物理参数化和资料初始化对中国东南部暴雨模拟的影响

利用美国国家大气研究中心(National Center for Atmospheric Research,NCAR)中尺度模式(WRF ARW)以及美国国家海洋和大气管理局(NOAA)三维变分同化系统GSI(Gridpoint Statistical Interpolation),对2005年6月20—21日发生在广东省中部的一场致洪暴雨进行了模拟。与雨量计观测的和卫星反演的降水混合资料相比,模式能够成功地模拟出降水的位置和强度。但数值模拟的效果很大程度上取决于3个条件:模式分辨率;物理过程方案;初始条件。在此次暴雨的模拟中,采用Eta Ferrier微物理方案、内层区域4 km细分辨率与外层区域12 km粗分辨率组成双层嵌套网格和卫星辐射资料同化的初始化方案是非常合适的。     

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。     

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。     

地基微波辐射计资料的等值线自动绘制方法

利用美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research,NCAR）中尺度模式（WRF-ARW）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）三维变分同化系统GSI（Gridpoint StatisticalInterpolation）,对2005年6月20-21日发生在广东省中部的一场致洪暴雨进行了模拟。与雨量计观测的和卫星反演的降水混合资料相比,模式能够成功地模拟出降水的位置和强度。但数值模拟的效果很大程度上取决于3个条件：模式分辨率;物理过程方案;初始条件。在此次暴雨的模拟中,采用Eta Ferrier微物理方案、内层区域4km细分辨率与外层区域12km粗分辨率组成双层嵌套网格和卫星辐射资料同化的初始化方案是非常合适的。     

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。     

基于WRF-LES的门头沟地区近地面风场模拟与边界层方案敏感性研究

近地面风场与人类生活密切相关,精细准确的风场模拟可以为气象实况产品提供数据支撑。目前,中尺度模式的时空分辨率无法满足局地精细化模拟的需求,因此本研究基于中尺度模式（WRF）内层嵌套大涡模拟（LES）,采用五层双向嵌套在门头沟东部区域展开百米近地面风场模拟。结合地面观测,设计边界层和亚网格模型敏感性试验,对比1 km分辨率下YSU和LES边界层方案对里层嵌套的影响,检验和评估不同亚网格模型在真实大气中的适用性。结果表明,在中微尺度过渡分辨率1 km开启YSU边界层较LES边界方案模拟效果更佳,在保持捕捉湍流细节的能力下,拥有较低的误差。不同的亚网格敏感性试验中,1.5TKE, SMAG, 1.5TKE＿NBA和SMAG＿NBA四种亚网格模型差异较小,统计指标上,SMAG的均方根误差最低,相关系数最高。同时,四种亚网格模型依旧存在模式本身造成的高值低估,低值高估的现象,SMAG在风矢量分布和风速风向概率密度分布中与观测最为接近。在风场的瞬时空间分布上,SMAG＿NBA表现出对细小的湍流捕捉能力的优势。     

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。     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

区域气候模拟中侧边界嵌套误差的研究

在复杂地形条件下嵌套细网格模式的基础上，建立了与球圈模式相嵌套的区域模式系统，对几种不同条件下的嵌套误差进行了比较分析，研究了区域模式嵌套误差的特征分布及时空演变特征。初步分析表明:区域模式嵌套造成的误差在不同区域的分布不同，且不同的物理量在时空的分布也不同；动能场的误差主要在边界区上层的流入区，感热场的误差在边界区上层，水汽的误差在边界区上层的流入区；侧边界输入时间间隔对模式嵌套误差有一定的影响。有限区细网格模式在上层长波误差大于粗网格环圈模式上层误差，在下层短波模拟的误差比粗网格环圈模式的下层误差要小。相速误差对侧边界嵌套误差的影响在下层很严重，嵌套误差的大小与大小模式的网格距之比有关；在大小模式物理参数化过程一致的条件下，无日变化的区域模式其嵌套误差远大于有日变化的区域模式嵌套误差。     

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。      

高分辨率模式中积云参数化方案对模拟台风“凡亚比”的影响

在高水平分辨率模式(3～6 km)中,对于是否应该再使用积云参数化方案,仍存在着争论.为此,利用WRF模式,在5 km水平分辨率下,研究了不同云降水方案对一次台风过程模拟的影响,并对影响原因进行了初步探索.结果表明,即使在5 km高水平分辨率下,使用积云参数化方案仍能有效改善对台风路径的模拟,同时,成熟的混合冰相微物理方案对模拟台风路径也非常重要;对台风强度模拟,对积云参数化方案的选择较为敏感和复杂;在48 h预报时效内,只使用微物理方案模拟的降水较好,使用积云参数化方案容易产生较多的虚假降水,但能改善第3天24 h累积降水模拟.这些研究结果为利用高水平分辨率模式模拟台风和改进积云参数化方案提供一定借鉴.     

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。      

不同降水方案对"03.7"一次暴雨过程模拟的影响

观测和数值模拟研究已经表明,潜热释放对中国东部夏季梅雨锋系统及其锋面降水的维持和发展发挥着非常重要的作用.然而,目前对于梅雨锋降水模拟中各种降水方案的相互协调和系统评估方面的工作仍不多见,为了增进对梅雨锋暴雨模拟中降水过程的认识,作者针对2003年7月4～5日一次梅雨锋暴雨过程,构造了四组试验,利用MM5模式考察了两种分辨率(36 km、12 km),各种隐/显式方案搭配下,对所生成的雨带、雨量和降水类型的配置进行了仔细的研究,得到了一些有意义的结论,为今后更好地使用模式、利用数值模式来认识中尺度降水过程中的气象问题打下基础.主要结论包括:模拟总降水的水平分布和强度,以及显式降水和隐式降水的划分对积云参数化方案的选择非常敏感.但对特定积云参数化方案而言,降水的模拟对36 km、12 km水平分辨率不敏感(除Betts-Miller方案外);在中尺度网格分辨率10～50 km范围内,不同积云参数化方案对梅雨锋降水分布和降水量模拟的影响比不同显式方案带来的变化大得多.     

提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。     

不同云微物理方案对上海特大暴雨模拟影响的分析

利用中尺度数值预报模式WRF3.5,采用36、12和4 km三重嵌套,在积云参数化方案为BMJ条件下,选用WSM5、WSM6和Lin三种云微物理参数化方案,对发生在上海地区的两次典型特大暴雨（简称“0913”和“0825”）进行模拟试验和对比分析,探讨不同云微物理参数化方案对上海暴雨模拟的影响。结果表明:三种方案总体上都较好地模拟出两次特大暴雨过程,但在降水落区、降水中心、降水强度等方面仍存在差异。再利用地面自动站、观测站的实测雨量以及自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据,结合K指数、相对湿度、垂直速度和涡度散度等物理诊断量,从降水落区、降水中心和降水强度等方面对三种云微物理参数化方案的模拟结果进行对比分析。此外,通过对三种方案主要参数的比较以及三种方案模拟的冰、雪、霰粒子混合比的垂直廓线对相应的模拟结果进行解释。结果显示:WSM5微物理方案能更好地模拟出强降水的范围,其模拟的降水量较实测偏大;WSM6方案模拟的降水落区略有偏移,降水量偏小;Lin方案模拟的降水落区偏移较大。      

基于不用分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计三个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2米温度、10米风速、降水预报的影响。结果表明：（1）提高分辨率对2米温度、10米风速模拟精度均有提高,2米温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10米风速预报精度提高约0.5 m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。（2）提高分辨率并调整物理参数化方案后,2米温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10米风速模拟误差增大约0.5 m/s,模拟偏差增大超过0.5 m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

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。     

Sensitivity of physical parameterizations on prediction of tropical cyclone Nargis over the Bay of Bengal using WRF model

Comprehensive sensitivity analyses on physical parameterization schemes of Weather Research Forecast (WRF-ARW core) model have been carried out for the prediction of track and intensity of tropical cyclones by taking the example of cyclone Nargis, which formed over the Bay of Bengal and hit Myanmar on 02 May 2008, causing widespread damages in terms of human and economic losses. The model performances are also evaluated with different initial conditions of 12?h intervals starting from the cyclogenesis to the near landfall time. The initial and boundary conditions for all the model simulations are drawn from the global operational analysis and forecast products of National Center for Environmental Prediction (NCEP-GFS) available for the public at 1° lon/lat resolution. The results of the sensitivity analyses indicate that a combination of non-local parabolic type exchange coefficient PBL scheme of Yonsei University (YSU), deep and shallow convection scheme with mass flux approach for cumulus parameterization (Kain-Fritsch), and NCEP operational cloud microphysics scheme with diagnostic mixed phase processes (Ferrier), predicts better track and intensity as compared against the Joint Typhoon Warning Center (JTWC) estimates. Further, the final choice of the physical parameterization schemes selected from the above sensitivity experiments is used for model integration with different initial conditions. The results reveal that the cyclone track, intensity and time of landfall are well simulated by the model with an average intensity error of about 8?hPa, maximum wind error of 12?m?s^?1and track error of 77?km. The simulations also show that the landfall time error and intensity error are decreasing with delayed initial condition, suggesting that the model forecast is more dependable when the cyclone approaches the coast. The distribution and intensity of rainfall are also well simulated by the model and comparable with the TRMM estimates.