数值模式中辐射参数化方案的对比试验

一个科化的长波辐射和甜美波辐射参数化方案，与郭岚一钱永甫原有辐参数化方案进行了对比，分析了它们对１００ｈＰａ，３００ｈＰａ、５００ｈＰａ、７００ｈＰａ及海平面气压场、高度场、温度场及辐射加热率计算结果的影响，发现，两者结果相当一致，高度场、温度场的相关系数都能达到０．９以上，短波辐射加热率的相关系也都在０．８－０．９之间，简化方案具有计算快捷，节约机时的优点，积分模式时间７２０小时，所需机时约比原     

不同辐射参数化方案对南京地区大雾过程数值模拟的影响

为了比较不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟效果,本文利用WRF模式,通过设计不同长、短波辐射参数化方案,对江苏省2015年5月18—21日和12月20—21日2次典型大雾过程进行了数值模拟,讨论了模式中不同长、短波辐射参数化方案对江苏省大雾过程的模拟影响。采用平均绝对误差(MAR)、均方根误差(RMSE)、皮尔逊相关系数(r)及中国气象局颁布的雾区预报规定,评价得到不同条件的最优模拟方案。结果表明:(1)热力条件与水汽条件,模拟最优方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案组合。(2)动力条件,最优辐射参数化方案组合为CAM方案与FLG方案组合。(3)雾区的模拟,效果最好的方案为长波GFDL方案与短波RRTMG方案的组合。     

不同辐射传输方案对P-σ RCM9区域气候模式性能的影响

将NCAR CCM3辐射传输方案CRM(Column Radiation Model)引入到P-σRCM9区域气候模式中,并对两组辐射传输方案下P-σRCM9区域气候模式模拟的东亚冬、夏季气候特征差异进行对比分析,发现采用CRM辐射传输方案能够改善P-σRCM9区域气候模式对中国区域冬、夏季地面温度的模拟,且在夏季的改善比冬季更明显,还改善了P-σ RCM9区域气候模式对对流层高层(200～100 hPa)短波辐射加热率和长波辐射加热率的计算,然后改进了模式对200～300 hPa垂直平均经向温度梯度的模拟,进而使得模拟的冬、夏季东亚高空西风急流比采用KQ辐射传输方案的模拟结果更加接近NCEP/NCAR再分析资料.同时还发现,采用CRM辐射传输方案后,P-σRCM9气候模式模拟的中国地区冬、夏季的降水率在强度和分布形势上均比采用KQ辐射传输方案的模拟结果更接近观测,CRM辐射传输方案能够较明显地提高P-σRCM9气候模式对中国地区冬、夏季降水的模拟能力.     

SMS-WARMS V2.0模式预报效果检验

对新一代上海区域中尺度模式(SMS—WARMS V2.0)系统预报结果进行了统计检验,检验量包括降水、2 m温度场、10 m风速、500 hPa位势高度场和850 hPa温度场、风场和相对湿度。结果表明:新一代模式的预报性能得到明显改善,模式各量级降水的TS和ETS评分都有提高,说明模式对降水事件发生的捕捉能力进一步增强了。分析2 m温度场的均方根误差及预报准确率发现新版业务模式的2 n、温度场预报优于原业务模式。此外新业务模式的10 m风速预报的均方根误差的逐月和多月平均值都低于原业务模式。高空形势场检验结果显示,新业务模式埘500 hPa位势高度场和850 hPa温度场的预报都优于原业务模式,850 hPa风场预报相关系数高于原业务模式,850 hPa相对湿度提高不明显。个例分析表明,新版业务模式强降水预报产品相对于原业务模式产品埘大气预报更具参考价值。     

二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输方案在全球气候模式中的应用

本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四流上的推广。因此新方案在计算精度上要优于原方案。通过在全球气候模式中的应用与比较,本文发现新方案对气候模拟会产生比较大的影响。在晴空条件下,新方案计算的在南纬30°到60°区间、北大西洋东北部以及非洲北部的撒哈拉沙漠区域的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,最大差别可以达到3.5 W/m2;同时,新方案计算的在南纬30°到60°区间和北大西洋东北部的大气顶向上年平均短波辐射通量要大于原方案结果,最大差别达到3 W/m2。在有云大气情况下,新方案计算的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,并随着纬度的增加,新旧两种方案的差别逐渐变大,在南北极时达到最大5.5 W/m2;同时,新方案计算的在赤道区域的大气顶的年平均短波向上辐射通量要小于原方案结果,最大差别为2.5 W/m2,而在南北纬30°到60°区间,新方案计算的在大气顶的年平均短波向上辐射通量则要大于原方案结果,最大差别为1.5 W/m2。新方案计算的年平均短波加热率普遍高于原方案结果,特别是在800 hPa到地表之间的低层大气以及50 hPa到100 hPa的高层大气,最大差别可达0.03 K/d。因此,新方案有助于改善全球气候模式中普遍存在的赤道平流层中下层的温度冷偏差现象。     

两组辐射方案对中国短期天气过程影响的比较和探讨

为了比较长短波辐射方案对中国短期天气过程模拟的影响, 并进一步完善中尺度模式MM5中的辐射过程的参数化方案, 将WRF中Goddard短波辐射参数化方案移植到模式MM5中.利用移植的方案和MM5模式原有的参数化方案, 设计了两组试验方案.通过对2002年第16号台风个例和2002年12月19～24日北方降雪的个例模拟, 结果表明: 选用不同的辐射参数化方案对两个个例模拟结果具有较明显的影响, 较详细的长短波辐射参数化方案组合模拟的各种辐射量和云更加细致合理地反映地形、台风、副高和槽脊的结构和位置; 台风降     

地面对晴空大气热辐射结构的影响

本文利用1987年美国FIFE资料及1986年6月TIPMEX资料,并利用大气长、短波一维辐射传输数值模式,计算了晴空大气状态下地面辐射参数(地面热辐射温度、地表反照率等)对大气长波冷却率、短波加热率廓线的影响。结果表明,地球表面对大气边界层内的热辐射结构影响很大,特别是在高原地区这种影响尤其显著。     

ECMWF模式对东北半球气象要素场 预报能力的检验

利用ECMWF模式逐日分析场(0场)序列和7d预报场序列,使用气候学方法客观检验ECMWF模式对东北半球的预报能力,主要结果如下:1)模式对不同要素场的预报能力呈现出明显的季节性差异,夏季特别是7月预报能力最弱.2)总体来说,850 hPa温度场、500 hPa高度场与0场相关最好,850 hPa湿度场与0场相关最弱;随着预报时效的增加,预报能力总体减弱.3)大陆上温度场预报总体较0场偏高,而在赤道低纬地区偏低,模式对赤道附近温度场变率预报能力弱于中高纬地区,这一特征在其它要素预报中也有不同程度的体现.4) 500 hPa位势高度预报场与0场的差值表现出清楚的起源于里海并向东北传播经贝加尔湖、鄂霍次克海转向东南至日本东部海域的波列,这一现象在500 hPa风场差值图中也有清楚的表现.5)纬向风预报能力强于经向风,30°N附近存在纬向风与0场相关系数高值带.6)总体来说,模式对高层的预报能力优于低层,但模式对700 hPa风场的预报存在显著差异.     

辐射方案对GRAPES全球模式的影响

辐射过程是中期数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。本文针对GRAPES (Global/Regional Assimilation and PrEdiction System) 全球模式非静力半隐式半拉格朗日的特点, 进行了不同辐射方案的敏感性比较试验, 以期找到一个适合于GRAPES全球模式的辐射方案。用到的方案包括WRF模式中的RRTM长波辐射方案、 NASA的Goddard短波辐射方案以及ECMWF的长短波辐射方案。试验结果表明, ECMWF的辐射方案更适合于GRAPES模式, 30天平均的北半球500 hPa高度场距平相关系数较WRF的辐射方案提高了近2%。另外, 针对实际运行中存在的辐射计算不稳定问题, 对辐射方案进行了气压订正和温度订正, 并对2005年7月影响我国的海棠台风进行了模拟试验, 气压订正后的120小时模式预报在对副热带高压和台风的描述上更接近于分析, 可用预报时效也有了明显提高。     

云和辐射 （II）:环流模式中的云和云辐射参数化

这一部分论述了在环流模式中应用的各种云参数化和云辐射参数化方案。云参数化分为云的诊断和预报二大类，云辐射参数化则包活云光学性质的参数化和云整体辐射性质（反射率、透过率、吸收率和发射率）的参数化。     

数值模式中长波辐射参数化方案的对比试验

应用一个简化的长波辐射参数方案，与郭晓岚－钱永甫模式原有长波辐射参数化方案进行了对比，分析了它们对１００ｈＰａ，３００ｈＰａ，５００ｈＰａ，７００ｈＰａ及地面的高度场、温度场、流场及气压场模拟结果的影响，发现不仅两者结果相当一致，而且与实测结果也符合很好。     

CCM3/NCAR的辐射方案在IAP-AGCM模式中的应用

利用NCAR的CCM3 (The Community Climate Model version 3) 辐射模块, 对IAP9L－AGCM的辐射计算方案进行了替换, 并对改进的结果做了细致的评估。分析表明, 新版本的模式在大多数辐射场的空间平均和分布型的模拟上有了较为明显的改进, 特别是较好地克服了原模式中陆面净辐射场的偏差。在此基础上, 新版本计算的大气温度普遍升高。伴随这种变化, 模式中的海平面气压、 地表温度、 位势高度、 风场、 降水、 比湿等物理量都有了调整, 但是变化并不明显, 从而对模式的进一步发展和完善提出了新的要求。     

面向四维变分资料同化的NSAS积云深对流参数化方案的简化及线性化研究

GRAPES全球四维变分资料同化系统需要积云深对流参数化方案的线性化与伴随方案,直接采用原始复杂参数化方案进行线性化并不可行,需要发展简化光滑方案来减缓非线性与非连续性特征。GRAPES全球模式采用NSAS积云对流参数化方案,积云深对流对环境的反馈主要通过补偿下沉来实现,研究突出补偿下沉作用,忽略降水蒸发、动量反馈等贡献,形成简化方案。采用输入温、湿度廓线加入不同幅度小扰动方法,评估参数化方案计算的温度、比湿时间倾向对输入扰动的敏感性,检验非线性与非连续特征。提出避免或减缓非连续“开关”的方法,在简化方案的基础上发展了简化光滑方案。简化光滑方案与原始积云深对流方案相比,在对流触发上一致,在对流的位温与比湿倾向、降水的时序模拟等方面相似,而在减缓非线性、避免非连续性方面显著优于原始方案。基于简化光滑方案发展的线性化方案表明,对小于2倍分析增量幅度的扰动,线性化方案可以较好地模拟非线性方案的扰动发展。发展的简化光滑方案具有合理性和实用性。      

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究I·引入Fu-Liou短波辐射方案

冰云和水云对短波辐射性质(消光系数、单次散射反照率及不对称因子)的影响很不相同,应分别计算。Fu-Liou短波辐射方案(以下称Fu-Liou code)就是对冰云和水云分别采用了不同的参数化方案,云的短波辐射性质直接由云的物理性质来确定。因此,Fu-Liou code在云的处理方面物理意义更清晰且很合理。作者将Fu-Liou code引入IAP AGCM-II中,称为Version 2。对当代气候场的模拟结果表明,Version 2的各个物理过程是协调匹配的,且其对气候场的模拟性能是好的,从而为进一步改进IAP AGCM的短波辐射方案提供了很好的模式基础。     

GRAPES模式后处理技术改进应用研究

详细梳理了GRAEPS模式后处理系统的计算方案,进行了GRAPES模式后处理中海平面气压计算方案的改进,温度垂直插值方案的改进以及位势高度的垂直插值外插方案的改进等。假定温度廓线随地形高度变化并满足静力平衡条件,对海平面气压及位势高度外插进行改进,改进后海平面气压和低层等压面的位势高度场在青藏高原和南美洲西部等大地形处改进明显,均方根误差和距平相关系数改进较大并通过显著性检验。对温度垂直插值采用的原始插值层进行改进,使得高层等压面温度场的准确性进一步提高,统计检验评分在各区域都有不同程度的提高,尤其是热带地区和东亚地区高层温度场改善明显。这些都为模式产品用户提供了更可靠的数值模式产品。     

A statistical predicting scheme of the intensity of the sth over the western North Pacific

By performing error analysis of the information from the 48-hr forecasting charts of the 500-hPa fields by the B model over eastern Asia in the period of July to September 1982 and expansions of the height fields of westerlies and the subtropical zone by use of the Chebyshev polynomial and EOF, respectively, a scheme is developed for predicting the synchronous STH coefficient (i. e. time coefficient) in terms of the Chebyshev one, thus making possible statistical forecasting of the 500-hPa subtropical field within 48 hr. Tests with independent samples indicate that, to a certain extent, this scheme can be used in operational prediction as a reference.     

应用于双向套网格模式的一种变格距差分解法

本文提出了一种用于双向套网格模式的变格距差分计算方案。该方案在不同格距的网格区采用不同精度的差分格式，它自然地连接粗细网格，避免了一般套网格方案在粗细网格相重合点上进行的重复计算。用解析法和数值试验证明了:它与其它一些变格距差分格式相比，对短波的穿透能力有明显改进，虚假的反射也较小。应用该方案建立了正压原始方程双向套网格模式，并采用空间分解和时间分解计算方法。这不仅使二维问题转化为二个一维问题，而且二维套网格也可简化为一维均匀网格和一维套网格两部分，从而使计算和程序简化。用理想场为初值所做的一系列数值试验表明，该模式中的波可以自由进出粗细网格区，计算稳定。最后，还用该模式做了台风路径预报试验，给出了一些试验结果。     

Impacts of Shallow Convection Processes on a Simulated Boreal Summer Climatology in a Global Atmospheric Model

This study investigates the impacts of shallow convection schemes on a simulated seasonal climatology in the Global and Regional Integrated Model system (GRIMs). The eddy-diffusivity scheme of Tiedtke (TDK) is evaluated, focusing on the dependency upon deep convection schemes. Drying and warming near the top of the planetary boundary layer (PBL) and opposing effects above are observed. The height of PBL is reduced due to the increase of thermal stability near the PBL top. The weakened PBL turbulence is partly compensated with the increased downward solar radiation due to the reduction of low clouds. These effects are pronounced over the oceans, which leads to the modulation of tropical precipitation. It is found that the original TDK scheme shows similar behavior regardless of the choice of deep convection schemes. A revised TDK scheme that explicitly couples the PBL and shallow convection processes is proposed and evaluated. The proposed scheme generally improves the simulated climatology over the results with the original TDK scheme, along with further improvement in the case of the revised deep convection scheme. Our results indicate that the role of the shallow convection scheme needs to be carefully examined to improve the performance of atmospheric models, with a focus on modulated PBL and deep convection processes.     

考虑植被效应的二维地气模式及其对半干旱区域气候的模拟

在土壤-植被-大气统一体内，根据能量平衡、水分平衡、大气辐射传输和热传导方程，建立了一个考虑植被作用的二维地气系统动力模式。模式描述了热量和水分随高度和纬度的变化，并针对陕北地理与气候特征，模拟了该地区的气候平均场，为半干旱地区的沙漠化研究提供了模拟方案和初步计算结果。     

基于最小二乘支持向量机的副热带高压预测模型

采用EOF时空分解、小波频牢分解和最小二乘支持向量机（LS-SVM）交叉互补方法,建立夏季500 hPa位势高度场的预测模型,用以描绘和表述副热带高压形势场的形态和变化。首先用经验正交函数分解（EOF）方法将NCEP/NCAR再分析资料500 hPa位势高度场序列分解为彼此正交的特征向量及其对应时间系数,随后提取前15个主要特征向龟的时间系数（方差贡献96.2%）,采用小波分解方法将其分解为相对简单的带通信号,再利用LS-SVM方法建立各分量信号的预测模型,最后通过小波时频分量重构和EOF时空重构,得到500hPa位势高度场的预测结果以及副热带高压形势场的预测。通过对预测模型的试验情况和分析对比,结果表明:基于上述思想提出的算法模型能较为准确地描述500 hPa位势高度场的形态分布并预测1~7 d的副热带高压活动,对10~15 d的副热带高压活动预测结果也有参考意义。