MOMS中尺度模式侧边界嵌套方法的研究

由于中尺度模式网格格距小，为满足预报时效要求，又需节省计算机资源，一般计算区域不能太大，若在业务预报工业中，不采用嵌套方案，很难得到满意的预报效果。文章在对多种嵌套方案试验对比基础上，选用一种计算效果较好，方法也不甚复杂的Davies物理量松驰方案，对MOMS中尺度模式进行了预报试验，其四周网格边界值采用了国家气象中心的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。     

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。     

南海热带气旋数值预报模式与全球谱模式的嵌套试验

分析了各嵌套变量的作用和效果，发现采用部分变量嵌套就能取得一定效果，各变量的作用也不完全相同。这样，可以选取作用大，质量好，易处理的变量进行嵌套。并相应地提出了一个边界嵌套处理方案，应用于南海带热带气旋数值预报有限区模式（ＴＬ１０）与全球谐模式（Ｔ６３）的嵌套过程，通过数值预报试验，表明采用该嵌套处理方案能够取得良好的效果。     

有限区域套网格数值预报模式的侧边界处理技术的研究与试验

本文选择了几种有代表性的侧边界处理方案,利用三维十一层原始方程模式,引进套网格技术,用1983年3月14日20时的实测资料作为初始场,对一次倒槽气旋的南下过程进行24小时数值预报试验。通过预报试验,调试出了适合于模式的侧边界处理方案,试验表明,该方案能使天气系统自由出入细网格区域而不伴有明显的二倍格距波。具体地说,所预报的倒槽气旋及其后部的高压都能进入细网格区域并且东移发展。而细网格区域东部的高压主体则逐渐地从细网格区域东移出去。同时发现,对所试验的数值预报模式而言,在目前流行的两种处理侧边界问题的途经中,通过在侧边界邻域上引进一定宽度的侧边界过渡区,或者通过部分修正原动力学方程组的性质而引进某种形式的附加修正项,使之减弱超定义性质的途径比直接估算所谓的局地相速或特征相速而在各个侧边界有区别地应用流入流出边界条件的途径,具有运算简单,预报效果好的优点     

高分辨有限区数值预报模式的省时显式积分

本文提出利用省时显式方案积分两个高分辨有限区数值预报模式。其结果表明，这一积分方案可以使模式的计算效率大大提高，而由时间积分方案的变化所造成的预报差异比模式空间离散化方案的不同所造成的预报差异要小。同时还讨论了将省时显式方案用于有限区模式的边界处理问题，提出了一个与蛙跃格式等价的边界处理方案。     

GRAPES区域集合预报两种侧边界扰动方法对比试验

中国气象局数值预报中心自2014年建立了区域集合预报业务系统,其使用的侧边界扰动由全球集合预报系统动力降尺度得到。为深入了解侧边界扰动对区域集合预报的影响,基于15 km水平分辨率的区域集合预报模式,使用动力降尺度方法和尺度化滞后平均法(scaled lagged average forecasting,SLAF)设计构造了两种侧边界扰动方案,并开展了2015年7月共6天的集合预报试验,利用集合均方根误差、集合离散度、连续分级概率评分、离群值、Brier Score及相对作用特征曲线面积等概率预报检验方法进行了多方面检验,分析了两种侧边界扰动方案对区域集合预报质量的影响。结果表明:动力降尺度侧边界扰动方案(DOWN)的扰动总能量在各垂直层次均大于SLAF方案,使得边界上前者的离散度大于后者,集合扰动增长更为合理;对于等压面要素和地面要素,DOWN方案的离散度、Outlier、CRPS等评分优于SLAF方案,反映了DOWN方案构造的侧边界扰动更加合理;在降水概率预报技巧方面,SLAF方案在评分上具有一定优势,但评分的提高没有通过显著性水平检验,因此认为两种方案对降水预报的改进基本相当。     

CMA-GFS 4DVar边界层过程线性化的改进北大核心CSCD

持续发展和优化切线性模式的线性化物理过程,保持与非线性模式一致是改善四维变分同化(4DVar)分析和预报效果的有效方法之一。目前业务系统的CMA-GFS模式采用基于Charney-Phillips(C-P)跳点的边界层参数化方案,而CMA-GFS 4DVar系统中采用基于Lorenz跳点的边界层线性化方案。为改善CMA-GFS 4DVar系统的边界层分析和预报效果,基于C-P跳点的边界层参数化方案研发了新边界层线性化方案,并通过对方案中地表热量通量和水汽通量扰动、自由大气的理查逊系数扰动、边界层的热量和动量交换系数扰动等进行更加精细地规约化约束,在确保CMA-GFS切线性和伴随模式稳定运行的情况下,减少线性化过程对切线性模式预报精度的影响。切线性近似试验检验表明:相较于原方案,新边界层线性化方案可以减少边界层位温和比湿的相对误差,最大可减少10%。批量4DVar循环同化试验表明:新边界层线性化方案可以有效改善切线性模式对低层位温、风场和比湿扰动的预报精度,减少4DVar内外循环目标泛函的相对差异,并提高700 hPa位势高度的可预报时效。     

逐次最优插值方案及其试验

本文介绍了“空军中尺度数值预报业务系统”前期处理模块中采用的逐次最优插值方案及相关处理技术，通过个例和一个月统计结果分析表明：本方案的插值效果较好，能够满足日常业务预报和数值式对资料分析精度的要求。     

正压原始方程有限区域谱模式的预报试验

本文包括四方面内容; (1)给出一个单向嵌套的有限区域浅水波方程谱模式的具体方案及其预报试验结果。这个模式基于文献。其特点是:基本展开函数为“修正的双傅氏级数”,它由两部分组成:正交双博氏级数及非正交的线性函数,这两部分之间互不正交。 (2)对同一实例,比较了谱方法,差分法,假谱法24h,48h预报结果。甚至同格距缩小一半的差分法相比,谱方法预报效果仍优于差分法预报效果。 (3)试验了谱模式的固定边界、刚体边界、侧边界条件随时间变化但不加松弛处理,以及侧边界条件随时间变化加松弛处理四种方案。结果表明,合理的边界条件及有效的边界处理方法对谱模式来说是至关重要的。 (4)提出并试验了谱模式的一种地形区计算方案,有助于谱模式中对陡峭地形的处理。     

省时显式积分方案在有限区数值预报模式中的应用

本文作了有限区数值预报模式显式和省时显式时间积分方案的对比试验。对于冬季和夏季两个个例的计算结果表明，采用省时显式方案能大大提高计算效率，同时保持几乎和显式方案同样的预报结果。此外还讨论了省时显式方案中的侧边界处理方法。     

利用TWP-ICE试验资料对比两种边界层参数化方案

利用高分辨率WRF单气柱模式,选取了两种边界层参数化方案(YSU,MYJ),对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟,比较了两种方案对边界层结构、云和降水模拟的影响。结果表明:季风活跃期,YSU方案模拟的湍流交换系数较小,湍流混合偏弱,边界层内热通量偏小,使地表热量和水汽不易向上输送,水汽含量在近地表明显偏多,而在边界层及其以上大气层具有显著的干偏差,因此该方案模拟的云中液态水和固态水含量偏低,云量偏少,降水率偏小;MYJ方案对于季风活跃期的边界层结构具有较好的模拟能力,其模拟的云和降水更为准确。季风抑制期,MYJ方案模拟的夜间边界层结构存在较大误差,这是因为该方案模拟的夜间湍流交换系数较大,湍流混合偏强,边界层内热通量偏大,模拟的位温和水汽混合比在边界层内随高度变化较小,而观测廓线在边界层内存在较大梯度。季风抑制期两种方案模拟的云和降水均比观测值偏多,方案之间的差异较小。     

基于多种边界层方案的天津PM2.5集合预报试验

基于大气化学模式WRF/Chem采用4种边界层方案（YSU,BL,MYJ和MYN3）模拟2015年全年天津地区细颗粒物质量浓度演变趋势,分析不同边界层方案对天津地区PM_2.5质量浓度模拟和预报的影响,并构建多种边界层方案的集合预报产品,以期提高天津地区PM_2.5质量浓度预报效果。结果表明:大气化学模式的4种边界层方案在空气质量模拟中均有较好的适用性,PM_2.5模拟值与观测值相关系数达到0.76左右,晴空和大风天气BL方案表现较优,阴天和小风天气YSU和MYJ方案表现优于其他两种方案,综合所有过程没有任何单一方案具有显著优势。基于上述原因,该文开展多种边界层方案的天津空气质量集合预报试验,经过对2015年全年模拟值分析,多边界层方案和多气溶胶机制扰动的集合预报可以减小PM_2.5质量浓度预报的相对误差和均方根误差,降低重污染天气预报的漏报率,提升空气质量等级预报能力,在计算资源得到保证的基础上,是一种可以提升数值模式PM_2.5质量浓度预报能力的有效手段。     

AREM模式中引入MYJ边界层方案介绍及其试验

业务实践表明,AREM模式对中国暴雨有较好的模拟能力。当前AREM模式中可供选择的边界层参数化方案比较单一,而不同边界层方案对暴雨的模拟差异较大,所以在AREM中引入一种新的边界层方案是提高其性能的一个重要方面。本文介绍了在AREM模式中引入Mellor-Yamada-Janjic′（MYJ）边界层方案的关键技术与流程,并对MYJ方案的模拟能力进行了评估。模式对2008年四川暴雨的模拟结果表明,MYJ方案有助于改善模式预报的降雨落区位置。     

AREM模式中引入MYJ边界层方案介绍及其试验

业务实践表明,AREM模式对中国暴雨有较好的模拟能力。当前AREM模式中可供选择的边界层参数化方案比较单一,而不同边界层方案对暴雨的模拟差异较大,所以在AREM中引入一种新的边界层方案是提高其性能的一个重要方面。本文介绍了在AREM模式中引入Mellor-Yamada-Janjić(MYJ)边界层方案的关键技术与流程,并对MYJ方案的模拟能力进行了评估。模式对2008年四川暴雨的模拟结果表明,MYJ方案有助于改善模式预报的降雨落区位置。      

Simulation of meteorological fields over a land-water-land terrain and comparison with observations

A numerical two-dimensional-mesoscale model with a level 1.5 closure scheme for turbulence is described. The model is used to simulate the boundary layer over coastal complex terrain. Meteorological data available from the Øresund land-sea-land terrain experiment are used to study the performance of the model. The model could simulate generally observed complexities in the mean wind and temperature fields. Internal boundary layers over the water and land surfaces were identified by the height of lowest value in the turbulence kinetic energy profile and this showed good agreement with radiosonde (RS) observations.Some disagreements with the data were also noticed, especially near the surface. The wind speed was over-predicted. Attempts were made to improve the model performance by adopting different schemes for model initialisation. Results showed that initialisation with an early model start time and observed wind profile near the inflow boundary improved the performance. The wind speed over-prediction could be further minimised by using a more realistic objective initialisation scheme. The problem centred around the proper estimation of the turbulent diffusion coefficient K through the closure scheme. Despite using the most popular empirical relationships in the level 1.5 closure scheme, these differences persisted. While this needs further investigation, the present model can be used to supply wind fields for practical purposes such as air pollution calculations.     

湍流能量闭合法用于大气模式的初探

湍流能量（TKE）闭合方案是近年来大气边界层（PBL）模式中技推崇的方法,它具有11－2阶精度。大气环流模式的计算容量和垂直网络限制,不允许PBL方案过份精细。本文对TKE方案进行简化及网络稀疏化试验。并用Wangara资料验证。验证结果表明：此方案引入PBL内仅设置5层的大气环流模式是可行的。地面以上400米内模式结果与实测吻合。但中、上部位温计算值偏高。关于本方案在大尺度模式中的应用尚须进一步研究。     

湍流动能闭合方法在区域气候模式中的应用

利用湍流动能闭合方法改进了区域气候模式（ＲｅｇＣＭ２）中边界层的参数化过程,并用资料进行了数值试验。结果表明．采用该方法可以较好地描述边界层的物理过程,温度、位势高度、比湿等物理量场的模拟均有不同程度的改善,提高了边界层计算的精度。该工作还对模式中边界层高度的计算作了改进,使边界层高度的日变化及高度极值都更符合实际情况。     

Ｅ网格变量分布下差分格式的性质

本文用线性化的浅水波方程系统地分析、讨论了Ｅ网格变量分布下差分计算的性质；指出了目前有关讨论Ｅ网格差分性质在方法上存在的问题；给出了一种解决Ｅ网格中两个Ｃ网格分离的方法；提出了一种Ｅ网格用于海洋计算时，海洋侧边界条件的处理方法。初步的数值试验证明了这些方法对抑制Ｅ网格中的计算躁声是有效的。