夏季不同源地水汽对我国西北区降水影响的数值模拟(Ⅱ): 减、 增各源区水汽的敏感性试验结果

为进一步检验东南沿海、 孟加拉湾、 青藏高原、 西风带等4个水汽源区对我国西北区夏季降水影响的相对重要性, 本文利用MM5模式, 以1979年7月为模拟对象, 以NCEP再分析值作初、 侧边界条件, 继本文上篇作了该模式对该月的模拟性能检验后, 又分别作了检验减、 增各源区水汽影响的 11个敏感性试验。下篇的结果表明： （1）夏季, 东南沿海源区减（增）水汽后, 主要通过西伸的西太副高西南侧的东南风和西侧的偏南风气流的“干（湿）平流”输送, 第2天将直接影响西北区东部; 继之, 若遇河西走廊低层较强偏东风, 前述“干（湿）平流”还可再继续影响河西及南疆降水的减（增）。即东南沿海是影响西北区的主要水汽源区。（2）孟湾源区水汽的减（增）变化常经北路和东路共同影响西北区的降水。它主要影响青海及河西走廊中、 东部的降水, 也间接地影响西北区东部及南疆的降水。（3）高原（特别是西风带）源区因本身水汽少, 它们的影响要小些。高原源区主要影响青海及河西中、 东部的降水, 也部分影响西北区东部和南疆的降水; 而西风带区主要影响北疆及南疆的降水。（4）作西北区夏季降水预报时, 要关注其上游孟湾, 特别是东南沿海源区水汽、 沿途天气系统及低空急流的变化。     

西北区东部一次暴雨的数值模拟试验

运用双向嵌套的中尺度数值预报模式MM5，对1998年7月上旬西北区东部一次暴雨过程进行了高分辨率数值模拟和敏感性试验。结果表明，该模式能较好地模拟这次暴雨过程，对这次暴雨过程相关的中尺度系统的发生发展也作出了较成功的模拟；大尺度及积云对流尺度的凝结潜热在降水过程中是一个主要因子，潜热释放将加热中高层大气，促使高层大气辐散，低层辐合，垂直运动加强，导致较大的降水；初始时刻不同地区低层大气水汽含量的多寡直接对本次暴雨产生影响，并为这次暴雨提供了水汽源；地面水汽和感热的垂直输送为暴雨的发生发展补充了能量。     

MM5模式对区域气候模拟的性能试验

利用1998年6月NCEP资料和6月2日00：00地表资料及美国NCAR／PENN州的MM5对1998年6月我国南方降雨过程进行了气候模拟的性能试验，模拟结果表明，MM5基本上可模拟出局地大气环流和区域尺度上的强对流过程造成的雨区，降雨强度和强降水中心位置，但模拟的雨量与实际值相差较大，模拟值再现了我国夏季降水异常的空间分布特点，模式可向区域气候模式发展，但该模式模拟的1998年6月副高强度比其实际值的强度更强，故导致更多的水汽进入降雨区，造成过多的降雨。     

一次东北冷涡暴雨过程的数值模拟试验

利用MM5非静力模式成功地模拟了1998年8月8－9日一次东北冷涡切变型暴雨过程。发现本次过程中，低涡西北象限的强降水中心的产生是由于高层形成的强辐散，切变降水的产生由于偏南急流与偏东急流的交汇，切变带上升运动层明显低于低涡。同时，通过对比试验发现，偏南急流是本次过程主要水汽输送带。且对切变降水影响较大。偏南急流区水汽的减弱对系统（低涡、切变）的降水强弱有直接影响；西路冷空气加强主要使大气斜压作用增强导致低涡强度及降水增强；东路冷空气主要通过阻挡偏南气流形成抬升从而主要影响切变强度和降水。阻高则通过对上游低值系统的阻挡影响其位置和强度进而影响过程降水。     

黄河源区草地退化对局地气候环境影响的数值模拟

土地覆盖变化会影响到近地层各气象要素发生不同程度的变化.利用中尺度数值模式MM5,设计了一个控制试验和一个敏感性试验.通过对2003年7月一个月的积分,模拟了黄河源区草原退化对局地气候环境的影响.结果表明,黄河源区草原退化导致该地区2 m高度气温及地表温度明显升高;空气湿度及土壤湿度不同程度减小;草原退化后降水的减小影响到径流减小;草原退化后还引起退化区感热通量增加,潜热通量减小,有效通量(感热通量+潜热通量)减小.与草地农牧化相比,草原退化对气候环境的影响程度更强.     

MRI模式对华南春雨气候态及年际变率的模拟：不同模式分辨率的比较

本文利用日本气象研究所（MRI）参加第五次国际耦合模式比较计划（CMIP5）的大气环流模式在高、中、低三种分辨率下的AMIP试验结果,评估了其对华南春雨气候态和年际变率的模拟能力,比较了不同分辨率的模拟结果。结果表明,三种不同水平分辨率（120 km、60 km和20 km）的模式均能再现北半球春季位于中国东南部的降水中心。相较于120 km模式,20 km模式能够更为合理地模拟出华南春雨位于南岭—武夷山脉的降水中心。水汽收支分析表明,60 km、20 km模式高估了水汽辐合,使得华南春雨的降水强度被高估。在年际变率方面,在三种分辨率下,模式均能较好地再现观测中El Ni?o衰减年春季的西北太平洋反气旋以及华南春雨降水正异常。较之120 km模式,60 km、20 km模式模拟的降水正异常的空间分布和强度更接近观测,原因是后者模拟的El Ni?o衰减年春季华南地区的水平水汽平流异常更接近观测。本研究表明,发展高分辨率气候模式是提高华南春雨的气候态和年际变率模拟水平的有效途径之一。     

耦合不同陆面过程对江西南部一次暖区特大暴雨过程的模拟试验

利用WRF V模式耦合4个陆面过程对2015年5月18—19日江西南部暖区特大暴雨进行了模拟,以检验陆面过程对暴雨过程的影响;在此基础上,又进行了地表通量敏感性试验,以检验地面扰动通量对降水的影响。结果表明,各方案模拟的降水范围、雨带走向以及降水中心位置与实况都比较相似,但是降水强度大小与陆面过程的选择存在一定的差异。其中,WRF模式耦合NOAH方案模拟的降水中心、降水强度和累积降水量均能够较好地反映这次暴雨过程的发展。感热和潜热通量在暖区暴雨中是维持降水持续的主要能量输送,对暴雨中心强度和位置变化的影响,潜热通量比感热通量发挥了更重要的作用。来自地面水汽蒸发所释放的潜热以及水汽抬升和辐合释放的潜能为维持暴雨强度提供了重要的能量支撑。     

青藏高原东侧一次典型暴雨过程的数值模拟试验

利用单向嵌套中尺度非静力数值模式MM5,对1998年7月4～5日发生在青藏高原东侧一次典型暴雨过程进行数值模拟和敏感性试验,结果表明该模式能较好地模拟这次过程,并成功地模拟出了与这次过程密切相关的中尺度系统;去掉冷空气的影响后,低层辐合气流减弱,造成降水明显减弱;而盆地内能的增加则能促进中尺度系统的形成;改变初始时刻不同地区低层水汽含量的试验证明,暴雨过程前水汽的聚集程度和暴雨过程中是否维持水汽输送机制是判断一次暴雨过程雨量大小的关键因素之一.地形试验证明,大地形发生显著改变后,影响系统、低空急流的位置和强度、冷空气路径等也都发生了显著改变.由此推断,四川特殊的气候特征就是由其独特的地理环境决定的.     

大气环流模式降水的模拟对水汽方程差分方案的敏感性试验

分别采用3种应用比较广泛的水汽方程差分方案:多维正定平流传输方案(MPDATA)、通量修正传输方案(FCT)和两步保形平流方案(TSPAS),对大气物理所9层大气环流模式(IAP 9L AGCM)的降水模拟作敏感性试验,分析比较3种方案下模式降水气候平均场的差异,从而揭示模式降水对水汽方程差分方案的敏感性.试验结果显示,不同的水汽方程差分方案对大气环流模式降水的气候模拟有较大影响,并由此从3种差分方案中为IAP 9L AGCM寻找出一种较好的水汽计算方案.     

华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估

利用高分辨率区域气候模式Reg CM3对华北地区1991—2002年夏季气候进行了数值模拟,对照中国台站的实测资料,对模拟的华北地区夏季降水、温度进行了较为全面的比较,以检验模式的模拟性能。对平均场的模拟结果检验认为,该区域气候模式对华北地区夏季降水的空间分布模拟存在一定的误差,河套地区及黄河以南地区降水量接近实况,沿着太行山脉及东部沿海地区降水量明显偏多。模式对温度的模拟误差较小,较好地再现了气温的空间分布特征,但山西及以北地区模拟的温度略偏低。模式能够较好地模拟出华北地区夏季降水和气温的年际变化,成功再现了该区域降水和气温的异常变化。模式能够成功模拟出该区域降水和气温日变化特征,特别是对于逐年夏季的降水日变化过程的峰值和谷值均有成功表现,对于典型年份华北地区较强降水过程中降水发生的时间、落区、强度等也有再现能力,不足的是模拟的降水量比观测偏大。对于模式误差是否与地形或模式积云对流参数化方案等有关,需要进一步探讨。     

华北和西北区干湿年间水汽场及东亚夏季风的对比分析

为了更好地理解华北及西北地区的夏季降水气候，我们利用NCEP的再分析格点资料等，对华北和西北两区干，湿年（月）的水汽场及夏季风状况作了对比分析，主要结论是：（1）近50年来华北和西北区东部明显干旱化，这可能与同期内东亚夏季风强度趋弱，大气可降水量逐渐减少有关；（2）两地区干，湿年（月）间气柱可降水量差别明显；（3）两地区干，湿年（月）的夏季风，水汽输送通道的位置及强度，以及水汽通量的辐散辐合情况均不同；（4）高原与太平洋间的海陆温差指数及东亚夏季风指数（SMI）对表征东亚夏季风的季节变化及夏季风强度的年际变化有一定的能力，冬春季高原与太平洋间的海陆温差对其后东亚夏季风的强弱及西北和华北区的干湿状况有部分指示意义；作西北区夏季降水预报时要注意四川盆地的水汽场及广元－汉中一带，以及闽，台和两广的水汽输送状况。     

GPS观测资料应用于中尺度数值预报模式的初步研究

利用建立在长江三角洲地区GPS观测网中 11个站点的可降水量资料 ,对 2 0 0 2年 6月 2 3～ 2 4日影响长江三角洲地区的降水过程进行了MM5模式初始湿度场调整和Nudging同化试验。试验表明 :利用GPS测量的可降水量对模式初始湿度场进行调整能明显增强模式初始场描述水汽分布的能力 ,从而有效地控制模式积分初期对可降水量预报的误差 ,并对模式 6h累积降水量预报有较明显的改善作用。利用Nudging技术同化GPS可降水量资料对MM5预报效果改善较小 ,并且Nudging系数的增加对预报效果的影响不大。总体上 ,利用GPS可降水量资料调整模式初始湿度场对模式 6h累积降水预报效果的改善明显好于连续Nudging同化。试验还表明 :GPS资料对模式初始湿度场调整改善模式对累积降水量的预报主要是通过改善网格降水预报来实现的 ,而Nudging同化主要是通过改善次网格降水而提高模式降水预报能力的。     

用单站探空资料分析对流层气柱水汽总量

使用北京地区１９９６,１９９７年７月中至８月上旬常规探空（标准层和特性层）资料,计算了各层气柱的水汽混合比,绘制了水汽垂直分布的廓线,并据水汽廓线分布把大气分为四种类型,通过对各层水汽混合比积分,算出该时段每日０８,２０时的北京单站对流层气柱累积水汽量,研究气柱水汽总量与降水的关系,为预报降水量级,降水范围提供依据,这一分析结果可与辐射仪遥感水汽技术得到的结果进行比较,并为应用其它新的探测技术（如     

WATER VAPOR CONTENT AND MEAN TRANSFER IN THE ATMOSPHERE OVER NORTHWEST CHINA

The interannual and intermonthly climatic features of the water vapor content(hereafterWVC)and its mean transfer in the atmosphere over Northwest China(hereafter NWC)arecalculated and analyzed by using the NCEP/NCAR global reanalysis grid data(2.5°×2.5°Lat/Lon)for 40 years(1958—1997).The results show that the WVC in the total air column over NWC infour seasons of the year is mainly concentrated on eastern and western NWC respectively.On theaverage,the WVC over eastern NWC decreases obviously during recent forty years except forwinter.while it decreases over western NWC in the whole year.But the WVC over NWC has beenincreasing since late 1980s in summer.The water vapor comes from the southwestern warm andwet air current along the Yarlung Zangbo River Valley and the Bay of Bengal.and from mid-western Tibetan Plateau and also from the Qinling Mountains at southern Shaanxi Province.Theyearly water vapor divergence appears over the middle of NWC to northern Xinjiang andsoutheastern Shaanxi Province.The yearly water vapor convergence appears over the Tarim Basinand the Tibetan Plateau as well as western Sichuan and southern Gansu.     

Numerical Assessing Experiments on the Individual Component Impact of the Meteorological Observation Network on the ＂July 2000＂ Torrential Rain in Beijing

In an effort to assess the impact of the individual component of meteorological observations (ground-based GPS precipitable water vapor,automatic and conventional meteorological observations) on the torrential rain event in 4-5 July 2000 in Beijing (with the 24-h accumulated precipitation reaching 240 mm),24-h observation system experiments are conducted numerically by using the MM5/WRF 3DVAR system and the nonhydrostatic MM5 model.Results indicate that,because the non-conventional GPS observations are directly assimilated into the initial analyses by 3DVAR system,better initial fields and 24-h simulation for the severe precipitation event are achieved than those under the MM5/Litter_R objective analysis scheme. Further analysis also shows that the individual component of meteorological observation network plays their special positive role in the improvement of initial field analysis and forecasting skills.3DVAR scheme with or without radiosonde and pilot observation has the most significant influence on numerical simulation,and automatic and conventional surface meteorological observations rank second.After acquiring the supplement information from the other meteorological observations,the ground-based GPS precipitable water vapor data can more obviously reflect initial field assimilation and precipitation forecast.By incorporating the ground- based GPS precipitable water vapor data into the 3DVAR analyses at the initial time,the threat scores (TS) with thresholds of 1,5,10,and 20 mm are increased by 1%-8% for 6- and 24-h accumulated precipitation observations,respectively.This work gives one helpful example that assesses the impact of individual component of the existing meteorological observation network on the high influence weather event using 3DVAR numerical system.     

Numerical simulation of the critical scale of oasis maintenance and development in the arid regions of Northwest China

Oasis is a special geographic landscape among the vast desert/Gobi in Northwest China (NWC). The surface sensitive heat flux and latent heat flux at Zhangye Oasis during 1 to 11 August 1991 are simulated using the NCAR nonhydrostatic mesoscale model MM5 Version 3. The horizontal grid resolution is set as 1km. By comparing the simulation results with HEIFE observations, it is proved that the model can be used to simulate the surface energy and water mass exchange of arid and semiarid regions in NWC.Based on the above results, the influence of different oasis scales on the local atmospheric field near the ground surface, and the critical scale of oasis maintenance, in NWC are studied dynamically. The following conclusion is obtained: the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi is formed in the oasis downstream if the oasis scale is larger than 4 km. This local thermal circulation between the oasis and the desert adjacent to the oasis helps to conserve water vapor over the oasis. At the sametime, it transfers the abundant water vapor from the oasis into the desert/Gobi near to the oasis to supply relatively plentiful water vapor for desert crops to grow on the fringe of the oasis. So, it is advantageous for oasis extension. However, if the scale of the oasis is smaller than 4 km, it is not easy for the local thermal circulation between the oasis and the desert/Gobi to take shape. This study provides a new standpoint for oasis maintenance and development.     

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.     

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5(V3.6),选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4-5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析.研究结果表明:(1) 具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案.(2) 梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化.雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1-2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用.(3) 除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500-700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速(剧)云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子.