积云参数化和分辨率对MJO数值模拟的影响

用中国科学院大气物理研究所发展的一个大气环流模式,使用不同的积云参数化方案和分辨率进行了6个模拟试验,考察了积云参数化方案和模式分辨率对热带大气季节内振荡（MJO）模拟的影响。结果显示：积云参数化方案和分辨率都会影响MJO的模拟。但积云参数化方案决定了模式对MJO模拟的基本能力,决定了模拟的MJO的基本特征。分辨率的变化并不能使模拟的MJO发生本质的改变,分辨率的作用更多的是对MJO的模拟起一定的调制作用,而这种调制作用又受到积云参数化方案的制约。在改进积云参数化方案的基础上提高模式的分辨率会在某些方面改善MJO的模拟。但是分辨率的提高需要同时提高水平分辨率和垂直分辨率,单独提高水平分辨率会降低模式模拟MJO的能力,引入更多的小尺度的高频扰动。非绝热加热垂直廓线对模式模拟MJO有重要的影响,而非绝热加热廓线很大程度上取决于所使用的积云参数化方案。模式水平分辨率的变化不会对加热廓线的结构产生明显的影响,而垂直分辨率的变化会对加热廓线的垂直结构产生一定的调制作用,进而对模拟的MJO起到调制作用。     

低纬高原上中尺度模式的积云参数化方案研究

在低纬高度上的中尺度数值模式研究中，积云参数化方案的设计是极其重要的，而垂直加热廓线和增湿系数的方案设计是Kuo型积云参数化方案中两个重要的问题。本文从垂直加热廓线和增湿系数的角度设计了多种改进的Kuo型积云参数化方案进行数值试验。试验结果表明，垂直加热廓线采用位湿法，增湿系数采用指数型定义法的Kuo型改进方案较适合云南低纬高原上的中尺度数值模式；低纬高原上的增湿系数比我国东部沿海及一些平原地区要大；在改进积云参数化方案的基础上考虑低纬高原地形的影响，能进一步提高中尺度数值模式在低纬高原上的模拟效果。     

热带大气季节内振荡数值模拟对积云对流参数化方案的敏感性

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)的大气环流模式(SAMIL-R42L9)研究了热带大气季节内振荡(MJO)的模拟对积云对流参数化方案的敏感性,结果表明两种对流参数化方案——湿对流调整方案(MCA)和Zhang-McFarlane(1995年)方案对MJO的模拟能力有明显的差异。MCA方案较好地模拟出了MJO的基本特征,包括季节内的时间尺度和向东的传播。Zhang-McFarlane(1995年)对流方案模拟的MJO振幅非常弱,而且缺乏连续的传播特征,在MJO的演变过程中弱的低层水汽辐合使MJO难以维持和传播。两种不同的对流参数化方案产生的非绝热加热垂直廓线明显不同,Zhang-McFarlane(1995年)方案产生的非绝热加热强度在对流层各层过于一致,没有明显的最大加热层,而且平均的加热强度太弱,这是该方案难以模拟出合理的MJO的主要原因之一。因此,模式对热带大气季节内振荡的模拟能力很大程度上依赖于所使用的积云对流参数化方案,当积云参数化方案改变时模式模拟的MJO也发生明显变化,而非绝热加热廓线是对流参数化方案影响MJO模拟的一个重要影响因子。3种不同的非绝热加热垂直分布的敏感性试验表明,当最大的加热层位于对流层中低层尤其是对流层中层时,更容易产生出与观测较为接近的季节内的扰动,而当最大加热位于对流层高层时,更易于激发出西传的扰动。     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

积云对流参数化方案对东亚夏季环流和降水模拟的影响

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对东亚夏季区域气候模拟中最常选用的两种积云对流参数化方案进行对比分析,研究积云对流参数化方案选用对大尺度环流模拟的影响。结果表明:Kain-Fritsch（KF）方案对西太平洋副热带高压（简称副高）及环流的模拟效果较好,虽然KF方案模拟降水偏多,但是时空分布与TRMM降水分布接近;Grell-Freitas（GF）方案对流加热率过大,从而模拟的南海—菲律宾区域对流异常增强,在南海—菲律宾洋面上的垂直输送异常增大,非绝热加热的范围偏大,导致副高南侧下沉区辐散减弱,抑制了副高北抬西伸,进而影响到水汽输送和季风环流,最终对东亚夏季降水的模拟产生不利影响。修改GF方案对流加热率和干燥率的敏感性试验表明,减小对流加热率和干燥率参数能有效抑制南海—菲律宾区域过强的对流,东亚大尺度环流的模拟得到明显改进。     

积云凝结加热对海陆风的作用

本文用参数化方法研究积云凝结加热对海陆风的作用。第一部分是线性理论,在静力稳定度参数和湍流扩散系数为常数时,加热使风场的结构发生很大的变化。积云加热还起到修正静力稳定度的作用。第二部分是数值模拟,加热作用的主要贡献是使垂直速度增大,若海陆风是暴雨的触发机制,则积云凝结加热使这一机制加强。比较两部分结果,它们之间有一定的差异,但在风场的变化与加热场分布的对应关系上,两者是一致的。     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

对流凝结加热与不稳定波

本文用综合考虑Ekman-CISK和CMM-CISK机制的柱对称模型,讨论了对流凝结加热廓线对不稳定波的影响。分析和计算结果表明,对流凝结加热廓线对不稳定波有显著影响。 通过CISK 机制对流凝结加热不仅可以产生常定不稳定波并且还可以产生一种有周期性变化的振荡型不稳定波,低层有最大的凝结加热分布更有利于振荡型不稳定波的产生。积云摩擦作用是形成最不稳定波的波长选择性的重要因素,而凝结加热廓线也对这种选择性有直接影响。不稳定波的垂直结构随加热廓线的不同而有明显的差异。 对流凝结加热廓线还直接影响能量的产生和转换。最大加热层越高,则产生最大有效扰动位能的高度就越高。更有意义的是,这时有效扰动位能向扰动动能转换的效率也愈高。因此,对流凝结加热廓线的不同可能是热带低压扰动仅部分发展为台风而另一些不能发展的重要原因之一。     

大气垂直运动廓线特征及其与云和辐射的关联性分析：以CMIP6三个模式为例

基于第六次耦合模式比较计划(CMIP6)的3个全球气候模式结果,利用经验正交分解方法和参数方法分析了模式模拟的热带地区大尺度大气垂直运动廓线特征并揭示其与云和辐射量的关系。结果表明,基于EOF分解方法,3个模式均可较好地再现热带大气垂直运动特征,即热带大气垂直运动90%以上的方差可由两个主导的垂直结构模态解释,其中EOF1表征大气的整体上升或下沉,EOF2表征一个由深厚的中层辐合辐散占主导的垂直运动廓线。在此基础上定义了一对更为简洁易用的参数(ω和dω),此对参数可较好地描述EOF分解所揭示出的垂直运动廓线特征。利用新定义的参数发现,在西太平洋暖池区域,高云在"上重"下沉区域为低值,中云云量在"下重"上升运动区域为高值。大气层顶对外长波短波辐射均表现出对运动廓线结构的依赖。研究为评估气候模式对云和辐射模拟提供了一组有效因子。     

关于积云对流对环境作用的述评

在研究大气运动时,往往按时间长短和范围大小分成不同的尺度。这是因为不同的运动尺度反映了不同的物理本质,也决定了该种大气运动影响的范围。这种分尺度研究运动的方法,有利于突出主要矛盾,搞清问题的主要性质。但是这种做法並不等于说不同尺度的运动相互之间是截然分隔而互不相关的,事实上,它们是互为条件而相互影响的。 首先指出积云尺度的运动能影响大尺度的是Riehl,Malkus,他们认为厚的积云对流在热带大气平衡中有重要作用,以后他们和Yanai讨论穿透积云塔在热带气旋的形成和增长方面的作用时指出,高层冷心涡旋转化成暖心结构,主要是积云中凝结潜热释放的结果,並且建议积云对流作为一个加热机制必须在大尺度运动中以参数化形式加以考虑。Charney,Eliassen考虑了边界层辐合,首先提出积云对大尺度运动作用的公式。Kuo认为,潜热对大尺度环流的作用主要是通过深厚的积云对流释放,而不是平均垂直运动产生的。他指出,积云在消散时,通过和环境空气混合,对平均大气的热和水汽平衡施加影响,而积云的产生量取决于大尺度水汽辐合和近地面的水汽向上输送。他在1974年     

Frequency Changes of Weather Types in the Alpine Region since 1945

Summary The annual occurrence of different weather types of Schüepp’s synoptic classification in the Alpine region has significantly changed since the beginning of its recording in 1945. The annual frequency (number of days per year) has shifted towards more convective and less advective weather types. Since 1945 the number of long-lasting convective episodes rose and the number of long-lasting advective episodes lessened. Most of these changes took place in winter. The annual frequencies of weather types and the annual mean of certain local meteorological parameters are significantly correlated. On the large scale there is a strong interdependence between the high pressure weather type and the North Atlantic Oscillation (NAO) index which is based on the sea-level pressure difference between Portugal and Iceland. Received July 28, 1997 Revised November 18, 1997     

A modeling study of diurnal rainfall variations during the 21-day period of TOGA COARE

The surface rainfall processes and diurnal variations associated with tropical oceanic convection are examined by analyzing a surface rainfall equation and thermal budget based on hourly zonal-mean data from a series of two-dimensional cloud-resolving simulations. The model is integrated for 21 days with imposed large-scale vertical velocity, zonal wind, and horizontal advection obtained from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment (TOGA COARE) in the control experiment. Diurnal analysis shows that the infrared radiative cooling after sunset, as well as the advective cooling associated with imposed large-scale ascending motion, destabilize the atmosphere and release convective available potential energy to energize nocturnal convective development. Substantial local atmospheric drying is associated with the nocturnal rainfall peak in early morning, which is a result of the large condensation and deposition rates in the vapor budget. Sensitivity experiments show that diurnal variations of radiation and large-scale forcing can produce a nocturnal rainfall peak through infrared and advective cooling, respectively.     

一类计算稳定性好的显式平流差分格式

通常的显式平流差分格式，如迎风格式，Lax-Wendroff格式等，均是有条件稳定的,其稳定条件与差分网格的时、空步长有关。本文对线性和拟线性平流方程分别构造了一种计算稳定性好的显式差分格式。对前一格式，本文严格证明了它的无条件稳定性及收敛性，并具有一阶精度；对后一格式，由于非线性方程的限制，本文用数值试验研究了它的计算稳定性。     

11层原始方程模式中两个积云参数化方案的比较试验

近三十年来,积云参数化的研究已取得了很大进展,随着中尺度业务模式的研制,中尺度模式中如何考虑对流遂成为人们研究的热门课题之一。      

A bin-microphysics cloud model with high-order, positive-definite advection

An axisymmetric, anelastic model of a convective cloud is described. The model comprises prognostic equations for the azimuthal vorticity, the perturbation potential temperature, the perturbation water vapor mixing ratio, 44 categories of cloud condensation nuclei, and 100 categories of liquid-phase hydrometeors. Results from a control simulation show that the model is capable to reproduce realistically the life cycle of a convective cloud including the production of warm rain.A discussion of the role of advection in bin-microphysics models is presented and sensitivity tests were performed regarding the order of advection. The results show that, although the global characteristics of all simulated clouds were similar, significant differences occur with respect to their microstructure, particularly close to the cloud edges, when the order of the advective scheme changes. The conclusion is that intermediate-order advection schemes can indeed be used in cloud-resolving simulations, as far only as the gross characteristics of the cloud/cloud system are being investigated, but not poor, low-order schemes. On the other hand, the sensitivity with respect to the advection suggests that the evaluation of cloud phenomena that occur in fine-scales, such as entrainment and certain microphysical and radiational processes, must require the use of accurate, higher-order schemes.     

青藏高原夏季臭氧低谷形成的机理-臭氧输送和化学过程

利用三维化学输送模式(OSLO CTM2)模拟青藏高原夏季臭氧低谷。结果表明：在青藏高原夏季臭氧低谷的形成和变化过程中，动力输送过程起着最主要作用，化学过程部分补偿了输送过程引起的臭氧减少。在动力输送过程中，水平输送在5月份是造成臭氧减少的主要原因，可在6月和7月成为使臭氧增加；垂直平流的作用不断增强，在6月和7月成为臭氧减少的主要因素；对流输送的作用在7月份大幅增加，其引起的臭氧减少可以与净的变化相比，其作用也不可忽视。气相的化学过程引起的臭氧增加的量值有时超过了臭氧的净变化的大小，因此它也起着重要作用。     

On the forward-in-time upstream advection scheme for non-uniform and time-dependent flow

Summary The classical forward-in-time upstream advection scheme for uniform flow field has been extended to include non-uniform and time-dependent advective flow. This generalised scheme is described in one dimension for an advective flow which varies both in time and in space. The classical upstream advection scheme is only first-order accurate both in time and in space if the advective flow is not uniform. Higherorder accuracy in both time and space, however, can be easily obtained in the generalised scheme.This generalised scheme with third-order accuracy is applied to the one-dimensional inviscid Burgers equation (socalled self-advection problem), two-dimensional steady flow, and to a time-split shallow water equation model. The results are compared with those obtained from the Takacs' (1985) scheme and from a standard third-order semi-Lagrangian scheme, and also with those obtained from the fourth-order Lax-Wendroff scheme of Crowley (1968) in the time-split shallow water equation model. It is shown that the generalised scheme performs as well as, but is more efficient than, the standard semi-Lagrangian scheme with same order. It is much more accurate than the Takacs' scheme which has large dissipation errors, especially for the flow with strong deformation. In contrast, the generalised scheme has very weak dissipation and has much better dispersion and shapeconserving properties. Although the fourth-order Lax-Wendroff scheme has higher accuracy and can give more accurate numerical solutions for uniform advective flow or solid rotational flow (Crowley, 1968), it is inferior to the generalised third-order scheme for non-uniform flow with strong deformation or large spatial gradients. This generalised scheme, therefore, has considerable application potential in different numerical models, especially for the models using time-split algorithms.With 8 Figures     

南京"03.7"大暴雨中云物理过程的数值模拟研究

利用三维全弹性、双参数化对流云模式和南京站探空资料,对南京“03．7”特大暴雨过程进行了数值模拟研究,着重分析产生这次大暴雨的云物理机制。模拟结果表明,此次暴雨属于积雨云降水,其中云雨碰并是最主要的成雨过程,贡献率达到74％,其次是霰／雹融化,占22％,说明此次降水以暖雨过程为主。通过暖雨过程对比试验表明,虽然冰相过程对雨水的贡献较小,但加入冰相过程能使模拟结果更接近云的实际情况。     

实时天气背景依赖的反射率因子间接同化及多暴雨个例试验

为避免直接同化时反射率非线性观测算子线性化带来的线性近似误差问题,目前许多研究和业务中还常采用间接同化方式来同化雷达反射率因子,其通过背景场温度判定水凝物类型及比例。基于一种实时天气背景依赖的雷达反射率因子间接同化方案,进行了4次暴雨过程（2次强对流,2次锋面）的循环同化及预报试验。结果表明:对于强对流暴雨个例,相对于传统温度判定方案,天气背景依赖方案的温度预报误差更小、降水预报评分更高,而对于锋面过程区别不明显;进一步机理分析表明,对于强对流暴雨个例,由于背景依赖方案在同化反射率因子时引入了实时天气背景信息,使得分析场水凝物结构能够更好表征实际对流特征且与其它模式变量更为协调,进而改善了模式预报的热、动力及水汽条件,从而改善了降雨预报效果;而锋面暴雨由浅对流过程占主导,水凝物以低层的雨水为主导,冰相水凝物对于该过程的影响较小,由于两种方案反演的雨水结构和量级均相似,因此降雨预报差异较小。     

Betts对流调整方案在移动套网格台风数值模式中的初步试验

Betts对流调整方案采用的是垂直温湿场向观测的准平衡热力结构松驰的方法。本文在一个考虑了台风初值化的移动套网格台风数值模式中,对Betts方案进行了初步试验。结果表明：Betts方案能较好的预报出台风移动的路径和降水过程,并在台风路径、降水落区预报以及对流增温的垂直分布等方面都略优于Kuo方案的预报结果。