误差,且误差随着网格水平尺度的增大而减小,因此对于径流模拟,高分辨率的雷达降雨数据并不意味着径流模拟的精度更高。采用FSS(Fractions Skill Score)方法和HEC-HMS模型(Hydrologic Engineering Center's Hydrologic Modeling System)分析江苏省西苕溪流域雷达估测降雨水平分辨率对径流模拟的影响。在2010年和2011年夏季两场降雨实例中,雷达估测降雨在不同降雨阈值情况下,FSS达到目标精度值对应的最小有效水平尺度为2~8 km,分别以2、4、6、8 km水平分辨率的雷达估测降雨和雨量站测雨作为HEC-HMS模型输入进行径流模拟,结果表明:基于不同水平分辨率的雷达估测降雨的径流模拟结果与实测径流资料基本吻合,雷达估测降雨2、4、6、8 km水平分辨率的变化对径流模拟效果的影响不明显。      

THE EFFECT OF MODEL HORIZONTAL RESOLUTION ON THE PRECIPITATION OF RAMMASUN

This paper investigates the effect of horizontal resolution on the precipitation of the super typhoon Rammasun (1409). The experiment uses WRF (V3.4) model with resolutions of 15 km, 9 km and 3 km. The results suggest that the simulated Rammasun rain band shapes and distributions at different horizontal resolutions are nearly the same. When the resolution is increased from 15 km to 9 km and then to 3 km, heavy precipitation is observed to spread in all directions from a concentrated distribution, especially when the resolution is increased from 9 km to 3 km. The 6h and 1h heavy precipitations also show a more significant comma-shape distribution. Moreover, the water vapor distribution shows the same characteristics as the heavy precipitation with a notably enhanced ascending movement and a decreased height of the strongest ascending movement. Of the three resolutions, the precipitation distribution simulated at 3 km resolution is the closest to the observed distribution; however, there is still a noticeable difference between the simulated precipitation and the actual observation. With the absence of the convection parameterization in the model, the precipitation distributions simulated at 9 km and 3 km resolutions demonstrate the same features as when the KF convection parameterization is applied. However, the simulated precipitations at these two resolutions are smaller than those obtained with the KF scheme. Meanwhile the difference between the simulated precipitations at these two resolutions is also smaller than that in the latter case. In general, when KF scheme is applied to the model, the simulation effect of Rammasun precipitation is better than that obtained without the convection parameterization scheme.     

MM5模式中不同对流参数化方案的比较试验

应用MM5中尺度模式, 在60、20和10 km模式分辨率下, 分别选用4种不同对流参数化方案 (KUO方案、GRELL方案、KAIN-FRITSCH方案和BETTS-MILLER方案, 以下简称KU、GR、KF和BM方案) 对1996年8月3~4日石家庄暴雨过程进行数值模拟试验.模拟结果的对比分析及其与观测的比较表明:主要雨带位置对参数化方案并不是十分敏感, 但随分辨率提高, 雨带分布特征的模拟更接近实况; 当分辨率提高到10 km时, 虚假的降水中心也明显增加; 模拟的暴雨中心强度随分辨率的提高而增强并随参数化方案的不同有所变化, 但均比实况偏弱.分析还发现, MM5模式的GR、KF及BM方案的次网格降水对总降水的贡献率随分辨率的提高而减小, 而KU方案的情况则呈现出不合理的缓慢增加态势.虽然4种方案下模拟的水平环流特征有较好的一致性, 但模拟的云物理特征和垂直运动特征还是存在一定差别的, 这种差别对定点、定量降水和天空状况、地面气温、湿度等要素的准确预报都会产生影响.因此, 在预报和模拟中应考虑预报和研究对象的特点来选择对流参数化方案.     

The Effects of Model Resolution on the Simulation of Regional Climate Extreme Events

The fifth-generation Pennsylvania State University/NCAR Mesoscale Model Version 3 (MM5V3) was used to simulate extreme heavy rainfall events over the Yangtze River Basin in June 1999. The effects of model's horizontal and vertical resolution on the extreme climate events were investigated in detail. In principle, the model was able to characterize the spatial distribution of monthly heavy precipitation. The results indicated that the increase in horizontal resolution could reduce the bias of the modeled heavy rain and reasonably simulate the change of daily precipitation during the study period. A finer vertical resolution led to obviously improve rainfall simulations with smaller biases, and hence, better resolve heavy rainfall events. The increase in both horizontal and vertical resolution could produce better predictions of heavy rainfall events. Not only the rainfall simulation altered in the cases of different horizontal and vertical grid spacing, but also other meteorological fields demonstrated diverse variations in terms of resolution change in the model. An evident improvement in the simulated sea level pressure resulted from the increase of horizontal resolution, but the simulation was insensitive to vertical grid spacing. The increase in vertical resolution could enhance the simulation of surface temperature as well as atmospheric circulation at low levels, while the simulation of circulation at middle and upper levels were found to be much less dependent on changing resolution. In addition, cumulus parameterization schemes showed high sensitivity to horizontal resolution. Different convective schemes exhibited large discrepancies in rainfall simulations with regards to changing resolution. The percentage of convective precipitation in the Grell scheme increased with increasing horizontal resolution. In contrast, the Kain-Fritsch scheme caused a reduced ratio of convective precipitation to total rainfall accumulations corresponding to increasing horizontal resolution.     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响

为研究不同分辨率和微物理方案对飑线阵风锋模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,对2009年6月5日发生在上海的一次飑线过程分别进行了3、1、0.5 km水平分辨率和一、二阶矩微物理方案的理想试验。结果表明,模式水平分辨率和微物理方案对模拟飑线阵风锋有明显的影响。随模式水平分辨率的提高,模式模拟的飑线弓状回波结构更精细。与3 km分辨率相比,1和0.5 km分辨率模式能很好模拟出飑线后部下沉气流和前部上升气流,模拟的冷池前沿最大风速相对更接近实况。二阶矩微物理方案更能模拟出飑线弓状回波前强后弱的结构特征和飑线过境地面降温幅度,模拟的飑线移动速度、冷池面积和强度、冷池前沿最大风速和雨水蒸发率等均小于一阶矩微物理方案的模拟值。采用1和0.5 km模式水平分辨率及二阶矩微物理方案模式模拟的飑线与WSR-88D多普勒天气雷达探测实况更接近。模式分辨率的提高有利于模拟飑线的维持。对业务数值预报模式模拟飑线阵风锋而言,在计算条件允许的情况下,模式水平分辨率达1 km并采用二阶矩微物理方案可能是需要的。结果还表明,冷池前沿最大风速、冷池强度、模式底层降温幅度、飑线移动速度与雨水蒸发率存在对应的变化趋势,飑线移动速度的变化对飑线阵风锋地面大风的预报有指示意义。改善数值模式对飑线阵风锋预报性能除需关注模式水平分辨率和微物理方案外,还需关注数值模式对雨水蒸发率的模拟能力。     

On the role of resolution and topography in the simulation of East Asia precipitation

Summary In this paper, we investigate the role that horizontal resolution plays in the simulation of East Asia precipitation. Two sets of numerical experiments are performed using the Regional Climate Model (RegCM2) nested in one-way mode within the CSIRO global coupled atmosphere-ocean model. In the first set we use the actual RegCM2 topography at the selected model resolutions, which are 45, 60, 90, 120, 180, 240 and 360 km. In the second set of the experiments, the same coarse CSIRO model topography is used in all simulations using the different resolutions of the first set. The results demonstrate that the simulation of East Asian precipitation improves as the horizontal resolution is increased. Moreover, it is shown that the simulations using a higher resolution along with the coarse CSIRO topography perform better than the simulations using a coarser model resolution with corresponding model topography. This suggests that over East Asia adequate spatial resolution to resolve the physical and dynamical processes is more important than topography. Lastly, the results indicate that model resolutions of 60 km or higher are needed to accurately simulate the distribution of precipitation over China and East Asia.     

INFLUENCE OF MODEL HORIZONTAL RESOLUTION ON THE INTENSITY AND STRUCTURE OF RAMMASUN

We use the WRF (V3.4) model as the experimental model and select three horizontal resolutions of 15, 9, and 3km to research the influence of the model’s horizontal resolution on the intensity and structure of the super-strong typhoon Rammasun (1409) in 2014. The results indicate that the horizontal resolution has a very large impact on the intensity and structure of Rammasun. The Rammasun intensity increases as the horizontal resolution increases. When the horizontal resolution increases from 9km to 3km, the enhancement of intensity is more obvious, but the strongest intensity simulated by 3km horizontal resolution is still weaker than the observed strongest intensity. Along with the increase of horizontal resolution, the horizontal scale of the Rammasun vortex decreases, and the vortex gradually contracts toward its center. The vortex structure changes from loose to compact and deep. The maximum wind radius, thickness of the eye wall, and outward inclination of the eye wall with height decrease, and the wind in the inner core region, updraft motion along the eye wall, and strength of the warm core become stronger. Additionally, the pressure gradient and temperature gradient of the eye wall region increase, and the vortex intensity becomes stronger. When the horizontal resolution increases from 9km to 3km, the change in the Rammasun structure is much larger than the change when the horizontal resolution increases from 15km to 9km. When the model does not employ the method of convection parameterization, the Rammasun intensity simulated with 3km horizontal resolution is slightly weaker than the intensity simulated with 3km horizontal resolution when the Kain–Fritsch (KF) convection parameterization scheme is adopted, while the intensity simulated with 9km horizontal resolution is much weaker than the intensity simulated with 9km horizontal resolution when the KF scheme is adopted. The influence of the horizontal resolution on the intensity and structure of Rammasun is larger than the influence when the KF scheme is adopted.