云南快速更新循环数值预报系统及其12小时降水预报检验与改进

以中尺度WRF模式为基础,参照北京地区高分辨率快速更新循环同化系统,建立了云南快速更新循环数值预报系统(WRF-RUC)。为了充分了解该系统在云南省的预报性能,对预报结果进行个例和2016年6~7月检验。结果表明:快速更新循环同化数值预报系统能进行强降水过程预报,但与业务化“区域WRF数值预报系统”预报结果相比,12h降水预报评分较低。通过个例数值试验表明WRF-RUC系统进行本地化参数方案试验,挑选适合云南省的物理方案,是系统预报效果改进的有效途径。     

WRF模式中3种闪电参数化方案的对比分析

利用WRF 模式V3.6.1 中3 种基于经验公式的闪电参数化方案对2013-07-05 江苏省内的1 次飑线过程进行数值模拟,对比3 种方案在模拟闪电位置和频数的特点,分析模拟结果的成因。结果表明：PR92w 方案能够很好地模拟闪电的分布位置;PR92z 方案的模拟结果和PR92w 方案正好相反,闪电频数与实测结果有很好的一致性但分布位置出现偏移;LPI 方案虽然能指示闪电分布区域,但对高闪电密度区的预报有一定误差。3 种方案的模拟结果表明：垂直风速和雷达回波是影响模式预报闪电频数和分布的重要因素。因此,增大网格模拟精度和同化雷达资料是改善PR92 方案模拟效果的重要途径。     

天山北坡经济带“组团”点轴城镇空间结构研究

以1990-2007年天山北坡城镇GDP、土地、人口、交通数据为资料,根据城镇空间分布“最近邻点指数”理论,空间相互作用和分形理论,分析了天山北坡城镇空间分布特征,构建了绿洲城镇相互作用强度判断模型,提出并论证了“组团”点-轴空间结构模式优越性。研究发现:①天山北坡经济带城镇人口规模和经济规模在空间结构呈现3个城镇高密集区,两个城镇稀疏区特征;②传统绿洲城镇空间结构下,城镇接受中心城市辐射差异很大,不利于城镇整体发展;③以“乌鲁木齐都市圈”为点的“组团”点-轴空间结构模式,有利于中心组团城镇对其他城镇的辐射;④以“５组团”为点的点-轴模式有利于组团之间的相互作用,有利于城镇发展;⑤天山北坡经济带向伊犁河谷延伸有利于中心组团城镇对其他组团城镇的辐射。     

沙尘浓度资料与AMSU辐射率资料同化在GRAPES_SDM沙尘暴模式中的应用

利用GRAPES_SDM沙尘暴模式及GRAPES_3DVAR系统,设计了4种试验,分别为没有同化的CTRL控制试验、仅同化探空资料的noPM试验、同时同化探空和PM10的PM试验和同时同化探空和AMSU辐射率资料的NOAA试验,对2011年4月28日-30日发生在中国北方地区的一次大范围沙尘暴过程进行了分析和对比模拟试验。结果发现：仅同化探空资料时,模式能够反映出沙尘天气系统的发展演变情况,但沙尘天气分布范围和强度的模拟效果没有明显改进;初始场中考虑了PM10沙尘浓度的分布后在很大程度上能够改善GRAPES_SDM沙尘暴模式对沙尘分布范围和强度的模拟效果;同化AMSU辐射率资料后,模式对500 hPa环流形势和200 hPa高空急流均有较好的模拟效果,从而模式对沙尘分布范围的模拟能力也有较好的改善,但对沙尘天气强度的模拟略有增强。这不仅说明PM10和ASMU辐射率资料的使用对于提高沙尘暴过程模拟效果是可行的、必要的,而且也为这两种资料用于沙尘暴预报奠定了一定基础。     

四种再分析辐射资料在东南极高原适用性评价

利用东南极Panda-1站2011年2月至2012年1月期间的辐射观测资料,检验了四种再分析资料在该地区的适用性。结果表明:对各辐射分量ERA interim在Panda-1地区的适用性都明显好于其他三种再分析资料,这主要归因于其四维变分(4D-VAR)数据同化系统的应用、新的云预报方程和改进的参数化方案以及同化了更多的卫星资料雷达等非常规探测资料。对于向下短波辐射,NCEP-1与实测值之间偏差最大(18.7 W·m-2),可能原因是模式对大气透明度的高估和对云量的低估。对反射率模拟的偏差直接导致了各模式对净短波辐射模拟偏差。NCEP-1与JCDAS都低估了Panda-1地区的地表反射率,模式中,地表吸收了更多的向下短波辐射,最终导致对净短波辐射模拟偏高。对向下长波辐射,四种再分析资料都存在不同程度的低估,冬季偏差大于夏季,其中NCEP-1与NCEP-2偏差最大(分别为-62.6 W·m-2和-37.3 W·m-2)。四种再分析资料均不能很好地反映Panda-1地区净辐射的年变化情况,一般而言,夏季偏差小,冬季偏差大。虽然再分析资料存在明显的缺陷和不足,在广袤的东南极高原地区,观测站点稀少,实测资料无法满足需要,再分析资料仍不失为研究东南极地区气候的一种有效工具。     

北极海气界面过程数值模拟的敏感性试验研究

采用Colorado州立大学ARCSCM（Arctic Single-Column Model）极地柱模式,对北极表面能量平衡和低层大气结构进行模拟试验,并将模拟结果与SHEBA资料进行对比分析。对模式中的云物理过程参数化以及辐射参数化方案进行了敏感性分析,研究不同的参数化方案对北极地区海气界面过程数值模拟的影响。研究结果表明,ARCSCM模式能够模拟北极表面辐射与能量平衡的物理过程,而对于不同的参数化方案其模拟的结果有很大的差异。     

山区流域暴雨洪水的数值模拟

基于中尺度天气研究预报模式WRF和流域水文模型对我国夏季山区的暴雨洪水进行模拟研究。首先,结合新安江水文模型和TOPMODEL自主研发了一个动态结合地面地下产流计算的新水文模型XXT,并选取成熟的天气研究预报模式(WRF)的模拟结果作为XXT的输入进行洪水模拟。其中WRF模拟采取3重区域嵌套模拟再现了2007和2008年夏季山东南部沂沭泗河流域的3次暴雨过程。模拟结果表明,WRF对暴雨的时空分布有较好的模拟与预测能力,模拟结果与观测一致性较好,逐时降水过程较观测更为连续,峰值有一定差异,总量略有偏大。WRF模拟的逐时站点表层土壤湿度与自动站观测的变化趋势一致,峰值偏大,空间分布与降水有着较好的响应关系。总格点径流深的计算结果同样与降水对应得较好,基本能重现出暴雨-径流过程的时空变化特征。其后,利用收集的实测降水资料率定XXT的模型参数,进而将WRF模拟的降水和潜在蒸散发输入到XXT进行流域出口洪水流量的模拟,其中2008年的模拟结果取得了0.91的效率系数,而2007年2次个例由于偏高的降水,使得洪峰流量较观测有偏大,但与观测的时间相关系数高达为0.89和0.91。研究对于山区暴雨洪水的预报预警和防汛决策具有一定的参考价值。     

新疆区域经济差异时空演变特征分析

区域经济差异是经济发展过程中不容忽视的问题。通过基尼系数、人均收入差异系数、“崔王指数”、锡尔系数4种区域差异演化指数的计算,结合GIS空间分异和空间自相关分析,探讨了新疆区域经济差异的时空演变特征。结果表明:①新疆区域经济差异不断扩大,极化水平不断增强;南北疆内部区域经济差异与总体变化趋势一致,北疆内部、城市内部的经济差异对总体差异的作用显著。②区域经济发展的重心不断北移,极化中心基本显现;空间自相关高值区集中分布在天山北坡,低值区域不断扩大至整个南疆地区;北疆极化中心克拉玛依市“高-高”极化作用显著,乌鲁木齐市、鄯善县的“高-高”作用不显著,有待提升;南疆极化中心库尔勒市仅在改革开放初期“高-低”作用显著,近年来阿克苏市“高-低”作用显著,有望发展成为新的极化中心。     

京津冀地区无人机航路气象因子高分辨率模拟分析

京津冀地区低空环境复杂多变,低空飞行安全受到雷暴、风切变、能见度、温度和湿度等气象因子的影响,准确地模拟和预报无人机低空航路上的气象要素是一个难题。基于中尺度天气预报模式(WRF)及其先进的三维变分同化系统(3D-Var),论文以2016年华北“7·20”特大暴雨作为研究案例,对京津冀地区无人机低空航路上的温度场、湿度场和风场进行资料同化与数值模拟,对比地面观测资料和数值模拟结果,分析其结构及特征,以期为京津冀地区无人机航路飞行安全保障提供参考。结果表明：WRF模式能够较好地模拟出该地区近地面温度、湿度和风速的日变化趋势。平原站点(天津和密云)模拟值与观测值的均方根误差(RMSE)和偏差(Bias)较小,风速在山区的模拟值偏大,平原地区的模拟效果优于北部和西部山区。强降水发生时,平原地区和山区的温度相差15 ℃左右,相对湿度达95%以上,边界层高度低于500 m,强烈的温差、较高的湿度和较低的边界层都会影响无人机的飞行安全。900 hPa高空,沿117°E经线在河北省廊坊—衡水一线出现超过10 m·s^-1的风速值,形成强劲的东北风,区域北部(39°N~40.5°N)出现了明显的上升气流,1000 m高度处垂直风速也超过2 m·s^-1。强烈的上升气流极不利于无人机的飞行,会对无人机飞行姿态和飞行高度产生重大影响,造成安全隐患。     

基于MM5模拟试验的新疆风能资源统计订正初探

 应用MM5模式以及1°×1°的NCEP再分析资料,对新疆风能资源“代表年”进行了3 km×3 km分辨率的模拟试验,同时将10 m高度的模拟值与气象站10 m高度的实测值进行了对比。结果表明：(1)模式能较真实反映年、月平均风速大小的空间分布特征,但存在一定的系统性偏差,且偏差的大小具有明显的月际变化特征与地域性变化特征。平均来说,夏半年的偏差幅度小于冬半年,大风区的偏差幅度明显小于非大风区,达坂城-小草湖风区、哈密东南部风区、三塘湖-淖毛湖风区的模拟偏差最小。(2)对各风区逐小时平均风速模拟值进行线性回归订正,虽能有效减小有些风区模拟与实测值间的风速偏差,但对有效风速小时数的订正效果极其有限,订正后的偏差仍具有随机性。（3）以月为单位,通过对逐小时平均风速模拟值立方的回归订正可有效减小年平均风功率密度的模拟误差,同时模式中逐小时的空气密度可直接以观测点的月平均空气密度取而代之。该试验不仅对近期新疆已经完成的风能资源详查与综合评价中有关中尺度模式参数化方案的最优组合选择和水平分辨率的调整具有现实意义,而且也为如何提高风电功率短期预报的精准性提供了研究素材。     

2017年夏季秦岭降水的数值模拟及其空间分布

秦岭是中国气候的分界线,其高海拔地区降水数据的缺乏,限制了对秦岭高山气候及水资源变化的研究。为认知秦岭地区降水的空间分布,利用WRF模式,采用GF、KF和BMJ 3种对流参数化方案,对秦岭及周边地区2017年夏季降水进行了模拟。结果显示,模拟和卫星数据都揭示降水与地形呈剖面一致性,从南到北呈条带状分布的空间格局,在秦岭出现一条降水高值带,秦岭对水汽向北输送有明显的阻滞作用,造成南坡降水量显著大于北坡。模拟值要比卫星降水数据偏大,其中KF方案模拟降水偏多的主要原因为强烈的对流不稳定性导致对流降水的过高估计,GF方案则由于大气偏湿激发网格尺度降水,造成大尺度降水的模拟偏多,而BMJ方案模拟值与观测值最为接近。把模式分辨率提高到2 km,可显著改善模式对秦岭山区的模拟水平,但2 km高分辨率仍不足以完全显式解析积云对流过程,需要恰当的积云参数化的协同作用。     

北京地区景观城市化进程对暴雨过程的影响——以“7·21”暴雨为例

利用美国环境预测中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）等美国科研机构开发的气象模式WRF 3.8版本,采用北京地区不同时期的土地利用数据,选取影响北京的一次典型暴雨过程,应用包含多层城市穹顶模式的模式参数化方案对其进行模拟研究。从小时降水模拟结果来看,景观城市化区域（城市下垫面）的扩张使得暴雨持续更久,使用2010年土地利用数据模拟的2012年7月21日暴雨过程小时降水量大于16 mm的时长较使用1990年土地利用数据模拟的结果增加了1 h;从累积降水结果来看,使用2010年土地利用数据模拟的24 h累积降水大于150 mm的区域较使用1990年土地利用数据模拟的结果增加了1534 km ²。本文中模拟的逐小时降水与实际情况存在一定的差距,未来的工作会深入研究模式的参数化方案和降水产生的机理进而深入地研究景观城市化进程对暴雨过程的影响。进一步研究需针对城市人为活动产生的大气气溶胶粒子、景观城市化密度变化等因子,探究景观城市化对暴雨的可能影响。     

地形对天山夏季降水影响的模拟

地形对局地云和降水的形成、发展过程起着重要作用。由于天山山脉对偏西、偏北气流的阻挡抬升作用,天山西部（喇叭口地形）和北坡中天山（东西走向）一带成为新疆云和降水最集中的地区。以新疆天山山区2013年8月24-26日一次典型强降水过程为例,利用WRFv3.5.1中尺度模式,通过改变初始场中的天山地形高度进行敏感试验,进而揭示天山地形对夏季山区及邻近区域降水的基本影响机制。控制试验较好地模拟出此次降水的空间分布、中心位置及起止时间、降水极大值高度等特征,与观测结果非常吻合。控制试验与敏感试验对比结果表明,天山地形对降水带分布影响不大,但对强降水中心的范围和量级影响显著。降水量与地形高度和抬升凝结高度的相对大小表现出较好的相关性,地形的阻挡抬升作用导致盛行气流产生较强的垂直上升运动,当达到甚至超过抬升凝结高度时,不稳定能量才得以充分释放,进而引起水凝物含量大大增加。地形对主要冰相水凝物雪晶和冰晶的高度分布影响不大,但对二者的中心值和维持时间影响显著。     

Review on simulation of land-surface processes on the Tibetan Plateau

The Tibetan Plateau(TP) has powerful dynamics and thermal effects, which makes the interaction between its land and atmosphere significantly affect climate and environment in the regional or global area. By retrospecting the latest research progress in the simulation of land-surface processes(LSPs) over the past 20 years, this study discusses both the simulation ability of land-surface models(LSMs) and the modification of parameterization schemes from two perspectives, the models' applicability and improved parameterization schemes. Our review suggests that different LSMs can well capture the spatiotemporal variations of the physical quantities of LSPs; but none of them can be fully applied to the plateau, meaning that all need to be revised according to the characteristics specific to the TP. Avoiding the unstable iterative computation and determining the freeze-thaw critical temperature according to the thermodynamic equilibrium equation, the unreasonable freeze-thaw parameterization scheme can be improved. Due to the complex underlying surface of the TP, no parameterization scheme of roughness length can well simulate the various characteristics of the turbulent flux over the TP at different temporal scales. The uniform soil thermodynamic and hydraulic parameterization scheme is unreasonable when it is applied to the plateau, as a result of the strong soil heterogeneity. There is little research on the snow-cover process so far,and the improved scheme has no advantage over the original one due to the lack of some related physical processes. The constant interaction among subprocesses of LSPs makes the improvement of a multiparameterization scheme yield better simulation results. According to the review of existing research, adding high-quality observation stations, developing a parameterization scheme suitable for the special LSPs of the TP, and adjusting the model structures can be helpful to the simulation of LSPs on the TP.     

1980—2017年天山山区不同降水形态的时空变化

利用1980—2017年天山山区35个气象站点的逐日降水资料,分离出3种主要降水形态后,运用线性倾向估计、Mann-Kendall(M-K)突变检验、滑动t突变检验、Morlet小波分析等方法研究了天山山区降水日数及降雨日数、降雪日数和雨夹雪日数的时空分布及变化规律。研究表明：（1）在空间上,天山山区降水日数和降雨日数表现为“北多南少,西多东少”的分布格局,降雪日数“北多南少”明显;降水日数呈现“西快东慢,北快南慢”的增长趋势,西段增长幅度明显,降雨日数普遍增多,大部分地区降雪日数减少,雨夹雪日数也有减少趋势。（2）近38 a来,天山山区降水日数表现为缓慢增长趋势,降雨日数显著增加,降雪日数减少,雨夹雪日数变化并不明显。（3）天山山区降水日数突变年在1986年前后。（4）降水日数、降雨日数、降雪日数及雨夹雪日数均存在明显的10 a左右的振荡周期,此外,降水日数、降雨日数和雨夹雪日数18~22 a周期波动也比较明显。     

一次强天气过程天山地形方案的敏感性试验研究

为定量研究天山山脉地形对新疆强降水天气的影响作用,用WRFV3.1模式对2009年5月24日夜间至26日夜间新疆地区自西向东出现的降水、大风、降温天气过程进行了数值模拟,并通过改变天山山脉的地形高度设计了一组敏感性试验。结果表明:①天山山脉的地形作用是此次强降水天气过程在天山山区形成暴雨的主要原因之一;随着地形的升高,降水分布更不对称,更不均匀,雨带在天山迎风坡一侧的带状分布特征越明显,迎风坡一侧的降水量极值越大;地形的抬升作用对暴雨在山脉迎风坡一侧的降雨量有明显的增幅作用,对其雨带分布也有显著影响\.②天山山脉对这次强降水天气过程中的西南暖湿气流有明显的分流与阻挡作用;天山山脉将西南暖湿气流分为南北两支,使北支的水汽混合比极大值减小,湿区范围增大;使南支的水汽混合比极大值增大,湿区范围增大。③天山山脉的地形抬升作用为“5·25”强降水过程在天山山区发生暴雨天气创造了水汽的垂直上升运动条件,对昆仑山北坡暖湿气流的垂直上升运动也有一定的贡献作用。④天山山脉地形对准噶尔盆地西北部直至天山山脉北侧的气流有明显的阻挡与减缓作用,对三十里风区、百里风区、汗腾格里峰北坡强风带的形成有直接而重要的作用;地形高度越高,产生垂直运动的地形抬升机制越强,地形强迫抬升作用产生的垂直上升运动越剧烈\.⑤天山山脉明显地减轻了寒潮天气过程中南疆塔里木盆地的降温幅度,对准噶尔盆地北部的寒潮降温幅度也有一定的减缓作用,对塔里木盆地的“保温”作用较准噶尔盆地明显。     

巴里坤“96.7”暴雨洪水分析

本文概述了巴里坤“９６．７”暴雨洪水的危害及成因，利用降水随高程变化的规律及相关方程，推算西黑沟流域平均面降雨量，由“９６．７”暴雨巴里坤气象站的雨形分配，计算西黑沟最大洪峰流量，与调查成果的相互验证。     

基于树轮生理模型的雪岭云杉径向生长的模拟研究

雪岭云杉（Picea schrenkiana）是天山山区重要的造林树种,为了解天山山区森林上限树木径向生长对气候环境的响应机制,运用树轮气候学方法,通过采自天山东部巴里坤山雪岭云杉林上限的树芯样本建立的树轮宽度标准化年表,采用VS-oscilloscope模型,模拟雪岭云杉的径向生长过程并揭示了过去55 a以来该过程与环境因子的关系。结果表明：（1）模拟得到的树轮宽度指数与实际树轮宽度指数相关系数为0.645（P<0.01）。两者变化趋势具有较好的一致性,表明模型取得了较好的模拟效果。（2）树木径向生长主要限制因子是4~5月和7~8月的土壤湿度,温度是决定树木生长季开始的主要影响因子,而温度决定的生长速率在宽窄轮的形成上并不明显。（3）模拟的树轮宽度指数与生长结束日期的相关系数是-0.413（P <0.01）,说明生长季节的结束日期对树轮宽度的增长有一定的影响。（4）自1984年以来,随着区域气温的逐渐上升,树木生长季的长度有延长的趋势,而树木径向生长却发生衰退现象,1984年以来气温的升高可能是树木生长衰退的主要原因。因而研究从生理角度揭示天山东部森林上限树木径向生长过程中的主要限制因子和限制时段,以期为该区域之后的树轮学研究提供一些借鉴意义。     

新疆极端降水的气候变化

采用1961～2000年55个气象台站的逐日降水观测资料,分析近40年来新疆极端降水的气候变化、发展趋势和空间分布差异。用Mann-Kendall法对年极端降水量进行突变检验。研究表明：(1) 只有天山北麓经济带和天山南麓国家级棉花基地阿克苏地区极端降水量和频次有显著增多,尤以80年代以后明显,年极端降水量于1980年发生了气候突变,这种气候变化是由夏半年极端降雨量和频次增多导致的。(2) 新疆极端降水强度无显著变化,极端降水频次的显著增多导致极端降水量的显著增多。(3) 极端降水对年总降水量的贡献天山山区占年降水量的41.9%,北疆北部与和田区域极端降水的贡献为17.2%和21.9%,其它区域在25%~31.3%。年极端降水量距平与年降水量距平有好的相关关系 (除阿克苏地区和焉耆盆地外),说明极端降水量的变化导致年降水量的变化。