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     

大气环流模式的完全控制试验与模式大气的年际异常研究

对大气环流模式提出了完全控制试验（ＦＣ）的概念，对包括陆面下垫面在内的整个地球表面的热力强迫作了控制。在ＦＣ中，可以更好地分离出大气内动力过程对于模式大气短期气候异常的影响。利用ＩＡＰ２－ＬＡＧＣＭ（中国科学院大气物理所二层大气环流模式）实施了完全控制试验。结果表明，北半球夏半年ＦＣ的月平均海平面气压（ＳＬＰ）年际异常较Ｃ的小，而全球或南半球ＦＣ与Ｃ的ＳＬＰ无明显差别。东亚－西太平洋区域夏半年ＦＣ的月平均ＳＬＰ年际异常甚至高于Ｃ的，意味着该区域模式大气环流短期气候异常中大气内动力过程的作用不可忽视。     

大气环流的年代际变化 II.GCM数值模拟研究

类似大气环流模式比较计划（AMIP）的数值模拟,将实际观测的海表水温（SST）资料引入模式进行40多年的数值积分,得到长时间的大气环流模拟结果。分析数值模拟结果发现,无论是大气中的主要涛动和遥相关型,还是重要大气环流系统都极为清楚地存在着年代际变化特征,包括10～20年准周期振荡和可能的30年以上的准周期振荡;而且上述主要环流系统的形势及其年代际变化大都与实际观测资料所给出的结果相一致。顺便分析中国东部气候的模拟结果,年代际变化特征（包括60年代的气候突变）也很清楚,并同大气环流变化配合十分合理。结果也表明,同研究季节和年际变化一样,大气环流模式（AGCM）数值模拟也是研究大气环流和气候年代际变化的有效方法。     

垂直低分辨率GCM模式大气平均经圈环流的诊断

以ＩＡＰ２－Ｌ ＧＣＭ为例，给出垂直低分辨率ＧＣＭ模式大气平均经圈环流质量流函数的一个计算方案，结果表明，模式大气的Ｈａｄｌｅｙ环流季节变化与实际大气相一致。Ｅｌ Ｎｉｎｏ年模式大气平均经圈环流中可分离出一个与Ｅｌ Ｎｉｎｏ型ＳＳＴ异常关系密切的异常经圈环流，它导致平均Ｈａｄｌｅｙ环流向北半球盛夏型转变的滞后。     

一个简单的陆面过程模式

本模式为针对大气环流模式所发展的一个简单的陆面过程模式，它包含:（1）地表温度计算，（2）冠层叶面贮水量和土壤湿度计算，（3）陆面与大气之间的水分和能量交换。对于表面温度和含水量的计算，采用的是联立求解计算方案，即耦合计算。植被冠层叶面的辐射特性和冠层形态对冠层中的辐射交换的影响得到有效和尽可能简单的模拟。另外，植被的气孔阻抗、表面与大气之间的水热交换通量和土壤中的水热输导作了较为细致的描写。利用此模式开展了对两个不同覆盖类型的陆面过程的模拟，模拟和观测的表面通量、温度和湿度较为相近。     

边界层参数化方案在“灰色区域”尺度下的适用性评估

随着数值预报模式分辨率的提高,当模式网格距与含能湍涡的长度尺度相当时,模式动力过程可解析一部分湍流运动,而剩余的湍流运动仍需参数化,此时便产生了湍流参数化的“灰色区域”问题。对传统的PBL（Planetary Boundary Layer）方案在“灰色区域”下的适用性评估,是改进PBL方案以使其能够适应分辨率变化的前提和基础。本研究基于干对流边界层的大涡模拟试验,比较了WRF（Weather Research and Forecast Model）模式中四种常用的边界层参数化方案[YSU（Yonsei University）、MYJ（Mellor-Yamada-Janjic）、MYNN2.5（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino Level 2.5）、MYNN3）]在“灰色区域”尺度下的表现。研究表明,混合层内总热通量对所使用的参数化方案和水平分辨率均不敏感。不同参数化方案中次网格与网格通量的比例表现出对水平网格距不同的依赖性。局地PBL方案（MYJ、MYNN2.5）在混合层内的平均位温随网格距减小而增大,次网格通量随网格距减小而减小,较参考湍流场对次网格通量有所低估。YSU方案的非局地项几乎不随水平格距改变而变化,对次网格通量的表征并未表现出较强的分辨率依赖性,且过强的非局地次网格输送使混合层内温度层结呈弱稳定,抑制了可分辨湍流输送,不易于激发次级环流。MYNN3方案的非局地次网格通量（负梯度输送项）随网格距减小而减小,使其对次网格通量的表征具有较好的分辨率依赖性。PBL方案在“灰色区域”尺度下的适用性与具体分辨率有关。以分辨率500 m为例,四种PBL方案中不存在一种最佳方案,能对边界层的热力结构和湍流统计特征均有准确的描述。     

一个混合型热带海洋-大气耦合模式I.模式构成及热带太平洋气候态模拟

本工作发展了一个用于研究热带海洋大气系统相互作用和ＥｌＮｉｎ～ｏ／ＳｏｕｔｈｅｒｎＯｓ－ｃｉｌａｔｉｏｎ动力过程的混合型（ｈｙｂｒｉｄ）耦合模式，其中的大气部分为一个由一阶斜压模表示的自由大气和混合行星边界层所组成的简单热带大气模式（区域为热带太平洋：１２０°Ｅ～８０°Ｗ，３０°Ｎ～３０°Ｓ；水平分辨率为２°×２°），海洋部分为大气物理研究所高分辨率自由表面热带太平洋环流模式（经纬圈方向水平分辨率分别为１°和２°，垂直方向分为不等距的１４层）。两模式间的耦合是这样进行的：简单大气模式计算出海表风应力，热通量由松弛公式计算，淡水通量（蒸发与降水之差）由观测资料给定，它们一起作为海洋环流模式（ＯＧＣＭ）的强迫场；而ＯＧＣＭ计算出海表温度（ＳＳＴ），在其以外地区给定观测到的气候海表温度或陆地温度，作为大气模式的边界条件。本文给出采用逐日、同步耦合方案时模式对热带太平洋气候态模拟结果，表明未采用任何通量修正（ｆｌｕｘｅｓｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ），耦合模式未出现气候漂移（ｃｌｉｍａｔｅｄｒｉｆｔ）现象，并且非常逼真地再现了热带太平洋气候态，特别是海表风场及相伴随的辐合带和降水、海表温度和流场及它们的季节变化。文中还进行     

多层模式中臭氧加热率的计算及其对大气温度场的影响

本文介绍一个简单、经济的适用于各种多层大气环流模式中计算臭氧加热率的参数化方案,利用这一方案,可根据臭氧总量气候观测值及其垂直分布资料计算臭氧加热率,也可以在模式中加入臭氧方程,用预报的臭氧含量计算臭氧加热率.用此方案对单站气候资料试算,结果指出,随着高度的增加,臭氧吸收太阳辐射对大气太阳加热率的贡献逐渐接近、达到并在平流层50hPa附近明显超过其它物质如水汽的贡献.此方案用于九层大气环流模式时,对其辐射加热率的计算有较理想的改进,并使模拟的大气温度垂直分布更符合观测事实.     

奇偶对称性用于中长期天气预报初探

长期天气过程的全球性和非绝热性吸引着人们从更广（全球）、更本质（非绝热加热）的角度认识大气环流的性质和规律，近年来一些从奇偶对称性出发研究大气环流的工作反映了这种趋势。为此，提出一个动力预报方案和一个统计预报方法，并对后者作了实际的计算。结果表明，用奇偶对称方法进行预报可能是中长期天气预报的一种途径。     

国家气候中心两个CMIP6模式模拟的东亚夏季风的季节内演变

分析了国家气候中心两个参加第六次国际耦合模式比较计划（CMIP6）的模式BCC-CSM2-MR和BCC-ESM1对东亚夏季风季节内演变的模拟情况,包括气候态特征以及在ENSO（El Ni?o and Southern Oscillation）循环不同位相下的特征。本文同时对比分析了观测海温海冰驱动大气环流模式试验（AMIP试验）以及耦合模式的历史气候模拟试验（Historical试验）的结果。结果表明,模式能够合理地模拟出东亚夏季风环流和降水的气候态特征。相比大气模式,耦合模式能够明显改善对气候态的模拟,特别是耦合模式能够较好地模拟出副热带高压从6～8月向北以及向东移动的季节内演变特征。对于El Ni?o衰减年和La Ni?a年合成来说,大气模式能够在一定程度上模拟出El Ni?o衰减年（La Ni?a年）副高偏西（东）、对流减弱（增强）的特征,但是对于位置和强度的模拟存在偏差,特别是对于其季节内尺度的演变。耦合模式相比大气模式来说,并没有改善对于ENSO循环影响东亚夏季风季节内演变的模拟,这可能和耦合模式模拟的ENSO本身的偏差有关。因此要想改善对于东亚夏季风季节内演变及其年际差异的模拟,除了考虑海气相互作用之外,还需要改进模式对于ENSO的模拟效果。     

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。     

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。      

边界层参数化方案对陆气相互作用影响的模拟研究

利用湍流动能闭合方法对区域气候模式RegCM3中的边界层参数化方案进行了改进,然后利用中国东部典型旱、涝年资料进行了改进效果对比试验,并着重分析了边界层参数化方案改进对陆气相互作用的影响,结果表明:采用湍流动能闭合方法可以更合理的描述边界层的高度及其日变化,较为真实地描述边界层的物理过程,使得陆—气间通量及大气各层垂直...     

Large-Eddy Simulation of the Daytime Boundary Layer in an Idealized Valley Using the Weather Research and Forecasting Numerical Model

A three-dimensional numerical meteorological model is used to perform large-eddy simulations of the upslope flow circulation over a periodic ridge-valley terrain. The subgrid-scale quantities are modelled using a prognostic turbulence kinetic energy (TKE) scheme, with a grid that has a constant horizontal resolution of 50 m and is stretched along the vertical direction. To account for the grid anisotropy, a modified subgrid length scale is used. To allow for the response of the surface fluxes to the valley-flow circulation, the soil surface temperature is imposed and the surface heat and momentum fluxes are computed based on Monin–Obukhov similarity theory. The model is designed with a symmetrical geometry using periodic boundary conditions in both the x and y directions. Two cases are simulated to study the influence of along-valley geostrophic wind forcing with different intensities. The presence of the orography introduces numerous complexities both in the mean properties of the flow and in the turbulent features, even for the idealized symmetric geometry. Classical definitions for the height of the planetary boundary layer (PBL) are revisited and redefined to capture the complex structure of the boundary layer. Analysis of first- and second-moment statistics, along with TKE budget, highlights the different structure of the PBL at different regions of the domain.     

Intercomparison of Planetary Boundary-Layer Parametrizations in the WRF Model for a Single Day from CASES-99

This study compares five planetary boundary-layer (PBL) parametrizations in the Weather Research and Forecasting (WRF) numerical model for a single day from the Cooperative Atmosphere-Surface Exchange Study (CASES-99) field program. The five schemes include two first-order closure schemes—the Yonsei University (YSU) PBL and Asymmetric Convective Model version 2 (ACM2), and three turbulent kinetic energy (TKE) closure schemes—the Mellor–Yamada–Janjić (MYJ), quasi-normal scale elimination (QNSE), and Bougeault–Lacarrére (BouLac) PBL. The comparison results reveal that discrepancies among thermodynamic surface variables from different schemes are large at daytime, while the variables converge at nighttime with large deviations from those observed. On the other hand, wind components are more divergent at nighttime with significant biases. Regarding PBL structures, a non-local scheme with the entrainment flux proportional to the surface flux is favourable in unstable conditions. In stable conditions, the local TKE closure schemes show better performance. The sensitivity of simulated variables to surface-layer parametrizations is also investigated to assess relative contributions of the surface-layer parametrizations to typical features of each PBL scheme. In the surface layer, temperature and moisture are more strongly influenced by surface-layer formulations than by PBL mixing algorithms in both convective and stable regimes, while wind speed depends on vertical diffusion formulations in the convective regime. Regarding PBL structures, surface-layer formulations only contribute to near-surface variability and then PBL mean properties, whereas shapes of the profiles are determined by PBL mixing algorithms.     

一次暴雨过程大气边界层结构的数值分析

1979年7月28日河北唐山地区的强暴雨,10小时总降水量达430mm,降水强度大,从时间和空间上都非常集中。这次太平洋副热带高压北侧暖区发生的强暴雨引起国内气象界的普遍重视。游景炎,陆一强等对这次暴雨过程的大尺度环境、中尺度结构进行了详细分析并分别讨论了边界层急流、强对流性云团以及地形等的作用。游景炎根据地面天气图的分析,发现明显的雷暴高压和中尺度低压。这种中尺度系统在大气边界层内如何表现呢?这次暴雨系统延伸多高呢?各种物理量输送和分布的特性     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

适用于GRAPES模式C-P边界层方案的设计和实现

基于K廓线闭合方案,通过考虑不稳定边界层和稳定边界层中热量交换系数在半层上求取及下边界条件的设置,将温湿倾向在整层上直接计算,设计了Charney-Phillips跳点（简称C-P跳点）的边界层方案,使之与GRAPES全球模式的C-P跳点相协调,解决了Lorenz跳点物理过程与C-P跳点动力框架耦合时插值造成的不协调问题,同时避免了耦合时反复插值造成的误差,提高了边界层物理过程参数化方案及其反馈的准确性和合理性。试验表明:C-P跳点边界层方案因为避免了温度和湿度在垂直方向上的插值,消除了温湿变量在垂直方向上的锯齿状抖动,使温湿廓线分布更合理,减小了模式预报误差,形势场的预报效果也得到一定改善。C-P边界层方案的应用提升了GRAPES全球模式的总体预报性能。     

A Study On Atmospheric Boundary-Layer Characteristics At Anand, India Using Lsp Experimental Data Sets

An attempt is made to study the planetary boundary layer (PBL) characteristics during the winter period at Anand (22.4°N, 72.6°E), a semi-arid region, which is located in the western part of India. A one-dimensional turbulent kinetic energy (TKE) closure model is used for the study. The structure of the PBL,which consists of profiles of zonal and meridional components of wind,potential temperature and specific humidity, is simulated. A one-dimensional soil heat and moisture transport parameterization scheme is incorporated for the accurate representation of the energy exchange processes at the soil-atmosphere interface. The diurnal variation of fluxes of sensible heat, latent heat, shortwave radiation, net radiation and soil flux, soil temperature at different depths, Richardson number and TKE at the height of the constant flux layer is studied. The model predictions are compared with the available observations obtained from a special Land Surface Processes (LSP) experiment.