CAM3模式海气湍流通量参数化的改进及其应用

通过对流性阵风参数化方法,在CAM3原有海气湍流通量参数化方案(CAM3方案)中引入边界层自由对流和降水深对流对海表湍流通量的贡献,改进了CAM3模式的海气湍流通量参数化方案(CAM3 ME方案).在此基础上,利用观测海温积分改进的CAM3模式,分析改进模式对冬(DJF)、夏季(JJA)大气环流异常的模拟性能.结果表明,采用改进的海气湍流通量参数化方案,模式对冬(DJF)、夏季(JJA)大气环流异常年际变化的模拟能力有了很大提高,尤其是冬季(DJF)北太平洋和北美大陆地区以及夏季(JJA)南半球海洋上空.     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义,湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一.选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统,离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA相似理论迭代方案B),并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析.在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下,根据边界层铁塔4层高度风速拟合,发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显.将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算.结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素,在不稳定条件下方案B低估了动量通量,方案A优于方案B,而在稳定条件下方案A低估了动量通量,方案B优于方案A,两种方案总体来看误差不大.对于大理边界层通量观测场农田植被交替的环境条件,不同季节下垫面植被类型的差异,以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显着影响.方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异,不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A.针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象,使用了Zeng等1998年提出的用辐射地表温度订正裸土下垫面感热能量方法后,计算结果也有明显改善.     

GAMIL模式海气湍流通量参数化方案的改进及其对大气环流年际变率模拟效果的影响

通过引人中尺度对流运动对海表湍流通量的贡献,改进了大气环流模式GAMIL1.0的海气湍流通量参数化方案.利用1979年1月至2000年12月的观测海温资料驱动GAMIL1.0模式,研究了海气湍流通量参数化改进对大气环流年际变化模拟效果的影响.结果表明:采用改进的海气湍流通量参数化方案,模拟的热带海表湍流热通量得到增强,...     

盘锦芦苇湿地近地面层湍流通量参数化方案研究

基于2005年盘锦芦苇湿地近地面层湍流通量和微气象梯度的连续观测,研究了芦苇湿地近地面层湍流通量参数化方案。结果表明,盘锦芦苇湿地近地面层经常维持弱稳定和弱不稳定层结。在不稳定层结(-0.4     

CAM3模式模拟厄尔尼诺事件对大气环流异常的影响

采用CAM3（Community Atmosphere Model Version3）模式中海气湍流通量参数化原方案和改进方案,利用观测海温驱动CAM3模式进行气候模拟,以分析模式对厄尔尼诺事件影响气候变化的模拟能力。结果表明,采用CAM3模式海气湍流通量参数化改进方案,模式能够更好地模拟出由厄尔尼诺事件引起的北太平洋和北美地区大气环流的变化,尤其是对厄尔尼诺年冬季阿留申低压强度和与PNA遥相关型有关的500hPa位势高度异常的模拟。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

六种近地层湍流动量输送系数计算方案对比分析

选取30多年来近地层湍流通量研究中具有代表性的六种参数化方案, 应用GAME/Tibet试验中那曲通量观测站的实测资料, 对比分析了各方案计算所得的湍流动量输送系数 (C_M) 之间的差异。结果表明:六种参数化方案计算得到的湍流动量输送系数之间存在较大差异。对于那曲观测站稀疏短草下垫面而言, 稳定条件下当理查孙数小于0.1时, 除Businger71方案存在显著低估以外, 其他各方案均能较好估算湍流动量输送系数; 不稳定条件下, Dyer74方案对湍流动量输送系数的估算效果最好, 其次为Wang02, Launiainen95和Louis82方案, Businger71方案误差较大。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

地表粗糙度非均匀性对模式湍流通量计算的影响

理论分析和数值试验结果表明,地表参量的不均匀性对网格区地表湍流通量的计算有重要影响。近中性大气层结条件下,次网格粗糙度长度的变差系数、网格平均粗糙度及参考高度的选取是影响网格湍流通量计算的主要因素,其中次网格粗糙度长度的变差系数对计算偏差起主要决定作用。实际计算表明,某些特定地区(如植被气候过渡带)粗糙度的地表非均匀性引起的计算相对误差可达40%以上,选取特定的参考高度能改善高网格湍流通量计算的效果。非中性大气层结条件下,由地表粗糙度不均匀性所致的平均风速、位温梯度以及近地层大气稳定度的次网格分布都对网格湍流通量(感热通量)计算产生影响,比较而言,相对误差大小对大气稳定度的次网格分布最为敏感。所以,在目前的数值模式中有必要进一步对湍流通量计算过程中由于地表不均匀性产生的计算偏差加以考虑。     

A note on surface layer parameterizations in the weather research and forecast model

Two surface layer parameterization schemes along with five planetary boundary layer (PBL) schemes in the Weather Research and Forecasting model (WRF) are analyzed in order to evaluate the performance of the WRF model in simulating the surface variables and turbulent fluxes over an Indian sub-continent region. These surface layer schemes are based on the fifth-generation Pennsylvania State University—National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (MM5) parameterization; (a) Old MM5 scheme having Businger-Dyer similarity functions and (b) revised MM5 scheme utilizing the functions that are valid for full ranges of atmospheric stabilities. The study suggests that each PBL scheme can reproduce the diurnal variation of 2 m temperature, momentum flux and sensible heat flux irrespective of the surface layer scheme used for the simulations. However, a comparison of model-simulated values of surface variables and turbulent fluxes with observed values suggests that each PBL scheme is found to systematically over-estimate the nocturnal 2 m temperature and 10 m wind speed with both the revised and old schemes during stable conditions.     

SAMIL大气环流模式海面湍流通量参数化方案研究

将中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的大气环流谱模式SAMIL_R42L26 2.08中的海气通量参数化方案——Louis方案, 与新发展的一种新型近海层湍流通量参数化方案——LGLC方案进行比较和分析。离线测试结果表明, LGLC方案计算的通量结果与观测数据具有更好的一致性, 且由于其区分热力粗糙度和动力粗糙度, 使得对热量通量的计算更加准确。在线测试则证明, 引入LGLC方案的SAMIL模式对洋面风应力、 感热通量、 潜热通量和降水率的模拟能力有了进一步的提高, 尤其对北半球夏季印度季风和南海季风区的降水改善明显。     

利用TWP-ICE试验资料对比两种边界层参数化方案

利用高分辨率WRF单气柱模式,选取了两种边界层参数化方案(YSU,MYJ),对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟,比较了两种方案对边界层结构、云和降水模拟的影响。结果表明:季风活跃期,YSU方案模拟的湍流交换系数较小,湍流混合偏弱,边界层内热通量偏小,使地表热量和水汽不易向上输送,水汽含量在近地表明显偏多,而在边界层及其以上大气层具有显著的干偏差,因此该方案模拟的云中液态水和固态水含量偏低,云量偏少,降水率偏小;MYJ方案对于季风活跃期的边界层结构具有较好的模拟能力,其模拟的云和降水更为准确。季风抑制期,MYJ方案模拟的夜间边界层结构存在较大误差,这是因为该方案模拟的夜间湍流交换系数较大,湍流混合偏强,边界层内热通量偏大,模拟的位温和水汽混合比在边界层内随高度变化较小,而观测廓线在边界层内存在较大梯度。季风抑制期两种方案模拟的云和降水均比观测值偏多,方案之间的差异较小。     

MM5模式中城市冠层参数化方案的设计及其数值试验

文中在综合国外一些较先进的中尺度模式城市作用参数化方案的基础上 ,从城市下垫面结构对城市边界层大气作用的物理机制及实际应用两方面出发 ,对城市下垫面结构和人为活动等因素对边界层结构的影响及中尺度模式中城市化作用的合理体现等问题进行了较全面的考虑 ,改进和设计出能够较全面、细致地描述城市结构对大气边界层动力、热力结构的影响 ,且适合中尺度模式结构特点的城市冠层参数化方案 (UCP) ,并实现了其与MM5模式的耦合。进行了耦合后的UCP方案及采用原城市作用方案的MM5模式对BECAPEX试验期间北京地区气象条件多重嵌套细尺度进行了模拟试验 ,并与观测结果对比 ,结果表明 :相比于MM 5模式中原有表示城市作用的参数化方案来讲 ,设计的UCP方案在很大程度上提高了MM 5模式对城市边界层热力和动力结构的模拟能力。     

Sensitivity study and validation of a land surface parameterization using the HAPEX-MOBILHY data set

A simple parameterization of land surface processes, amenable to the structure of a two-layer soil model, including a representation of the vegetation, has been designed for use in meteorological models. Prior to implementation in a mesoscale model, it is necessary to check the components and to verify the good working order of the parameterization as a whole. The aims of this paper then are: (i) evaluation and a sensitivity study of the various components of the model, specifying the needed accuracy for the parameters; (ii) micrometeorological validation of the model against the HAPEX-MOBILHY data set.First, we present the basic scheme. The focus is on the parameterization of surface resistance, and especially on its relationship with soil moisture.A sensitivity study is then performed through a set of one-dimensional simulations which allow a full interaction between the ground and the atmosphere. Above bare ground, it is shown that both soil texture and initial moisture greatly influence the outcome of the simulation. Latent heat flux ranges from that associated with potential evaporation through a switch-like behavior to that of dry soil. Next, the effects of transpiring vegetation canopies on the physical processes involved and the surface energy balance are examined. The sensitivity of the latent heat flux to changes in the soil and canopy parameters is emphazised; the major influence of the initial mean soil moisture and of the vegetation cover is pointed out. Finally, the evolution of the boundary layer in response to various surface conditions is studied.A validation of the land surface scheme is conducted through daily cycles during cloudless days. Simulated turbulent fluxes are successfully compared to micrometeorological measurements over a maize field at different growth stages. Over a pine forest, the correct simulation of the turbulent fluxes is obtained with an adequate parameterization of the surface resistance accounting for the atmospheric moisture deficit.     

Improvement of a soil-atmosphere-transfer model for the simulation of bare soil surface energy balances in semiarid areas

A soil-atmosphere-transfer model (SATM) was evaluated using observational data from the Tongyu Cropland Station and Audubon Research Ranch in semiarid areas, where the land cover was nearly bare soil during the simulation period. Simulations by the SATM at both sites were conducted using the new and original surface thermal roughness length parameterization schemes, respectively. Comparisons of simulations and observations have demonstrated that using the new surface thermal roughness length scheme in this model made sound improvements in the simulation of soil surface temperatures, sensible heat fluxes and net radiation fluxes in the daytime at both sites, compared to the original scheme, because the new scheme produced a larger aerodynamic resistance for turbulent heat transfer in the daytime. With respect to latent heat fluxes, the improvement was not as obvious as that attained for soil surface temperature since the soil water content in the surface layer in a semiarid area is a more important factor than surface soil temperature in controlling evaporation rate. Accordingly, it can be concluded that the new surface thermal roughness length parameterization scheme could improve the ability of the SATM to simulate bare soil surface energy budget with latent heat flux component being innegligible in semiarid areas.     

基于陆面模式Noah-MP的不同参数化方案在半干旱区的适用性

针对陆面模式Noah-MP对兰州大学半干旱气候与环境观测站（SACOL）2009年8月地表热通量模拟值偏差大的问题,通过分析相关物理过程和模拟试验来探究偏差的来源,并确定合适的参数化方案:采用Chen97方案计算感热输送系数可以改善感热通量的模拟;采用Jarvis气孔阻抗方案能增大植被蒸腾,改进模式对潜热通量的模拟效果,同时也使热通量在感热和潜热间的分配比例合理;采用LP92方案可减小土壤蒸发阻抗并有利于土壤蒸发,使得模式对潜热通量的模拟效果变好。不同参数化方案的组合试验表明:同时采用2组或3组新的参数化方案组合可以进一步减小模拟的地表感热和潜热通量的均方根误差,但是土壤湿度和温度的模拟效果并没有同步改善。