云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

CWRF边界层参数化对东亚近海热带气旋模拟的影响评估

基于CWRF模式结果,探讨了6种边界层参数化方案对30 a东亚近海热带气旋的强度、频数及路径模拟的可能影响。结果发现：CWRF模式中各边界层参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,模拟强度相比观测也均偏弱。热带气旋的强度、频数及出现频次的空间分布对模式边界层方案的选取较为敏感。CAM3方案模拟强热带气旋的能力较其他方案偏好,ACM方案在多数年份模拟的热带气旋个数偏多,且在不同月份模拟的热带气旋生成频率与观测最接近,CAM3方案模拟的热带气旋出现频次与观测的偏差在大部分地区偏小。综合来看,CWRF模式中边界层参数化选用CAM3方案模拟热带气旋活动的性能较好。     

对流参数化影响热带气旋的模拟研究

利用GRAPES-TCM模式对2008年登陆我国的9个热带气旋(TC)进行了44次试验,分析了积云对流参数化方案Kain-Fritsch (KF)方案与Betts—Miller-Janjic(BMJ)方案对TC预报的影响.结果表明,KF方案预报TC的总体效果要好于BMJ方案,BMJ方案的优势主要体现在对强TC强度的预报.不同的对流参数化方案对TC路径的影响没有明显差异,但对TC强度和降水的影响与TC初始强度有关;不同的对流参数化方案预报的TC强度和降水强度各不相同,但不同方案预报TC强度的差异与TC降水强度的差异基本一致.采用不同的对流参数化方案预报TC强度和降水随着TC初始强度的不同而表现出不同的特点.     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统 (RUC) 中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍, 并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明, 总体预报效果以KF和GD方案较好, 具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度, 对流降水对总降水贡献, 在中低层流场高低值系统分布, 以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置, KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况, TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。      

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。     

MM5模式中不同对流参数化方案的数值模拟

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,不同参数化方案及分辨率对降水预报有很大影响。本文利用4种积云参数化方案(GR,KF,BM,AK)对辽东半岛一次大暴雨过程进行试验,结果表明,不同的参数化方案,对强降水落点及强度的模拟,结果差别较大。模拟较好的是GR方案,最差的是AK方案;4种积云对流参数化方案模拟的海平面气压场差别较大,其中GR方案模拟出造成2005年第5号台风暴雨的高低压系统和中尺度气旋;粗网格采用一定的积云对流参数化后,可在一定程度再现一些中尺度特征;4种方案由于闭合假设不同,模拟的云物理特征存在很大差别,这种差别对各种天气要素的准确预报会产生一定的影响。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统（RUC）中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍,并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明,总体预报效果以KF和GD方案较好,具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度,对流降水对总降水贡献,在中低层流场高低值系统分布,以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置,KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况,TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。     

基于肥尾效应的热带气旋迅速增强和路径突变研究

从KOWCH and EMANUEL（2015）的结论“热带气旋的快速增强过程并无特殊物理机制在起作用”出发,利用JTWC西北太平洋TC最佳路径数据集（best track）和3种不同积云对流参数化方案模拟的数据资料对西北太平洋上热带气旋的强度变化和路径偏折进行研究分析,进行重新验证,得出以下结论：①决定TC的迅速增强过程和非快速增强过程的物理机制是有差异的;②肥尾效应在TC路径突变中比TC在迅速增强中更明显;③不同对流参数化方案对TC的强度变化模拟不同,其中KFMT方案模拟效果最好,KF方案次之,SAS方案最差。但无论是KF、KFMT还是SAS方案,对TC强度迅速增强的模拟能力都很弱,在减弱阶段均能较好模拟;④ 3种方案对TC路径偏折的模拟都较好,两端皆有较明显的肥尾现象,表明TC的路径突变确实是有特殊物理机制在起作用。     

RIEMS中积云对流参数化方案对我国降水的影响

利用区域环境集成系统模式RIEMS选择Kuo-anthes(KA)和Grell(GCC)积云对流参数化方案,进行1991年5～8月敏感性试验,重点考察了区域环境集成系统模式中两种积云对流参数化方案对1991年江淮流域持续性暴雨的模拟能力.结果表明:1)对于200 hPa西风急流的位置和强度来说,采用GCC积云对流参数化方案较采用KA对流参数化方案,RIEMS模式模拟的结果更加接近观测;2)不管模式采用哪种参数化方案,RIEMS模式都能模拟出850 hPa上的水汽输送和流场,但模式模拟的水汽输送都比观测强;3)不管是采用GCC方案还是KA方案RIEMS模式基本上能够模拟出平均气温的空间分布,但对于长江以南地区,模式模拟的温度较观测偏低,对长江以北地区模式模拟的温度偏高.而采用GCC方案模式模拟的温度更加接近观测,并且对大部分地区温度偏差在-1.65～1.5℃;4)对于降水来说,采用GCC方案模式能够较好地模拟降水的空间分布特征以及雨带季节性移动,但模拟的雨带较观测的偏北,大约为1～2纬度.尽管GCC积云对流参数化方案在RIEMS模式中模拟中国地区降水更加接近观测,但由于积云对流参数化在不同水平分辨率下影响模式模拟的效果,因此对利用RIEMS模式进行数值模拟应考虑不同水平分辨下积云对流参数化方案的适用范围.     

积云参数化对0613号台风“珊珊”数值模拟的影响研究

使用W RF的ARW动力核心模拟台风"珊珊",以研究各种积云参数化方案对于台风路径,强度和降水分布等的影响。研究表明,环境场对积云参数化的选取不敏感,积云参数化对台风的强度和路径模拟有明显的影响,KF方案模拟的台风强度较强,增强过程明显,后期移速偏快。KF和BM J对降水的模拟较好,GD方案不够理想。     

CWRF对中国近海热带气旋活动季节和年际变化及环境场影响的模拟

利用欧洲中期天气预报中心的ERA-Interim再分析资料驱动CWRF模式对1982-2016年中国近海的热带气旋活动进行了模拟,分析了CWRF对热带气旋频数季节、年际变化和路径的模拟能力,并探讨了环境场模拟对热带气旋模拟的影响。结果表明:CWRF能够合理模拟热带气旋频数的季节和年际变化,但模拟的频数较观测总体偏低,季节变化模拟总体优于年际变化的模拟;模式基本上能模拟出热带气旋路径密度的空间分布,但CWRF明显总体低估了气旋路径密度。进一步分析发现,模式模拟的环境场对模拟结果具有十分重要的影响。850 hPa气旋性与反气旋性环流异常对热带气旋频数影响显著;200 hPa反气旋性环流异常与东亚西风急流对热带气旋路径影响较大;副高会影响洋面对流运动从而影响热带气旋频数,其南侧偏东风则会影响热带气旋路径;垂直风切变偏小,在不同纬度对热带气旋的影响是不同的。     

基于CWRF的中国近海热带气旋集合模拟及其对物理参数化方案的敏感性研究

为评估CWRF模式的降尺度能力和其热带气旋模拟对物理参数化方案的敏感性,本文利用ERI再分析资料驱动CWRF在30km网格上对1982-2016年中国近海热带气旋开展了一次集合模拟.结果表明:CWRF与ERI均能模拟出热带气旋的季节变化和年际变化形势且均存在低估,但相较ERI,CWRF的降尺度技术和集合模拟可以再现更多的热带气旋,显著减少低估.年际变化结果提升最为明显,它对积云方案最为敏感,其次是边界层,陆面和辐射方案,对云和微物理方案较弱.该研究为应用CWRF理解和预报热带气旋提供了参考.     

CWRF-based ensemble simulation of tropical cyclone activity near China and its sensitivity to the model physical parameterization schemes: 基于CWRF的中国近海热带气旋集合模拟及其对物理参数化方案的敏感性研究

To evaluate the downscaling ability with respect to tropical cyclones (TCs) near China and its sensitivity to the model physics representation, the authors performed a multi-physics ensemble simulation with the regional Climate–Weather Research and Forecasting (CWRF) model at a 30 km resolution driven by ERA-Interim reanalysis data. The ensemble consisted of 28 integrations during 1979–2016 with varying CWRF physics configurations. Both CWRF and ERA-Interim can generally capture the seasonal cycle and interannual variation of the TC number near China, but evidently underestimate them. The CWRF downscaling and its multi-physics ensemble can notably reduce the underestimation and significantly improve the simulation of the TC occurrences. The skill enhancement is especially large in terms of the interannual variation, which is most sensitive to the cumulus scheme, followed by the boundary layer, surface and radiation schemes, but weakly sensitive to the cloud and microphysics schemes. Generally, the Noah surface scheme, CAML(CAM radiation scheme as implemented by Liang together with the diagnostic cloud cover scheme of Xu and Randall(1996)) radiation scheme, prognostic cloud scheme, and Thompson microphysics scheme stand out for their better performance in simulating the interannual variation of TC number. However, the Emanuel cumulus and MYNN boundary layer schemes produce severe interannual biases. Our study provides a valuable reference for CWRF application to improve the understanding and prediction of TC activity.摘要为评估CWRF模式的降尺度能力和其热带气旋模拟对物理参数化方案的敏感性, 本文利用ERI再分析资料驱动CWRF在30km网格上对1982-2016年中国近海热带气旋开展了一次集合模拟.结果表明:CWRF与ERI均能模拟出热带气旋的季节变化和年际变化形势且均存在低估, 但相较ERI, CWRF的降尺度技术和集合模拟可以再现更多的热带气旋, 显著减少低估.年际变化结果提升最为明显, 它对积云方案最为敏感, 其次是边界层, 陆面和辐射方案, 对云和微物理方案较弱.该研究为应用CWRF理解和预报热带气旋提供了参考.     

GRAPES中尺度模式中Kain-Fritcsh方案的改进及应用试验

本文对GRAPES_Meso中Kain-Fritcsh eta积云参数化方案进行了三种改进:(1)将原触发机制中的温度扰动分解成由水汽决定的垂直向和水平向温度扰动(KF1方案),(2)在原温度扰动中直接增加一项由相对湿度计算的水汽平流项(KF2方案),(3)在KF1方案中增加用相对湿度计算的水汽平流项(KF3方案)。利用GFS预报场资料对上述改进方案进行模拟试验和批量回报试验,结果表明:“5·23”暴雨个例中,(1)改进方案均可以减少原方案模拟的部分虚假降水,KF1方案模拟降水范围较好,KF2方案模拟强降水中心较好,KF3方案同时具备二者优点。(2)三种改进方案对于强降水站点均存在模拟降水偏弱,KF1方案降水趋势与实况接近,但存在对流激发较快,后期降水略为不足,KF2方案则相反,KF3方案表现介于二者之间;KF2、KF3方案均会在对流激发最强和最弱时刻使其向有利方向调整。台风个例中,KF1方案模拟中心气压较好,KF2方案模拟台风路径较好,KF3方案则在两者上均有较好表现。TS评分检验表明KF1方案在各个降水量级上的评分都较低,KF2、KF3方案评分相对较高;误差检验(高度、风)时,KF1方案在中层误差较大,高、低层误差最小,其他两种方案表现则相反。      

WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验

为了研究微物理参数化方案对珠江三角洲(简称珠三角)降水模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,在3 km模式分辨率下,在微物理方案为WSM6方案条件下,选用KF、BMJ、GD以及G3等四种积云参数化方案对2010年5月14日广东珠三角地区的一次暴雨过程进行了模拟试验。结果显示,KF方案对于降水带和降水量的模拟与实况较为一致。在积云参数化方案为KF条件下,分别选用Kessler、Lin et al、WSM 3、WSM5、Ferrier(New eta)和WSM6等6种微物理方案再次对这次暴雨过程进行模拟试验,模拟结果的对比分析表明:选用Lin et al微物理方案时,模式较好地模拟出了强降水雨带的位置和降水强度;而其他5种参数方案的模拟效果均不好,降水量明显偏小,雨带位置偏差较大;同时对低空急流、K指数和上升速度等物理量分析可知,Lin et al方案能较好地模拟出降水实况。     

THE EFFECT OF MODEL HORIZONTAL RESOLUTION ON THE PRECIPITATION OF RAMMASUN

This paper investigates the effect of horizontal resolution on the precipitation of the super typhoon Rammasun (1409). The experiment uses WRF (V3.4) model with resolutions of 15 km, 9 km and 3 km. The results suggest that the simulated Rammasun rain band shapes and distributions at different horizontal resolutions are nearly the same. When the resolution is increased from 15 km to 9 km and then to 3 km, heavy precipitation is observed to spread in all directions from a concentrated distribution, especially when the resolution is increased from 9 km to 3 km. The 6h and 1h heavy precipitations also show a more significant comma-shape distribution. Moreover, the water vapor distribution shows the same characteristics as the heavy precipitation with a notably enhanced ascending movement and a decreased height of the strongest ascending movement. Of the three resolutions, the precipitation distribution simulated at 3 km resolution is the closest to the observed distribution; however, there is still a noticeable difference between the simulated precipitation and the actual observation. With the absence of the convection parameterization in the model, the precipitation distributions simulated at 9 km and 3 km resolutions demonstrate the same features as when the KF convection parameterization is applied. However, the simulated precipitations at these two resolutions are smaller than those obtained with the KF scheme. Meanwhile the difference between the simulated precipitations at these two resolutions is also smaller than that in the latter case. In general, when KF scheme is applied to the model, the simulation effect of Rammasun precipitation is better than that obtained without the convection parameterization scheme.     

基于CWRF模式夏季日降水量的订正技术对比

误差订正是提高模式模拟和预报性能的有效方法。基于CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)25套不同物理参数化方案的日降水量模拟资料, 对比仅进行降水日数订正(OCD)、仅进行降水量订正(OCM)和先订正降水日数再订正降水量(COR)三种订正方法, 先订正再等权重集成和先等权重集成再订正两种订正思路, 重点对1997—2015年华中和华南地区夏季日降水进行订正效果的对比。结果表明:(1)降水日的订正是必要的, 综合而言COR方法对CWRF模式日降水的订正效果更佳, 尤其是小量级降水, 但降水强度的表现不如OCM; (2)先集成后订正的效果更好; (3) CWRF模式不同参数化方案对日降水的模拟能力有显著差别, 经过订正后模拟能力均有所提升, 但对于不同的模拟方案, 其订正效果也不同。表明, 误差订正确实能有效提高模式模拟及预报性能, 但其效果存在不确定性。提高模式的预报性能, 关键还是提高模式对真实大气动力学的表述能力。      

CWRF模式极端降水模拟误差订正

基于1980—2015年6—8月CWRF模式（Climate-Weather Research and Forecasting model）14种方案的模拟结果和全国逐日降水观测资料,对比了Q-lin,Q-tri,RQ-lin,RQ-tri,SSP-lin和CDFt 6种误差订正方法对CWRF模式控制化方案（C1）模拟中国东部夏季日极端降水的订正效果,以CWRF模式14种方案日极端降水的模拟效果排名为基础,对比了模拟效果较好的4种方案集合、模拟较差的4种方案集合以及14种方案集合的订正效果,选出相对较好的订正方案进一步评估其成员集合后订正和成员分别订正后再集合的订正效果,结果表明:采用6种误差订正方法均可明显减少日极端降水模拟误差,其中RQ-lin方法订正效果最佳。CWRF模式对中国东部的极端降水指数均表现出较好的模拟能力,不同参数化集合方案得到14种方案成员先订正再集合与观测日极端降水平均值最为接近,研究结果对于改进模拟结果、提高其预测能力有重要应用价值。