"987”突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟

1998年7月20～23日(简称"987”),发生在鄂东和鄂西南地区的突发性特大暴雨过程在长江流域是罕见的.该过程与500hPa短波槽和700hPa低涡切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统密切相关.对该过程采用非静力MM5的二重网格双向嵌套进行了全物理过程的数值模拟,其中,可分辨尺度降水采用Reisner混合相微物理显式方案,次网格尺度降水采用Grell积云参数化方案.双向嵌套的细网格模拟结果揭示,武汉周边地区的特大暴雨与700hPa上一个β中尺度低涡的生成和强烈发展直接关联.该低涡具有明显的动力-热力结构特征:特强上升运动与饱和气柱互耦,超强散度柱与强涡柱耦合发展,湿静力不稳定与湿对称不稳定共存,深对流湿气柱内云团发展的微物理场结构比较典型.细网格域内前36h的降水分布和雨强与观测的大体相应,扩展域细网格的降水模拟明显改进了原细网格的模拟,特别是雨带.这一结果还表明,对持续时间较长的大暴雨,大尺度过程对中尺度系统的影响是重要的.     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

区域和全球模式的嵌套技术 及其长期积分试验

将区域模式嵌入澳大利亚CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）的全球模式中,并将其应用于区域模式的长期气候积分试验。模拟结果表明,当区域与全球模式嵌套时,边界吸收问题十分重要,由区域模式得到的高分辨率大尺度环流形式在边界上必须与全球模式提供的强迫一致,同时区域模式必须给出基于模式内部物理过程产生的高分辨信息。因此,在嵌套过程中,必须仔细考虑缓冲区的设置,使大尺度强迫与中尺度特征充分混合,既保持区域模式内外的一致性,又使区域内部中尺度强迫物理过程得到充分发展。将区域模式与澳大利亚CSIRO的9层21波三角形截断谱模式嵌套后,完成了连续3年的区域气候模式积分。模拟结果表明,由于区域模式较好地刻划了区域尺度的地形、下垫面和海岸线分布等的细节特征,模拟的区域气候特征比全球模式有较大的改进,尤其是对季风降水的模拟,区域模式明显改进了全球模式的模拟结果。     

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。      

台风路径预报套网格模式的试验

为了提高差分模式的分辨率,以改进台风路径预报。本文提出了原始方程模式的两种嵌套网格方案。试验表明,所提异模式嵌套网格交界域变量的衔接、协调处理是有效的;以轴对称正态分布模拟台风环流对于合风路径数值预报是适宜的。个例计算及1980年试用结果表明,套网格方案对路径预报有不同程度改进。     

热带气旋海棠(2005)强度数值模拟试验

通过设计台风追随自移动嵌套网格、考虑海洋飞沫作用改进MRF边界层参数化方案、设计垂直-倾斜对流参数化方案等对MM5 V3.7中尺度模式进行改进,以NCEP逐日再分析资料为初始场,对2005年第5号热带气旋"海棠"进行了数值模拟试验。结果表明:通过设计自移动嵌套网格解决了热带气旋业务数值预报模式中细网格区域大小和位置难于确定问题,通过提高模式分辨率能大幅增强数值模式对热带气旋强度的预报能力;考虑海洋飞沫作用后,热带气旋范围内低层热通量明显增强,从而使模式大气低层增温和增湿明显,有利热带气旋内对流发生发展;考虑倾斜对流不稳定作用后,使倾斜对流有效位能得到释放,进一步提高了模式对热带气旋内部物理过程的描述能力。通过改进MM5模式,有效提高了热带气旋强度的数值模拟能力。     

98.7湖北特大暴雨的天气分析与降水模拟

1998年7月20～23日，湖北省南部发生了一次持续性特大暴雨过程，采用双向嵌套的非静力中尺度数值模式(MM5)对这次强暴雨过程进行初步模拟试验。结果表明，粗、细网格均能较好地模拟出雨带的走向和变动以及武汉地区的暴雨中心，尤其是嵌套域(细网格)模拟的降水强度比粗网格有明显改进，和实际观测结果更接近；另外，对引发这次特大暴雨的对流层低层的中尺度系统也能够很好地模拟出来。     

1981年7月四川特大暴雨的数值预报和中尺度系统的分离

本文利用复杂地形条件下嵌套网格预报模式和欧洲中心(ECMWF)2.5°×2.5°的全球网格点资料,对“81.7”四川大暴雨进行了单向影响粗细网格嵌套48小时的个例预报试验;并根据滤波原理,利用最佳高通滤波器,将风场、位势高度场和温度场进行了中尺度分离。结果表明:本模式较好地预报了造成这次暴雨的中尺度系统发生、发展的过程;并对动力和热力影响作了一些粗浅的分析,本模式较好地描述了暴雨天气,细网格预报在某些方面有进一步改进。该尺度分离方法也能在扰动发展的早期阶段就能从大尺度背景场中将西南涡等中尺度系统清晰地分离出来,使我们能对影响这次暴雨的中尺度系统有进一步的认识。     

模式水平分辨率影响积云对流参数化效果的数值试验

利用一个有限区域嵌套细网格数据预模式，设计了３种不同分辨率的模式网格，通过对一次降水过程的预报，检验了模式水平分辨率对积云对流参数化效果的影响。结果表明：模水平分辨率的变化将直接影响积云对流参数化的效果，从而影响降水场和形势场。     

一个三重嵌套的中尺度模式及暴雨模拟试验

该文介绍了新近发展的一个高分辨率有限区模式(HLAM)。它是通过三重嵌套在现有计算机(CYBER-992)条件下实现的，其范围、地理位置及侧边界宽度均设计为灵活可变，尤其水平分辨率可按任意倍数提高。利用水平分辨率为50km左右的模式版本进行了实际资料的降水个例实验。结果是令人鼓舞的:(1)与嵌套的低分辨率(格距增大4倍)模式预报比较，不论低压中心位置、强降水落区、雨带走向及降水中心位置的预报都更接近实况;(2)高分辨率模式积分区域虽然缩小，但并未影响预报效果，其48小时预报仍有较高精度。初步试验表明，进一步完善和改进后的HLAM完全可以发展为一个用于中尺度研究及业务使用的高分辨率区域模式。     

中尺度数值模式的自适应网格设计

引进了自适应网格设计的方法。自适应网要生成行技术基础变分原理,所生成的网格具有光滑性、一定程度的正交性和机调节网格疏密程度的优点,这种新技术可任意加密局地网格,从而达到以较小的计算量获得较高的计算精度的目的。将自适应网格技术应用于ＭＭ４中,并用来模拟１９２年６月１４日这次大范围暴雨过程。结果表明,采用自适应网格后计算稳定,２４ｈ降水预报得到明显改善。     

卫星遥感地表植被及其在华南暴雨中尺度数值模拟中的应用试验

将我国植被资料和NCAR资料分别用于非静力平衡中尺度模式MM5, 对1998年5月23~24日华南暴雨进行数值模拟试验, 比较其对降水量和动力热力场预报的影响, 结果表明, 当网格格距为45 km时, 二者差别很小, 当网格格距减小到5~15 km, 预报降水量最大值增加了12%~14%, 更接近观测值, 同时对低层大气热力动力结构也有一定影响。     

An experimental simulation of a coastal fog-stratus case using COAMPS(tm) model

This paper presents an experimental simulation of a summer season marine fog-stratus case along the west coast of California using the US Navy COAMPS(tm) model. The purpose is to show the potential usefulness of mesoscale models in forecasting this type of marine boundary weather phenomenon. The role of data assimilation and the impacts of solar radiation, microphysics, and vertical resolution in improving the forecasts are examined. The model capability in forecasting the burn-off process over the San Francisco Bay area is also tested with very high horizontal resolution (2-km grid size) using the model's one-way nesting technique. The model demonstrates promising capacity in this case to replicate the temporal and spatial cloud coverage over the San Francisco Bay and surrounding area, shown in satellite imagery, despite a 2-h lag to complete clearing over the bay. This study also suggests that a better microphysics parameterization and proper representation of microphysics in the solar radiation scheme are both important for COAMPS(tm) to produce more realistic simulations and to improve the burn-off forecast.     

珠江三角洲降水数值预报的初步试验

以广州区域气象中心的实时资料库和大气所的细网格降水数值预报模式为基础,在VAX6220机上建立了珠江三角洲中尺度准业务降水数值预报系统,并从1990年5月20日至6月10日进行了连续22天的试验,对结果的分析表明,系统能稳定及时地提供12小时和24小时的预报产品,对短期降水预报具有一定参考价值。      

High-resolution Simulation of an Extreme Heavy Rainfall Event in Shanghai Using the Weather Research and Forecasting Model: Sensitivity to Planetary Boundary Layer Parameterization

In this study,an extreme rainfall event that occurred on 25 May 2018 over Shanghai and its nearby area was simulated using the Weather Research and Forecasting model,with a focus on the effects of planetary boundary layer(PBL)physics using double nesting with large grid ratios(15:1 and 9:1).The sensitivity of the precipitation forecast was examined through three PBL schemes:the Yonsei University Scheme,the Mellor?Yamada?Nakanishi Niino Level 2.5(MYNN)scheme,and the Mellor?Yamada?Janjic scheme.The PBL effects on boundary layer structures,convective thermodynamic and large-scale forcings were investigated to explain the model differences in extreme rainfall distributions and hourly variations.The results indicated that in single coarser grids(15 km and 9 km),the extreme rainfall amount was largely underestimated with all three PBL schemes.In the inner 1-km grid,the underestimated intensity was improved;however,using the MYNN scheme for the 1-km grid domain with explicitly resolved convection and nested within the 9-km grid using the Kain?Fritsch cumulus scheme,significant advantages over the other PBL schemes are revealed in predicting the extreme rainfall distribution and the time of primary peak rainfall.MYNN,with the weakest vertical mixing,produced the shallowest and most humid inversion layer with the lowest lifting condensation level,but stronger wind fields and upward motions from the top of the boundary layer to upper levels.These factors all facilitate the development of deep convection and moisture transport for intense precipitation,and result in its most realistic prediction of the primary rainfall peak.     

金沙江中下游面雨量分布特征及预报检验

基于2019年4～10月金沙江中下游逐日面雨量实况资料、西南区域数值天气预报业务模式(SWC-WARMS)和中央气象台智能网格预报模式(NWGD)0～24小时降水预报对金沙江中下游月累计面雨量、日面雨量的月极值分布、暴雨频次分布特征进行分析并做了检验评估。结果表明:(1)金沙江中下游月累计面雨量主要集中在6～9月,强降雨天气也主要出现在6～9月。(2)2019年4～10月期间总共出现暴雨次数22次,出现暴雨次数最多的区域是A区,D区没有出现暴雨。(3)西南区域模式对于C区、D区、E区月累计面雨量的预报以及对于A区和C区小雨和中雨的预报优于中央气象台预报模式。(4)平均绝对误差(Ea)、模糊评分(Mp)和TS评分(Tsk)结果显示中央台智能网格预报模式上优于西南区域预报模式。      

一次强降水过程中尺度系统发生发展动力机制的诊断分析

利用1°×1°经纬度NCEP/NCAR再分析资料、地面1h观测降水资料和TRMM卫星产品资料,分析了2009年6月8~9日引发贵州南部的强降水天气过程的中尺度对流系统活动,并进一步研究了大气正压非平衡强迫、湿斜压热动力耦合强迫在强降水天气发生发展与维持过程中的作用。结果表明:8~9日贵州南部的强降水主要是由中尺度系统的发生发展引起的。南海季风不仅给贵州南部强降水区带来充足的水汽,同时也带来足够的能量。正压非平衡强迫在降水的开始阶段与降水落区有较好的对应关系,是强降水的启动机制。斜压热动力耦合强迫在降水的维持阶段,特别是当大气层结转为弱湿中性时,其分布和强度与中尺度对流系统和降水的强度与落区有较好的对应关系,可能是强降水的维持机制。      

Four-dimensional variational data assimilation experiments for a heavy rain case during the 2002 IOP in China

A heavy rainfall event along the mei-yu front during 22-23 June 2002 was chosen for this study. To assess the impact of the routine and additional IOP (intensive observation period) radiosonde observations on the mesoscale heavy rainfall forecast, a series of four-dimensional variational (4DVAR) data assimilation and model simulation experiments was conducted using nonhydrostatic mesoscale model MM5 and the MM5 4DVAR system. The effects of the intensive observations in the different areas on the heavy rainfall forecast were also investigated. The results showed that improvement of the forecast skill for mesoscale heavy rainfall intensity was possible from the assimilation of the IOP radiosonde observations. However,the impact of the IOP observations on the forecast of the rainfall pattern was not significant. Initial conditions obtained through the 4DVAR experiments with a 12-h assimilation window were capable of improving the 24-h forecast. The simulated results after the assimilation showed that it would be best to perform the intensive radiosonde observations in the upstream of the rainfall area and in the moisture passageway area at the same time. Initial conditions created by the 4DVAR led to the low-level moisture convergence over the rainfall area, enhanced frontogenesis and upward motion within the mei-yu front,and intensified middle- and high-level unstable stratification in front of the mei-yu front. Consequently,the heavy rainfall forecast was improved.