基于WRF-LES的干旱湖区近地面风场模拟与敏感性研究

基于6层嵌套的WRF-ARW模式,在新疆博斯腾湖某湖岸地区进行了实际大气条件下的LES近地面风场数值模拟,并依据该地观探测资料开展了模拟结果的比对分析。为了探讨该地陆面特征对模拟结果的影响,分别针对地形分辨率、土壤湿度和地表粗糙度开展了敏感性试验。研究结果表明,在所关注的小尺度研究区域内,WRF-LES通过对大气边界层内大尺度湍涡的直接解析,相比于中尺度模拟,模拟结果更能体现出近地层风场的高度起伏性,进而提高数值模拟的真实性和准确性。为达到预期应用效果,WRF-LES需要与之相匹配的高分辨率的地形数据,此外土壤湿度数据会通过改变地表热通量分配来影响日间大尺度湍涡的发展,进而影响近地面风场模拟结果,而地表粗糙度对WRF-LES近地面风速模拟的影响则较为复杂。     

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。     

利用大涡模式模拟黄土高原地区对流边界层特征

边界层湍流所引起各物理量的垂直输送在大气过程中起着重要作用。研究对流边界层特征对分析污染物扩散条件,认识陆气间物质、能量的输送交换机制和提高数值模式模拟能力具有重要意义。受限于目前许多地区通量观测站较少、资料时空分辨率较低,为了研究黄土高原地区大气边界层结构及其特征,将中尺度气象模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model)与大涡模式WRF Large-Eddy Simulation(WRF-LES)嵌套使用,分析了黄土高原夏季温湿廓线情形下,由热力驱动的边界层结构特征。结果表明:(1)WRF-LES模拟的地面风温场能较好地显示边界层典型湍流结构,其他气象要素的模拟结果也比较符合边界层实际。(2)混合层顶所在的1000 m高度处垂直湍流强度最大,强夹卷作用导致湍涡尺度减小且涡旋数量增多。(3)在模拟区选定的参数化方案下,采用夏季实际粗糙度0.062 m替换模式默认值0.1 m,发现使用实际粗糙度的模拟温度较之前低0.4 K,与模拟区中心处的观测数据更接近,说明采用合理的粗糙度对提高WRF-LES模拟效果有重要作用。     

复杂地形风场的精细数值模拟

风能是一种重要气候资源,随着我国风电规模的迅速增大,发展风能资源评估系统和风功率预测系统已成为一项重要的研究内容。国内外对复杂地形风场结构的数值模拟有大量研究,随着计算机能力增强,以往用于空气动力学精细流场计算的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模式越来越多地在气象领域得到应用,人们开始研究用中尺度预报模式和CFD模式结合进行复杂地形风场的数值模拟。本文的耦合模式系统采用中尺度气象模式(WRF),通过嵌套网格到内层尺度(一般是几公里),然后通过耦合CFD模式Fluent软件获得高分辨率(水平30~100 m,垂直150 m高度以下10 m)的风速分布资料,得到精细化的风场信息。通过对鄱阳湖北部区域和云南杨梅山复杂地形的风场模拟,提供了风能评估和预报的一种可行的方法。     

基于WRF-CALMET的精细化方法在大风预报上的应用研究

针对当前风场预报普遍精细程度偏低,动力降尺度改善风场预报应用偏少的问题,利用CALMET模式的动力诊断模块,结合高分辨率的地形资料对WRF模式输出的风场预报数据进行了动力降尺度处理,进而提高风场的精细化预报。其方法充分借助地形动力学效应,使大尺度的近地层风场经过坡度流与阻碍效应等修正后得到更精细的风场且体现出与局地地形相符的特征。试验部分以广东省为研究区域,并选取个例用观测资料与陆地同化系统资料对模拟结果进行对比检验,结果表明动力降尺度之后的风场较之前更为精细且含有更多与地形相关的信息;与观测资料对比的总体相关性较好,误差也更小,与陆地同化系统资料对比变化趋势基本一致,且误差不大,这表明WRF-CALMET方法不仅能有效地提高风场预报数据的时空分辨率而且其结果更趋近于真实,对风场的精确预报具有重要的参考价值。     

一次强飑线边界层气象要素模拟分析

使用WRF中尺度数值模式,分别选用两种不同边界层参数化方案（MYJ,YSU）,对2006—06—25洛阳地区一次强飑线边界层结构进行模拟,对比分析近地面层风场、温度场以及边界层日变化特征,结果发现：WRF模式基本模拟出了强飑线过程边界层变化特征;在边界层方案中,MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理。这表明,用WRF模式能较好地模拟预报飑线的边界层气象要素特征。     

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。     

中尺度数值模拟中的边界层多尺度湍流参数化方案

该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。     

尺度自适应大气边界层参数化改进及其对一次海雾的数值模拟研究

大气边界层湍流运动是地球大气运动最重要的能量输送过程之一。当数值模式分辨率接近活跃含能湍涡长度尺度时，湍流运动被部分解析，被称为“灰色区域”，传统的边界层方案不适合此时模式湍流问题的描述。为了提高模式边界层方案在包括“灰色区域”的不同网格尺度上的描述能力，适应不同分辨率模式的需要，在雷诺平均湍流理论基础上，修正Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino (MYNN)方案湍流长度尺度参数和非局地湍流的参数表达，改进湿度和温度在“灰色区域”的湍流输送参数化及对网格尺度的自适应能力。利用改进的MYNN尺度自适应方案，分别采用3 km和1 km、1.5 km和0.5 km分辨率单向嵌套网格WRF中尺度模式，对2014年2月26日的一次黄海海雾过程进行模拟试验，检验不同分辨率下改进后的MYNN大气边界层参数化方案的合理性和对海雾的模拟效果。尺度自适应MYNN大气边界层参数化方案在千米级网格尺度上获得稳定、合理的湍流垂直输送计算结果。参照雾区卫星云图，不同分辨率模式低层云水混合比模拟结果具有稳定表现，模拟的雾区分布和温度、湿度等物理量结构都较好地再现了再分析“观测事实”，初步表明该参数化方案有较高的网格尺度自适应能力。      

典型复杂地形风能预报的精细化研究

选取江苏和内蒙古分别作为中国沿海滩涂与内陆复杂高原山地的典型地形代表,通过中尺度模式WRF V3.3.1两种不同边界层参数化方案(YSU/MRF)的对比检验,选择WRF/Noah/YSU作为典型地形的风场预报系统,并利用该预报系统对2010年研究区域分别进行了1 km水平分辨率、10 min时间分辨率的48 h风场滚动预报,进一步通过功率谱检验、风向风速玫瑰图检验、季节变化检验,以及日变化检验表明,WRF/Noah/YSU的风场预报方案能够较准确地预报出测风塔的风场特征和风场的能量频谱分布,风场的日变化与季节变化的预报特征基本与测风塔观测结果一致。预报系统对春、秋季的预报效果优于夏季,日变化的预报效果因地形而异,无统一变化规律。     

利用WRF对兰州冬季大气边界层的数值模拟

本文介绍了WRF中尺度模式的有关概况,分析了模式的物理结构,并利用WRF中尺度模式对河谷城市兰州冬季大气边界层的风场和温度场进行了数值模拟研究。模拟结果与观测事实基本一致,表明WRF模式具有良好的稳定性能。     

青岛奥帆赛高分辨率数值模式系统研制与应用

该文初步建立了青岛奥帆赛高分辨率数值模式系统（包括预报模式和释用模式）。预报模式基于Weather Research & Forecast（WRF）模式V3.0,模式设计为网格数60×50×38,水平分辨率500 m。在IBM小型机上用8个线程作15 h预报所需机时约为1 h 20 min,可满足实时业务预报需要。利用高分辨率边界层模式和城市小区尺度模式对该预报结果进行了动力释用（水平分辨率分别为100 m和10 m）。该模式系统于2008年夏季进行了实时运行试验,模式产品在北京奥运气象服务中心青岛分中心使用。结果表明:该模式系统有较强的稳定性和实用性,对城市热岛、海陆风、地形及建筑物影响等局地环流特征有较好的模拟效果。数值试验分析表明:城市化引起城市热岛效应,增大了海陆温差,使海风加强;城市建筑物拖曳作用使风速减小,从而使海风推进速度减缓;精细下垫面资料的引入对海风等局地环流高分辨率数值模拟至关重要。     

利用尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对一次陆地浓雾的数值模拟

为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。     

琼州海峡大风数值模拟及地形敏感性试验

使用WRF3.1模式对2008年12月4日、12月21日、2009年3月13日的三次冷空气造成的琼州海峡大风过程进行数值模拟和地形敏感性试验.模拟结果表明:水平格距4 km的模拟地面风场与实况接近,中尺度模式在大风的起风时间、持续时间、风速大小等方面有较强的预报能力,并能反映冷空气偏东路径与偏西路径过程中琼州海峡大风的...     

WRF模式中边界层参数化方案在藏东南复杂下垫面适用性研究

藏东南地区是青藏高原山地复杂下垫面的典型代表,其边界层大气过程异常复杂,给数值模拟和预报带来较大困难。大气边界层参数化方案的选取关系到能否正确模拟和预报局地大气过程。本研究采用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对藏东南林芝地区对流和稳定边界层大气过程进行模拟,与2013年夏季"藏东南地区复杂下垫面地气交换观测实验"资料对比,研究ACM2,Boulac,M YJ,QNSE和YSU5种边界层参数化方案在青藏高原复杂下垫面的适用性。结果表明:对于水汽混合比垂直结构的模拟,Boulac和MYJ方案分别在模拟对流边界层和稳定边界层时能力最优。ACM 2方案最适宜藏东南复杂下垫面条件下的位温和风速垂直分布的模拟。各边界层参数化方案模拟对流边界层高度均较实际观测偏低,其中,QNSE方案模拟的边界层高度最接近观测。同一种边界层参数化方案对于夜间稳定边界层和正午对流边界层的模拟能力也不相同。该地区边界层风场受地形影响显著,风速较小,模拟的近地层风场较观测偏弱,MYJ和QNSE方案对近地层风场的模拟效果较好。     

不同分辨率对淮河流域连续暴雨过程影响的中尺度模拟试验

利用NCAR 和NOAA 发展的新一代中尺度模式WRF(Weather Research and Forecast),对2003年7 月上旬发生在我国淮河流域三个连续暴雨过程(7 月1—11 日)进行了数值模拟试验,研究的重点是了解不同水平分辨率(45、30、20 和10 km)对WRF 模拟结果的影响。模拟结果与观测的比较表明,WRF 模式能够合理地模拟不同时段的降水带以及平均环流形势的分布特征,对于区域平均等压面上的物理量也有较好的模拟性能。不同分辨率的模拟结果比较表明:不同分辨率对降水的模拟效果影响较大,提高模式水平分辨率有助于预报效果的改善,但高分辨率模拟的降水强度偏强,空报偏多;不同分辨率对环流形势的模拟效果影响不大,各个分辨率的低层风场误差都存在一个5～6 天的波动,并向模式的中高层传播,传播速度约为3 天。      

基于WRF模式的对流尺度边界层方案参数随机扰动方法研究

边界层参数化方案的准确性会影响模式对近地面变量和大气低层热动力结构的模拟,对雷暴等强对流天气的预报非常重要,但边界层方案内在的不确定性使得单一预报具有局限性。为了提高对流尺度数值模式中边界层方案的预报效果,基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式,应用随机参数扰动（SPP）方法对Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino（MYNN）边界层方案中重要的3个不确定参数进行扰动,探究了该方法对北京地区一次雷暴过程模拟的影响。同时考虑了对流尺度集合预报系统的特点,调整随机参数扰动方法的3个参量（去相关时间尺度、空间尺度和格点标准差）探究了对流尺度中对MYNN方案参数进行扰动的最优设置。结果显示:随机扰动MYNN边界层方案参数（SPPM）方法可以有效提高近地面变量和700 hPa以下低层变量的离散度,同时提高了短时强降水位置和强度的预报技巧。3个参量的试验说明,去相关时间尺度增大到12 h集合离散度有明显提高;格点标准差增大到0.20,预报技巧也略有提高;去相关空间尺度维持在默认值700 km较好,尺度过小（150 km）预报技巧明显降低。上述结果表明,在对流尺度中SPPM方法可以有效表达边界层参数化方案的不确定性,提高集合预报系统的预报技巧。      

暴雨中尺度模式的发展历程和研究进展

短期数值天气预报模式的发展,由于具备了对动力辐合、湿物理及边界层等过程和实际地形的刻画能力,在分辨率提高到几十公里尺度时,可以对暴雨进行数值预报。经过近50 a的发展,暴雨中尺度模式经历了静力平衡到非静力平衡、粗分辨率到高分辨率、简单物理过程到细致物理过程、云雨隐式预报到显式预报、简单初始化到复杂同化等的转变。本文从暴雨中尺度模式框架、物理过程和初始化方法三个方面,回顾了国内外主要暴雨中尺度模式的发展历程和重要进展,同时指出了未来模式可能的发展趋势并给予了分析讨论。     

美国ARW模式系统简介

1概述1997年美国国家大气研究中心(NCAR)中小尺度气象处(MMM)、国家环境预报中心(NCEP)的环境模拟中心(EMC)、预报系统试验室的预报研究处(FRD)和俄克拉荷马大学的风暴分析预报中心(CAPS)四部门联合发起新一代高分辨率中尺度天气研究预报模式WRF(Weather Research Forecast)开发计划,拟重点解决分辨率为1～10Km、时效为60h以内的有限区域天气预报和模拟问题。该计划由美国国家自然科学基金会(NSF)和美国国家海洋和大气管理局(NOAA)共同支持,1998年已形成共同开发的标准,2000年2月被确定为实现美国天气研究计划(USWRP)主要目…     

"神舟六号"飞船着陆时段主着陆场区风场的数值模拟

本文通过分析"神舟六号"飞船着陆时期WRF模式对主着陆场区的风场及其影响系统的模拟结果, 发现WRF模式对主着陆场区的地面风速、风向的预报,WRF模式输出的850 hPa 模拟风场对100 m高度以下浅层风的最大风速及其风向的预报,结果均比较理想;WRF模式输出的300 hPa 高度风速、风向的模拟结果和急流轴的强度、位置模拟结果,与高空7～12 km最大风速及其风向的相关性较好,可作为预报指标;模式对风场的主要影响系统东北低压加深东移和蒙古高压的演变模拟基本准确.本模式能够作为未来客观预报主着陆场区地面和高空风场一种新的技术手段和工具.