CWRF边界层参数化对东亚近海热带气旋模拟的影响评估

基于CWRF模式结果,探讨了6种边界层参数化方案对30 a东亚近海热带气旋的强度、频数及路径模拟的可能影响。结果发现:CWRF模式中各边界层参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,模拟强度相比观测也均偏弱。热带气旋的强度、频数及出现频次的空间分布对模式边界层方案的选取较为敏感。CAM3方案模拟强热带气旋的能力较其他方案偏好,ACM方案在多数年份模拟的热带气旋个数偏多,且在不同月份模拟的热带气旋生成频率与观测最接近,CAM3方案模拟的热带气旋出现频次与观测的偏差在大部分地区偏小。综合来看,CWRF模式中边界层参数化选用CAM3方案模拟热带气旋活动的性能较好。     

海洋飞沫对热带气旋边界层结构的影响

将海洋飞沫参数化引入到一个高分辨率、非静力中尺度WRF模式中,对0908号热带气旋Morakot进行数值模拟,探讨了海洋飞沫对热带气旋Morakot边界层结构和强度的影响。模拟结果表明:采用新参数化后,对热带气旋Morakot的强度预报有改进,但对热带气旋移动路径改进不大;其次,通过对边界层过程的改进,使得眼墙区域的平均径向风速、切向风速、温度、相对湿度、垂直风速、热通量,降水等物理量均有增强,各物理量的贡献对热带气旋Morakot强度和结构变化的影响十分重要。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式(Climate Extension of Weather Research and Forecast Model)结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现:CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大; Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

台风"卡努"(0515)加强过程对边界层参数化方案的敏感性试验

利用中尺度非静力MM5模式，分别选用Eta、Blackdar和MRF3种边界层参数化方案，对台风“卡努”（0515）登陆前加强过程进行数值模拟，模拟结果对比分析及其与实况的比较表明：边界层方案对台风强度有明显影响，“卡努”个例试验中Eta方案模拟的台风强度较好，Blackdar方案次之，而MRF方案较差．边界层通量分析表明这种差别主要是由水汽凝结潜热释放多寡造成的．边界层方案的差异也导致台风动力和热力结构在水平和垂直分布上都出现显著差异．     

东海区台风模拟数值敏感性试验研究

采用分辨率为1(°)×1(°)的NCEP全球格点再分析资料,基于WRF模式结合典型台风个例,研究了不同积云对流参数化方案以及边界层方案的参数化方案组合对东海区14个台风的台风路径与强度模拟的敏感性,并比较分析了不同参数化方案组合对大尺度环流场以及潜热释放的影响。结果表明,虽然东海区台风路径模拟对于参数化方案组合的选择具有一定的"个例依赖性",即不同台风个例的最佳参数化方案组合有所变化,但综合来看,依然能够较为清晰地揭示KF积云对流方案与MYJ边界层方案的参数化方案组合模拟台风路径效果最佳。东海区台风强度模拟对于参数化方案组合的选择没有"个例依赖性"的特点。研究发现,KF积云对流方案与YSU边界层方案的参数化方案组合模拟台风强度效果最佳。通过对台风典型个例的研究发现,KF积云对流方案与MYJ边界层方案的参数化方案组合模拟大尺度环流场效果最佳。对于强度"迅速加强"的台风,KF积云对流方案与YSU边界层方案组合模拟更加准确,KF积云对流方案与MYJ边界层方案组合敏感性稍差;对于强度"逐渐加强"的台风,KF积云对流方案与YSU边界层方案组合则敏感性过强,致使台风强度偏低,误差增大。此时,KF积云对流方案与MYJ边界层方案组合模拟敏感性较好,强度模拟更加准确。     

边界层高度和动量粗糙度的不确定性对台风“天鸽”(1713)模拟的影响

基于中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-TYM),通过一系列敏感性试验,分析研究了台风“天鸽”(1713)生命过程中不同时间阶段的移动路径及强度的数值模拟对模式参数化方案中边界层高度(h)和动量粗糙度(z₀)的敏感性。试验结果表明,使用不同参数化方案计算的h在“天鸽”(1713)初期的热带风暴阶段对热带气旋的移动路径有较明显的影响,在台风成熟后对热带气旋的移动路径影响不显著 ;台风中心附近最大10 m风速对h的变化不敏感,而最低海平面气压对h的变化却非常敏感。同时发现在台风发展初期阶段,边界层过薄或过厚都不利于台风强度的发展加强。这表明边界层高度h在热带气旋数值模拟和预报中是非常重要的,尤其是在台风发展的初期阶段。动量粗糙度z0的变化对台风“天鸽”的影响主要体现在台风增强阶段,台风中心附近10 m风速最大值在台风增强阶段对z₀敏感,尤其是在台风发展的初期阶段     

有限区域大气-海浪耦合模式的建立及海表粗糙度参数化试验

利用LINUX操作系统下的进程通讯(IPC)技术将中尺度大气模式MM5(V3)与第三代海浪模式WW3进行双向耦合,建立考虑大气-海浪相互作用的风浪耦合模式,在耦合模式中引入3种海表粗糙度参数化方案,通过对一次热带气旋过程的模拟,研究大气-海浪相互作用对热带气旋系统的影响及耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性。结果表明:LINUX系统下的进程通讯技术可以方便有效地实现大气和海浪模式的双向耦合,模式运行稳定;耦合模式能够较好的模拟热带气旋的发展和演变过程及其影响下海浪场的分布和演变,模拟结果对海表粗糙度参数化方案较敏感;海浪的反馈作用同时影响了海气间的动力和热力作用过程,不同的海表粗糙度参数化方案下,海浪对两种作用过程不同的影响程度决定了其对气旋系统强度的影响。     

利用TRMM资料对热带气旋“威马逊”结构及其降水特征的研究

利用NASA提供的热带测雨卫星(TRMM)资料和NCEP/AVN模式的实况分析场研究了热带气旋“威马逊”(2002)的演变过程、结构和降水特征.对要素场及倾斜对流有效位能诊断分析发现,降水的分布和强度对热带气旋的发展有很好的指示作用.针对MM5的几种积云参数化方案进行了数值试验,初步研究了各方案在热带气旋定量降水预报(QPF)中的作用.     

一个区域海-气耦合模式的建立:模式验证及其对热带气旋“云娜”的模拟

本文以区域热带气旋模式(GRAPES-TCM)为基础,引入海洋环流模式(Estuarine,Coastal and Ocean Model(semi-implicit),ECOM-si)和Ocean Atmosphere Sea Ice Soil 3(OASIS3)耦合器,建立了一个区域海-气耦合模式。利用该模式对0414号热带气旋"云娜"进行了数值模拟,验证了模式的性能。结果表明,耦合模式模拟的"云娜"强度相比单独的大气模式更接近观测,单独大气模式模拟的近地面风场偏强,而耦合模式模拟的近地面风场的强度和非对称结构均与观测更为接近。数值实验中,"云娜"热带气旋过境引起的海表面温度的下降与实况接近,海表面温度下降引起的海-气热通量相比控制实验的结果明显下降,分析资料表明这一下降是合理的。海洋模式的引入导致了热带气旋"云娜"结构的变化,这种变化不但反应在径向风的减弱(强度下降),还反应在对流强度和最强对流发生位置的变化,并最终引起了热带气旋降水结构的改变。     

海面风应力拖曳系数参数化方案对风暴潮数值模拟的影响

为了比较不同的海面风应力拖曳系数参数化方案在风暴潮数值模拟中的效果,采用9种不同的风应力拖曳系数参数化方案对湛江附近海域15个热带气旋风暴潮进行数值模拟.模拟结果表明,不同风应力拖曳系数参数化方案对热带气旋风暴潮增水最大值的数值模拟效果不完全相同,在风暴潮数值模拟中要选择合适的风应力拖曳系数参数化方案;文中Smith(...     

MPAS-A模式中不同积云对流参数化方案对西北太平洋台风模拟效果的影响

利用MPAS-A模式,针对模式中的New-Tiedtke,Grell-Freitas和Kain-Fritsch 3种积云对流参数化方案,选取2016—2017年期间的10个西北太平洋台风个例,研究了不同积云对流参数化方案对西北太平洋台风路径与强度模拟效果的影响,并讨论了其影响的物理机制。试验结果表明:3种积云对流参数化方案对MPAS-A台风模拟效果存在一定差异,New-Tiedtke方案模拟的路径和强度总体效果与观测最接近。影响机制分析表明,不同积云对流参数化方案使得模拟西太副高的位置不同,即引导西北太平洋台风的环境气流不同是造成路径差异的原因;而不同积云对流参数化方案模拟的台风中心对流不稳定高度不同,即潜热输送和释放不同,是造成台风强度不同的原因。     

厄尔尼诺与影响福建的热带气旋

资料统计分析显示,ＥｌＮｉｎｏ年,影响福建的热带气旋较常年显著偏少,ＬａＮｉｎａ年,影响福建热带的气旋较常年偏多,ｔ检验表明,两者之间差异显著。其机制是,ＥｌＮｉｎｏ活动期间,西太平洋副热带高压强度大,位置偏南、偏西、ＩＴＣＺ位置偏南,热带气旋生成区对流活动弱,不利于热带气旋的生成和北上影响福建,ＬａＮｉｎｅ年,副热带高中度北,位置偏北,偏东,ＩＴＣＺ位置偏北,热带气旋生成区对流活动旺盛,有利于热     

海洋飞沫对热带气旋影响的数值模拟研究——以“鲇鱼”台风为例

本文在海-气-浪-沉积输运耦合模式COAWST(The Coupled-Ocean-Atmosphere-Wave-Sediment Transport Modeling System)中,添加包含海洋飞沫效应的拖曳系数C_D和热焓交换系数C_K参数化方案,探讨海洋飞沫的动力学和热力学效应对热带气旋的影响。数值实验结果表明,海洋飞沫效应可有效改进热带气旋的路径模拟结果;只考虑海洋飞沫动力学效应时,对海表动量通量的影响甚少,可使向上感热通量和潜热通量略有增加;同时考虑海洋飞沫动力学和热力学效应时,可使海表动量通量略有增加,并使向上感热通量和潜热通量显著增加,海洋飞沫主要通过热力学效应有效增加热带气旋强度,对热带气旋强度模拟的改进效果相比于仅考虑海洋飞沫动力学效应更显著。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

非绝热加热对热带气旋径向非均匀结构的影响

利用平面极坐标系下无摩擦有外源(非绝热加热)的正压无辐散方程,将热带气旋的物理量分解成环境场和扰动,进而求出了热带气旋扰动的行波解,并分析了风场(切向、径向)和重力位势扰动场的径向非均匀松紧结构.表明:这种松紧结构与热带气旋所在纬度的科氏参数(f)、热带气旋的强度(Ω)、热带气旋扰动的圆频率(ω)、热带气旋扰动在θ方向的角波数(m)有关,且不同要素的松紧结构不尽相同;同时还受非绝热加热(Q₁)的影响,这种影响主要表现在使风场(切向、径向)呈内紧外松的非均匀分布.     

海面状态参数化对海上大气边界层数值模拟的影响研究

由于海上大气边界层的下垫面是复杂多变的海面,因此海面状态的参数化对海上大气边界层数值模拟起到十分关键的作用.采用高分辨率的大气边界层模式进行敏感性试验研究,讨论了不同海面参数化方案对海上大气边界层数值模拟产生的影响.结果表明:几种海面粗糙度参数化方案在中低风速下模拟垂直结构主要的差异出现在边界层和自由大气分界面上;考虑...     

WRF模式中台风"启德"模拟对 参数化方案的敏感性分析

为准确模拟台风路径和强度,采用WRF模式比较不同微物理过程和积云对流过程参数化方案对台风路径和强度模拟的影响,并基于集合预报方法考虑对台风预报系统误差进行优化。选用4种微物理过程方案和3种积云对流参数化方案,针对1213号台风“启德”进行模拟,结果表明不同的参数化方案对台风路径和强度的预报结果有明显影响,积云对流过程参数化方案相对于微物理过程参数化方案更加敏感。基于不同参数化方案扰动成员的集合平均预报方法,对于台风路径和强度的模拟误差均有明显改善,台风路径误差随时间增幅较小,其结果优于全部12个单方案试验的模拟结果;从台风强度方面来看,基于集合预报方法模拟得到的台风强度变化趋势与实况结果一致,且误差较小,优于大多数试验方案。结果表明:采用不同微物理过程和积云对流过程参数化方案的组合构建的集合预报模型,对于台风路径和强度的模拟均有一定程度改善,减小了采用不同参数化方案产生的路径不确定性,使其在台风“启德”的路径模拟上与实况更为接近,可为提升台风预报能力提供科学参考。     

渤海海峡沉积物输运的参数化计算

本文以2018年冬季渤海海峡两个站位的定点连续观测数据为基础，使用一维参数化方案，计算了观测站位底边界层内的水平悬浮物输运通量以及推移质输运量。在参数化方案中，简化的一维对流扩散方程被用于计算底边界层内的垂向悬浮物浓度。为了验证参数化方案的可靠性，本文基于观测数据对比了两种底剪切应力计算模型、四种临界起动剪切应力计算方法和两种一维对流扩散方程解法。对比结果表明:(1)不同模型计算的底剪切应力结果相近；(2)临界起动剪切应力受到颗粒间黏性作用的影响；(3)一维对流扩散方程的求解过程需要考虑沉积物浓度的分层效应和不同粒级颗粒临界起动剪切应力的差异。基于上述对比结果确定的最优参数化方案，进一步计算了观测站位的沉积物输运量:(1)在有再悬浮的时段，距底5 m内的水平悬浮物通量占全水深悬浮物通量的比例(T01站约为21%，T02站约为17%)显著高于相同层位水通量的占比；(2)依据参数化方案估算的冬季平均的悬浮物通量比忽略底边界层悬浮物浓度垂向变化的传统方法结果高约16%；(3)推移质输运量比悬移质输运量约低两个数量级。     

陆地水体对气候影响的数值研究

本文提出了一个非静力平衡中小尺度数值模式,在模式中包含云的微物理学参数化方案、地面温度和水温预报方案、边界层湍流参数化方案、长波和短波辐射参数化方案,且包含地形。模式具有较好的积分稳定性,能精确地模拟边界层内气候的演变过程。本文用该模式研究了陆地水体对温度、湿度、风和湍流强度的影响,模拟结果与实测资料一致,反映了陆地水体对周围气候环境的影响过程和规律。     

浙江沿海热带气旋风场兰金涡旋模型的检验与优化

基于2010—2013年严重影响浙江沿海的热带气旋资料、浙江省自动气象站及宁波凉帽山370 m高塔资料,引入兰金涡旋模型,提出一种最大风速半径计算方案,进行最大风速半径和不同形状因子的试验和检验分析。结果发现:对于严重影响浙江沿海海面的热带气旋,选择适当形状因子的兰金涡旋模型是适用的,形状因子与热带气旋结构有关,对强风带范围大的热带气旋形状因子取值相对大,形状因子在0.8—1.1之间得到浙江沿海站点兰金风速平均误差最小值。气象站点距离海岸线远近对兰金风速误差有最重要的影响,站点越远离海岸线,其兰金模型风速越接近实况,站点越靠近海岸线,其兰金风速越容易比实况偏强。多元回归订正能在一定程度上减小兰金风速误差。宁波凉帽山高塔资料分析表明:选择适当的形状因子可使得拟合边界层风廓线更接近于实况。