基于WRF的积云对流参数化方案对中国夏季降水预报的影响研究

为了研究WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度模式中积云对流参数化方案对夏季降水预报的影响,基于水平分辨率为9 km的WRF模式,采用Kain-Fritsch（KF）、尺度适应的KF、Tiedtke、new Tiedtke和尺度适应的new Tiedtke方案等5种积云对流参数化方案对中国2019年6—8月的降水进行了模拟。结果表明,两种尺度适应方案对夏季平均降水的量级和落区的预报比原方案（KF方案和new Tiedtke方案）更优,且能正确预报北方和南方的降水峰值时间。而Tiedtke方案、new Tiedtke方案和KF方案均提前了降水峰值时间。在降水的概率分布方面,相比原始的KF和new Tiedtke方案,其尺度适应方案降低（提高）了中小（大）量级降水的频率,模拟的50 mm/d量级以下的降水频次相对更接近观测,但高估了50 mm/d量级以上的降水频次。进一步对比5种方案的次网格积云降水与网格可分辨微物理降水对总降水的贡献,KF和new Tiedtke方案试验中总降水主要由积云降水主导,而Tiedtke方案和两种方案的尺度适应版本则由微物理过程降水主导。随着降水率的增大,尺度适应的KF方案和尺度适应的new Tiedtke方案中积云降水占比迅速减小到30%以下,对50 mm/d量级以上的降水,积云降水占比低于15%。而KF方案在25 mm/d量级以下的降水中,随着降水率的增大积云降水占比反而提高。统计评分表明,尺度适应KF方案和尺度适应new Tiedtke方案有助于减少小量级降水的空报和大量级降水的漏报,对0.1 mm到25 mm的24 h降水的TS评分均高于原始的KF和new Tiedtke方案。      

WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验

为了研究微物理参数化方案对珠江三角洲(简称珠三角)降水模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,在3 km模式分辨率下,在微物理方案为WSM6方案条件下,选用KF、BMJ、GD以及G3等四种积云参数化方案对2010年5月14日广东珠三角地区的一次暴雨过程进行了模拟试验。结果显示,KF方案对于降水带和降水量的模拟与实况较为一致。在积云参数化方案为KF条件下,分别选用Kessler、Lin et al、WSM 3、WSM5、Ferrier(New eta)和WSM6等6种微物理方案再次对这次暴雨过程进行模拟试验,模拟结果的对比分析表明:选用Lin et al微物理方案时,模式较好地模拟出了强降水雨带的位置和降水强度;而其他5种参数方案的模拟效果均不好,降水量明显偏小,雨带位置偏差较大;同时对低空急流、K指数和上升速度等物理量分析可知,Lin et al方案能较好地模拟出降水实况。     

WRF中不同积云对流参数化方案对青岛降水预报影响的对比分析

1~10 km水平分辨率是中尺度模式是否采用积云对流参数化方案的"灰色带"。基于青岛市气象局9 km分辨率WRF模式,分别选择KF、GD和BMJ三种积云对流参数化方案对青岛5次大范围降雨过程进行预报试验,分析比较不同积云对流参数化方案对青岛地区降水预报效果的影响。结果表明,这三种积云对流参数化方案对不同量级的降雨具有不同的预报性能:BMJ对小雨预报性能最佳;没有考虑积云对流参数化过程的控制试验对中雨的预报效果最好,KF方案次之;GD方案对大雨和暴雨预报效果均较好。对稳定性降水,GD方案对沿海站点降雨量预报效果较好,KF方案则对内陆站点预报性能较好;对对流性降水,BMJ方案无论是在沿海站点还是在内陆站点都有比较好的预报效果。在降雨空间分布上,对稳定性降水过程,各试验方案均模拟出了小于50 mm的降雨区,对大于100 mm强降雨区,GD方案具有较好的预报效果;对对流性降水过程,BMJ方案预报效果整体较好。     

暴雨模拟中积云对流参数化方案的对比试验

利用WRF中尺度数值预报模式,选用七种微物理方案及网格嵌套技术分别与Kain-Fritsch(new Eta)、Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi（简称KF、BMJ、GD方案）三种积云对流参数方案匹配,对2007年6月1—2日湖南南部的暴雨过程进行了模拟试验。模拟结果表明：选用Lin等微物理方案和三种积云方案,采用20 km的格点分辨率,基本上可以模拟这场暴雨的范围,且采用网格嵌套技术的模拟结果优于未采用嵌套的模拟结果;其中KF方案模拟的强降水位置、强度与实况比较接近;BMJ方案模拟的强降水范围偏大、强度偏强,位置偏南,上述两种方案都不同程度地存在着虚假的暴雨中心;GD方案模拟的强降水范围、强度均偏小。     

GRAPES_Meso模式不同参数化方案在甘肃河东地区的模拟评估

利用我国新一代GRAPES_Meso区域中尺度数值预报模式,通过调整边界层方案、陆面过程方案、微物理过程方案和积云对流方案,形成8组不同的参数化组合方案,对甘肃河东地区2015年7—8月的高空要素、2 m气温和降水开展了对比试验,结果表明：当微物理过程为WSM6类方案、积云对流为KF方案、边界层为MRF方案、陆面过程为LSM方案时,GRAPES_Meso模式对甘肃东部地区500 hPa高空要素的预报效果最优;微物理过程为WSM6类方案、积云对流为KF方案、边界层为 MRF方案、陆面过程为SLAB方案的组合方案对甘肃东部的2 m气温和降水预报效果最优。     

WRF中不同湿过程对青岛一次暴雨过程的预报性能检验

基于9 km分辨率的中尺度数值模式WRF,通过TS评分、降水空间分布和降水强度检验评估3种积云对流和7种云微物理参数化方案对2014年5月10日青岛地区的一次暴雨天气的预报性能。结果表明:在分辨率为9 km的模式中考虑KF、GD和BMJ积云对流参数化方案时,能够不同程度提高大雨和暴雨的TS评分,且GD方案模拟的降雨落区和强度更接近实况。7种云微物理方案对暴雨模拟效果相差不大,平均TS评分达到0.64,其中KESSLER方案预报性能最好,TS评分达到0.73,其次是WSM6、LIN和WSM5方案,但也大都表现出暴雨范围偏大、雨量偏强的特点。对于此次降雨过程,积云对流参数化方案的预报性能优于云微物理过程方案的表现。     

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。     

不同积云对流参数化方案对“7·21”北京特大暴雨模拟的影响

针对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程,比较WRF V3.5.1版本中KF、BMJ、GD、SAS四种积云对流参数化方案对降水的模拟效果,研究对流激发在时空分布上的特征以及预报降水量的影响因子。结果表明,KF方案整体效果较好,BMJ方案夸大了强降水区的范围和强度,GD和SAS方案模拟效果较差。各方案在初始对流激发的状态和时间上存在差异,使得演变过程显著不同。总体上,KF方案很好地模拟了对流的触发,在发生强降水时段,上升运动强,水汽条件充足。同时,KF和BMJ方案模拟的深对流区域降水效率高,SAS方案基本均为层云区域,无法模拟出强降水中心。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统（RUC）中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍,并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明,总体预报效果以KF和GD方案较好,具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度,对流降水对总降水贡献,在中低层流场高低值系统分布,以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置,KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况,TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统 (RUC) 中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍, 并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明, 总体预报效果以KF和GD方案较好, 具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度, 对流降水对总降水贡献, 在中低层流场高低值系统分布, 以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置, KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况, TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。      

基于不同微物理过程的广西沿海南风型暖区暴雨的数值模拟研究

基于WRFV3.6.1,利用其8个云微物理参数化方案对2010—2016年华南汛期（4—9月）的6个南风型暖区暴雨个例进行数值模拟与多方案集成试验,并采用基于对象的诊断评估方法（MODE）对模拟结果进行评估。结果发现对于大多数个例,WRF模式都能较好地模拟出暖区暴雨的降水带,对暖区降水带模拟最好的参数化方案是WSM6方案,其次是Lin方案;模拟效果较差的参数化方案为CAM5.1与NSSL 2-mon方案。选取模拟结果较好的个例进行诊断分析,发现不同参数化方案得到的动力学特征以及云微物理特征相关变量存在较大差异,导致模拟降水的差异。在单方案模拟的基础上,开展多方案集成试验,发现多方案集成方法能够有效降低模式模拟的不确定性,产生更稳定的模拟结果。     

WRF3.1微物理参数化方案对两例暴雨的集合预报试验及可预报性分析

采用WRFV3.1.1数值模式,选取模式中的10个微物理过程参数化方案构造10个集合预报成员,分别对2008年6月9—10日江淮地区暴雨与2008年6月6—7日华南地区暴雨进行集合预报试验,并进一步讨论了这两例暴雨的可预报性差异。结果表明:各参数化方案在暴雨的模拟中所表现出来的优势是相对的,但微物理过程集合预报在两例暴雨中都取得稳定且优异的模拟效果;通过比较两例暴雨的ETS(Equitable threat score)评分距平发现,华南暴雨在各个量级上的ETS评分距平都大于江淮暴雨,且华南暴雨集合成员之间的ETS评分差别也较大;大多数集合成员的模式误差在初始12 h增长最快,其后将减慢或者降低。对各成员的均方根误差(σ)距平分析表明,华南暴雨的σ距平增长相对较快且成员之间差别较大。因此从模式误差增长的角度来说,华南暴雨的可预报性低于江淮暴雨。     

用WRF模式中不同云微物理参数化方案对华南一次暴雨过程的数值模拟和性能分析

本文使用中尺度数值模式WRFV3.4中的8种不同云微物理过程参数化方案,模拟2010年5月6～7日华南一次暴雨事件,探讨不同云微物理方案对华南暴雨模拟的影响。结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水模拟效果总体较好。WSM3方案对小到大雨和大暴雨的模拟效果最好,对暴雨的模拟最差;WDM5方案对暴雨模拟效果最好。结合TS评分和误差分析结果,整体效果最好的是WSM5方案,最差的是Lin方案。对于同一云微物理参数化方案,不同分辨率的降水模拟结果差异不大,但同一分辨率的不同云微物理参数化方案的降水结果差异较大,这说明云微物理过程比模式分辨率对暴雨模拟的影响更大。     

北京地区一次空气重污染过程的气象条件模拟参数化敏感性试验

气象预报是影响大气重污染预报精度的关键所在。针对2016年12月16～21日北京市一次重污染过程,开展了中尺度气象模式WRF的参数化方案配置敏感性试验。对微物理过程、长波辐射过程、短波辐射过程、陆面过程、边界层过程、近地面过程以及积云对流参数化过程进行组合优选,共设计51组参数化方案组合,分析不同模拟方案下北京市8个气象站点温度、相对湿度、10 m风速的模拟精度及其敏感性。试验结果表明:温度模拟对长波过程参数化方案最为敏感,集合离散度达2.4～7.4°C,再次是短波过程参数化方案;相对湿度模拟也对长波过程参数化方案最敏感,再次是陆面过程;风速模拟对不同过程参数化方案的敏感性程度差异不大。通过模拟结果与观测的统计对比,优选出模拟误差最小的方案组合为Lin微物理方案、RRTMG长波方案、RRTMG短波方案、Tiedtke积云对流方案、Noah陆面方案、MYNN 3rd边界层方案和MYNN近地面方案,并将其与集合平均、基准方案进行对比。对于集合平均来说,其温度模拟与观测相关系数为0.69,高于基准方案,其模拟偏差与均方根误差比基准方案低25%和11%;集合平均的相对湿度和风速模拟相比基准方案变化较小。与集合平均相比,优选方案能同时改进温度、相对湿度和风速模拟,使温度模拟偏差和均方根误差比基准方案下降35%和17%,使相对湿度模拟偏差和均方根误差下降43%和13%,使风速模拟偏差和均方根误差下降33%和24%。以上结果表明,参数化方案的敏感性试验和优选能显著减小重污染期间气象要素的模拟误差,重污染预报改进需重点关注参数化方案模拟上的不确定性。本研究也发现MYNN3rd边界层方案在这次重污染过程的气象要素模拟上具有良好性能,可为未来重污染预报改进提供参考。     

基于WRF模式的清江流域降雨-径流模拟研究

基于WRF模式,采用4层嵌套方案,选取3种积云参数化方案和7种微物理方案组成21种组合,对清江流域2016—2018年6—10月6次典型降雨事件进行数值预报,结合CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源融合降水产品,采用TS评分和FSS评分,分析不同分辨率和云微物理方案的降雨预报效果;基于较优组合方案的WRF模式与WRF-Hydro水文模式耦合进行径流模拟,分析WRF模式在水文模拟中的应用效果。结果表明:3 km和1 km分辨率对降雨中心位置及强度预报的差别不大,对降雨落区都有较好的预报能力;在积云参数化方案中,KF方案和BMJ方案的降雨预报效果优于GF方案;在微物理方案中,WSM3、WSM5、WSM6、Thompson方案的预报结果与融合数据有较好的一致性;基于较优组合方案BMJ_WSM3,将WRF模式与WRF-Hydro模式耦合,耦合模式能较好地模拟洪水过程,径流模拟相关系数都在0.67以上,且NSE最高可达0.79。      

不同物理过程参数化方案对梅雨锋暴雨的敏感性试验

以2005年7月上旬江淮流域的一次梅雨锋暴雨为研究对象,选取WRF模式中Lin和Ferrier两个微物理方案和KF、NKF、Betts-Miller-Janjic三个积云参数化方案,经过组合得到6组方案,进行两重网格嵌套模拟,对数值模拟结果进行分析比较。通过分析得出如下结论：6个方案均能模拟出降水雨带的走向、降水中心,其中Ferri-er和NKF方案及Ferrier和Betts-Miller-Janjic方案模拟的降水强度和分布与实况最接近;在模拟降水量时采用微物理方案Ferrier初始阶段效果好,采用微物理方案Lin在后期效果好;当微物理方案相同时,积云对流参数化方案的变化对垂直速度、假相当位温、相对比湿的反映敏感;粗网格采用一定的积云对流参数化后,可一定程度再现α中尺度特征。