青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。     

Assessment of surface drag coefficient parametrizations based on observations and simulations using the Weather Research and Forecasting model

海气界面动量交换对台风发展起着重要作用,其估算公式依赖于拖曳系数。本文利用观测和台风模拟试验对八种拖曳系数参数化方案进行系统的评估。结果表明,相对于早期的参数化方案,近些年提出的参数化方案对拖曳系数的描述有了显著的改进,主要体现在高风速条件下。不同的拖曳系数参数化方案对超强台风"海燕"的模拟路径几乎没有影响,但是对其强度、尺寸和结构的模拟结果有显著影响。     

克拉玛依大风数值预报中的重力波拖曳方案应用研究

新疆克拉玛依地区位于背风坡,长期受翻山气流形成的局地大风影响。该地区日常大风预报业务主要依托克拉玛依气象局的精细化数值预报系统,为进一步完善该系统的预报效果,本文开展了重力波拖曳参数化方案应用试验,对比分析了三组试验方案:不开启重力波拖曳、只开启外层区域重力波拖曳以及两重嵌套设置下均开启重力波拖曳的结果。试验结果表明:在克拉玛依大风预报个例中,对于山区地形背风坡处的克拉玛依站,不启动重力波拖曳会导致风速偏大和起风时间较早;开启外层重力波拖曳方案可以延迟克拉玛依站起风时间,两重区域均开启可以进一步延迟该站的起风时间,使起风时间更接近实况;对于非山区地形背风坡处的站点,在内层开启重力波拖曳会导致一定的负效果;对内层区域的统计检验结果表明不开启重力波拖曳,会使地形复杂区域风场预报存在一定的正偏差,在外层开启重力波拖曳会使正偏差有一定改善,而两重嵌套均开启重力波拖曳方案会导致非地形陡峭区域的负偏差增加。综合全区域内大风预报检验结果表明,只在外层开启重力波拖曳会获得最小的误差和较好的预报效果。     

农田植被层上方湍流通量输送特征分析

根据宵田植被层上方的温湿风梯度观测资料,采用基于莫宁－奥布霍夫相似理论的廓线梯度法计算了农田植被层上方的湍流通量,进而确定出拖曳系数、斯坦顿数和道尔顿数。文中检验了用于农田植被层上方湍流通量计算的普适函数的适用性,讨论了湍流通量以及拖曳系数等随稳定度参数、粗糙度高、平均风速等因子的变化规律。结果表明,农田植被层上方的湍流通量随层结构稳定度变化而变化;拖曳系数、斯坦顿数和道尔顿数也不是常数,而是层结     

青藏高原地表热状况对夏季东亚大气环流影响的数值模拟

本文利用有限区域有地形的5层原始方程模式,对青藏高原地区地表热状况在夏季东亚大气环流中的作用进行了一些数值试验和分析。结果表明:高原地面反照率、拖曳系数、蒸发系数以及土壤温度等的变化对大气加热增强时可造成高原上空及孟加拉湾一带的大气热源显著增强;对流层上层的青藏高压增强范围变大,并向西北方向偏移;热带东风急流加强北移;对流层低层西南季风加大;索马里、印度南侧和澳大利亚北侧的越赤道气流也增强;海平面上的大陆低压加深。同时,中南半岛地区及江淮流域的上升运动增强,降水增大,而我国东南沿海一带上升运动减弱,降水减少。     

青藏高原地面拖曳效应对春季大季环流影响的数值研究

用一个在ＮＣＡＲ的气候模式基础上改进和发展起来的ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ７）－ＬＮＷＰ长期数值预报模式，以国家气象中心１９９２年４月１日客观分析资料和ＮＣＡＲ的固定个例（１９７５年１月１６日）为初始场，进行当期数值预报试验，研究了青藏高原地面拖曳效应对春季大气环流的影响，结果表明，当月平均的青藏高原地面拖曳系数与全球其他陆面月平均拖曳系数之差由０．０００８增大至０．００４时，预报效果得到了明显改进。青藏     

地形效应引起的局地扰动对华南降水预报的影响研究

利用中尺度模式对一次华南强降水过程进行模拟分析发现,模式对南岭-武夷山地区的降水存在漏报或预报强度偏弱的现象。通过与提前12 h预报结果的对比看出,引起这种预报误差的主要原因在于本次预报的模式初值中未包含地形强迫造成的小尺度局地扰动信息。对地形重力波拖曳和阻塞流拖曳参数化方案的比较发现,阻塞流拖曳力强度明显强于地形重力波拖曳,它有可能导致雨带位置偏离实况。一系列的初值敏感性试验结果表明,南岭-武夷山地区上空850~500 hPa的风场扰动增量对改进本次降水预报效果的影响最关键。      

中等到强风条件下近海拖曳系数随风速变化的观测

利用位于海岸的风塔提供的四层风速观测数据,经过系统和严格的数据质量控制,采用风廓线法,研究了海上来风拖曳系数随风速的变化。观测数据共2 003 h,期间包括三个台风数据。(1) 尽管风塔位于海岸,在风速较大时(u10>5.5 m/s),观测数据不受局部地形的影响,海上来风的下垫面具有近海海面的特征;(2) 总体而言,在10～24 m/s之间,当风速小于21 m/s时,随风速的增大,拖曳系数增大,在风速达到21 m/s时,拖曳系数达到最大值,随风速的进一步增大,拖曳系数减小;(3) 近海条件下,海况和波龄与风向密切相关,因此,在使用基于开阔海域海浪充分发展假设的拖曳系数风速参数化方案时,有必要考虑风向产生的影响。      

城市建筑物动力冠层方案的引入及应用研究

文中将建筑物动力冠层方案引入到城市边界层精细模式中,该方案描叙了城市地Ⅸ建筑物对气流的拖曳作用以及建筑物形态对城市地区湍流活动动量输送的影响.采用建筑物拖曳法和建筑物动力冠层方案两种不同建筑物动力学处理方法对北京地区东南部进行模拟,通过城市地区水平风速的模拟结果与自动气象站实测资料对比发现模拟结果与实测相当吻合,建筑物动力冠层方案的引入能够更好地实施对城市地区的水平风速分布的数值模拟.分别采用建筑物拖曳法与建筑物动力冠层方案对一个实际小规模城市进行模拟试验,分析表明引入建筑物动力冠层方案可以模拟出小规模城市地区水平风速偏低的现象;还可以模拟出城市地区建筑物动力作用对湍流活动的影响;对湍流动能模拟结果表明比较符合实际分布情形.采用建筑物动力冠层方案对小规模城市地区建筑物高度变化对城市地区的流场及湍流活动的影响进行模拟分析,结果表明:城市地区建筑物高度增加,风速变小,但是高大建筑物底部风速略高于低矮建筑物底部;城市地区大气湍能增加,高大建筑物底部湍能较小,冠层高度内湍能随高度增加而增加;同时城市地Ⅸ的垂直扩散系数也随建筑物高度增加而增加;城市地区污染物排放高度处污染物浓度较低,下游乡村地区地面污染物浓度较低,但高空污染物浓度却较高.     

WRF模式中地形重力波参数化方案应用及不同拖曳力试验

在WRF模式中引入地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),利用WRFV3.2中尺度模式对2007年7月3日00时至10日00时(世界时)发生在我国江淮梅雨季向华北雨季转换时段江淮与华北地区过渡区域的降水天气过程进行了不同重力波拖曳力作用下的敏感性试验,设计了5组数值试验:不考虑重力波拖曳的控制试验(Ctrl)及考虑重力波拖曳(GWDO)但在不同拖曳力作用下的4组敏感性试验。结果表明:GWDO方案的引入,有效地改善了模式对环流场、水汽输送带、垂直速度场的模拟,缓解了对风速预报偏强的现象,一定程度上纠正了模式模拟的西风偏差,对降水落区和强度也有较好的改善。随着模拟时次的推移,引入的拖曳力越强,对降水模拟的改善越显著。     

天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究

从数值模式物理过程地形参数化研究的角度,回顾了次网格地形重力波拖曳参数化、地形阻塞流拖曳参数化和对流强迫拖曳参数化等方面的研究现状,总结概括了目前模式物理过程中关于地形参数化研究中若干亟待解决的科学问题。另外,在华南中尺度模式预报系统(GRAPES_Mars)中引进和发展了地形重力波拖曳参数化方案KA95,讨论了KA95方案对2012年2月8-12日华南冷空气过程的影响。结果表明,地形重力波拖曳参数化的引入较好地改善了GRAPES_Mars模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,显示出重力波拖曳参数化对改善模式风场预报的突出作用和对减小模式系统偏差的良好应用前景。     

冠层流结构研究——一阶闭合模式及其数值解

本文建立了一个包括群体混合长模式在内的描述冠层流结构的一阶闭合模式。冠层内空气运动方程的无量纲形式表明,冠层流的结构决定于冠层拖曳力系数BT=1.4和描述冠层几何结构的无量纲叶面积密度a_n和叶面积指数LAI。将常用的群体叶片角分布函数用于推导方程和估计模式的系数。文中利用文献[1]的玉米群体实验资料作了检验。通过推广计算讨论了无量纲数BT、LAI和a_n对解的影响,给出了拟合的风速指数衰减系数的列线图。     

青藏高原地面拖曳效应对春季大气环流影响的数值研究

用一个在ＮＣＡＲ的气候模式ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ１２）基础上改进和发展起来的ＣＣＭ１（Ｒ１５Ｌ７）－ＬＮＷＰ长期数值预报模式，以国家气象中心１９９２年４月１日客观分析资料和ＮＣＡＲ的固定个例（１９７５年１月１６日）为初始场，进行长期数值预报试验，研究了青藏高原地面拖曳效应对春季大气环流的影响．结果表明，当月平均的青藏高原地面拖曳系数与全球其它陆面月平均拖曳系数之差由０．０００８增大至０．００４时，预报效果得到了明显改进．青藏高原至巴尔喀什湖之间的（３００ｈＰａ和５００ｈＰａ）温度差可增大３℃，从孟加拉湾一带至青藏高原的温度差可减小１．５℃，使得在青藏高原及其北侧高空西风增强（增强中心在４０°Ｎ的２５０ｈＰａ层）．在青藏高原南侧的２５°Ｎ的２５０ｈＰａ出现西风的减弱中心，有利于晚春季节东亚南支西风急流的北移．青藏高原的地面拖曳效应有利于在春季加大其迎风坡和背风坡效应，加强北半球经向三圈环流及全球经向环流．     

一次大暴雨过程中地形重力波拖曳作用的研究

利用WRFV3.9数值模式,对2011年6月9—10日发生在湘鄂赣交界附近山区的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行模拟。进行了地形重力波拖曳作用的控制试验和不考虑地形重力波拖曳作用的敏感性试验。结果表明,控制试验能较好地再现江淮气旋及其产生的强降水;模式引入地形重力波拖曳后能够更好地模拟出地形附近雨带的中心位置和强度;地形重力波拖曳在本次大暴雨过程中能够减弱地形附近的经向风速,增强低层气流辐合,促进垂直上升运动,从而有利于对流的触发和维持。     

区域气候模拟中Betts-Miller对流参数化方案的敏感性试验

利用NCAR RegCM2气候模式,对Betts-Miller对流参数化方案中影响参考态的几个关键性参数:稳定度参数α、云底和冻结层参考态的饱和气压Δp*和对流调整时间τ进行了敏感性试验,分析这些参数的不同取值对区域气候模拟的影响及意义,并由此提出适合我国东部地区汛期区域气候模拟的Betts-Miller对流参数化方案中较优的关键性参数取值.     

包络地形和重力波拖曳对区域气候模拟效果的影响

用NCAR区域气候模式(RegCM2)的数值试验，研究了包络地形和地形重力波拖曳作用对1991年5、6月份中国区域内气候模拟效果的影响。通过试验结果的对比分析发现，在模式中引入地形重力波拖曳作用可在一定程度上改善模式对气候系统和要素的模拟效果，使模拟结果更符合气候实况。包络地形对模拟结果也有一定的改善，但对于细网格的区域气候模式(RCM)来说，其效果不如重力波拖曳明显。不论是地形重力波拖曳还是包络地形，在模式积分的初期，它们的作用并不明显，随着积分时间的增长，它们对模拟结果的影响程度增大。     

一个双波地形重力波拖曳参数化方案

当地形次尺度强迫的作用与显式的经典动力作用效应相当时,地形重力波拖曳力对于环流的维持,以及动量和热量通量输送的动力效应变得十分显著。这种地形次尺度拖曳作用项可通过参数化的方法,在动力方程中加入额外的小项而引入数值模式。目前成熟的地形重力波拖曳参数化方法,如第1代基于线性单波理论的参数化方案;以及侧重考虑了临界层作用等因素对拖曳力的额外贡献的第2代参数化方案,都无法有效表达风速垂直变化引起的波动应力随高度变化的特征。基于上述考虑,本文给出了一个双波参数化方案用于计算地形重力波拖曳中由线性自由传播重力波造成的波动应力的垂直分布。通过二阶WKB近似,它对由风速垂直变化引起的对波动应力的选择性临界层吸收过程和经典的临界层吸收过程做了显式处理;而在不发生临界层吸收现象的地区,则用两个单波同时在垂直方向上进行应力的传播,并利用波饱和标准进行应力耗散。进一步地在真实地形(以大别山地区为个例)条件下的测试结果表明,通过在不同理想风速廓线以及北半球冬季中纬度纬向平均风廓线下对波动应力垂直分布的计算,证明该方案确实能有效地给出应力随高度变化的特征。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

包络地形和重力波拖曳对气候模拟效果的影响

该文用Nju-PσM的数值试验, 研究了包络地形和地形重力波拖曳作用对7月气候模拟效果的影响.通过试验结果的对比分析, 发现包络地形和重力波拖曳作用都可在一定程度上改善模式的模拟性能, 使模拟结果更符合气候实况.     

2008年夏季中国干旱-半干旱区陆面主要物理参数的平均特征

采用2008年7-9月观测的中国干旱-半干旱区试验观测协同与集成研究资料,选取12个测站(涵盖不同气候环境区的草地、农田、果林和森林等下垫面)比较分析了干旱-半干旱区的动力、热力和水汽粗糙度长度、总体输送系数、反照率以及土壤热传导率和热扩散率的夏季平均特征,并与陆面模式的理论参考值进行了对比。结果表明,植被下垫面的水、热特性和植被高度对主要陆面参数有重要影响,但植被下垫面的土壤热传导率和扩散率与下垫面类型之间无明显关系。动力学粗糙度长度与下垫面的植被高度呈正相关关系,无论是稳定还是不稳定层结下,动量拖曳系数都随着植被高度的增大而增大,而反照率随植被高度的增加而降低。在研究区的下垫面中,草地下垫面动力学粗糙度长度的实测值比模式理论参考值偏小,但农田和果林下垫面的实测值比理论参考值偏大;草地下垫面动量拖曳系数理论的参考值比实测值高,但其他下垫面的实测值高于理论参考值;实测反照率处于可见光反照率和近红外光反照率之间,但反照率的理论参考值比实测值偏高。