一粗细网格模式“三维嵌套”方案的设计及试验结果分析

该文简要地分析了水平侧边界嵌套技术中存在的问题，提出了“三维嵌套”的设想，并就不同范围对水平侧边界嵌套及三维嵌套方案进行了对比试验。试验结果表明：（１）三维嵌套方案对区域模式的降水及中、下层形势场的预报均有所改进；（２）嵌套区域越小，三维嵌套方案对预报的改进效果越明显；（３）三维嵌套方案对预报的改进随积分时间的增长而愈加显著     

一种减少有限区气候模式嵌套误差积累的方法

介绍了一种用于减少有限区气候模式中嵌套误差积累的新方法——三维嵌套方法 ,详细阐述了这种方法提出的原因、必要性和它的理论基础。在有限区气候模式上进行三维嵌套与二维嵌套的对比试验 ,试验结果表明三维嵌套方案可减少嵌套预报误差的积累 ,并且对于降水的预报也有很大的改善。     

一种减少有限区气象模式嵌套误差积累的方法

介绍了一种减少有限区气候模式中嵌套误差积累的新方法－三维嵌套方法，详细阐述了这种方法提出的原因，必要性和它的理论基础，在有限区气候模式上进行三维嵌套二维嵌套的对比试验，试验结果表明三维嵌套方案可减少嵌套预报误差的积累，并且对于降水的预报也有很大的改善。     

MOMS中尺度模式两维和三维嵌套方法的研究

对MOMS模式实施了两维和三维嵌套。探讨了物理量松驰方案的边界条件。对一次快速发展的蒙古气旋进行了模拟对比试验。结果表明：三维磁最能体现大尺度环境场对有限区域天气系统的强迫作用,模拟结果更加逼近实况,并指出这次气旋发展的能量主要来源于大尺度平均运动动能的转换。     

利用有限区域模式对1979年1月东亚平均环流和寒潮过程的初步模拟试验

利用不同分辨率的有限区域数值模式, 由FGGE III b分析场提供模式的初始条件和随时间变化的侧边界条件,通过长时间连续积分对东亚地区5.625～63.75oN、61.375～138.75oE范围内,1979年1月的平均环流和寒潮过程进行了模拟和试验研究。文中首先考察了在研究时段内长时间积分后,模式的计算性能及其稳定性。结果表明,由于强加于模式的侧边界条件的作用,可以使得误差增长控制在一定范围之内。在此基础上进一步分析了误差的时空分布特征及其成因。通过对24小时变高、24小时变温负中心值和逐日温压场的分     

区域气候模拟中侧边界嵌套误差的研究

在复杂地形条件下嵌套细网格模式的基础上，建立了与球圈模式相嵌套的区域模式系统，对几种不同条件下的嵌套误差进行了比较分析，研究了区域模式嵌套误差的特征分布及时空演变特征。初步分析表明:区域模式嵌套造成的误差在不同区域的分布不同，且不同的物理量在时空的分布也不同；动能场的误差主要在边界区上层的流入区，感热场的误差在边界区上层，水汽的误差在边界区上层的流入区；侧边界输入时间间隔对模式嵌套误差有一定的影响。有限区细网格模式在上层长波误差大于粗网格环圈模式上层误差，在下层短波模拟的误差比粗网格环圈模式的下层误差要小。相速误差对侧边界嵌套误差的影响在下层很严重，嵌套误差的大小与大小模式的网格距之比有关；在大小模式物理参数化过程一致的条件下，无日变化的区域模式其嵌套误差远大于有日变化的区域模式嵌套误差。     

利用GCM模式对全球雷电活动的模拟分析

将修正的参数化方案嵌套入美国马里兰大学海-陆-气研究中心的全球大气环流谱模式(COLAGCM),建立了可用于全球雷电活动模拟与估测的模式系统.通过对模式输出与实况资料的对比,检验其气候模拟性能.虽然模式的分辨率较低但经过较长时间积分,仍可再现实况资料的主要特征.性能良好,计算稳定,且因时间步长较大可大大节省机时.耦合模式系统经长时间的积分后,模拟的多年平均的全球雷电频次时空分布及变化与观测分析较一致.全球范围内每秒钟平均有79次的雷电发生,陆海比为12.2.多发生在北半球夏季且具明显的季节变化特征.     

区域和全球模式的嵌套技术 及其长期积分试验

将区域模式嵌入澳大利亚CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）的全球模式中,并将其应用于区域模式的长期气候积分试验。模拟结果表明,当区域与全球模式嵌套时,边界吸收问题十分重要,由区域模式得到的高分辨率大尺度环流形式在边界上必须与全球模式提供的强迫一致,同时区域模式必须给出基于模式内部物理过程产生的高分辨信息。因此,在嵌套过程中,必须仔细考虑缓冲区的设置,使大尺度强迫与中尺度特征充分混合,既保持区域模式内外的一致性,又使区域内部中尺度强迫物理过程得到充分发展。将区域模式与澳大利亚CSIRO的9层21波三角形截断谱模式嵌套后,完成了连续3年的区域气候模式积分。模拟结果表明,由于区域模式较好地刻划了区域尺度的地形、下垫面和海岸线分布等的细节特征,模拟的区域气候特征比全球模式有较大的改进,尤其是对季风降水的模拟,区域模式明显改进了全球模式的模拟结果。     

中尺度业务模式系统侧边界嵌套方法的研究

为提高预报准确率，在对多种嵌套方案试验对比的基础上，选用了一种计算效果较好，方法也不甚复杂的Ｄａｖｉｅｓ物理量松弛方案，对中尺度业务模式系统进行了预报试验。其网格边界值采用Ｔ４２Ｌ９谱模式的预报值。嵌套模式与原模式用同一个例进行了预报对比试验。结果表明，嵌套方案考虑了大尺度环流背景场在边界附近对中尺度系统的强迫作用，提高了有限区域模式的实际预报能力。     

阴阳网格上通量型非静力模式动力框架的理想试验

为改善球面经纬度网格在高分辨率应用的苛刻限制,提高全球大气动力模式的时间积分效率,选取以阴阳网格为基础构建通量型非静力大气模式动力框架,采用有限体积法和通量型平流显式算法积分方案,保证模式的守恒计算性能。该动力框架在标准三维大气理想试验中进行了中期积分试验,对动力框架的计算效果、性能进行检验。在三维平衡流试验,罗斯贝-豪威茨波试验和山脉罗斯贝波试验中均表现出很好的稳定性和三维计算效果,其中水平2.5°分辨率模式的平衡流垂直速度误差为10-5量级,而经向速度误差在10-2量级,罗斯贝-豪威茨波保持基本波形稳定传播,而地形罗斯贝波试验则给出背风坡激发低槽在发展过程中不断向下游和南半球传播。      

地气耦合非定常距平模式的准业务预报试验

本文用地气耦合非定常距平模式对1988年1—12月北半球100 hPa、500 hPa、海平面气压和地面温度的月距平场进行了为期一年的逐月30天预报准业务试验。结果表明，模式对月距平场距平符号的趋势预报以100 hPa效果最好，海平面气压较差；模式对500 hPa、地面温度的月距平场预报优于持续性预报，表明该模式对距平场形势有一定的预报能力。试验结果还表明，模式预报在中低纬优于中高纬；但对不同层次、不同月份的预报效果不够稳定，而且对低值系统预报能力较差。模式的一个突出问题是预报场空间过份平滑，尚须作进一步试验、改进。     

长江三角洲城市群对夏季降水影响机制的模拟研究

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,对长江三角洲城市群夏季城市化效应进行了5 a(2003—2007年)高分辨数值模拟,并作了长江三角洲地区有无城市的对比试验。结果表明,城市化使得长三角城市群及其邻近地区,夏季近地层水汽混合比呈明显减少趋势,而850~700 h Pa层的水汽混合比有所增大。通过对比有与无城市各等级降水日所对应的2 m水汽混合比,得出小雨降水日对应的2 m水汽混合比差异与总降水日对应的差异最为接近。通过分析环流场、散度场和垂直速度场发现,水汽混合比的垂直变化是由于城市群的存在使得近地层辐合、850~700 h Pa层辐散的配置增强,以及在城市群上空增强了的垂直上升运动,从而增强城区对流活动,水汽的垂直输送也更为活跃,由此可能导致对流性降水的增加。     

不同初始场资料对台风“桑美”数值模拟的影响

以2006年超强台风"桑美"为个例,分别以GFS(全球预报系统)再分析资料和JMA(日本气象厅)区域客观再分析资料为初始场,利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对台风"桑美"进行高分辨率数值模拟,分析不同初始场资料对台风内部结构和移动路径的影响。结果表明:对于500hPa高度场和850hPa水汽、风场等预报,GFS再分析资料和JMA区域客观再分析资料均能较好地把握台风整体的流场形势。从700hPa风场、近地面风速、降水、雷达反射率、最小海平面气压和最大风速等模拟效果来看,JMA区域客观再分析资料均优于GFS再分析资料。对于台风路径的预报,前15h内JMA区域客观再分析资料较GFS再分析资料要好,而15h之后,以这两种资料作为初始场的台风预报路径与实况均有较大偏差。     

基于气象要素内插的GPS水汽反演方法研究与精度分析

准确获取测站气压和温度对GPS水汽反演至关重要。由于我国地域辽阔、经济和社会发展的差异较大,我国GPS气象站网有部分站点未布设气象传感器,无法准确获取测站的气压和温度,其对测站上方水汽造成了较大影响。本文提出一种增加高度订正的反距离加权法,并利用全国113个GNSS气象站(包括25个实验站点,88个插值站点)的连续3个月的气象数据对该方法进行验证。结果表明,内插得到的气压和温度的均方差为1.53 hPa和1.18 K,平均偏差为0.94 hPa和0.82 K。精度随着内插站点与实验站点之间高差的增大,偏差随之增大。最后将内插得到的气压和温度应用于GPS水汽解算,并与GPT-2模型的精度对比。内插气象数据得到的PWV(Precipitale Water Vapor)的均方差和平均偏差为0.59 mm和0.38 mm,精度明显优于GPT-2模型。     

滇西北高原一次突发性特大暴雨过程水汽输送特征分析

针对滇西北高原华坪县一次突发性特大暴雨天气过程,采用常规计算及数值模拟方法,分析其水汽输送特征。结果表明:中南半岛热带低压及孟加拉湾低压稳定维持为暴雨区水汽输送通道建立提供较好的大尺度环境场;暴雨区存在两条水汽输送通道,孟加拉湾低压东侧偏南气流转向后形成的西南水汽输送与副热带高压南侧偏东气流转向后形成的西南水汽输送,其源地可追溯至南海、西太平洋、孟加拉湾、阿拉伯海等地;水汽输送及水汽辐合主要来自700hPa以下层,其中700hPa与850hPa水汽输送特征与整层水汽输送特征表现一致;数值模拟结果可较好再现暴雨区水汽输送特征,同时发现后向追踪时段内,暴雨区中低层水汽输送起始于该高度层之上,随暴雨发生时间临近水汽输送高度逐渐降低。     

L波段探空仪湿度资料偏差订正及同化试验

L波段探空仪观测资料是基础资料之一,无论在天气预报还是在数值天气预报中都起着重要作用,其资料质量直接影响数值模式同化分析及降水预报准确性。通过对我国3种常用的L波段探空仪观测湿度的偏差特性比较,研发适合该仪器的偏差订正方案,并在GRAPES同化系统中加以试验应用。结果表明:L波段探空仪湿度观测资料与ECMWF再分析湿度场比较有偏干现象。多种偏差订正方案订正结果显示:湿度偏差值比订正前减小,特别是在500 hPa以上层次减小明显。在GRAPES分析同化系统中使用Vomel偏差订正方案,分析偏差减小5%;预报模式个例和连续试验中湿度观测订正后预报降水更接近实况,预报降水检验评分显著提高,故该订正方案在实际应用中表现出积极的正效果。     

长波辐射对大气变化的敏感性和在WRF模式中的应用检验

用RRTM长波辐射 (LWR)参数化方案测试了LWR对大气变化的敏感性。结果表明 :高云对向外长波辐射(OLR)、30 0和 5 0 0hPa净LWR通量的减弱作用较中、低云大 ;低云对 85 0hPa和地表净LWR通量的减弱作用较中、高云大。在云层中 ,LWR冷却率受云影响最大 ;在云层下方 ,云对LWR的影响迅速减小 ;而在云层上方 ,冷却率几乎不受云的影响。当水汽含量减少或增加时 ,地表向下LWR受到相应减弱或增强 ,而净LWR则在一定程度上受到相应增强或减弱 ,并且越接近地面 ,受到水汽变化的影响就越大。O3 对LWR的影响相对云和水汽来说是比较小的。文中介绍了在WRF模式中应用RRTM方案预报LWR不同季节的 2个个例 ,给出了应用NCEP/AVN分析资料预报和验证中国范围 2d之内LWR通量的模拟结果。试验表明 ,OLR和 5 0 0hPa净LWR通量与高度形势场有较好的对应关系 ,而地表净LWR很大程度上还受到地形的影响。     

上对流层/下平流层水物质分布与输送特征

基于Aura卫星微波临边探测仪（MLS）探测的水汽、冰水含量和温度等资料,对比分析了夏季亚洲季风区与北美季风区、暖池区以及伊朗高原上对流层/下平流层水汽、冰水含量以及水物质总含量（水汽和冰水含量之和）的分布特征,并探讨了不同区域水汽的输送过程。结果表明：在215-83 hPa高度上水物质总含量在亚洲季风区均出现了高值中心,且亚洲季风区水物质总含量明显大于北美季风区;在215 hPa高度水汽对水物质总含量起主要的贡献,而到了147-83 hPa高度,冰水含量与水汽对水物质总含量的贡献大致相当,亚洲季风区上对流层/下平流层水汽的高值中心揭示了反气旋对水汽的隔离作用。水汽混合比在147 hPa和100 hPa高度不同的概率密度分布反映出不同高度影响水汽输送的不同因素。北半球冬季暖池区100 hPa上空温度极低,水汽混合比峰值概率仅为2 ppmv;而在147 hPa高度上,亚洲季风区频繁的深对流使得大量水汽被输送到对流层上层,这是亚洲季风区水汽概率“长尾”分布的主要原因。在100 hPa和147 hPa高度,冰水含量主要集中在小值,可能是由冰晶粒子消耗水汽而增长到一定尺度后沉降造成的。     

2010年前汛期末华南西部和东部暴雨对比分析

2010年前汛期末期华南出现暴雨过程,暴雨在华南西部与东部有区别,利用NCEP再分析资料和常规观测资料,分析此次暴雨特征与机理。结果表明：对华南整体而言暴雨期间高层受南亚高压东南伸弱脊辐散区影响;中层副热带高压西伸脊先东退、后西伸;暴雨区位于低层相当位温锋区南侧、气流辐合;边界层偏南风急流形成后暴雨发生。分区而言,华南西部两次出现各持续1 d的多站点暴雨时期;每次暴雨站数明显增加之前低层能量大、中低层层结不稳定且整层大气可降水量大;两个多站点暴雨日期之间边界层中尺度偏南风急流有两次明显减弱,低层水汽辐合与上升运动发生明显中断。华南东部多站点暴雨只出现一次但持续3 d,虽然在暴雨前期3个指数条件都没有西部两次暴雨前期好,但是连续3 d多站点暴雨期间较大尺度偏南风边界层急流基本维持,低层水汽辐合与上升运动没有发生明显中断,导致了东部暴雨站点多、强度大、持续时间长。因此对于华南前汛期暖区暴雨而言,边界层偏南风急流的生消活动与水平尺度均很重要。     

北半球50 hPa位势高度距平场的EOF分析及其与对流层的比较

本文以EOF方法为基础对北半球50 hPa高度月平均距平场进行了分析，指出北半球50 hPa场存在着几种定常的环流型，且它的距平场的EOF展开精度具有相当好的稳定性。另外，北半球50 hPa高度月平均距平场高、中纬之间存在着远远超过α=0.001信度检验的“跷跷板”式振荡。功率谱分析发现，北半球50 hPa环流场有着显著的准2—3年及准4个月振荡周期，赤道平流层QBO现象在高度场上也有清楚的反映。通过与对流层的EOF分析比较得到，500 hPa与50 hPa第一、第二特征向量场有相似的空间分布，但对于EOF展开无论是从拟合精度的稳定性还是收敛性看，平流层都远远优于对流层。