戈达德大气试验室(GLA)四阶大气环流模式(GCM)预报的一个重力波曳力效应的参数化方案

一、引 言 我们对戈达德大气试验室四阶大气环流模式用2°纬度乘2.5°经度的描述,体会到在使用高的水平分辨率能加强模式在北半球展现的西风偏倚倾向这点上,与其它模式的一批方案如英国(U.K.)气象局(Palmer等,1986)的方案是相似的。可能由于这种偏倚的关系(这种偏倚在典型的高分辨数值预报5—10天后变得明显),4°×5°的预报比2°×2.5°的预报在进入7—8天的预报后更趋向于变得成熟。 帕尔门(Palmer)等人(1986)指出,美国气象局模式中关于用次网格尺度地形性发生的重力波来对平均风曳力进行初始化方案的内容,在上述模式的高分辨方案中可以减弱西风的偏倚。因此,我们开始研究戈达德大气试验室四阶模式中重力波曳力的参数化效应。     

利用旋转平台模拟Rossby波现象的实验研究

采用旋转浅水系统对地形Rossby波进行实验室模拟,Rossby波实验的目的是模拟地球上中纬度大气、海洋中产生Rossby波的机理。由于地球流体实验的特殊性,它与普通流体力学实验不同,必须要具备模拟地球自转形成的科氏效应的实验设备,同时,还必须采用特殊的测量手段和实验方法。地球上Rossby波的存在,是因为行星效应或β效应为其提供了回复力,由于地形效应与β效应在动力学上具有等价性,所以能够在实验室中通过斜坡地形的应用来模拟真实地球的β效应,进而对Rossby波的现象进行模拟。实验模拟出了地形激发Rossby波的基本现象,并在此基础上对已有的相关理论进行验证,并且给出了β值与Rossby波的关系。     

Langmuir环流在雷诺平均型模式中的参数化研究进展

Langmuir环流影响着海洋上层的能量输入,对海洋上混合层的形成和加深起着重要作用,对于海洋上混合层具有重要意义。近年来许多学者采用大涡模拟(LES)方法对Langmuir环流进行机制研究,并通过在雷诺平均模型中参数化Langmuir环流效应,将Langmuir环流过程引入到三维海洋环流或海洋耦合模式中,提出了一系列混合参数化方案。本文回顾了Langmuir环流在雷诺平均模式参数化中的研究进展,主要可分为以下几种方案:一种方法是用Langmuir数在KPP垂直混合参数化方案中引入湍流特征速度增强因子,并不断发展Langmuir数的定义;一种是在Mellor-Yamada2.5湍流闭合模型中增加斯托克斯漂流剪切效应项,此外还有通过修改模式中混合长方程来加入Langmuir效应等。通过在雷诺平均模式中应用的结果来看,现有的参数化方案在一定程度上改善了混合层深度和SST的模拟,肯定了Langmuir环流在加深混合等方面的作用,但仍存在一些问题需要在今后的研究中进一步改进。     

数值预报模式中大气边界层的处理

本文叙述一些数值预报模式中大气边界层的处理。着重讨论大气边界层模式和自由大气模式的耦合、混合层的演变、表面层参数化、卷夹的参数化以及湿热力过程和辐射的作用。指出大气边界层的处理对海洋环境数值预报的重要性。     

用简单海气耦合模式研究西太平洋暖池的形成机制及其对大气扰动的影响——Ⅰ.简单海气耦合模式的建立(英文)

试图建立一个简单海气耦合模式,其中大气垂直分为两层,为－β平面近似线性模式。在非绝热加热项中包含了对流凝结潜热与大尺度流场之间相互作用的ＣＩＳＫ机制以及蒸发、感热与扰动风场之间的反馈机制,并考虑了东风区与西风区的不同。由于只研究大气的平均纬向运动,故模式大气中仅含有Ｋｅｌｖｉｎ波。海洋模式为一约化重力模式,只保留了Ｒｏｓｓｂｙ波。对这一海气耦合模式进行特征波动分析,发现考虑海气耦合效应并不影响大气波动的性质,在东风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波仍然增幅和东传;在西风区大气Ｋｅｌｖｉｎ波振幅衰减。但海气耦合效应却使得大气Ｋｅｌｖｉｎ波的传播速度减慢,周期增大。当考虑海气耦合效应时,海洋Ｒｏｓｓｂｙ波的稳定性质发生变化,由原来的中性波动变为非中性波动。在西风区,波数小于某临界波数的长Ｒｏｓｓｂｙ波振幅增大,而短的Ｒｏｓｓｂｙ波振幅衰减。在东风区结论相反。对海气耦合模式中波动的分析,为数值模拟西太平洋暖池的形成及其对大气扰动的影响建立了理论基础。     

陆地水体对气候影响的数值研究

本文提出了一个非静力平衡中小尺度数值模式,在模式中包含云的微物理学参数化方案、地面温度和水温预报方案、边界层湍流参数化方案、长波和短波辐射参数化方案,且包含地形。模式具有较好的积分稳定性,能精确地模拟边界层内气候的演变过程。本文用该模式研究了陆地水体对温度、湿度、风和湍流强度的影响,模拟结果与实测资料一致,反映了陆地水体对周围气候环境的影响过程和规律。     

大洋细结构混合参数化方法在世界大洋环流模式中的应用

在大洋环流模式中,铅直混合的参数化方法起着关键性的作用。将大洋细结构混合参数化方法首次应用于世界大洋环流模式中。使用中科院大气所(LASG)发展的20层世界大洋环流模式(OGCM)ML20,月平均风场作为强迫场,利用ML20模式在稳定初始状态下运行300a后的计算结果作为本实验进行数值模拟的初始场。该参数化方法对世界大洋环流模式的影响主要表现为：永久性温度跃层的厚度明显变薄;对深层水和底层水的模拟有改进;对南极中层水的模拟比较成功;但是对赤道海区的模拟结果欠佳。     

一个中国边缘海的风-浪-流预报系统

海洋预报是进行海上活动的安全保障,海洋预报系统技术已经成为现代海洋气象业务的技术支撑。海洋观测、数据同化、数值模拟和高性能计算机等技术的进步极大地推动着海洋业务化预报的发展。采用大气数值模式（WRF）、海洋数值模式（CROCO）和海浪数值模式（SWAN）的多模式高分辨率离线耦合方式,添加南京信息工程大学“海洋数值模拟与观测实验室”团队自主研发的一系列海洋模式参数化方案,包括浪致混合参数化方案、亚中尺度参数化方案、海山诱导混合参数化方案以及涡旋诱导的沿等密度面和跨等密度面混合参数化方案,并通过同化技术和最新的人工智能技术与观测资料相结合,构建一种面向中国边缘海的风浪流多参数耦合预报系统,用于海上风电功率的预报和其他海洋灾害预警。实际观测资料的验证表明,该预报系统能较准确地模拟海上风场、海流、海温、波浪、潮汐等海洋气象要素。同时实现了按需实时可视化全景展示。     

区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性研究

本文回顾了近年来海表粗糙度参数化研究成果,借助COARE算法对四种粗糙度参数化方案下海浪对海气界面通量及大气底层运动的影响进行分析,并对高海况条件下,区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案的敏感性进行了初步的探讨。研究表明：海表粗糙度受海面波浪状态的影响,在其参数化方案中考虑波龄的作用后,在高风速、低波龄区,波浪作用使海气界面上的动量和热量通量显著增加;波浪通过参与海气界面上的动力和热力作用影响低层大气运动,低波龄条件下,波浪作用使大气运动减弱,高波龄条件下,波浪作用较小;区域海－气耦合模式对海表粗糙度参数化方案较敏感,不同的参数化方案对台风路径影响不大,对台风强度影响显著,从本文的个例来看,采用Smith92和Liu07方案的模拟结果更接近实测值。本文的研究结果为更合理的参数化海气界面的物理过程,提高耦合模式的模拟准确率提供了一定的参考。     

一种新型海-气湍流通量参数化方案的模式测试

将一种新型湍流通量参数化方案代入到大气环流模式CAM3中,对比分析了模式改进前后模拟的风应力、感热通量、潜热通量和降水的全球分布,以及风应力、潜热通量和降水的纬向平均。结果表明:改进后模式的模拟结果更接近ERS、ERA40湍流通量数据和CMAP综合降水数据,其中对西风带上洋面风应力、亚洲季风区的潜热通量和降水改进明显。由于该新型湍流通量参数化方案直接由整体理查逊数、空气动力学粗糙度和热力学粗糙度参数化稳定度参数,避免了通过循环迭代计算Obukhov长度,计算效率得到提高。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

数值模式中的大气边界层参数化方案综述

大气边界层对下垫面和自由大气之间的热量、动量和物质交换以及全球辐射的收支平衡有着非常重要的作用,数值模式中对边界层的模拟需要通过参数化方案表现出来。综述了数值模式中常用的边界层参数化方案,从闭合框架以及边界层内的重要物理过程这两个方面对各类方案进行了总结,并讨论了边界层参数化方案的发展方向。     

岛屿岛礁海域海浪能谱模型研究进展

波浪能谱模型在岛屿岛礁海域的波浪预报研究和海洋工程中应用广泛,但存在模式计算格点无法充分体现岛屿岛礁的复杂地形特征和很难刻画波浪受到岛屿岛礁影响发生变形物理过程等两个关键问题。多重网格嵌套方案、岛屿次网格地形效应计算方案以及非结构网格、无网格、动态自适应四叉树网格等技术在体现岛屿岛礁复杂地形方面取得了较好的效果;将相位解析模型与波浪能谱模型优势互补是提高能谱模型对岛屿近岸波浪变形物理过程计算能力的一个有效方法。开展球坐标系下波作用密度谱方程的自适应四叉树网格求解方法研究,借鉴相位解析模型最新成果完善能谱模式的绕射、反射、底摩擦等物理过程,是提高岛屿岛礁海域海浪精细预报技术水平的前沿性、探索性研究方向。     

在亚州夏季风不同时期中积云作用的研究

一、引 言 在大尺度数值天气预报模式中积云参数化的重要性是众所周知的。几位作者如Tiedtke1984,Mohanty等(1984)借助了大气环流模式已对积云参数化方案的性能进行了研究。然而,对于小尺度参数化方案的性能及其相对于大尺度模式的独立性几乎没有任何尝试性研究。Lord(1978)在几个较小的尺度上研究了Arakawa和Schubert(1974)积云参数化方案(以下简称A—S方案),这几个较小的尺度就是全球大气研究计划大西洋热带实验(GATE),马绍尔群岛,委内瑞拉国际气象与水文实验(VIMHEX)以及气团变性实验 (AMTEX)等。 本文的目的是在季风的三个不同阶段中(即爆发前、季风爆发和季风中断)研究A—S方案。这一工作是Das等(1985)以前研究工作的延续,在Das等的工作中,A—S方案仅在季风低压的情况下进行了研究。     

2002年8月闽东一次暴雨天气过程的可能物理成因和数值试验

利用MM5模式对2002年8月10～11日发生在闽东的一次暴雨过程进行了数 值模拟和诊断分析．结果表明:暴雨中心位于低层正螺旋度中心附近。而且雨强的变 化与正螺旋度的变化近于一致．在MM5模式能较好地模拟本次过程的基础上,对地 形和风场做了对比试验．试验结果表明:地形对暴雨有较强的增幅作用;风速垂直廓 线的线性和非线性分布激发产生的中尺度重力惯性波和涡旋Rossby波,在切变基流 中有可能发生不稳定而导致暴雨天气过程的产生．     

平均波周期参数化方案及在SWAN模式中的应用

基于NDBC浮标观测数据,利用波龄与无因次波高的关系构建新的平均波周期参数化方案。将该方案集成在SWAN模式中,利用模式得到的有效波高、海面风速,计算新的平均波周期。将计算出的新平均波周期值、SWAN模式原周期计算方案得到的平均波周期值与浮标观测值进行对比,分析平均波周期的相对误差。结果表明,SWAN模式原周期计算方案模拟的周期值存在偏小的现象,而新的平均波周期参数化方案计算结果更接近浮标观测值,说明本文新构建的平均波周期参数化方案能够较好的应用在SWAN模式中开展东海海域平均波周期的数值模拟。     

海洋模式中潮致混合调和分析参数化方案的建立

潮致混合对海洋环流的调整起着重要作用。陆架环流的数值模拟中如果不考虑潮汐作用，往往不能得到与观测相符的垂向温盐结构。本文基于调和分析方法，建立了一套潮致混合参数化方案。该方案通过对垂向混合系数进行调和分析，从而得到随时间变化的潮致混合系数。将该方案用于黄海冷水团数值模拟的结果显示，其能够得到与在数值模式开边界直接加入潮汐强迫相当的冷水团温盐结构。和直接引入潮汐强迫相比，这一潮致混合参数化方案的优势在于，它能够大大节省数值模拟计算机时，因此有望显著提高大规模高分辨率的海洋环流及气候模式的模拟能力和计算效率。     

大气-海浪耦合模式对台风“碧利斯”的数值模拟

本文将海表粗糙度作为耦合大气、海浪模式的重要因子,实现中尺度大气模式MM5(V3)和第三代海浪模式WAVEWATCHⅢ的双向耦合,建立充分考虑大气、海浪相互作用的大气.海浪耦合模式.将该大气-海浪耦合模式应用于对0604次台风"碧利斯"的数值模拟,在耦合模式中引入Smith92海表粗糙度参数化方案,探讨其对台风和台风浪的影响.研究结果表明,大气-海浪耦合模式能够抓住台风过程的总体特征.Smith92海表粗糙度参数化方案对台风路径影响不大.但在台风系统强度的模拟上影响明显,采用Smith92方案使得台风系统强度显著增强,对台风系统强度的模拟有明显改善.同样,大气-海浪耦合模式能够很好的模拟台风过程中海浪的传播和演变.采用Smith92方案使得海面有效波高明显增高,对海面有效波高的模拟有一定程度改善.因此,在大气-海浪耦合模式中恰当的选择海表粗糙度参数化对改进大气-海浪耦合模式的模拟效果是很有意义的.     

夏季赤道中东太平洋海温和北极海冰异常对大气环流影响的数值模拟

利用菱形截断15波的9层全球大气环流谱模式设计了若干数值试验,分别研究了赤道中东太平洋海温偏暖、北极不同区域海冰偏多以及海温偏暖同时海冰偏多对夏季北半球大气环流的影响,结果表明北极海冰偏多和赤道中东太平洋海温偏暖,对夏季北半球大气环流具有同等效应,海冰和赤道海温任何一方的变异均可显着影响大气环流,其中亚洲-北美型和欧亚型遥相关是极冰和赤道海温影响北半球夏季大气环流异常的主要动力学途径。本文结果再一次证实了赤道和极地之间的热力差是决定大气环流的最基本因子。     

海冰动力学过程的数值模拟

讨论了海冰动力学性质并阐述决定海冰漂移的动量平衡,冰脊和水道形成及确定冰应力与形变、强度之间关系的海冰流变学.提出了模拟海冰动力学过程的数值模式,模式中冰厚分布由开阔水、平整冰和堆积冰3种要素表示.在这3要素的预报方程中引入形变函数,采用一种参数化方法模拟冰脊和水道.为了表示冰内相互作用,将海冰作为一种非线性粘性可压缩物质,采用粘-塑性本构关系.本文还概述和讨论了模式中所采用的数值方法,应用此模式模拟了渤海、波罗的海的波的尼亚湾和拉布拉多海的冰漂移.渤海冰漂移模拟结果明显地显示出潮周期变化,还模拟了渤海的冰脊和水道,进行了海冰流变学参数的敏感性试验.并将此冰模式与大气模式和边界层模式联接,给出渤海海冰预报结果.