“05·6”华南持续性暴雨的成因分析

由于高分辨模式中显式微物理过程的应用,有必要对显式预报的云水、雨水等水成物作初始场分析。加入水成物的初始条件不仅对模式整体预报能力有明显影响,而且由于动力场和热力场更加协调,可减少模式初始启动时间,提高模式短时预报能力。现有探测能力的提高、探测资料的丰富,促使水成物的分析方法有很大的发展。本文对现有的水成物分析的一些方法进行了介绍,并对应用于数值模式中的应用情况及要注意的问题作分析。     

NMC第二代中期数值预报系统误差的动力诊断

利用国家气象中心第二代中期数值预报模式计算了１月和７月的预报诊断量。计算结果表明,新一代模式在动力外强迫作用、辐射通量和对流参数化等物理过程方面的改进,使该模式的预报比第一代模式有了较大的改善,模式预报的系统误差明显减小。通过对角动量、热量和水汽的经向输送和收支平衡的分析,认为该模式在地形处理、陆面过程、云辐射和积云对流参数化等物理过程还有待进一步改进。     

Convection model for stratus cloud over a warm water surface

A numerical model is developed to simulate convective stratus cloud formation over the sea. The model is based on quasi-steady state moist plumes advecting over an area of increasing sea-surface temperature with the sea warmer than the air, but it is also a good approximation for non-steady states whenever the model is matched to air-sea temperature differences. Combining the effects of upward transfer of heat and moisture fluxes as well as adiabatic cooling, stratus cloud forms and spreads downward in this field. The depth of the convective field, the sea surface temperature gradient, the liquid water content at cloud top, and the horizontal pressure gradient are the four controlling parameters for the convective field. Alternatively, the wind speed, air-sea temperature difference, and the mixing ratio of the air, derived variables in this treatment, can be taken, with the depth, as the basic parameters.The entity type of convective model used here has the advantage that it models the transport and modification of air parcels and hence provides a method for studying drop size development in stratus clouds. It also uses relationships derived from water tank experiments with plumes and tested in dry convection and so needs no parameters specific to each situation. Its most important feature, however, is that the mean motion of plumes, rather than turbulent diffusion, transports the moisture.The upward growth and erosion of a temperature step increase to produce an inversion can be attributed to liquid water present in haze drops or cloud drops, rather than to turbulent diffusion. Radiative transfer is not a necessary requirement, but may either enhance or slow down the process.     

中尺度大气数值模式发展现状和应用前景

对国内外当前一些先进的中尺度大气数值模式的发展现状,应用前景及发展趋势作了概要综述。其内容包括：模式动力学的改进,叫就度模拟系统特征,区域谱模 发展积云参数化和显式云物理方案,行星边界层参数化,大气辐射参数、四维资料同化,区域实时数值天气预报,中尺度数值天气预报应用前景及新一代中尺度模式发展趋势。     

显式云物理方案的研究进展

回顾了近年来显式云物理方案的研究进展。显式云方案主要有体积水方法和详细微物理方法(分档法)。体积水方法有单参数和双参数两种谱描述方法,根据模式预报变量和物理过程的不同,可以分为暖云方案、简单冰相方案和复杂冰相方案。详细的微物理方法由于预报变量繁多、计算量巨大而一般多应用于研究工作。不同的模式,有不同的显式云方案,并不是粒子分类越复杂模拟效果就越好,需要根据研究的重点、计算资源的许可选择使用不同的物理方案。物理过程参数化需要建立在理论和实验研究的基础上,因此应加强这方面的理论和实验研究,使物理参数化具有更坚实的物理基础。     

有限区域卫星云图资料变分分析的试验研究

资料分析在数值预报中的重要性受到越来越多的关注，星目前常规探测网的时空局限性，利用分辨率较高的非常规资料势在必行。该文利用一个有限区域中尺度模式ＭＭ４，采用变分分析技术对有限区域的常规探空资料和非常规云图资料进行变分分析和数值模拟。     

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点.中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点.对流云模式都采用显式过程,但不同模式的湿过程有一定的差别,有各自的微物理特点,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析.     

THE IMPACT OF DIFFERENT PHYSICAL PROCESSES AND THEIR PARAMETERIZATIONS ON FORECAST OF A HEAVY RAINFALL IN SOUTH CHINA IN ANNUALLY FIRST RAINING SEASON

An ensemble prediction system based on the GRAPES model, using multi-physics, is used to discuss the influence of different physical processes in numerical models on forecast of heavy rainfall in South China in the annually first raining season(AFRS). Pattern, magnitude and area of precipitation, evolution of synoptic situation, as well as apparent heat source and apparent moisture sink between different ensemble members are comparatively analyzed. The choice of parameterization scheme for land-surface processes gives rise to the largest influence on the precipitation prediction. The influences of cumulus-convection and cloud-microphysics processes are mainly focused on heavy rainfall;the use of cumulus-convection parameterization tends to produce large-area and light rainfall. Change in parameterization schemes for land-surface and cumulus-convection processes both will cause prominent change in forecast of both dynamic and thermodynamic variables, while change in cloud-microphysics processes show primary impact on dynamic variables. Comparing simplified Arakawa-Schubert and Kain-Fritsch with Betts-Miller-Janjic schemes, SLAB with NOAH schemes, as well as both WRF single moment 6-class and NCEP 3-class with simplified explicit schemes of phase-mixed cloud and precipitation shows that the former predicts stronger low-level jets and high humidity concentration, more convective rainfall and local heavy rainfall, and have better performance in precipitation forecast. Appropriate parameterization schemes can reasonably describe the physical process related to heavy rainfall in South China in the AFRS, such as low-level convergence, latent heat release, vertical transport of heat and water vapor, thereby depicting the multi-scale interactions of low-level jet and meso-scale convective systems in heavy rainfall suitably, and improving the prediction of heavy rainfall in South China in the AFRS as a result.     

变分四维同化方法若干问题的数值试验

资料误差和模式误差都可能影响变分四维同化的结果,针对这一问题利用浅水方程模式进行了变分四维同化的数值模拟试验。试验分三种情况进行：（１）仅修正初始场,（２）仅修正模式;（３）二者同时修正。试验结果表明,当模式有误差时,传统的变分四维同化方法（仅修正初始场）可能将模式的误差混淆到初始场中去,尽管在同化期间可得到较好的拟合,但却不一定能保证同化后有好的预报。如果不修正初始场而修正模式,当模式误差不大时     

气候模式分辨率对气溶胶气候效应模拟结果的影响

气候模式分辨率作为影响模式模拟结果的重要因素,其对气溶胶与云相互作用的影响尚未全面认识。利用公共大气模型CAM5.3在3种分辨率（2°、1°、0.5°）下,分别采用2000年和1850年气溶胶排放情景进行试验,检验提高分辨率是否能改进气候模式的模拟能力,分析不同分辨率下气溶胶气候效应的异同,探索模式分辨率对气溶胶气候效应数值模拟结果的影响。通过观测资料与模式结果对比发现,提高分辨率可以明显改进模式对总云量、云短波辐射强迫的模拟能力,0.5°分辨率下模拟结果与观测更接近,其他变量并无明显改善。在不同分辨率下,全球平均的气溶胶气候效应较为一致,总云量、云水路径均增加,云短波和长波辐射强迫均加强,而云顶的云滴有效半径和降水均减小,地面气温降低。不同分辨率下,气溶胶增加引起的气溶胶光学厚度、云水路径、地面温度、云短波和长波辐射强迫变化的纬向平均分布相似但大小存在差异;而降水和云量变化的纬向分布与大小均存在较大差异,在区域尺度上还存在较大的不确定性。全球平均而言, 0.5°分辨率下气溶胶的间接辐射强迫相比1°分辨率下的结果降低了2.5%,相比2°分辨率下的结果降低了6.4%。提高模式分辨率可以部分改进模式模拟能力,同时,气溶胶的间接效应随着模式分辨率的提高而减弱。但气溶胶引起的云量、降水的变化在不同分辨率下差异较大,存在较大的不确定性。      

云水酸化数值模式计算

假定形成在硫酸、硫酸盐和硝酸盐核上的云滴,溶解酸、碱性气体在很短时间达到气—液平衡,进行了云水酸度的数值模式计算。计算结果表明,云水酸化不仅与云空气中酸、碱性气体和气溶胶粒子组分的初始浓度有关,而且还与云含水量有关。     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中, 显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程,特别是对云降水过程的模拟能力.详细介绍了这三套云降水方案的物理过程,以及与动力框架的耦合.     

地表非均匀性对区域平均水分通量参数化的影响

次网格尺度地表非均匀性对于网格区平均通量具有重要影响。若将网格区视为均一地表 ,并不能真实描述地 气通量交换过程 ,且可造成很大误差。文中从理论上证明 ,区域平均水分通量的变化率可分解为两部分 :第一部分为区域水分通量的算术平均变化率 ;第二部分为非均匀性所引起的水分通量变化率扰动 ,它与区域内土壤水分空间分布的变差系数有关。数值试验表明 ,地表土壤水分的水平空间变差系数集中反映了区域内土壤水分分布的非均匀程度 ,不同土壤对同样的非均匀程度其敏感性是不同的。变差系数愈大 ,非均匀性愈强 ,在相同的土壤水分平均值下 ,不同土壤类型对地表非均匀程度的敏感性并不相同。例如沙土和粘土受非均匀性的影响就可相差数十倍。     

不同显式方案模拟对流风暴的不确定性

利用MM5模式选取mixed phase、graupel(gsfc)、graupel(reisner2)和schultz 4种显式方案对理想的对流风暴进行水平分辨率为2 km的全显式数值模拟,分析不同显式方案模拟的对流风暴不确定性.结果表明:不同的显式方案模拟的对流风暴的最大垂直速度、水平结构和降水以及云物理量的演变都有很大的不确定性,说明要对实际降水进行全显式的数值预报可能需要对不同显式方案导致的预报结果的不确定性作出进一步的估计,集合预报中可能要考虑不同显式方案对预报结果不确定性的影响.     

台风"碧利斯"的结构与江西暴雨诊断分析

利用T213资料、自动气象站加密资料和常规观测资料等,研究分析了0604号台风“碧利斯“的环流背景、移动路径、内部结构和外围暴雨的分布特征,并将其与0505号台风“海棠“、0513号台风“泰利“、0414号台风“云娜“,进行了对比分析.研究结果表明,台风暴雨与台风环流场、热力场的不对称有关,并不一定总是集中在环流中心附近.无论是对称结构,还是非对称结构,降水中心都与强对流云带位置相对应.“碧利斯“先西北行后向西折的路径,主要是受强大稳定的副热带高压引导,并表现为明显的不对称结构,东侧、南侧的积云对流较为旺盛,降水主要集中在移动路径的第三象限;850 hPa台风环流场表现为南部环流强盛,南海季风为西南急流的稳定维持提供了充沛的水汽条件;局地地形激发深厚的上升运动,进而产生庐山和赣南南部山区的大暴雨天气;垂直运动、散度、涡度、水汽通量、假相当位温等各物理量场,均与外围暴雨区有较好的对应关系.     

用多普勒雷达反射率调整模式大气的云微物理变量

一种简单云分析方案, 用于由多普勒天气雷达反射率反演中尺度大气模式初值分析中的云微物理变量（云水混合比和雨水混合比）和空气湿度变量（比湿），使模式积分初始场反映出观测空间的云微物理特征以及哪些空间位置上的大气处于饱和状态。应用于2002年6月梅雨期安徽省马鞍山市一次降水过程的临近数值预报试验结果表明，模式预报的大气综合反射率与雷达观测的回波图像相近，由云微物理变量变化表示的模式云系演变与雷达观测的回波图像一致, 伴随模拟的中小尺度云系, 模式大气能很快调整出合理的中小尺度流场辐散、辐合结构；它们明显好于模式初始场不引入雷达反射率时的结果，即这种方法对改进临近数值天气预报准确率是有效的。     

多普勒雷达资料4DVAR同化反演的模拟研究

利用Sun等建立的同化模式和四维变分同化方法对多普勒雷达资料反演大气风场、热力场和微物理场进行了模拟试验研究.反演的基本思路是将4DVAR同化方法应用到三维云模式,定义价值函数表征雷达资料与模式预报结果之间的差别,通过极小化价值函数得到反演场,价值函数相对模式控制变量的梯度由伴随模式求取.试验结果表明,4DVAR同化技术能够从单(双)多普勒雷达资料反演大气三维风场、热力场和微物理场.各个变量反演精度高低与同化过程中变量受约束的大小程度呈正相关.速度场和雨水场反演精度较高,温度场、云水和水汽的反演精度次之,温度场的准确反演需要较长的同化时间.价值函数中加入背景场,哪怕是单点探空给出的平均场信息也有利于提高反演精度.在采用单部多普勒雷达资料进行反演时,速度场的反演误差较大.反演区相对雷达站的位置变化对速度场反演结果有一定的影响,而对其他变量的反演影响很小.两个时次的雷达观测资料基本足够提供反演所需的时间演变信息,同化更多时次的雷达资料,反演效果改进很小.雷达观测资料的缺值会显著降低同化效果,甚至可能导致同化失败,引入背景场可以改善这一状况.4DVAR同化技术对于雷达观测资料误差不太敏感.利用双多普勒雷达合成风场提供水平风场边界条件是比较准确可靠的.在反演主体离边界较远时,VAD风场也基本可用作水平风场边界条件.微物理场的反演对模式中的微物理参数化方案较敏感.     

一个简化的混合相云降水显式方案

该文提出一个新的混合相云降水显式方案,它预报2个云物理量,即云水（冷区为过冷云水）和降水（冷区为冰雪,暖区为雨）,考虑了7种云物理过程。文中给出了详细的方程组,可以作为一个子程序供大、中尺度天气模式使用。该方案还与详细微物理显式方案和暖云方案作了实例模拟比较。     

有云环境下MODIS亮温资料的变分同化Ⅰ——方案设计与理想试验

云对红外辐射传输过程有十分重要的影响,在资料同化过程中考虑云的作用,不仅可以改进大气参数的同化效果,还可以利用红外资料调整部分云参数,减小云参数的初始误差。在GRAPES-3DVAR（Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System,全球/区域同化预报系统）基础上,增加云水含量、云冰水含量和云量作为同化系统控制变量,针对晴空、部分有云和完全有云等环境对MODIS（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer,即中分辨成像光谱仪）的16个气象通道亮温进行了同化理想试验,结果表明当背景场模拟的亮温低于观测亮温时,分析场通过增温、减湿、减少云水含量、云冰水含量、云量可以达到升高模拟亮温的目的;反之可以降低模拟亮温;晴空环境下对温度、比湿的调整符合MODIS仪器的设计特点;有云环境下对云层以下的影响减弱。理想试验证实了在红外辐射资料同化过程中将云参数和大气参数同时作为同化系统控制变量,可以利用红外资料调整云参数和常规气象要素场,提高资料的利用率。     

气候模式-农业气象模式集成系统的小麦灌溉管理新途径

首次采用区域数值预报模式与农业气象模型结合的技术途径, 构成一个气候模式-土壤水分模式-灌溉模式的系统模型。模型的数值天气预报部分采用大气过程与陆面过程耦合的区域气候模式; 农业气象模型采用适用于冬小麦区的土壤水分和灌溉管理预报模型。研究表明, 本模型较农业气象模型中一般用气候平均作为环境背景场的方法其预测能力有显著提高, 并提供覆盖整个小麦生长期的区域土壤水分定量预报和灌溉管理服务, 具有很好的使用和推广前景。