次网格地形参数化对WRF模式在复杂地形区风场模拟的影响

黄土高原特殊的地形导致该地区风场特征复杂,本文以黄土高原为研究对象,通过3组数值模拟试验,探讨次网格地形参数化对WRF模式模拟近地面风场的影响。结果表明:地形越复杂,次网格地形标准差越大,WRF模式中离站点最近格点的海拔高度与站点实际海拔高度差异越大;研究时段内,若不考虑次网格地形影响,观测风速较小时,WRF会高估风速,而观测风速较大时,WRF则低估风速。在相对平坦的地区,模拟风速与观测风速之间的均方根误差较小,地形越复杂时,均方根误差越大。采用次网格参数化方案后,模式对风速的模拟有明显改进,认同指数、准确率、相关性等都有明显提高,模拟误差明显降低。3组试验均能模拟出风速的日变化,但不考虑次网格地形影响时,模拟的风速几乎是观测值的2倍,考虑次网格地形影响后,模拟的风速明显降低,其中Jimenez方案模拟的风速与观测值之间的偏差最小,能更好地描述风速的空间分布特征,而Mass方案仅降低了平原和山谷地区的风速却没有突出山区的高风速,对风速空间变化的模拟不如Jimenez方案。     

次网格地形动力效应参数化及其对降水模拟效果的影响

地形对气流的动力抬升作用是地形降水的重要产生机制之一, 为了在模式中考虑地形对气流的动力抬升作用, 改进模式对复杂地形区域的降水模拟效果, 本文提出了一个次网格地形动力效应参数化方案.在模式中首先利用高分辨率的地形高度资料计算出次网格格点处的地形坡度、坡向, 这些微观地形参数可以较为精细地描述次网格尺度地形信息;然后再根据地面气压与地形对气流动力抬升作用的关系, 对地面气压倾向进行次网格修正;最后利用 p-σ区域气候模式进行了三个数值试验, 检验该方案对模式模拟降水能力的影响.结果表明, 次网格地形动力效应参数化方案的引入, 对中国区域的降水模拟有明显改进, 尤其对冬、春季的降水模拟, 无论是分布范围还是中心最大强度都与实况比较接近.     

修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因,将方案中影响关键参数C_t的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。     

白鹤滩水电站冬春季两次极端强风天气的对比分析

利用FNL 1°×1°再分析资料和常规气象观测资料从时空上统计分析了白鹤滩水电站大风天气过程,选取2个冬春季11级极端强风个例进行对比分析,从环流形势、天气系统、地形作用、物理量场、斜温图等方面揭示了大风形成、发展的原因。结果表明:白鹤滩水电站受大风天气影响巨大,特别是冬春季,且存在明显季节差异;电站地形复杂,狭管效应显著,冷空气南下、山谷风活动、河谷狭管效应及下垫面摩擦力共同作用,导致了大风天气的发生。"2.21"过程与"3.10"过程大尺度环流形势基本一致,但冷空气位置、强度及影响时间不同,散度涡度场、水汽通量散度场及垂直速度场的分布对大风天气有较好的指示作用,强风区对应垂直螺旋度上负下正的垂直结构;还总结了斜温图中大风天气的预报指标,为预报大风天气提供了经验。     

北京一次大风和强降水天气过程形成机理的数值模拟

利用3维强风暴冰雹分档模式(IPA—HBM)对2001年8月23日北京的一次伴有大风、暴雨和冰雹的强对流天气过程进行模拟和分析，并与部分观测资料进行了比较分析。结果表明，该模式对此次强风暴的生命史、降水分布、降雹的大小等要素做了较好的模拟，并能够模拟出伴随强风暴过程所产生的强下沉气流和及地面强风速切变(下去暴流)。从云微物理学角度分析了此次局地性大风的形成原因，认为由高空冰雹粒子的拖曳产生的负浮力作用是促发强下沉气流产生的主要原因，其次是冰雹的融化和雨水蒸发冷却对下沉气流起加速作用，冰雹的拖曳和融化作用对下沉气流具有决定性作用。强风暴所产生的爆发性强下沉气流最终导致了局地大风的形成。     

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF（Weather Research and Forecasting）模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF 模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。     

洱海盆地一次冬季大风演变特征及其机制模拟分析

利用WRF模式耦合Noah陆面模式和CLM湖泊模式,对2015年1月23日大理地区洱海盆地的大风天气进行模拟,对大风的发展期、强盛期和减弱期的三维动力热力结构特征进行分析,并得出了洱海盆地大风形成机制:在洱海盆地大风发展期,高空以西风为主,盆地中部上空1km高度处出现局地小气旋,地面以偏东风为主,高空偏西气流翻越苍山形成波动扰动,在背风坡侧形成空腔区和二次涡,低层形成了波不稳定区域,波不稳定区域发生波破碎,波破碎区域湍流运动活跃,把上层的能量往下传播。大风强盛期,盆地南北侧高空为两支西风气流控制,中部变为弱的辐散场,造成高空扰动,苍山东侧近地面浅薄逆温层消失,低空逆温层之上温度廓线几乎垂直上升,大气层结处于不稳定状态,有利于高空动量向下输送。大风减弱期,高空西风减弱,扰动消失,湍流动能耗散,地面风速逐渐减小。     

柳州盛夏一次下击暴流特征分析

2021年8月3日柳州市出现一次伴有短时强降水和下击暴流的强雷暴大风天气过程。利用观测资料以及柳州自动站分钟级数据、雷达、风廓线等资料，对此次过程中下击暴流的成因进行分析。结果表明：①此次过程是在大陆高压与热带辐合带间中低层为一致东北气流的背景下，弱垂直风切变与强不稳定能量、深厚干空气源、近地面的干绝热递减等有利环境条件下，由地面中尺度辐合线抬升触发的。②下击暴流初始回波具有脉冲风暴特征，之后发展成多单体风暴；下击暴流发生前有反射率核心下降，低层入流及中层径向辐合增强等特征，其垂直结构表现为低层辐散、中层辐合、中高层辐合旋转。③地面大风出现前风廓线雷达风场有明显高空动量下传和低层风速减小，大风出现在低层风速开始增强时刻，早于低层风速最强时。④下击暴流的产生与降水粒子的拖曳作用和负浮力有关；地形作用使得强对流回波沿地形运动，且下坡地形与峡谷效应对极端大风的形成有叠加作用。     

乌鲁木齐机场东南大风数值预报及地形敏感性试验

利用WRF模式和GFS资料对乌鲁木齐机场一次东南大风天气进行了预报和地形敏感性试验。模式预报的结果表明:WRF模式对东南大风的起风时间、持续时间、风速大小等方面有较强的预报能力。地形敏感性试验表明:1乌鲁木齐市区与机场300m左右的高度差对机场风速的影响很大;2机场上空下沉运动的强弱与东南大风的强弱有很好的对应关系;3机场东南大风的风速变化并不总是与峡谷两端气压梯度力的变化同步。此次东南大风天气的产生是低空动量下传、狭管效应和下坡风共同作用的结果。动量下传主要出现在海拔2000m以下的高度,下坡风主要出现在海拔935m以下的高度。     

琼州海峡大风数值模拟及地形敏感性试验

使用WRF3.1模式对2008年12月4日、12月21日、2009年3月13日的三次冷空气造成的琼州海峡大风过程进行数值模拟和地形敏感性试验.模拟结果表明:水平格距4 km的模拟地面风场与实况接近,中尺度模式在大风的起风时间、持续时间、风速大小等方面有较强的预报能力,并能反映冷空气偏东路径与偏西路径过程中琼州海峡大风的...     

延庆-张家口地区复杂地形冬季山谷风特征分析

基于2016年12月—2017年2月和2017年12月—2018年2月两年冬季的近地面自动气象站逐时观测数据以及张家口探空数据分析延庆-张家口一带（包括张家口崇礼、赤城、海坨、小五台山区,延怀、怀涿、洋河、蔚县盆地以及北京延庆、昌平、怀柔部分平原地区）复杂地形的风场精细化时、空分布特征,揭示不同复杂地形下局地风场的时、空变化规律,加深对复杂地形动力、热力作用对近地面风场影响的认识,为冬季山区风场预报以及复杂地形数值模式改进提供参考。结果表明:晴朗小风天风持续性作为矢量平均风速和标量平均风速的比值,可以作为研究风场变化规律的重要参数。根据风持续性的日变化特征,可以将研究区域内所有站点分为10种类型,分别代表不同局地地形特征的影响,风持续与风向变化的相关也很强。研究区域主要有3种类型的地形风:斜坡风、峡谷风以及较大尺度的山区平原风。不同地形特征下的风场、风持续性存在明显不同的日变化特征,山风和谷风相互转化的时间也不同,山区最早,盆地次之,平原区最晚;山风时段持续时间较谷风时段长,风速小;晴朗小风天实测风反映了实际风场的特征,而排除环境背景风场,弱化地形动力作用后整个冬季的局地风作为理论山谷风,更能反映热力作用下的山谷风特征。      

Evaluating and Improving Wind Forecasts over South China: The Role of Orographic Parameterization in the GRAPES Model

Unresolved small-scale orographic(SSO) drags are parameterized in a regional model based on the Global/Regional Assimilation and Prediction System for the Tropical Mesoscale Model(GRAPES TMM). The SSO drags are represented by adding a sink term in the momentum equations. The maximum height of the mountain within the grid box is adopted in the SSO parameterization(SSOP) scheme as compensation for the drag. The effects of the unresolved topography are parameterized as the feedbacks to the momentum tendencies on the first model level in planetary boundary layer(PBL)parameterization. The SSOP scheme has been implemented and coupled with the PBL parameterization scheme within the model physics package. A monthly simulation is designed to examine the performance of the SSOP scheme over the complex terrain areas located in the southwest of Guangdong. The verification results show that the surface wind speed bias has been much alleviated by adopting the SSOP scheme, in addition to reduction of the wind bias in the lower troposphere. The target verification over Xinyi shows that the simulations with the SSOP scheme provide improved wind estimation over the complex regions in the southwest of Guangdong.     

高黎贡山复杂地形下局地环流的数值模拟研究

本文利用中尺度模式WRF（weather research and forecasting）模拟了2016年干季和湿季高黎贡山南段（腾冲—保山地区）山谷风环流,分析YSU、MYJ、MYNN3、ACM2和BouLac五种边界层参数化方案在高黎贡山复杂下垫面的适用性。研究结果表明YSU方案对温度模拟的效果最好;ACM2模拟的风速平均绝对误差最小;MYNN3方案模拟的风向绝对误差最小,YSU方案和MYJ方案模拟的风向日变化趋势与观测更加一致。高黎贡山南段地区上午09时（北京时,下同）出现谷风环流,夜间19时转为山风环流。白天多为偏南风,夜间为偏北风和偏西风。白天山顶气流辐合而山谷气流辐散,夜间相反。白天风速大于夜间。干季西风风力较弱,有利于低层局地环流的发展;而湿季受较强的偏东背景风影响时,局地环流的发展受到抑制,边界层高度也就低于干季。干季西风遇到高黎贡山,在西坡下沉并形成涡旋,西侧湍流混合充分,边界层高度高;湿季偏东风使高黎贡山西侧谷风减弱,腾冲与保山的边界层高度相差不大。     

新疆铁路沿线最强风区大风特征对比分析

利用2015-2018年新疆境内兰新铁路沿线32个大风监测站逐小时风速资料,基于统计学方法、空间分析法,从平均大风日数、大风历时、不同风速的贡献率以及平均风速不同时间尺度和地域分布的变化特征等,对兰新铁路新疆段内两个最强风区带——百里风区和前百里风区的大风特征进行统计和对比分析。结果表明：较之百里风区,前百里风区更易出现极端大风天气（大于11级风）,同时具有风速"昼弱夜强"、地域分布差异性大、主导风向与兰新铁路运行方向基本垂直以致横风强劲等特点。该分析结果能够有效弥补前百里风区这一无人区气象规律探索的空白,可为探明特殊地域强风区大风最新变化规律、关键区的大风逐小时内精细化预报、专项试验研究、风速灾害预警阈值的制定等提供基础。     

金沙江下游白鹤滩水电站"6·28"极端强降雨特征研究

本文利用1960～2019年日降水量资料分析了白鹤滩水电站极端降水变化特征,指出宁南和巧家两县极端降水量、极端降水日数和极端降水比率均呈上升趋势。宁南极端降水阈值为42.9mm,宁南、巧家平均每年极端降水日数相近,为2～3天。极端降水发生的高峰期在6月、其次7月。利用ERA5再分析资料,对“6.28”典型白鹤滩暴雨过程进行物理量诊断分析,得出此次强对流暴雨天气过程发生期间,白鹤滩水电站对流层低层水汽通量辐合较强,水汽的积聚对暴雨的维持提供条件。垂直速度场表现为较强的垂直上升运动,同时对流层低层假相当位温随高度降低,反映了大气的不稳定性,为局地产生强对流性降水天气提供了有利条件。由此次白鹤滩突发暴雨灾害,对气象服务启示要从单纯重视“过程前”的预报服务模式向关注“过程中”的跟踪式预报服务模式转变。      

基于大涡模拟的冬奥赛区风环境精细化评估

风是北京冬奥会场外赛事考虑的首要气象因素,精细评估竞赛场地核心区域风环境对赛道施工建设、遴选防风方案及赛事安排非常必要.以北京冬奥会延庆赛区为中心,将2009-2021年冬奥赛事月份(2-3月)天气环流场进行客观天气环流分型(分为93组),采用北京城市气象研究院睿图-大涡模式系统对各组的典型个例开展37 m×37 m分...     

基于WRF模式的风电场短期风速集成预报方法研究

风能始源于大气的运动,具有很大的随机性和间歇性。风速预测是风电场风功率预测的基础,其准确性具有重要的意义。对于复杂地形条件下,风速的预报一直是各国研究的难点和重点。为了提高风电场短期风速预报的准确性,本研究采用多种边界层参数化方案来集成预报风速,将各单一边界层参数化方案预报的风速及相应的实测风速数据,应用随机森林算法建立集成预报模型,对风电场的短期风速进行集成预报研究。试验结果表明,采用集成预报风速方法,预报的风速误差相比于单一边界层参数化方案预报的风速误差明显减小,对研究区域的风速、风向等气象要素有着较好的模拟效果,能够有效提高风速预报的准确率。     

龙口至旅顺海上航线大风实况资料处理方法研究

利用海岛站大风观测资料,经过高度订正、对比实验、风速补偿、组合取值等方式,研究了龙口至旅顺海上航线大风气象服务标准实况资料处理方法。通过实际个例分析发现,利用该方法获取的实况资料,能够在很大程度上消除高度偏差、地形遮挡等因素对海岛站风速的影响,为海上航运气象服务提供了更为精确的实况依据。     

不同参数化方案对风预报效果影响个例研究

中尺度气象模式对风场的预报效果与参数化方案的适应性紧密相关.以内蒙古高原丘陵地形、江苏平缓的海陆交界地形2种典型下垫面试验风电场为模拟区域,分别用WRFV3.2 （Weather Research and Forecast Model）模式自带的6种物理过程参数化组合方案预报了2010年1月和7月两个风电场区域的风速和风向,对比分析了参数化组合方案差异对风场预报的影响.结果表明：①内蒙古试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;微物理方案WSM3在夏季的风速预报能力优于WSM6,而冬季相反;复杂地形区域的风场预报需考虑陆面过程参数化方案,尤其是夏季降水发生后,陆面过程对于边界层结构的影响增大,选用Noah优于无陆面过程.②江苏试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;1月陆面过程RUC方案优于陆面热量扩散和Noah;7月陆面热量扩散方案优于RUC和Noah.③风向预报6个方案的预报风向统计与实际记录风向统计有较好的一致性,风向概率分布相似,盛行风向一致且稳定.