积云对流参数化方案对东亚夏季环流和降水模拟的影响

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对东亚夏季区域气候模拟中最常选用的两种积云对流参数化方案进行对比分析,研究积云对流参数化方案选用对大尺度环流模拟的影响。结果表明:Kain-Fritsch（KF）方案对西太平洋副热带高压（简称副高）及环流的模拟效果较好,虽然KF方案模拟降水偏多,但是时空分布与TRMM降水分布接近;Grell-Freitas（GF）方案对流加热率过大,从而模拟的南海—菲律宾区域对流异常增强,在南海—菲律宾洋面上的垂直输送异常增大,非绝热加热的范围偏大,导致副高南侧下沉区辐散减弱,抑制了副高北抬西伸,进而影响到水汽输送和季风环流,最终对东亚夏季降水的模拟产生不利影响。修改GF方案对流加热率和干燥率的敏感性试验表明,减小对流加热率和干燥率参数能有效抑制南海—菲律宾区域过强的对流,东亚大尺度环流的模拟得到明显改进。     

青藏高原一次对流降水模拟中边界层参数化和云微物理的影响研究

利用WRF模式模拟青藏高原那曲地区一次对流降水过程。将模拟结果与实测资料进行对比分析,以了解不同微物理和边界层参数化方案组合对降水过程的模拟差异。结果表明,WRF模式能够模拟此次对流降水的发生,但对降水中心位置的模拟存在一定偏差,因此模拟结果与站点实测资料存在一定的差异。将模拟结果与TRMM卫星降水资料进行对比发现,两者的对流发生时间较为吻合。另外,使用不同的初边界条件对本次对流过程的模拟也存在一定差异,总体来说,ERA-Interim资料为初边界场时模拟的降水分布与TRMM降水观测资料的较吻合。通过对不同微物理和边界层参数化方案模拟的水汽通量、水汽通量散度和垂直运动分析,模式对本次降水过程的模拟对边界层参数化方案的敏感性超过微物理参数化方案。     

两种积云参数化方案对青藏高原夏季降水影响的模拟

利用区域气候模式RegCM4.0分析了Tiedtke和Emanuel两种积云对流参数化方案对青藏高原(下称高原)夏季降水模拟的影响,并利用JRA-25资料和NCEP资料作对比分析。结果表明,高原夏季降水呈南多北少分布,空间变化复杂;降水主要由对流产生,且有明显的逐日和逐月变化趋势;Tiedtke方案模拟的降水强度和分布范围较Emanuel方案和验证资料偏小,但对对流降水日变化模拟较好。对流层中下层大气的干湿状况对降水影响显著;垂直运动和水汽输送受地形影响大,高原中部、东部及西北部地区均有净的水汽输入;高原东南端的强上升运动区可伸至对流层中上层,其余地区垂直运动尺度较小;祁连山地区高层空气下沉、低层空气上升,是造成该地区降水较周边地区偏多的原因之一。本次试验还表明基于质量通量的积云对流参数化方案在高原地区虽具有一定适用性,但Tiedtke方案需很大改进,尤其是对小尺度对流活动的改进,从而提高其模拟能力。     

区域气候模式不同积云对流参数化方案对新疆气候模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中7种积云对流参数化方案对新疆地区进行2006年10月1日至2008年3月1日的模拟积分试验,重点考察模式在水平分辨率为10 km下不同积云对流参数化方案对新疆地区气象要素模拟的敏感性。结果表明:1）采用7种积云对流参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量、平均温度的空间分布及大气的垂直结构。2）对于不同区域来说,采用各种积云对流参数化方案的模式都能模拟出候降水及候平均温度随时间演变,模式候降水与观测的相关系数在0.20~0.85之间,而候平均温度与观测的相关系数在0.98以上。对于整个新疆地区来说,采用各方案模式模拟的低层偏干偏冷,大气层结较稳定导致降水较观测偏少,而其中天山地区模式模拟的低层较观测偏湿偏暖,大气层结偏向不稳定导致降水偏多。3）采用新的Grell和Kain-Fritsch（new Eta）方案模式模拟的效果综合来看较好。因此利用WRF模式开展新疆地区数值模拟研究时应该考虑不同积云对流参数化方案适用范围。     

CESM模式对东亚地区环流特征的模拟检验

利用CMAP逐月降水资料和欧洲天气预报中心ERA-interim的再分析资料,分析了CESM模式对东亚地区降水及夏季环流的模拟性能。结果表明:(1)CESM可以模拟出东亚地区大气环流、地表温度、水汽输送及降水随季节南北进退等主要特征。(2)该模式降水模拟结果与CMAP资料的对比显示,冬季降水的空间偏差主要表现为青藏高原南侧模拟降水偏多,而青藏高原西北部和日本海附近降水模拟偏少。夏季降水的空间偏差主要表现为陆地偏多,偏差最显著的区域位于青藏高原南侧,而海洋上偏少。降水偏差在季节变化上主要体现为低纬度地区雨带出现时间偏早,中高纬度地区出现时间偏晚且持续时间偏长。(3)模式模拟的夏季地表温度与ERA再分析资料相比在陆地模拟的结果明显偏低,在海洋上模拟的偏高。模式模拟的夏季500 h Pa西太副高较ERA再分析结果异常偏西至我国的江淮地区且强度偏强,这与模式模拟的夏季江淮地区降水较CMAP结果偏少密切相关。(4)夏季经向垂直环流的对比显示,模式模拟结果与ERA再分析结果的主要差异出现在青藏高原及其附近地区,模拟结果在高原的南北侧均出现明显的异常垂直环流,南侧的异常垂直环流伸展高度高,范围狭窄,这与模式模拟的夏季降水在高原南侧明显偏多有关。     

两种边界层参数化方案对WRF模拟青藏高原2013年夏季降水的影响

本文利用区域气候模式WRF分析了YSU和MYJ两种边界层方案对青藏高原2013年夏季降水模拟的影响。结果表明:两种方案均能模拟出高原地区夏季降水南多北少的空间分布,但均低估了西藏地区而高估了青海南部的降水。并且,两种方案在高原南部都存在辐散环流偏差,而在青海南部存在辐合偏差。对比得到:YSU方案相对于MYJ方案更接近于观测,前者能更好的模拟出高原中、东部地区降水的空间分布。而造成两种方案模拟差异的主要原因是:MYJ方案模拟的位势高度在高原及其南侧地区比YSU方案高,导致西太平洋副热带高压更为偏西,孟加拉湾及南海进入高原的水汽偏少。     

RegCM3模式对青藏高原温度和降水的模拟及检验

为了检验RegCM3区域气候模式对青藏高原地区的模拟能力,利用NCEP再分析资料和观测站点资料,采用三种不同的对流参数化方案,对青藏高原地区2006年夏季进行了模拟分析,并重点对温度和降水进行了细致的检验。结果表明：模式能较好地再现青藏高原地区大尺度的环流特征,具有对青藏高原地区的温度和降水分布特征的模拟能力;对于量值的模拟,三种对流参数化方案均模拟出了与实况温度一致的变化趋势,但均存在5~6 ℃的冷偏差;Grell方案模拟的降水量均大于实况,Kuo-Anthes方案对于高原地区的降水量的模拟较为接近于实况,但模式对降水量的模拟能力仍有待进一步提高。     

边界层参数化方案对降水预报的影响

利用新一代WRF模式模拟了2003年7月8—10日的江淮暴雨,就WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验。发现分辨率为20 km时,WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度。采用边界层方案显然比不采用边界层方案的模拟效果好,但是MYJ方案与MRF方案相比并没有明显的优越性。另外发现边界层物理过程对格点尺度降水影响很小,模式主要通过边界层物理过程和积云对流过程之间的耦合,来改善对流性降水的模拟。     

基于WRF模式对青藏高原一次强降水的模拟

为了了解新一代中尺度数值预报模式WRF中各参数化方案组合、嵌套技术的使用对青藏高原降水模拟结果的影响,利用WRF模式对2004年10月5—6日青藏高原一次强降水过程进行了模拟试验;对各微物理方案和积云参数化方案组合进行了模拟和对比评分,对嵌套技术的使用进行了对比分析,主要分析了不同行星边界层方案选择对降水模拟的影响。结果表明,WRF模式基本能够重建此次强降水过程的中心、强度及降水范围,Eta-Ferrier云微物理方案和Betts-Miller-Janjic积云参数化方案的组合在此次模拟降水过程中是最优的,采用嵌套技术的模拟结果要优于不采用嵌套技术的结果;行星边界层方案的合理选择能够明显提高降水模拟的效果。     

基于动力降尺度方法预估的青藏高原降水变化

当前的全球气候模式分辨率较低,难以合理再现青藏高原降水的时空分布特征,动力降尺度方法成为一种有效的手段。本文利用全球气候模式CCSM4的输出结果驱动区域气候模式WRF进行动力降尺度模拟,评估了动力降尺度对青藏高原湿季总降水率和对流降水比例的模拟能力,对比了CCSM4和WRF模式预估的青藏高原湿季总降水、层云降水和对流降水变化差异。结果表明,相比于驱动数据,动力降尺度模拟能更好地再现1998-2005年青藏高原湿季总降水率和对流降水比例空间分布及随海拔分布的特征;WRF模式预估的高原未来(2070-2099年)湿季总降水增加,但空间上呈"北增南减"的变化特征,对流降水的增加导致高原北部总降水增加,而层云降水的减少导致高原南部总降水减少。整体而言,对流降水的增加大于层云降水的减少,且主要发生在海拔4000 m以下。     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

WRF模式不同参数化方案组合对青海气温、降水及风速模拟的影响

利用50个气象站观测资料,对比讨论WRF模式不同微物理过程、积云对流和边界层参数化方案组合对青海省气温、降水及风速的模拟效果。结果表明:(1)微物理过程和积云对流参数化方案分别选用Eta(Ferrier)和KF时,气温模拟效果较好;Thompson方案、KF方案和ACM2方案的组合对降水模拟普遍较好;边界层方案的选取对风速的模拟较为重要。(2)对比不同季节的模拟效果可以看出,夏季气温、降水模拟效果均较好。(3)最低气温模拟效果均好于最高气温,最高气温偏低明显。(4)小雨预报普遍偏多,中雨预报略偏少,大雨整体预报偏少。     

一次特大暴雨的集合预报试验

利用NCEP 1°×1°再分析资料,采用WRFV2.2模式对2008年6月12-13日的一次广西特大暴雨天气过程进行了包括积云对流参数化方案、边界层参数化方案、陆面过程参数化方案的集合预报试验.结果表明:模拟降水对WRF模式不同的物理过程表现出不同的敏感性,对积云对流参数化方案最敏感,降水离散度最大;对陆面过程参数化方...     

分辨率对区域气候极端事件模拟的影响

利用NCAR MM5V3对1999年6月长江流域的极端异常降水事件进行了模拟,主要研究不同水平和垂直分辨率对极端区域气候事件模拟的影响。数值模拟试验表明:模式能够模拟出极端强降水的主要分布特征;水平分辨率的提高降低了模式模拟的强降水偏差,对逐日降水变化的模拟更加合理,而垂直分辨率的提高基本上也都减小了模拟的强降水过程的偏差,改善对强降水的模拟能力;模式水平、垂直分辨率的提高在一定程度上增强了对强降水过程的模拟能力。水平分辨率的提高能够改善模式对海平面气压的模拟,而垂直分辨率的提高可以改善模式模拟的地面气温和低层环流。分辨率对中层大气环流的影响不是很敏感。不同积云对流参数化方案模拟的对流降水比率随水平分辨率的变化是不同的,Grell方案对流降水比例随分辨率的提高而增加,而Kain-Fritsch方案的结果相反。     

RIEMS中积云对流参数化方案对我国降水的影响

利用区域环境集成系统模式RIEMS选择Kuo-anthes(KA)和Grell(GCC)积云对流参数化方案,进行1991年5～8月敏感性试验,重点考察了区域环境集成系统模式中两种积云对流参数化方案对1991年江淮流域持续性暴雨的模拟能力.结果表明:1)对于200 hPa西风急流的位置和强度来说,采用GCC积云对流参数化方案较采用KA对流参数化方案,RIEMS模式模拟的结果更加接近观测;2)不管模式采用哪种参数化方案,RIEMS模式都能模拟出850 hPa上的水汽输送和流场,但模式模拟的水汽输送都比观测强;3)不管是采用GCC方案还是KA方案RIEMS模式基本上能够模拟出平均气温的空间分布,但对于长江以南地区,模式模拟的温度较观测偏低,对长江以北地区模式模拟的温度偏高.而采用GCC方案模式模拟的温度更加接近观测,并且对大部分地区温度偏差在-1.65～1.5℃;4)对于降水来说,采用GCC方案模式能够较好地模拟降水的空间分布特征以及雨带季节性移动,但模拟的雨带较观测的偏北,大约为1～2纬度.尽管GCC积云对流参数化方案在RIEMS模式中模拟中国地区降水更加接近观测,但由于积云对流参数化在不同水平分辨率下影响模式模拟的效果,因此对利用RIEMS模式进行数值模拟应考虑不同水平分辨下积云对流参数化方案的适用范围.     

青藏高原西部一次高原涡生成的数值模拟研究

使用ERA5、ERA-Interim和FNL 3种常用再分析/分析资料驱动WRF模式对2006年8月14日青藏高原西部的一次高原涡活动进行数值模拟,在评估不同再分析资料驱动WRF模式对高原涡的模拟能力基础上,利用涡度收支、视热源和视水汽汇方程,诊断分析高原涡生成过程中的热力和动力结构特征。结果表明,使用ERA5和ERA-Interim资料驱动WRF模式可模拟再现出此次高原涡的生成过程,其中ERA5对高原涡低层闭合性气旋环流和螺旋云带结构特征的模拟再现能力最好,模拟的高原涡及其降水强度最强;使用FNL资料驱动WRF模式无法模拟再现出高原涡生成过程及其降水分布特征。此次高原涡生成过程中气旋性正涡度的发展、热量和水汽的收支与其低层的垂直输送密切相关;高原涡生成前地表感热加热作用明显;生成阶段积云对流发展最为旺盛,降水最为显著,热量和水汽的垂直输送及相应的大气凝结潜热加热明显,对高原涡的发展有促进作用。     

公里尺度分辨率WRF模拟梅雨暴雨对积云对流参数化的敏感性试验研究

本文利用中尺度模式WRF V4.0.2(Weather Research and Forecasting Model,Version 4.0.2)对浙江省两次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,分别选用WSM6和Thompson云微物理方案、YSU和MYJ边界层方案、以及11种对流参数化方案进行试验,探究不同积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨的1 km高分辨率预报的影响,结果表明：（1）在对各试验的降水预报评估过程中,使用传统点对点方法和邻域法都能客观表现出各试验的预报水平,而邻域检验法能更客观地评估模式对小范围强降水的预报水平。（2）三类积云对流方案（包括：无积云对流方案、传统积云对流方案和尺度自适应积云对流方案）都能较好地模拟出小雨降水的发生情况,但随着降水强度增强至暴雨、大暴雨量级时,尺度自适应的积云对流方案对降水的预报结果有明显改善。（3）在不同微物理和边界层组合方案下,尺度自适应积云对流方案的模拟结果差异更显著,而传统积云对流方案的模拟结果的效果差异不明显。（4）在1～10 km的“灰色区域”范围内,当网格分辨率逐渐提高到1 km时,尺度自适应积云对流方案较传统积云对流方案对模式的预报结...     

Validation for a tropical belt version of WRF: sensitivity tests on radiation and cumulus convection parameterizations

对基本气候态和降水日变化的分析是检验模式模拟性能、理解模式误差来源的重要手段。为了评估出对热带气候模拟效果较好的物理参数化方案组合,本文应用WRF带状区域模式,主要比较了四种积云对流参数化方案:NewTiedtke、Kain-Fritsch、newSAS、Tiedtke,和两种辐射参数化方案:RRTMG和CAM,对热带带状区域的气候模拟结果。研究表明:使用NewTiedtke积云对流参数化方案和RRTMG辐射方案的试验,表现出对气温、降水及降水日变化等综合性最好的模拟性能;NewTiedtke积云对流参数化方案能模拟出较好的降水空间分布和降水日变化位相分布特征;与RRTMG辐射方案相比,CAM辐射方案会使温度模拟偏低,特别是陆地上更明显,这种陆地上的冷偏差可能主要来源于Tmin的模拟偏冷。     

不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中6种行星边界层参数化方案对新疆进行2006年10月1日至2008年1月1日的模拟积分试验,重点考察模式在10 km水平分辨率下不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的敏感性。结果表明:1）采用6种行星边界层参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量的空间分布及月降水的季节循环。2）对于新疆整体来说,采用Grenier-Bretherton-McCaa（GBM）方案模拟雨季降水更接近观测,偏差在±30%以内。对于天山地区来说,采用Bougeault-Lacarrere（BouLac）方案模拟年降水更接近观测,偏差为－19.13%;采用GBM方案模拟中雨和大雨的TS评分最高分别为0.37和0.33,并且能够较好地模拟7月5次较大降水日中不同下垫面类型的昼夜降水,偏差在5 mm以内。3）BouLac方案能够较好地模拟天山地区年降水的时空分布特征,GBM方案更适合模拟新疆整体雨季期间降水。因此利用WRF模式开展新疆降水模拟研究时应考虑不同行星边界层参数化方案的适用范围。     

积云对流参数化方案对大气含水量及降水的影响

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL, 自从发展成R42L26新版本之后, 显示出对全球气候基本态的模拟能力, 但模式对流层低层以及热带地区整层偏干, 且对热带地区的降水模拟存在“双赤道辐合带”这一普遍误差, 在赤道地区以及北半球中纬度降水偏少, 而在拉丁美洲降水偏多。敏感性试验表明这些误差是相互联系的。通过将700 hPa以下的相对湿度趋近于“观测资料”的试验显示模拟的降水误差减小了。据此, 对Tiedtke 积云对流参数化方案中的浅对流部分进行修改, 增加了浅对流的侧向混合的卷入以及卷出率, 并减小了对流方案中的云水[CD*2]雨水的转换率, 将其耦合到模式中。积分结果表明, 修改后的方案明显改进了湿度和温度场的模拟, 对降水的模拟能力有了很大的提高, 基本消除了“双赤道辐合带”现象。