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...     

尺度自适应大气边界层参数化改进及其对一次海雾的数值模拟研究

大气边界层湍流运动是地球大气运动最重要的能量输送过程之一。当数值模式分辨率接近活跃含能湍涡长度尺度时，湍流运动被部分解析，被称为“灰色区域”，传统的边界层方案不适合此时模式湍流问题的描述。为了提高模式边界层方案在包括“灰色区域”的不同网格尺度上的描述能力，适应不同分辨率模式的需要，在雷诺平均湍流理论基础上，修正Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN)方案湍流长度尺度参数和非局地湍流的参数表达，改进湿度和温度在“灰色区域”的湍流输送参数化及对网格尺度的自适应能力。利用改进的MYNN尺度自适应方案，分别采用3 km和1 km、1.5 km和0.5 km分辨率单向嵌套网格WRF中尺度模式，对2014年2月26日的一次黄海海雾过程进行模拟试验，检验不同分辨率下改进后的MYNN大气边界层参数化方案的合理性和对海雾的模拟效果。尺度自适应MYNN大气边界层参数化方案在千米级网格尺度上获得稳定、合理的湍流垂直输送计算结果。参照雾区卫星云图，不同分辨率模式低层云水混合比模拟结果具有稳定表现，模拟的雾区分布和温度、湿度等物理量结构都较好地再现了再分析“观测事实”，初步表明该参数化方案有较高的网格尺度自适应能力。      

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

中小尺度对流系统的高分辨率数值模拟近况和未来挑战

随着高速、大容量、并行计算能力的迅速增长和中尺度数值模式的不断完善,近年来不断涌现使用1 km乃至次千米网格距开展中、小尺度对流系统的数值模拟研究。这些数值模拟工作展现出目前观测手段还无法得到的动力学一致的高分辨率气象信息,大大提高了对一些中、小尺度对流系统内部结构和演变的理解。但高分辨率数值模拟的未来发展也面临着不少问题和挑战。首先回顾提高模式分辨率至1 km乃至次千米模拟中、小尺度对流系统的进展,并综述目前在高分辨率数值模拟中的资料同化和物理过程处理方法,同时指出中尺度模式中处理积云对流、大气边界层和辐射过程时值得注意的分辨率"灰色区",然后介绍使用1 km和次千米分辨率模拟中、小尺度对流系统的几篇有代表性的工作。最后讨论高分辨率数值模拟的未来发展和挑战。     

尺度适应的对流参数化方案对一次华南飑线模拟的影响

尺度适应(scale-aware)的物理过程是现代数值预报发展的一种趋势,本文针对GRAPES_Meso(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)模式没有考虑物理过程尺度适应的现状,首先在KFeta(Kain-Fritsch Eta)积云对流参数化方案中引进了尺度适应过程,对该方案的对流时间尺度、格点垂直速度以及夹卷率进行了基于尺度适应参数化的改进。为研究尺度适应KFeta方案与原KFeta方案对不同分辨率模式模拟结果的影响,选取了一次华南飑线过程进行数值模拟和影响分析。结果表明:在3 km、5 km、10 km、20 km水平分辨率的GRAPES_Meso模式中,尺度适应KFeta方案相比原方案,对降水强度及落区分布的模拟有一定的正效果,随着模式水平分辨率提高,次网格降水减少、格点降水增多、对流层中低层夹卷略有增强,对原来存在的对流层高层及低层偏冷的偏差有一定的改进,对流活跃区域的上升气流强度、云中水凝物含量更符合真实的天气系统演变。综合来看,改进后的方案更适用于高分辨率数值预报模式,该研究结果可以为尺度适应对流参数化方案的应用及数值模式强降水预报性能的优化提供有益的参考。     

不同模式分辨率和物理过程方案对贵州降水影响的对比试验

利用MM5中尺度数值模式,在20,15和10 km模式分辨率下,采用相同的方案对贵州两次大暴雨过程进行数值模拟试验。然后选用KUO、GRELL、KAIN-FRITSCH和BETTS-MILLER(以下简称KU、GR、KF和BM)4种对流参数化方案,分别在MRF和Blackadar 2种边界层参数化方案下,对贵州汛期16个降水个例进行数值模拟试验,对模拟结果进行对比分析并与实况资料进行比较,结果表明:预报的降水落区对参数化方案敏感。随着分辨率的提高,降水分布与实况更接近。MM5模式的这4种积云参数化方案对环流的模拟较好,但模拟降水的效果有差别:对50 mm以下的降水,GR方案的预报效果较好,KF方案则较差;对50 mm以上的降水,BM、KF方案的预报效果一般较好;选择MRF或Blackadar的边界层参数化方案对降水预报效果区别不大。选择BM或KF积云对流参数化方案、混合相显式水汽方案、MRF边界层参数化方案和云辐射方案的组合,取得了优于其他组合的预报结果。     

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。     

青藏高原东侧"2003.8.28"暴雨的集合预报试验

利用MM5模式和国家气象中心的T213模式的预报资料,通过研究非绝热物理过程参数化方案对高原东侧"2003.8.28"暴雨数值预报的影响特征,进行了多物理模式集合预报试验,为开展青藏高原东侧集合预报扰动技术研究进行了试验.试验结果表明,模式物理参数化方案对中尺度降水预报结果有明显影响,包括局地降水强度、空间分布型态、时间演变特征等.随着模式分辨率的提高,积云对流参数化方案将增加小雨量级降水区域,产生一些虚假降水,就现阶段模式水平而言,高分辨率集合预报应重点发展考虑强降水预报不确定性的集合预报模式系统.多物理模式集合预报的初步试验结果表明,高分辨率集合预报可以改进单一确定性预报结果不稳定的缺点,为强降水灾害性天气预报提供有价值的预报信息.     

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。     

中尺度对流雨带飞机观测资料分析和数值模拟研究

本文使用MM5中尺度数值模式,采用不同分辨率(90、45、30和15Km)相同的Reisner混合相微物理显示方案,及Betts—Miller和Grell的对流参数化方案,对2003年7月8日吉林省境内中尺度对流雨带天气过程进行了数值模拟试验。结果表明：不同尺度的天气系统,需要不同分辨率、不同参数化方案的中尺度模式进行模拟,提高模式的分辨率可以增强对含有对流的中小尺度天气系统的模拟和预报能力;模式的水平分辨率和对流参数化方案对模拟强降水中心有重要影响;当MM5模式分辨率提高时,模拟的细化给降水分布、降水强度带来一些改进,但主要雨区内也出现了一些虚假预报中心水平扩散;低层正涡度区,高层负涡度区的配合,对低层辐合上升运动有利、能促进对流发展;从散度场的分布特征看。低层850hPa的水平辐合区域强弱与降水的大小有密切关系,强水平辐合区与强降水区有很好的对应关系。因此,在MM5模式业务化时应该根据天气特点来选择模式分辨率和对流参数化方案,以使模拟结果更接近实况。     

基于WRF模式的对流尺度边界层方案参数随机扰动方法研究

边界层参数化方案的准确性会影响模式对近地面变量和大气低层热动力结构的模拟,对雷暴等强对流天气的预报非常重要,但边界层方案内在的不确定性使得单一预报具有局限性。为了提高对流尺度数值模式中边界层方案的预报效果,基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式,应用随机参数扰动（SPP）方法对Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino（MYNN）边界层方案中重要的3个不确定参数进行扰动,探究了该方法对北京地区一次雷暴过程模拟的影响。同时考虑了对流尺度集合预报系统的特点,调整随机参数扰动方法的3个参量（去相关时间尺度、空间尺度和格点标准差）探究了对流尺度中对MYNN方案参数进行扰动的最优设置。结果显示:随机扰动MYNN边界层方案参数（SPPM）方法可以有效提高近地面变量和700 hPa以下低层变量的离散度,同时提高了短时强降水位置和强度的预报技巧。3个参量的试验说明,去相关时间尺度增大到12 h集合离散度有明显提高;格点标准差增大到0.20,预报技巧也略有提高;去相关空间尺度维持在默认值700 km较好,尺度过小（150 km）预报技巧明显降低。上述结果表明,在对流尺度中SPPM方法可以有效表达边界层参数化方案的不确定性,提高集合预报系统的预报技巧。      

高分辨率有限区务数值预报模式及降水预报试验

该文介绍了国家气象中心在原业务有限区模式基础上开发的一个新的高分辨率有限区模式，该模式除分辨率提高外，其主要改进表现在：１．增加了地面土壤过程，地面辐射过程，地面摩擦及边界层垂直湍流输送；２．积云对流参数化方案改用质量通量方案取代了原来的Ｋｕｏ方案。文章还对模式的准业务运行结果作了较全面地评述。     

高分辨率有限区业务数值预报模式及降水预报试验

该文介绍了国家气象中心在原业务有限区模式基础上开发的一个新的高分辨率有限区模式（ＨＬＡＦＳ）．该模式除分辨率提高外，其主要改进表现在：（１）增加了地面土壤过程、地面辐射过程、地面摩擦及边界层垂直湍流输送；（２）积云对流参数化方案改用质量通量方案取代了原来的Ｋｕｏ方案．文章还对模式的准业务运行结果作了较全面地评述     

热带气旋海棠(2005)强度数值模拟试验

通过设计台风追随自移动嵌套网格、考虑海洋飞沫作用改进MRF边界层参数化方案、设计垂直-倾斜对流参数化方案等对MM5 V3.7中尺度模式进行改进,以NCEP逐日再分析资料为初始场,对2005年第5号热带气旋"海棠"进行了数值模拟试验。结果表明:通过设计自移动嵌套网格解决了热带气旋业务数值预报模式中细网格区域大小和位置难于确定问题,通过提高模式分辨率能大幅增强数值模式对热带气旋强度的预报能力;考虑海洋飞沫作用后,热带气旋范围内低层热通量明显增强,从而使模式大气低层增温和增湿明显,有利热带气旋内对流发生发展;考虑倾斜对流不稳定作用后,使倾斜对流有效位能得到释放,进一步提高了模式对热带气旋内部物理过程的描述能力。通过改进MM5模式,有效提高了热带气旋强度的数值模拟能力。     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

数值天气预报业务模式现状与展望

20 0 4年是数值天气预报理论提出 10 0周年 ,同时也是数值天气预报业务化应用 5 0周年。经过百年的发展历程 ,数值天气预报学科有了飞跃的发展。特别是最近 10多年来 ,大气科学以及地球科学的研究进展 ,高速度、大容量的巨型计算机及网络系统的快速发展 ,更加快了数值天气预报的发展步伐。文中从模式动力框架、物理过程参数化、模式程序软件等方面对数值天气预报业务模式现状进行了简要综述 ,对存在的问题进行了探讨 ,并对数值天气预报业务模式的未来发展作了展望。当前数值天气预报业务模式发展的特点有 :(1) 2 0世纪 90年代中期以来 ,各国的全球和区域模式水平和垂直分辨率都有明显提高 ,且模式物理过程也同步进行改进 ;数值预报业务模式已进入了大规模并行计算的阶段 ;(2 )主要发达国家和中国都正在致力于研发各自的新业务数值预报模式———非静力 (多尺度 )一体化模式或非静力中尺度模式 ,部分国家的新一代天气 气候一体化数值模式已业务运行 ;(3)业务数值预报模式正在朝着不断完善的方向发展。随着模式分辨率的提高 ,云物理过程、陆面过程和湍流过程、考虑坡度 -坡向因子的辐射过程等在模式中的参数化方案 ,以及模式垂直坐标的选择越来越受重视 ,这些物理过程的描述成为业务数值模式改进的重点和     

WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究

边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式,以QNSE（Quasi-Normal Scale Elimination）边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.（2003）提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。     

华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验

利用非静力MM5模式,分析了不同积云对流参数化方案对华南暖区暴雨数值预报的不确定性影响,进行了中尺度暴雨模式扰动集合预报试验。不同对流参数化方案的对流凝结加热引起不同的局地温度扰动,通过大气内部的热力动力过程,导致垂直速度的差异,进而影响网格尺度和次网格尺度降水时间、地点和强度。后续降水再通过凝结潜热释放形成新的扰动源。不同积云对流参数化方案还可引起扰动源能量传播方式不同,最终使模拟大气的动力和热力结构有差异。针对物理过程的不确定性,使用两种模式扰动方法构造集合预报扰动模式,第一种方法是随机组合不同积云对流参数化方案和边界层方案,第二种方法是扰动Grell积云对流参数化方案中主要参数振幅。集合预报结果表明,第一种方法的集合预报效果优于第二种方法,仅扰动参数振幅值似乎还不足以反映华南暴雨预报的不确定性。单一的确定性预报在暴雨落区和强度方面的可信度不稳定,集合产品能给华南暴雨过程提供更有用价值的指导预报,具有较高的应用价值。     

不同微物理方案对一次梅雨锋暴雨过程模拟的影响

中尺度模式中描述湿物理过程的方案主要有对流参数化方案和云微物理方案,当网格距达到可以分辨积云对流尺度时,云微物理方案对描述云和降水物理过程的作用将变得更为重要.利用GRAPES高分辨率中尺度数值模式对2007年7月7-9日中国梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,从降水量、雷达回波、水成物分布方面结合观测资料,分析了NCFP简...     

WRF模式中边界层参数化方案在藏东南复杂下垫面适用性研究

藏东南地区是青藏高原山地复杂下垫面的典型代表,其边界层大气过程异常复杂,给数值模拟和预报带来较大困难。大气边界层参数化方案的选取关系到能否正确模拟和预报局地大气过程。本研究采用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对藏东南林芝地区对流和稳定边界层大气过程进行模拟,与2013年夏季"藏东南地区复杂下垫面地气交换观测实验"资料对比,研究ACM2,Boulac,M YJ,QNSE和YSU5种边界层参数化方案在青藏高原复杂下垫面的适用性。结果表明:对于水汽混合比垂直结构的模拟,Boulac和MYJ方案分别在模拟对流边界层和稳定边界层时能力最优。ACM 2方案最适宜藏东南复杂下垫面条件下的位温和风速垂直分布的模拟。各边界层参数化方案模拟对流边界层高度均较实际观测偏低,其中,QNSE方案模拟的边界层高度最接近观测。同一种边界层参数化方案对于夜间稳定边界层和正午对流边界层的模拟能力也不相同。该地区边界层风场受地形影响显著,风速较小,模拟的近地层风场较观测偏弱,MYJ和QNSE方案对近地层风场的模拟效果较好。