不同对流参数化方案和初值场组合对四川两次暴雨影响的数值模拟

针对2004年9月2~6日四川盆地东北部一次持续性暴雨过程和2004年6月30日成都地区暴雨过程,利用MM5中尺度数值模式,进行了Grell、Kuo、KF及BM四种积云对流参数化方案与T213模式分析值及NCEP再分析值两种初始值组合的数值试验,分析了不同积云方案和初值组合的模拟性能。比较结果表明,MM5模式较好地再现了这两次强降水过程。在同一模式中,不同对流参数化方案和不同初值组合在降水落区和强度模拟上存在一定程度的差异。初步模拟表明NCEP资料模拟的降水强度较T213资料模拟的降水强度偏弱,但降水落区较T213资料模拟的更接近实况,T213资料模拟的降水空报现象较严重。以T213资料模拟得到的高度、温度场都较NCEP资料更有利于影响系统的加强,模拟的湿度场、散度场和垂直运动场都较NCEP资料更有利于强降水的发生。相对而言,NCEP资料模拟结果更接近实况,Kuo和Grell方案对初值表现出更为敏感。     

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。     

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。     

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。     

Betts对流调整方案在移动套网格台风数值模式中的初步试验

Betts对流调整方案采用的是垂直温湿场向观测的准平衡热力结构松驰的方法。本文在一个考虑了台风初值化的移动套网格台风数值模式中,对Betts方案进行了初步试验。结果表明：Betts方案能较好的预报出台风移动的路径和降水过程,并在台风路径、降水落区预报以及对流增温的垂直分布等方面都略优于Kuo方案的预报结果。     

RegCM4.0不同对流参数化方案对山东省气温和降水的模拟

利用NCAR/NNRP2的每日4次再分析资料、NOAA的周平均OI_WK再分析资料和山东省122个观测站逐日气温和降水资料,使用RegCM4.0区域气候模式,选取MIT-Emanuel、Grell和Kuo 3种对流参数化方案,对山东省1990—2009年气温和降水进行了数值模拟。结果表明:3种对流参数化方案均能模拟出山东省平均气温和降水量的年际变化,且对气温的模拟效果总体好于降水。模拟的年平均气温偏低,其中Grell试验模拟结果最低,而Ema和Kuo试验模拟的年平均气温在内陆地区存在冷偏差(约-1℃),在沿海地区存在暖偏差(约+1.5℃)。模拟的年降水量偏少,其中Kuo试验模拟值最少。该模式对降水的模拟效果冬季最好,夏季最差。其中,夏季降水量的模拟值Ema试验较观测值偏多13.2%,Grell试验较观测值偏少17.8%。Grell和Kuo试验,对夏季和秋季降水量的模拟值与观测值的相关系数最高。     

东北冷涡数值预报系统建立与业务应用

东北冷涡强降水一直是东北地区气象预报的难点和重点。从提高东北冷涡降水数值预报质量着手,选择模式中可能对东北冷涡强对流有影响的不同辐射方案、边界层方案和积云参数化方案等多种物理过程,对东北冷涡降水预报的性能进行批量试验;利用天气学检验方法,选择预报结果较好的RRTM长波辐射方案、Gayno Seaman边界层方案、Grell积云参数化方案和混合相湿过程显式方案等物理方案,组合建立了东北冷涡数值预报系统。经检验表明：系统对东北冷涡降水预报的水平较东北区域中尺度数值预报业务系统有所提高。同时利用天气学检验方法,从降水预报的强度、落区和移速等方面着手,评估东北冷涡数值预报产品对冷涡降水预报的性能和系统误差,得出降水强度易偏强、落区易偏西偏南和范围易偏小等定性结论,可直接应用于预报业务,取得了较好的应用效果。     

积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨过程模拟的影响

利用MM5模式,选用4种积云对流参数化方案对2002年7月长江流域梅雨锋暴雨过程进行数值试验,讨论了同一水平分辨率下不同参数化方案对降水特征、中尺度特征和云物理特征模拟的影响。结果表明:不同方案对强降水中心落区影响不是很大,但对降水强度有较大影响;4种方案次网格尺度和网格尺度降水对总降水贡献不同;GR和KF方案的闭合假设中考虑次网格尺度湿下沉气流,可一定程度再现一些中尺度特征;4种方案模拟的云物理量特征存在很大差别。     

不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟

利用美国最新发展的新一代中尺度数值预报模式(WRF),研究了不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟问题,结果表明,在网格距适当小的情况下,同时采用积云对流参数化方案和云微物理方案(Kessler方案)时,其降水预报优于只使用积云对流参数化方案时的预报;在台风降水模拟的初期,Kain-Fritsch方案比Betts-Miller方案产生降水更快,更接近实况降水;在台风登陆后随时间的延长,对流降水重要性逐步下降,网格尺度降水逐渐增强。     

一次罕见的华南大暴雨过程的 诊断与数值模拟研究

首先对1994年6月中旬的华南暴雨过程进行了诊断分析,然后,利用PSU和NCAR发展起来的有限区域中尺度模拟系统MM5进行了数值模拟研究。诊断结果表明:此次过程长江以南的大部分地区具备大尺度的降水条件,而在两广地区降水更强,这可能是由地形等其他条件决定的。两广地区活动较强的对流云团是造成暴雨的主要中尺度系统,而东部地区主要是锋面造成的连续性降水,对流活动较两广地区相对较弱。数值模拟结果显示:MM5模式对这次华南的强降水过程具有较好的模拟能力,静力方案对大范围雨区的模拟比非静力方案要好一些,但对大暴雨区的模拟非静力方案似乎更具优越性。对流参数化方案的试验表明,Kuo方案能较好地模拟大范围的雨区,Grell方案对强暴雨中心的模拟似乎比其他方案好。对行星边界层方案的试验显示,边界层过程对强的对流性降水的模拟是不可忽略的。这些看法与已有的诊断结果是相符的。     

中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性研究

利用PσRCM9区域气候模式, 分析了中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性。结果表明, 采用四种积云对流参数化方案, 模式能够模拟出小雨、 大雨和暴雨的雨量百分比和雨日百分比空间分布的一致性特征, 但不能模拟出中雨雨量百分比和雨日百分比空间分布的相似性, 这是由于模式不能模拟中雨雨量百分比的空间分布形式所致。还发现模拟的我国夏季降水以小雨和中雨为主, 四种积云对流参数化方案均低估了中国夏季大雨和暴雨对总降水的贡献, 尤其是在我国西部、 东北和华北地区更明显。不同积云对流参数化方案下模拟的极端强降水阈值的空间分布形式基本与观测一致, 但强度与观测存在较大差异。相比较而言, Grell方案较Kuo、 Anthes-Kuo和Betts-Mille积云对流参数化方案更适合中国东南部地区夏季极端强降水的模拟。     

Customization of regional climate model (RegCM4) over Indian region

The regional climate model (RegCM4) is customized for 10-year climate simulation over Indian region through sensitivity studies on cumulus convection and land surface parameterization schemes. The model is configured over 30° E–120° E and 15° S–45° N at 30-km horizontal resolution with 23 vertical levels. Six 10-year (1991–2000) simulations are conducted with the combinations of two land surface schemes (BATS, CLM3.5) and three cumulus convection schemes (Kuo, Grell, MIT). The simulated annual and seasonal climatology of surface temperature and precipitation are compared with CRU observations. The interannual variability of these two parameters is also analyzed. The results indicate that the model simulated climatology is sensitive to the convection as well as land surface parameterization. The analysis of surface temperature (precipitation) climatology indicates that the model with CLM produces warmer (dryer) climatology, particularly over India. The warmer (dryer) climatology is due to the higher sensible heat flux (lower evapotranspiration) in CLM. The model with MIT convection scheme simulated wetter and warmer climatology (higher precipitation and temperature) with smaller Bowen ratio over southern India compared to that with the Grell and Kuo schemes. This indicates that a land surface scheme produces warmer but drier climatology with sensible heating contributing to warming where as a convection scheme warmer but wetter climatology with latent heat contributing to warming. The climatology of surface temperature over India is better simulated by the model with BATS land surface model in combination with MIT convection scheme while the precipitation climatology is better simulated with BATS land surface model in combination with Grell convection scheme. Overall, the modeling system with the combination of Grell convection and BATS land surface scheme provides better climate simulation over the Indian region.     

基于MET检验的青海大范围降水个例参数化方案优选

利用WRF模式不同积云对流和微物理过程参数化方案对2015年8月1—3日青海省大范围降水过程进行了模拟,并利用MET(数值模式评估系统)对本次模拟结果进行了检验,结果表明:(1)此次过程,模式存在"早报"现象,尽管大部分方案预报降水量均偏多,但从降水过程中心位置和强度来看,BMJ(积云对流)/Thompson(微物理)组合方案模拟效果较为理想,Grell/WSM5和KF/Kessler次之;Grell/WSM5从降水极值点的空间分布特征和降水量级上模拟结果较为理想。(2)就空报率和漏报率的空间分布而言,空报率远高于漏报率,空报率高值区主要分布在玉树南部和海西东北部,模式对玉树地区的预报存在较大的误差。(3)用SEDS(对称极值依赖评分)评估极端降水,Grell/WSM5对极端降水的预报效果较好。(4)主观判断降水空间分布特征无法量化预报的质量,且单一的评分指数因侧重点不同无法综合评价模式的预报能力,故选用8种评分或指标进行定量评估,其结果表明,WSM5方案(微物理)的R(相关系数)较大且RMSE(均方根误差)较小,Grell/WSM5对此次降水预报效果最好,Grell/Kessler次之。综合来看,对此次降水个例Grell/WSM5组合方案为最优组合方案,参数化方案的优选有利于客观把握模式的预报能力与预报技巧,有利于提高区域数值模式在青海高原的适用性。     

修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究 Ⅱ:三种积云方案的积云对流活动及MFS方案相关参数的敏感性试验

作者在“修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究I方案介绍及对1991年洪涝过程的模拟”论文中提出的质量通量方案成功地植入区域气候模式RegCM2的基础上，对比分析质量通量方案MFS，Kuo方案和Grell方案对积云对流活动的模拟，结果表明质量通量方案较好地模拟了积云对流活动过程。针对质量通量方案中的一些参数，如云水向雨水的转换率、混合卷入率、混合卷出率和下沉气流的强度等进行了一系列的敏感性试验，试验结果表明积云对流活动对这些参数比较敏感，因此提高这些参数的准确性是改进积云对流参数化方案的重要内容之一。     

短期集合预报技术在梅雨降水预报中的试验研究

数值预报的误差来源于初始场和模式的误差,集合预报技术是减小这些误差的有效方法。该文以MM5模式作为试验模式框架,模式的积云参数化方案分别取Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller方案,边界层参数化方案分别取MRF和Eta方案,通过组合4种积云参数化方案和两种边界层参数化方案产生8个集合成员,对1999年华东地区梅雨期间3个降水个例进行48 h集合预报试验。结果显示不同集合成员的预报结果各不相同,积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大;不同集合成员预报降水的偏差也各不相同,大多存在湿偏差,量级小的降水的湿偏差程度比量级大的降水的湿偏差程度小;对于不同个例,各成员中预报效果相对较好的成员是不同的,集合平均后可以得到一个比较稳定的预报结果;从集合预报结果中还能得到客观化和定量化的降水概率预报,它能对可能发生的天气现象发出信号。     

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。     

MODIFIED MASS FLUX CUMULUS CONVECTIVE PARAMETERIZATION SCHEME AND ITS SIMULATION EXPERIMENT—PARTⅡ:CUMULUS CONVECTION ACTIVITIES SIMULATED FROM THREE SCHEMES AND SENSITIVITY EXPERIMENTS BY USE OF MASS FLUX SCHEME*

By comparison of simulated cumulus convection processes in RegCM2,using the Kuo scheme,the Grell scheme and the mass flux scheme (MFS),it is found that the MFS can simulate the cumulus heating and moistening very well.A series of sensitivity tests show that the parameters for specifying the conversion coefficient from cloud droplets to raindrops,the turbulent entrainment and detrainment rates in updrafts anddowndrafts,and the intensity of the downdrafts have different degrees of influence upon the cumulus convection.Therefore.it is quite important for cumulus parameterization scheme to define these parameters as accurately as possible.     

Simulation of heavy precipitation episode over eastern Peninsular Malaysia using MM5: sensitivity to cumulus parameterization schemes

A comparative study has been conducted to investigate the skill of four convection parameterization schemes, namely the Anthes–Kuo (AK), the Betts–Miller (BM), the Kain–Fritsch (KF), and the Grell (GR) schemes in the numerical simulation of an extreme precipitation episode over eastern Peninsular Malaysia using the Pennsylvania State University—National Center for Atmospheric Research Center (PSU-NCAR) Fifth Generation Mesoscale Model (MM5). The event is a commonly occurring westward propagating tropical depression weather system during a boreal winter resulting from an interaction between a cold surge and the quasi-stationary Borneo vortex. The model setup and other physical parameterizations are identical in all experiments and hence any difference in the simulation performance could be associated with the cumulus parameterization scheme used. From the predicted rainfall and structure of the storm, it is clear that the BM scheme has an edge over the other schemes. The rainfall intensity and spatial distribution were reasonably well simulated compared to observations. The BM scheme was also better in resolving the horizontal and vertical structures of the storm. Most of the rainfall simulated by the BM simulation was of the convective type. The failure of other schemes (AK, GR and KF) in simulating the event may be attributed to the trigger function, closure assumption, and precipitation scheme. On the other hand, the appropriateness of the BM scheme for this episode may not be generalized for other episodes or convective environments.     

积云参数化方案对夏季东亚季风区海气系统位相关系模拟的影响

本文利用区域海气耦合模式RegCM-POM,分别选取Grell积云参数化方案和Emanuel积云参数化方案对北半球夏季(5—10月)的东亚气候进行模拟,研究不同积云对流参数化方案(CPS)对东亚夏季季风区海气系统位相关系模拟的影响。结果表明:不同CPS模拟的陆地降水具有一定的不确定性,而海洋降水和海温的模拟受CPS选择的影响更大。其中,Emanuel方案对海洋降水和海温的分布形势模拟总体上要好于Grell方案,且可以更好的模拟中国近海各海区的海气系统位相关系,特别是大气对海温的负反馈过程。原因在于Emanuel方案模拟的对流降水与海温的位相关系更接近观测总降水与海温的位相关系;而Grell方案对南海和孟加拉湾的对流降水模拟偏少,对黑潮对流降水的模拟偏多,错误地模拟了这几个海区积云对流过程发挥的作用,故其模拟的海气系统位相关系不如Emanuel方案。     

MODIFIED MASS FLUX CUMULUS CONVECTIVE PARAMETERIZATION SCHEME AND ITS SIMULATION EXPERIMENT—PART II:CUMULUS CONVECTION ACTIVITIES SIMULATED FROM THREE SCHEMES AND SENSITIVITY EXPERIMENTS BY USE OF MASS FLUX SCHEME

By comparison of simulated cumulus convection processes in RegCM2,using the Kuo scheme,the Grell scheme and the mass flux scheme (MFS),it is found that the MFS can simulate thecumulus heating and moistening very well.A series of sensitivity tests show that the parametersfor specifying the conversion coefficient from cloud droplets to raindrops,the turbulententrainment and detrainment rates in updrafts anddowndrafts,and the intensity of thedowndraftshave different degrees of influence upon the cumulus convection.Therefore.it is quite importantfor cumulus parameterization scheme to define these parameters as accurately as possible.