区域中尺度模式云微物理参数化方案特征及其在中国的适用性

云微物理参数化方案在数值模式中起着重要的作用,是影响数值天气预报和气候预测准确性的最大因素。系统回顾了中尺度数值模式中云微物理参数化方案的研究进展,并统计分析了最近十余年云微物理参数化方案在中国范围内的敏感性试验研究成果。Lin方案和Rutledge-Hobbs方案奠定了中尺度模式中云微物理参数化方案的基础,其他方案都是直接或间接在这2个方案的基础上从多方面改进而形成的。这些改进主要体现在:①水凝物粒子分类数目;②冰核活化;③粒子谱分布描述函数;④粒子谱截距的取值;⑤粒子间相互转换阈值大小的设定。中国范围内云微物理参数化方案敏感性试验研究成果统计表明,使用WRF模式中Lin方案的模拟效果较好,MM5模式采用Goddard和Reisner方案效果较好。     

新一代中尺度预报模式（WRF）国内应用进展

随着中尺度大气模式的不断发展,新一代中尺度天气研究和预报模式WRF因其完全开放、可移植性强、更新快等特点在国内外得到了广泛应用。从物理参数化方案研究,实时个例模拟研究及与中尺度大气模式MM5的对比研究3个方面介绍近10年来WRF模式在国内的发展和应用概况,阐明WRF模式在中尺度模拟中的普适性和优越性,展望WRF模式在国...     

不同微物理参数化方案对降雨数值模拟的影响试验——以北京为例

城市暴雨预报对防洪排涝具有重要意义。基于中尺度数值天气预报模型WRF,构建北京市暴雨模拟模型,采用13种微物理参数化方案,对2007年8月1日下午至8月2日凌晨的暴雨过程进行了模拟试验。结果表明,对该场降雨,Kessler方案模拟得到的面平均降雨量与实测值最接近;WSM5方案模拟得到的面平均降雨过程与实测过程吻合最好;累积降雨高值区域落区模拟和最大1h降雨强度模拟,Milbrandt方案表现最好;综合考虑降雨量、降雨过程、累积降雨高值区域落区范围和最大1h降雨强度指标,Milbrandt和Thompson方案表现最好。此外,相比单矩方案,采用多矩方案可能会提高对微物理过程的描述精度。研究结果对北京市暴雨预报具有一定参考意义。     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

数值天气预报模式物理过程参数化方案的研究进展

数值天气预报模式对天气过程发展的物理描述主要通过物理过程参数化实现,因此,物理过程参数化方案的发展一直是国际研究热点,也是数值模式改进的难点。在阐述对流、云微物理和边界层等主要物理参数化方案的理论基础和发展历史的基础上,指出在高分辨率模式网格条件下的物理过程参数化方案改进将是未来数值模式发展的核心问题。随着高性能计算能力的迅速发展,目前业务模式网格距已逐渐精细到小于10 km,但模式所使用的物理过程参数化方案大多并未针对高分辨率网格设计,其理论假设的适用性值得商榷。根据目前国际研究趋势,探讨了今后物理过程参数化方案研究改进的重点方向。     

基于数值天气模式及其模式输出的闪电预报研究进展

鉴于闪电对人类生命、设备安全的威胁、对强对流天气的指示作用及其在大气化学反应链中的重要角色,国内外大量研究人员在中尺度数值天气模式、全球气候模式中开展了闪电预报的研究工作。在数值天气模式中,闪电预报方法可以分为3种:基于闪电活动发生时的天气背景场统计关系的闪电数值诊断预报;依据云动力、微物理场与起电活动的关系建立闪电率参数化方案;在数值天气模式中耦合详细的起电、放电参数化方案。详细综述了这3种预报方法的研究进展,总结了它们各自的特点,并且对现存的难点问题及未来的发展方向进行了探讨。     

湖泊数值模拟研究现状综述

作为陆面过程的重要组成部分,湖泊在天气气候预测中的作用得到了相关研究者的广泛关注,并成为大气科学研究领域中的一个热点.主要综述了当前湖泊模式的基本类型、所考虑的关键物理过程及其参数化方案,并尝试分析了各个方案的优劣以及模拟效果.相关研究表明,现有的湖泊模式对浅湖的模拟比较成熟,而对深湖和冰湖的模拟有待改进.未来的研究亟需构筑适用于大湖、深湖以及冰湖的参数化方案,发展能全面模拟各类型湖泊的数值模式,并且湖泊数值模拟的改进依赖于今后更多高质量的全球湖泊观测结果.     

对称不稳定对梅雨锋暴雨影响的数值模拟

在Kuo-Anthes垂直对流参数化方案和Nordeng倾斜对流参数化方案基础上,提出了垂直-倾斜对流一体化参数化方案,在引入MM5模式后,对1999年6月发生在长江流域的一次大尺度带状强降水过程进行了数值模拟及敏感性试验。结果表明:在模式中引入倾斜对流参数化方案,可有效改进模式模拟的降水强度和位置,加快形成锋面附近的垂直环流并使之得到增强,模拟结果更接近实况。同时也表明,在模拟和预报具有对称不稳定的天气系统时,在模式中考虑倾斜对流参数化方案是必要的。     

Noah-MP模型中积雪模拟对参数化方案的敏感性评估

针对Noah-MP模型多参数化方案、模拟结果不确定性范围难以确定的特点,选取北疆地区具有代表性的阿勒泰站气象资料作为模型驱动数据,探讨了积雪对多参数化方案的敏感性。在不考虑模型参数和驱动数据不确定性的条件下,设计了集合数为13824的多参数化方案集合模拟试验。选用Natural selection方法对物理过程的敏感性进行分析,并在敏感性分析结果的基础上进一步讨论了模拟结果的不确定性。结果表明:积雪对地表热交换、雨雪分离、土壤温度底层边界条件和第一层积雪或土壤时间方案4个物理过程敏感;在不考虑驱动数据和模型参数不确定性的条件下,多参数化方案集合模拟试验中的不确定性主要来源于敏感物理过程。去除敏感物理过程中能够明显降低模拟性能的参数化方案后,集合模拟结果的不确定性大幅减小。最后,根据分析结果构建了该站雪深和雪水当量模拟的最优参数化方案组合。     

新一代区域气候模式(CWRF)国内应用进展

随着区域气候模拟研究的不断深入,新一代区域气候模式CWRF因为其优异性能开始被广泛应用。从其对WRF物理过程的改良,模拟区域和侧边界条件的构建,个例模拟研究和与RegCM的模拟对比3个方面介绍CWRF模式在我国的发展与应用概况,说明CWRF在区域气候模拟中的准确性和先进性。探究了CWRF模式在国内的两大发展前景:一是在CWRF模式中引入更为准确的物理过程参数化方案,并可进行有机组合实现优化集成气候预报;二是把CWRF与全球气候模式嵌套,进行短期气候的业务预报和长期气候变化及其影响的预测评估。梳理和归纳CWRF模式在我国的应用现状,展望CWRF模式本土化的发展趋势,为CWRF模式的使用和研究提供有意义的参考。     

陆面模式中土壤冻融过程参数化研究进展

土壤冻融过程在寒区水文和气候系统中有着重要作用。陆面模式中土壤冻融过程的参数化对模式的设计和模拟结果有着关键作用。通过对广泛应用的Bucket，SIB，BATS，VIC，BEAS， LSM等几种主要的陆面模式中的冻融过程参数化方案进行了总结和比较。首先，详尽地描述了土壤冻融与气候变化的数值模拟研究，总结和评述了土壤冻融过程对气候变化的作用。其次，对几种主要的陆面过程模式在土壤水热参数化方案中对冻融过程的考虑及其特点进行了比较和讨论。还对冻结深度和冻结周期的预报模式进行了简介，最后对该领域当前面临的主要研究问题进行了探讨和阐述。     

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明：①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。 ③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。     

数字全息云粒子测量技术现状及进展

准确获取大气中云粒子的原位探测信息,对于揭示气溶胶—云—降水形成物理机制、改进数值预报模式微物理参数化方案、评估人工影响天气催化效果等具有重要的应用价值。数字全息测量技术能够同时获取云粒子的尺度、速度、相态和空间位置等信息,且具有覆盖粒子尺度范围广（μm～mm）、空间采样精度高（可达mm量级）和仪器采样体积可准确确定等诸多优点,在云微物理观测领域具有广阔的应用前景。总结了目前国内外数字全息云粒子测量仪器的研究现状,分析了仪器研制所涉及的全息光路设计、机械防护和全息图处理等几个关键技术问题,并介绍了全息云粒子观测结果在揭示混合云内冰晶冻结机制和云中湍流混合作用影响微物理机制等方面的应用。最后,从技术应用角度对全息光路优化设计、全息图处理方法、仪器结构防护和外场观测试验等方面作了一定的思考和展望,以期为开展相关仪器研制和云微物理观测应用研究提供参考。     

一次梅雨暴雨的高分辨率数值模拟研究

对移植欧洲高分辨率有限区数值模式(HIRLAM)在我国的适用性进行了研究,解决了青藏高原对高分辨率欧洲模式引入中所造成的问题。利用该模式模拟了1991年江淮流域严重洪涝时期一次梅雨暴雨过程的中尺度特征,并揭示了青藏高原涡与西南涡的不同特点及其对形成特大暴雨中尺度系统的影响。这对于进一步了解梅雨暴雨的形成和演变机理及其预报等有一定意义,并具有广泛的应用前景。     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小,降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes-Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小, 降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

基于三维参数化方案的二元分布式水文模拟

分布式水文模型通过参数化方案处理参数空间异质性对水文模拟的影响。针对目前参数化方案对山区流域参数垂向差异考虑不足的问题,开展了三维参数化方案研究,建立了基于垂直地带性的三维参数化方案,针对性地改进了WEP-L模型,并以密云水库上游流域为例对方案效果进行了分析。结果表明：（1）和以往二维参数化方案相比,三维参数化方案可大幅提升分布式水文模拟精度,流域内主要控制站近60年逐月实测径流过程模拟效果得到有效改善;（2）模拟精度提高的主要原因是改进后方案同时考虑了植被类型垂直地带性及海拔高度对参数空间分布的影响。     

渤海海冰和海洋的动力相互作用模拟试验

利用冰-海洋动力耦合模式, 对渤海海冰和海洋之间的相互作用进行了研究和模拟试验.耦合模式中的海洋模式采用普林斯顿海洋模式(POM), 冰模式采用国家海洋局海洋环境预报中心(NMEFC)的渤海海冰业务化数值预报模式.通过模拟研究, 分析了M2分潮对海冰质点运动轨迹、冰外缘线位置、瞬时冰速和冰厚分布的影响; 同时探讨了海冰对冰下海洋的动力作用.     

对流边界层灰区尺度数值模拟研究进展

随着计算能力的不断提高,数值天气预报模式的水平网格分辨率已经达到公里—次公里量级,这一网格尺度与对流边界层中的湍流特征尺度相当,数值模式可以对有组织对流结构进行解析计算。传统的一维边界层参数化方案（适用于几公里或更粗水平分辨率）和大涡模拟三维湍流闭合方案（适用于几十米以下水平分辨率）的假设条件在这一尺度上均不成立,称为对流边界层的灰区尺度。在讨论传统参数化方法的适用性和局限性的基础上,从理论、方案方法和影响3个方面介绍了对流边界层灰区尺度的研究进展,总结了近20年来国内外发展的各对流边界层灰区尺度模拟方法的特点,探讨了该尺度上边界层过程对数值模式中其他物理过程（如浅/深对流等）的影响,最后展望了未来可能的研究方向和思路。     

基于栅格尺度的双层融雪径流模型研究及应用

以新疆天山北坡军塘湖河流域作为研究区,基于物理机制构建双层分布式融雪径流模型,利用研究区数字高程模型(DEM)提取流域信息,运用GIS技术与遥感技术获取积雪、植被、土壤等与融雪径流模型有关的地表信息,并结合WRF中尺度数值预报模式作为该模型气象驱动数据,对研究区融雪期进行模拟,结果显示:2009、2010年峰值模拟期间,实测与模拟径流过程线拟合度高,QR合格率分别达87%、90.85%。该模型适用性较好,对融雪洪水预警具有一定的参考价值。