不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。      

一η模式中高分辨边界层方案及对降水影响的数值试验

利用16层垂直不等距中尺度η模式,引入高分辨边界层湍流闭合方案,且将垂直分层加密至21层。将改进后的模式用于边界层过程的模拟,结果表明,改进后的模式能较好地模拟出边界层的日变化过程及边界层结构;通过对暴雨个例的数值模拟,发现改进后的模式对降水预报的TS评分,特别是暴雨TS评分有明显提高;最后对边界层过程影响暴雨的机制进行了简单的探讨。试验表明,地表潜热通量结合低空急流的水平输送是夏季切变线和准静止锋这一类强降水形成的主要原因之一。     

—η模式中高分辨边界层方案及对降水影响的数值试验

利用16层垂直不等距中尺度1模式，引入高分辨边界层湍流闭合方案，且将垂直分层加密至21层。将改进后的模式用于边界层过程的模拟，结果表明，改进后的模式能较好地模拟出边界层的日变化过程及边界层结构；通过对暴雨个例的数值模拟，发现改进后的模式对降水预报的TS评分，特别是暴雨TS评分有明显提高；最后对边界层过程影响暴雨的机制进行了简单的探讨。试验表明，地表潜热通量结合低空急流的水平输送是夏季切变线和准静止锋这一类强降水形成的主要原因之一。     

山丘地形的陆面过程及边界层特征的模拟

将模式NP-89的陆面过程参数化方法应用到北京大学的三维复杂地形中尺度数值模式中, 得到了一个较理想的三维陆面过程及边界层模式, 利用这个改进的三维模式对20 km×20 km范围的山丘地形的陆面过程及边界层特征进行了数值模拟。模拟结果表明, 由于地形阻挡所造成山后的湍流较山前强, 进而造成近地面温度梯度和感热支出小, 最终造成山后的温度比山前的温度明显偏高; 而且随着山高的增加, 这种现象更加明显, 即该模式对山丘地形条件下的陆面过程和大气边界层特征具有较强的模拟能力; 模拟结果合理, 对研究过山气流形成机制、起伏地形大气边界层物理特征和污染物的扩散具有理论和应用价值。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

随机参数扰动在一次山地暴雨集合预报中的对比研究

基于WRF v3.9模式使用随机参数扰动MYNN边界层方案和RUC陆面过程方案参数对我国西南山地一次特大暴雨模拟,对比评估出山地暴雨集合预报中针对MYNN边界层、RUC陆面过程方案随机参数扰动的较优设置,主要结论如下:随机扰动MYNN边界层方案(SPPM)和RUC陆面过程方案(SPPR)参数试验,扰动的主要是地面和模式低层的变量,扰动能量从模式低层逐步向高层发展,两者相比扰动边界层方案能获得更大的扰动能量;较去空间相关尺度而言,SPPM方案对去时间相关参数的变化更敏感,而SPPR方案由于其扰动能量总体偏小,去空间和时间相关参数的变化对其集合预报性能影响相对较小;SPPM方案中去时间相关选择6 h,去空间尺度选择70 km可以获得较好的集合预报技巧,SPPR方案中相对而言去时间相关选择6 h,去空间尺度选择50 km可以获得较好的集合预报技巧。     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

森林下垫面陆面物理过程及局地气候效应的数值模拟试验

文中基于大气边界层和植被冠层微气象学基本原理 ,建立了一个森林植被效应的陆面物理过程和二维大气边界层数值模式。并应用该模式进行了植被和土壤含水量等生物和生理过程在陆面过程和局地气候效应方面的数值模拟试验。所得数值模拟试验结果与实际情况相吻合。结果表明 ,应用该模式可获得植被温度、植被冠层内空气温度、地表温度日变化特征 ;森林下垫面大气边界层风速、位温、比湿、湍流交换系数的时空分布和日变化特征。该模式还可应用于不同下垫面 ,模拟陆面物理过程与大气边界层相互作用机制及其局地气候效应的研究 ,这将为气候模式与生物圈的耦合研究奠定一个良好的基础。     

浅论西北干旱区陆面过程和大气边界层对区域天气气候的特殊作用

陆面过程和大气边界层是气候系统的重要环节,对大气和气候有明显影响.本文在总结以往研究过程的基础上,归纳了我国西北干旱区陆面过程和大气边界层在4个方面的独特性,分析了这些独特性对天气过程和气候特征的6个方面影响.并且,讨论了陆面过程和大气边界层科学未来需要重点关注的4个重要问题,对如何继续发展做了一些初步思考.     

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。     

WRF耦合4个陆面过程对“6.19”暴雨过程的模拟研

利用WRF模式与4个陆面过程的耦合,对2010年6月19—20日的暴雨过程进行了数值模拟,并分析陆面过程对暴雨强度和范围的敏感性。结果显示：WRF耦合4个陆面过程模拟的雨带和实况分布一致,均为东西向的雨带形状,且均预报出与实况资料相似的强降水中心。在无陆面方案情况下,强降水中心的位置、范围、强度等都发生明显变化。另外地表径流预报量和降水趋势表现一致,由于土壤含水量趋于饱和,多余的降水分配给地表径流,这种剧增的地表径流也是洪水暴涨、水位上升的重要原因。在较湿的土壤状况下,由于净辐射增长,有利于产生厚度更小的边界层高度以及更大的地表向上潜热通量,这也是导致本次降水过程异常增幅的一个重要原因。     

WRF模式多种边界层参数化方案对四川盆地不同量级降水影响的数值试验

利用中尺度模式WRF三种边界层参数化方案(MYJ、YSU和ACM2),对2012年四川盆地夏季连续40天逐日降水量进行数值试验,并检验评估了不同边界层参数化方案下模式对分级降水量和边界层结构的模拟能力,分析了各参数化方案对降水量模拟差异的可能原因。结果表明:三种边界层参数化方案对较小量级(小雨和中雨)降水量的模拟,24 h时效优于48 h,ACM2方案效果较好;对较大量级(大雨和暴雨)降水的模拟,48 h时效优于24 h,YSU方案模拟效果较好。对比分析温江站加密探空观测与模式模拟的大气边界层结构表明,ACM2方案对小量级降水时边界层结构的模拟较为准确,而YSU方案更适合于温江站大量级降水时边界层结构的模拟。不同边界层参数化方案对各量级降水量模拟差异的可能原因是边界层湍流混合强度的不同,MYJ方案湍流混合作用较弱,导致底层大量水汽积聚,不稳定性强,容易产生虚假降水,因此对各量级降水模拟能力均有限;YSU方案具有强烈的垂直混合强度,有利于局地水汽的向上输送,更易达到大量级降水发生发展的条件,适用于盆地较大量级降水的模拟;ACM2方案在保证足够湍流混合强度的同时,在较稳定条件下会关闭非局地输送,不致于产生过强降水,适合盆地较小量级降水的数值模拟     

四维数据同化在一次梅雨锋暴雨过程中的应用研究

通过2008年梅雨季内的一次暴雨过程来着重研究WRF模式中四维测站同化技术的应用情况以及不同的同化策略对模拟结果的影响,使用的同化资料包括常规高空和地面探测资料。结果表明:高空探测资料的同化能够较好地修正中α尺度系统的移动发展速度,从而有效地改进强降雨带的落区位置;湿度观测资料的同化反而降低了强降雨带的降水强度,这可能因为同化湿度观测量可能减小近饱和区域内的水汽混合比,从而导致这些区域内的潜热加热减小,对流强度变弱,降水减少;地面观测资料的同化能够对模式行星边界层进行修正,这种同化影响通常在模式最低层上表现得较为明显,向上逐渐减小,而边界层模拟质量对降水至关重要,因此地面观测资料的加入使得模拟降水更加接近于实况。区域嵌套模拟试验表明对粗网格区域进行四维分析同化处理可以有效抑制中α尺度模式误差的增长,对细网格区域进行四维测站同化处理则可以进一步抑制中β尺度模式误差增长。     

WRF耦合4个陆面过程对“6.19”暴雨过程的模拟研究

利用WRF模式与4个陆面过程的耦合,对2010年6月19—20日的暴雨过程进行了数值模拟,并分析陆面过程对暴雨强度和范围的敏感性。结果显示：WRF耦合4个陆面过程模拟的雨带和实况分布一致,均为东西向的雨带形状,且均预报出与实况资料相似的强降水中心。在无陆面方案情况下,强降水中心的位置、范围、强度等都发生明显变化。另外地表径流预报量和降水趋势表现一致,由于土壤含水量趋于饱和,多余的降水分配给地表径流,这种剧增的地表径流也是洪水暴涨、水位上升的重要原因。在较湿的土壤状况下,由于净辐射增长,有利于产生厚度更小的边界层高度以及更大的地表向上潜热通量,这也是导致本次降水过程异常增幅的一个重要原因。     

Effect of the Vertical Diffusion of Moisture in the Planetary Boundary Layer on an Idealized Tropical Cyclone

Previous numerical studies have focused on the combined effect of momentum and scalar eddy diffusivity on the intensity and structure of tropical cyclones. The separate impact of eddy diffusivity estimated by planetary boundary layer(PBL) parameterization on the tropical cyclones has not yet been systematically examined. We have examined the impacts of eddy diffusion of moisture on idealized tropical cyclones using the Advanced Research Weather Research and Forecasting model with the Yonsei University PBL scheme. Our results show nonlinear effects of moisture eddy diffusivity on the simulation of idealized tropical cyclones. Increasing the eddy diffusion of moisture increases the moisture content of the PBL, with three different effects on tropical cyclones:(1) an decrease in the depth of the PBL;(2) an increase in convection in the inner rain band and eyewall; and(3) drying of the lowest region of the PBL and then increasing the surface latent heat flux. These three processes have different effects on the intensity and structure of the tropical cyclone through various physical mechanisms. The increased surface latent heat flux is mainly responsible for the decrease in pressure. Results show that moisture eddy diffusivity has clear effects on the pressure in tropical cyclones, but contributes little to the intensity of wind. This largely influences the wind–pressure relationship, which is crucial in tropical cyclones simulation. These results improve our understanding of moisture eddy diffusivity in the PBL and its influence on tropical cyclones, and provides guidance for interpreting the variation of moisture in the PBL for tropical cyclone simulations.     

SIMULATION EXPERIMENTS ON THE MM5V3 COUPLED WITH LAND SURFACE MODEL BATS*

In this paper,the complex land surface model BATSle was coupled to the PSU/NCAR MMSV3.And the coupled model was used to simulate the heavy rain in summers of 1991 and 1998.The results show that,with the detailed land surface parameterization,the model can(1) simulate the distribution of heavy rain in Yangtze River Basin in summers of 1991 and 1998 more precisely,and improve the results by increasing the simulated precipitation rate;(2)improve the simulation results of surface temperature:(3)improve the simulation results of the circulation and temperature fields at middle and high levels.     

三峡库区对局地暴雨和江面大风影响的理论模型

从考虑水汽凝结潜热作用的两维非静力平衡方程组出发,利用江陆边界条件,从理论上求得适用于陆地水体的解析解。结果表明,当0〈k〈1.0℃·km-1时（k为水汽凝结潜热）,江风环流比陆风环流强,两岸比江面容易形成暴雨;当k〉1.0℃·km-1时,江风环流比陆风环流弱,江面比两岸容易形成暴雨;当0.5℃·km-1≤k≤0.9℃·km-1时,江陆面上方低层易出现大风。在江陆风环流中心附近流线出现与锋面类似的间断面,可用于解释雷达图上的海陆面上空类切变线的线状回波。此回波与冷锋相遇,易形成暴雨。