对LASG-REM模式的改进及云雨数值试验

改进中尺度动力预报模式中较为简单的云雨过程处理方案,用预报方程对大尺度(即网格尺度)的水汽、云水和雨水作显式求解,对次网格尺度的积云对流进行参数化处理,并以1998年7月21日00时(UTC)的欧亚探空资料和地面资料为初始场,对武汉地区的暴雨过程进行数值试验。结果表明,改进后的LASG—REM模式对降水有很好的模拟能力,能够模拟出空中云水、雨水的分布特征。     

大气环流模式中非对流云的预报方法

通过对大气环流模式中非对流云预报方法的物理分析表明:大气环流模式中非对流云的预报,应包括非对流云的云水（冰）微物理过程参数化、大尺度动力过程和云量三个方面。从大尺度调整法、大尺度闭合法和统计方法三个方面,讨论了已有的大气环流模式中非对流云的凝结（华）过程的参数化方案,指出了存在的问题及改进方法。对于Bergeron过程,指出了已有的线性化经验公式的不足,强调了采用非线性参数化公式的重要性。本文指出了直接将中尺度模式搬到大尺度模式是不合适的,有必要进一步研究。同时指出将来的大气环流模式,应考虑浅积云所产生的     

边界层参数化和湿过程对切变线低涡发展影响的中尺度模拟

1981年8月14至22日,在青藏高原东侧陕、甘、川毗邻区,出现了一次持续暴雨过程.对其主过程的涡度诊断表明,切变线低涡初生於青藏高原东侧低空,其后,不仅出现了高、低空涡度中心的叠加和耦合过程,而且在行星边界层(PBL)内发生了迅速加强过程.这种过程与切变低涡的持续发展相伴. 一系列48和72小时中尺度数值模拟结果揭示:只有高分辨PBL参数化的湿物理过程,才能较好地模拟出切变低涡在PBL内的突然加强及其涡度演变和垂直结构;而总体PBL参数化,虽然其涡度演变和垂直结构也能基本模拟出来,但不能模拟出切变线低涡在PBL内的迅速加强;总体PBL参数化干过程的模拟结果指出,该方案较前两种湿过程方案均差,特别是被模拟系统的强度明显减弱,位置偏离. 模拟与诊断和观测之间的比较揭示,尽可能仔细地改进PBL参数化和湿物理过程,才有可能改进对这类中尺度系统发生和发展的模拟.     

非绝热物理过程在模拟飑线系统中β尺度结构中的作用

利用经改进的中尺度模式，对一次飑线过程进行了多种对流参数化和显式水汽方案及地面加热过程的敏感性试验，结果表明中尺度对流性天气系统的成功预报，不仅取决于次网格尺度对流，而且取决于可分辨尺度相变过程及地面加热引起的边界层日变化。计入湿下沉的Ｆｒｉｔｓｃｈ－Ｃｈａｐｐｅｌｌ对流参数化方案和计入可分辨尺度凝结蒸发冻结融化等相变过程的预诊性显式方案的结合使用，对于真实模拟飑线等中尺度对流系统和减少或消除与中尺度涡旋及其降水过度加强相联系的类ＣＩＳＫ不稳定是十分必要和有效的。     

卫星资料变分分析"98·7"武汉-黄石地区特大暴雨中尺度锋面对流特征

采用卫星TOVS反演资料变分-滤波处理技术对1998年7月20～23日武汉-黄石特大暴雨成因进行了诊断分析,研究结果揭示了武汉-黄石特大暴雨过程呈类似中尺度对流复合体(Mesoscale Convective Complex,简称MCC)的中尺度锋面对流系统特征,提出了"98@7"特大暴雨过程存在显著的对流系统的复合偶极子特征,中尺度急流核的垂直复合体结构,中尺度锋面"湿舌"异常特征以及大尺度梅雨系统中的中尺度锋面的"冷楔"以及高层"暖盖"结构,上述综合特征描述了"98@7"特大暴雨过程类似MCC系统的三维中尺度锋面结构物理图像.采用卫星资料变分-滤波处理方案提出大尺度梅雨系统中突发性特大暴雨的中尺度物理模型,其诊断分析及研究结论对"98@7"异常特大暴雨的成因及其形成机理提供了新的研究思路.     

一次强飑线边界层气象要素模拟分析

使用WRF中尺度数值模式,分别选用两种不同边界层参数化方案（MYJ,YSU）,对2006—06—25洛阳地区一次强飑线边界层结构进行模拟,对比分析近地面层风场、温度场以及边界层日变化特征,结果发现：WRF模式基本模拟出了强飑线过程边界层变化特征;在边界层方案中,MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理。这表明,用WRF模式能较好地模拟预报飑线的边界层气象要素特征。     

MM5模式中不同对流参数化方案的数值模拟

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,不同参数化方案及分辨率对降水预报有很大影响。本文利用4种积云参数化方案(GR,KF,BM,AK)对辽东半岛一次大暴雨过程进行试验,结果表明,不同的参数化方案,对强降水落点及强度的模拟,结果差别较大。模拟较好的是GR方案,最差的是AK方案;4种积云对流参数化方案模拟的海平面气压场差别较大,其中GR方案模拟出造成2005年第5号台风暴雨的高低压系统和中尺度气旋;粗网格采用一定的积云对流参数化后,可在一定程度再现一些中尺度特征;4种方案由于闭合假设不同,模拟的云物理特征存在很大差别,这种差别对各种天气要素的准确预报会产生一定的影响。     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟（Ⅱ）暴雨和云的模拟

在HLAFS业务数值预报模式的动力框架下，利用文章(I)所述的显式云降水方案，对一次暴雨过程和伴随着的云物理过程进行了模拟研究和分析。模拟结果表明，显式方案对降水落区和强降水中心位置的预报较原HLAFS的大尺度饱和凝结方案有明显改进。模式能合理地揭示出暴雨发生、发展过程中的云系演变规律和云物理过程。冰相过程对降水、中尺度热力和动力场有明显影响，特别是冰相过程有利于降水的早期的形成速率。与卫星TBB资料的对比分析表明，引进显式方案后，模式能较合理地模拟出云系的轮廓、位置、范围、强度、生消和移向，模式模拟出的云顶温度与卫星测量出的云顶温度较为一致。     

大尺度瞬变涡旋经向热量和水沟通量在纬向平均气流形成中的效应

在一个纬向平均模式中加入大尺度瞬变涡旋经向热量和水汽通量参数化方案。模拟出涡动通量的空间分布和时间变化。实验表明，涡动通量在中高、纬地区大气能量输送过程中起重要作用。应用上述参数化方案提高了模式的模拟能力。     

积云对流参数化对一交梅雨锋暴雨过程影响的模拟检验

应用１９８８年版日本谱模式ＪＳＭ,对比分析了Ａｒａｋａｗａ－Ｓｃｋａｗａ－Ｓｃｈｕｂｅｒｔ、Ｋａｉｎ－Ｆｒｉｔｓｃｈ、ＫｕｏＡｎｔｈｅｓ和Ｇａｄｄ－Ｋｅｅｒｓ等几种积云对流参数化方案在梅雨锋暴雨对流系统模拟中的表现。     

包含“开关”变量的MM5四维变分资料同化系统

数值模式中的湿物理过程对于模拟各种尺度的天气现象非常重要,但它会使得模式方程的状态变量不连续,这种不连续在模式程序中表现为“开关”变量。本文对包括Kuo降水参数化方案的非静力中尺度数值模式MM5的四维变分资料同化系统进行研究,利用对实际降水的模拟,比较详细地讨论了有关的“开关”变量以及切向线性化和伴随问题。结果表明：对于一个离散的数值模式,保持“开关”变量与基态一致,用伴随码方法构造的伴随模式计算的梯度值能够为最小化过程提供较好的下降方向;Kuo方案中对流每隔一个积分步的交替发生并不影响目标函数最小化的收敛速度;“开关”变量的存在也不影响将风、温度、气压和比湿结合起来同化对MM5降水预报准确性的提高。     

MIXED-PHASE STRATIFORM CLOUD SYSTEM MODEL AND CASE MODELING ON TWO LOW-LEVEL MESOSCALE VORTICES

We introduced the two-parameter stratiform cloud model of Hu and Yan (1986) into the mesoscale model of Anthes et al.(1987),and reprogramed the latter,then constructed a three-dimensional stratiform cloud system model which includes three phases of water and detailed cloud physical processes.For the stability and accuracy of calculation in a larger time step,we accepted a set of hybrid-schemes for all and the time split scheme for some of the cloud physical processes,and proposed a parameterized method which calculates different types of phase change processes simultaneously,and designed the falling schemes of particles following the Lagrangian method.We used a dry model,a cumulus parameterization model,a two-phase explicit scheme model,and the model presented here to simulate two low-level mesoscale vortices,compared and analysed the simulating capability of these models.The results show that in simulation of the circulation structure of meso-vortex,the structure of cloud system,and surface precipitation,the model presented here is more reasonable and closer to the observations than other models.     

A MODIFIED CUMULUS PARAMETERIZATION SCHEME AND ITS APPLICATION IN THE SIMULATIONS OF THE HEAVY PRECIPITATION CASES

According to the characteristics of organized cumulus convective precipitation in China, a cumulus parameterization scheme suitable for describing the organized convective precipitation in East Asia is presented and modified. The Kain–Fristch scheme is chosen as the scheme to be modified based on analyses and comparisons of simulated precipitation in East Asia by several commonly-used mesoscale parameterization schemes. A key dynamic parameter to dynamically control the cumulus parameterization is then proposed to improve the Kain–Fristch scheme. Numerical simulations of a typhoon case and a Mei-yu front rainfall case are carried out with the improved scheme, and the results show that the improved version performs better than the original in simulating the track and intensity of the typhoons, as well as the distribution of Mei-yu front precipitation.     

两种不同积云参数化方案对1998年中国夏季洪涝灾害数值模拟的比较研究

利用国家气候中心的全球T63谱模式，以1998年夏季(6-8月)我国长江中下游和东北嫩江—松花江流域发生的特大洪水为试验个例，分别采取原来模式中的Kuo积云参数比方案和UKMO/unifled的Gregory积云参数比方案进行了整个夏季的逐月降水预报的对比试验。结果表明：Gregory质量通量方案能给出较Kuo方案更加合理的降水落区，并且对降水量的预报也有显著的改进。此外，Gregory质量通量方案对大尺度环流背景场的预报也较Kuo方案好。从整个夏季的预报来看，Gregory参数化方案能较Kuo方案更好地模拟出1998年的降水的总体趋势，尽管Gregory方案模拟的降水与实况相比，仍然存在着系统性的误差，还需要进一步改进。     

不同降水方案对"03.7"一次暴雨过程模拟的影响

观测和数值模拟研究已经表明,潜热释放对中国东部夏季梅雨锋系统及其锋面降水的维持和发展发挥着非常重要的作用.然而,目前对于梅雨锋降水模拟中各种降水方案的相互协调和系统评估方面的工作仍不多见,为了增进对梅雨锋暴雨模拟中降水过程的认识,作者针对2003年7月4～5日一次梅雨锋暴雨过程,构造了四组试验,利用MM5模式考察了两种分辨率(36 km、12 km),各种隐/显式方案搭配下,对所生成的雨带、雨量和降水类型的配置进行了仔细的研究,得到了一些有意义的结论,为今后更好地使用模式、利用数值模式来认识中尺度降水过程中的气象问题打下基础.主要结论包括:模拟总降水的水平分布和强度,以及显式降水和隐式降水的划分对积云参数化方案的选择非常敏感.但对特定积云参数化方案而言,降水的模拟对36 km、12 km水平分辨率不敏感(除Betts-Miller方案外);在中尺度网格分辨率10～50 km范围内,不同积云参数化方案对梅雨锋降水分布和降水量模拟的影响比不同显式方案带来的变化大得多.     

中尺度降水集合预报随机参数扰动方法敏感性试验

中尺度降水模式预报具有很大的不确定性,为更好地描述与模式降水预报密切相关的物理过程关键参数的不确定性,基于中国气象局GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中尺度区域集合预报模式,从对模式降水预报不确定性有较大影响的积云对流、云微物理、边界层及近地面层等4个参数化方案中选取了18个关键参数,设计了一种随机参数扰动方案（Stochastically Perturbed Parameterization,SPP）,并通过2015年6—7月总计10 d的随机扰动集合预报试验,对比分析了SPP方案对不同物理过程参数扰动敏感性、随机场时、空尺度敏感性、能量变化特征及其集合预报效果。结果显示,对所选择的任一物理过程参数化方案增加SPP扰动后,降水及等压面要素的概率预报技巧优于无SPP扰动的预报,而扰动积云对流和边界层过程中的参数较扰动云微物理过程中的参数影响更显著,且同时扰动积云对流、云微物理、边界层及近地面层参数化方案中的18个参数的集合预报效果优于扰动任何单一物理过程中的部分参数,表明SPP方案能够有效地提高中尺度降水概率预报技巧;从能量变化特征可知,不同物理过程的参数扰动对动能、内能和总能量的影响层次和特征有所不同,但总体而言,扰动前后各项能量基本相同;随机场时、空尺度敏感性试验发现,SPP扰动随机场时间、空间相关尺度对集合预报效果有明显影响,当扰动随机场选用12 h抗相关时间及截断波数20时,集合预报结果最优。上述结果表明,SPP随机参数扰动方案不仅能够有效提高集合概率预报效果,还能够提高集合降水概率预报技巧,具有良好的业务应用与发展前景。      

Spatial patterns and trends of daily rainfall regime in Peninsular Malaysia during the southwest and northeast monsoons: 1975–2004

Model precipitation can be produced implicitly through convective parameterization schemes or explicitly through cloud microphysics schemes. These two precipitation production schemes control the spatial and temporal distribution of precipitation and consequently can yield distinct vertical profiles of heating and moistening in the atmosphere. The partition between implicit and explicit precipitation can be different as the model changes resolutions. Within the range of mesoscale resolutions (about 20 km) and cumulus scale, hybrid solutions are suggested, in which cumulus convection parameterization is acting together with the explicit form of representation. In this work, it is proposed that, as resolution increases, the convective scheme should convert less condensed water into precipitation. Part of the condensed water is made available to the cloud microphysics scheme and another part evaporates. At grid sizes smaller than 3 km, the convective scheme is still active in removing convective instability, but precipitation is produced by cloud microphysics. The Eta model version using KF cumulus parameterization was applied in this study. To evaluate the quantitative precipitation forecast, the Eta model with the KF scheme was used to simulate precipitation associated with the South Atlantic Convergence Zone (SACZ) and Cold Front (CF) events. Integrations with increasing horizontal resolutions were carried out for up to 5 days for the SACZ cases and up to 2 days for the CF cases. The precipitation partition showed that most of precipitation was generated by the implicit scheme. As the grid size decreased, the implicit precipitation increased and the explicit decreased. However, as model horizontal resolution increases, it is expected that precipitation be represented more explicitly. In the KF scheme, the fraction of liquid water or ice, generated by the scheme, which is converted into rain or snow is controlled by a parameter S ₁. An additional parameter was introduced into KF scheme and the parameter acts to evaporate a fraction of liquid water or ice left in the model grid by S ₁ and return moisture to the resolved scale. An F parameter was introduced to combine the effects of S ₁ and S ₂ parameters. The F parameter gives a measure of the conversion of cloud liquid water or ice to convective precipitation. A function dependent on the horizontal resolution was introduced into the KF scheme to influence the implicit and explicit precipitation partition. The explicit precipitation increased with model resolution. This function reduced the positive precipitation bias at all thresholds and for the studied weather systems. With increased horizontal resolution, the maximum precipitation area was better positioned and the total precipitation became closer to observations. Skill scores for all events at different forecast ranges showed precipitation forecast improvement with the inclusion of the function F.     

初边界条件不确定性对AREM模拟一次华南致洪暴雨的影响

利用AREM（advanced regional E-gridη-coordinates model）模式,针对2005年6月21日发生在华南的一次特大致洪暴雨过程,研究了模式初始场和边界场的不确定性对AREM模拟大暴雨过程的影响。研究表明：模式初始场和边界场对模式模拟降水的不同时段影响存在明显差异,初始扰动误差越大模式误差也越大;误差增长先在中小尺度内伴随着湿对流不稳定,且增长极其迅速,接着向大尺度传播,由于对流有效位能的逐渐释放,大气不稳定度降低,误差在大尺度上增长缓慢;在初始场和边界场相同精度的情况下,增加边界场的中尺度信息,尤其是400 km以下尺度的信息,比增加初始场的中尺度信息更能有效抑制误差的增长。     

弱冷空气与台风残留低压相互作用对一次大暴雨过程的影响

本文利用多普勒雷达资料、中尺度自动站雨量资料,结合经过控制试验的高精度数值模拟输出的诊断物理量,研究了2010年＂莫兰蒂＂台风低压环流在浙江中北部地区引发的大暴雨天气过程的物理原因。结果表明：这次大暴雨过程主要由＂莫兰蒂＂残留云系、副高边缘的暖湿气流和北方的弱冷空气共同影响产生,降水回波为积层混合性降水回波,降水效率高;杭州地区多个中小尺度系统的相互作用使得对流云团在该地区持续加强和发展,而强降水中心附近风速的加强和面积的扩大,使整个降水时段内不断有水汽输入降水区,为降水提供了丰沛的水汽条件;对流层中低层正的垂直螺旋度,低层负湿位涡区和中高层正湿位涡区的配置形成的不稳定能量在弱冷空气入侵时有利于造成较强烈的中尺度上升运动,加上降水引起的潜热释放对中高层空气的加热作用,从而能够形成持续的抽吸作用。这些条件能引起持续性的强降水,导致了杭州地区暴雨的发生。研究此次大暴雨过程,对预报有一定的指示意义。