分辨率对区域气候极端事件模拟的影响

利用NCAR MM5V3对1999年6月长江流域的极端异常降水事件进行了模拟,主要研究不同水平和垂直分辨率对极端区域气候事件模拟的影响。数值模拟试验表明:模式能够模拟出极端强降水的主要分布特征;水平分辨率的提高降低了模式模拟的强降水偏差,对逐日降水变化的模拟更加合理,而垂直分辨率的提高基本上也都减小了模拟的强降水过程的偏差,改善对强降水的模拟能力;模式水平、垂直分辨率的提高在一定程度上增强了对强降水过程的模拟能力。水平分辨率的提高能够改善模式对海平面气压的模拟,而垂直分辨率的提高可以改善模式模拟的地面气温和低层环流。分辨率对中层大气环流的影响不是很敏感。不同积云对流参数化方案模拟的对流降水比率随水平分辨率的变化是不同的,Grell方案对流降水比例随分辨率的提高而增加,而Kain-Fritsch方案的结果相反。     

RIEMS2.0模式提高分辨率对中国气温模拟能力的影响

利用区域环境集成系统模式(RIEMS2.0)在60 km和30 km两种分辨率下进行中国区域的长期模拟试验(1991~2000年),开展不同分辨率下中国气温平均气候态和年际变率的模拟能力分析研究。结果表明:(1)RIEMS2.0能较好模拟出多数分区多年平均气温的空间分布,与观测空间分布较接近。随着水平分辨率的提高,模式模拟的气温空间分布模拟更精细,使得平均气温的模拟冷偏差减小,模拟结果更趋于实测。对年均温和冬季气温来说,中国及多数分区模拟与观测的偏差减少,且通过显著性检验(P0.01);对夏季气温来说,中国及多数分区的偏差增加,气温的模拟能力没有明显提高。(2)对年际变率来说,随着水平分辨率的提高,大部分区域模拟能力有一定程度的提高。特别是年均温和冬季气温的年际变率,多数地区模拟改进效果较好;而夏季气温年际变率的模拟在中国大部分地区没有明显改善。     

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。      

RegCM3模式对新疆1996年降水和气温的数值模拟分析

通过数值模拟方法,研究了降水和气温对模式分辨率、初始和边界条件的敏感性。结果表明：区域模式RegCM3对新疆1996年冬季和夏季的降水和气温具有一定的模拟能力,气温的模拟要优于降水。分辨率、初始和边界条件对区域模式的模拟结果有较大的影响。模式分辨率的提高,可以增强对气温的模拟能力,尤其是气温沿地形变化的特点。分辨率的提高,同样可以改进降水的量级和落区。相同分辨率下,不同初始和边界条件,对降水的模拟结果影响不大。无论分辨率和初始,边界条件如何变化,塔克拉玛干沙漠南麓均有虚假降水出现,说明该模式在刻画复杂地形方面,还存在不足。     

13个IPCC AR4模式对中国区域近40a气候模拟能力的评估

利用中国区域550个站点逐日地面气温及降水资料,评估了参与政府间气候变化专门委员会第四次报告（the fourth assessment report of the intergovernmental panel on climate change,IPCCAR4）的13个新一代全球气候系统模式及多模式集合对中国近40 a（1961—2000年）地面气温和降水的模拟能力,结果表明：最新全球模式对中国地区地面气温年变化及空间分布的模拟结果均较好,但在整个模拟区域地面气温模拟值系统性偏低,东部地区模拟效果好于中西部;对于降水,大部分模式能模拟出中国降水的年变化及空间分布特征,但模拟的区域性差别较大,多数模式对中国东部季风区夏季雨带北抬的过程有一定的模拟能力,但模拟雨带位置偏北。新一代全球模式能模拟出温度的线性变化趋势,但对温度及降水的年际变率模拟能力较低。比较多种评估指标得出,模式集合对温度的模拟效果最好,模式UKMO-HadCM3对降水的模拟效果最好。     

大涡模式水平分辨率对边界层夹卷过程及示踪物垂直传输的影响

利用敦煌干旱区野外加密观测资料,结合大涡模式模拟研究模式水平分辨率对边界层对流、夹卷过程及示踪物垂直传输的影响。结果表明:模式水平分辨率越高,模拟的边界层对流泡个数越多,尺度越小,且对流强度越强;提高模式水平分辨率,夹卷层位温方差增大,水平速度方差减小,垂直速度方差增大,且上升冷气流对夹卷层热通量的贡献最大。模式水平分辨率越高,垂直速度、位温及示踪物绝对质量浓度概率密度函数分布变化范围相对越广,且模拟的细微变化特征越清晰。另外,提高模式水平分辨率,模拟的示踪物空间分布特征更加细致,示踪物传输高度也较高。综合考虑到分辨率越高在模拟过程中产生的噪音越大且计算时间越久等问题,认为采用200 m水平分辨率时,模式既能较好地模拟出边界层对流的平均结构,又能模拟出边界层湍流的较细微分布特征,是较为理想的选择。     

仅引入质量守恒律的T63模式对全球大气环流和中国气候的模拟

对引入参考大气和质量守恒律的T63谱模式10年气候积分的结果进行了分析.结果表明,模式对全球大气环流有较好的模拟效果,对中国地区地面气温和中国东部地区的降水也有一定的模拟能力,其中对气温的模拟效果好于降水.模拟存在着一些误差,对地面气温,主要是模拟的温度场系统性偏低,不能模拟出小地形波动引起的温度变化;对降水的模拟,为在我国中西部模拟出了一个大的虚假中心.     

WRF模式对江西2006—2015年夏季气候模拟的性能分析

基于NCEP/FNL再分析资料,利用中尺度天气预报模式（WRF）对2006—2015年1月1日—8月31日的天气形势进行模拟,分析探讨了模式对江西省夏季(6—8月)气温和降水的模拟能力。结果表明：WRF模式能准确模拟出江西省气温和降水的空间分布气候特征,模拟结果与中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）接近。其中,降水的模拟精度低于气温模拟;模拟的气温在鄱阳湖地区出现低值,与CMFD的偏差最大。WRF模式模拟的地面反照率偏大导致气温模拟结果偏低。     

模式垂直分辨率对梅雨锋暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式MM5(V3),对2003年7月7日~8日发生在武汉地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。采用经过简化处理的基于矢量模的双参数最优化处理方法,对模式大气进行了垂直分层。在水平分辨率不变的情况下,数值模式的垂直分层分别采用25层和36层进行了对比模拟试验。模拟结果表明,水平分辨率达到较高的精度后,粗的垂直分辨率会放大模式中地形的作用,造成数值模拟雨带落区的偏差;要得到比较好的模拟结果,需要相应的提高数值模式的垂直分辨率。水平分辨率与垂直分辨率的不协调,会在水平方向上产生虚假的重力波,影响数值模式的模拟结果。     

不同水平分辨率BCC_CSM模式对中亚地面气温模拟能力评估

本研究基于IPCC AR5(Intergovernmental Panel on Climate Change:Fifth Assessment Report)中BCC_CSM1.1(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1)和BCC_CSM1.1(m)(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1 with a Moderate Resolution)气候模式的历史试验结果和CRU(Climatic Research Unit)资料, 采用趋势分析和滑动平均等方法检验了两个版本BCC_CSM模式对中亚地区1948～2011年平均地表气温、各热通量及其趋势的模拟性能, 并讨论了不同模式水平分辨率的影响, 结果显示:BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)两个模式均能够模拟出中亚地区显著增温以及感热通量、长/短波净辐射等要素由南向北递减的总体趋势。其中, BCC_CSM1.1(m) 在对中亚地面年平均气温、感热通量和长/短波净辐射空间分布的模拟结果好于BCC_CSM1.1, 但对于气温标准差的模拟, BCC-CSM1.1模式略好于BCC-CSM1.1(m)。模式分辨率的提高, 能够更好地表现出地形的影响, 对气温和各热通量模拟性能改善较大, 在中亚地区年平均气温的模拟中表现出了一定的优势。     

模式分辨率对台风“天鸽”（2017）模拟效果的影响

利用WRF模式,研究了模式水平和垂直网格分辨率对台风“天鸽”（2017）模拟的影响。结果表明:水平分辨率的改变会对台风路径造成一定的影响,这种影响与改变水平分辨率以后所引起的台风强度和结构的变化有关。使用更高的水平分辨率时模拟的台风强度往往更强。此外,改变垂直分辨率对台风的路径模拟也有一定的影响。采用双曲正切的垂直分层方法,提高垂直层数,模式大气的垂直分辨率都有增加,但是在低层和高层垂直分辨率的增加更大。低层和高层垂直分辨率增加,模拟的台风强度增强。模式的水平分辨率和垂直分辨率之间匹配才能比较好地模拟台风,双向嵌套模式在提高嵌套层数的同时也要增加模式的垂直分辨率。台风强度和结构变化密切相关,台风强度增强的重要原因是台风云墙随着分辨率的增加更加陡峭,垂直风速随着水平分辨率的提高逐渐增强。      

高分辨率η模式的数值试验

针对中尺度地形对我国天气影响的重要性，本文先后提高了REM的水平和垂直分辨率，并采用包络地形方法处理模式中尺度地形。运用常规报文资料得到初始场，对1993年8月4～5日，1994年7月12～13日的两次大暴雨个例分别进行了数值试验。结果表明，仅提高REM的水平分辨率，对降水预报有一定的改善，但多报出了几个大暴雨中心；而对模式水平及垂直分辨率同时提高后，其降水场、形势场的预报有明显的改进和提高，虚假降水中心消失。     

对区域数值模式(REM)的改进及数值试验

针对中尺度地形对我国天气影响的重要性,对REM先后进行水平、垂直分辨率的提高,并运用常规报文资料获得初始场,运用包络地形方法获得模式所需的地形资料,对1994年7月12─13目的大暴雨个例进行了数值试验,结果表明,仅提高REM的水平分辨率,对降水预报有一定的改进和提高,但多报出了几个大暴雨中心。而对模式水平及垂直分辨率均提高后（称此模式为C模式）,其降水场、形势场的预报有明显的改进和提高,虚假降水中心消失,C模式的水平、垂直分辨率基本上是协调的。     

Dependence of Hurricane Intensity and Structures on Vertical Resolution and Time-Step Size

In view of the growing interests in the explicit modeling of clouds and precipitation, the effects of varying vertical resolution and time-step sizes on the 72-h explicit simulation of Hurricane Andrew (1992) are studied using the Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research (PSU/NCAR) mesoscale model (i.e., MM5) with the finest grid size of 6 km. It is shown that changing vertical resolution and time-step size has significant effects on hurricane intensity and inner-core cloud/precipitation, but little impact on the hurricane track. In general, increasing vertical resolution tends to produce a deeper storm with lower central pressure and stronger three-dimensional winds, and more precipitation. Similar effects, but to a less extent, occur when the time-step size is reduced. It is found that increasing the low-level vertical resolution is more efficient in intensifying a hurricane, whereas changing the upper-level vertical resolution has little impact on the hurricane intensity. Moreover, the use of a thicker surface layer tends to produce higher maximum surface winds. It is concluded that the use of higher vertical resolution,a thin surface layer, and smaller time-step sizes, along with higher horizontal resolution, is desirable to model more realistically the intensity and inner-core structures and evolution of tropical storms as well as the other convectively driven weather systems.     

The Effects of Model Resolution on the Simulation of Regional Climate Extreme Events

The fifth-generation Pennsylvania State University/NCAR Mesoscale Model Version 3 (MM5V3) was used to simulate extreme heavy rainfall events over the Yangtze River Basin in June 1999. The effects of model's horizontal and vertical resolution on the extreme climate events were investigated in detail. In principle, the model was able to characterize the spatial distribution of monthly heavy precipitation. The results indicated that the increase in horizontal resolution could reduce the bias of the modeled heavy rain and reasonably simulate the change of daily precipitation during the study period. A finer vertical resolution led to obviously improve rainfall simulations with smaller biases, and hence, better resolve heavy rainfall events. The increase in both horizontal and vertical resolution could produce better predictions of heavy rainfall events. Not only the rainfall simulation altered in the cases of different horizontal and vertical grid spacing, but also other meteorological fields demonstrated diverse variations in terms of resolution change in the model. An evident improvement in the simulated sea level pressure resulted from the increase of horizontal resolution, but the simulation was insensitive to vertical grid spacing. The increase in vertical resolution could enhance the simulation of surface temperature as well as atmospheric circulation at low levels, while the simulation of circulation at middle and upper levels were found to be much less dependent on changing resolution. In addition, cumulus parameterization schemes showed high sensitivity to horizontal resolution. Different convective schemes exhibited large discrepancies in rainfall simulations with regards to changing resolution. The percentage of convective precipitation in the Grell scheme increased with increasing horizontal resolution. In contrast, the Kain-Fritsch scheme caused a reduced ratio of convective precipitation to total rainfall accumulations corresponding to increasing horizontal resolution.     

对区域数值模式(REM)的改进及数值试验

针对中尺度对形对我国天气影响的重要性,对ＲＥＭ先后进行水平,垂直分辨率的提高,并运用常规报文资料获得初始场,运用包络地形方法获得模式所需的地形资料,对１９９４年７月１２－１３日的大暴雨个例进行了数值试验,结果表明,仅提高ＲＥＭ的水平分辨率,对降水预报有一定的改进和提高,但多报出了几个大暴雨中心。     

AMDAR资料的风温信息在机场终端区强对流天气分析中的应用

强对流天气引起风矢量和温度等气象要素突变,影响飞机正常起降和飞行。高时空分辨率的飞机气象资料中继AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)是天气预报重要的资料源之一,可为机场终端区的强对流天气短临预报提供高时间密度的垂直探测信息。通过白云机场终端区的AMDAR资料,提取三维风矢和温度廓线,制作了风切变和湍流的预警分析图。以2011年4月17日一次广东省的强对流天气过程为例,将AMDAR资料结合雷达、卫星、探空等多源资料进行了分析。研究表明,在AMDAR资料的风矢-时间高度剖面上形成三维预警指示,对机场的强对流预报有指导意义;当1 km以下发生强风切变,对飞机起降威胁严重,AMDAR资料水平风的垂直分布印证了多普勒天气雷达强辐散区的回波特征;高时空分辨率的AMDAR风速和温度扰动,可揭示大气中的风切变及湍流运动。AMDAR资料为保障飞机的安全起降提供了一种实时、密集的垂直观测信息,有助于研发临近预报预警产品,弥补探空资料的不足。     

Improved Tropical Cyclone Forecasts with Increased Vertical Resolution in the TRAMS Model

The numerical simulation of typhoons has been found to be very sensitive to the vertical resolution of the model. During the updating of the TRAMS model from version 1.0 to 3.0, the horizontal resolution has been increased from 36 km to 9 km, while the vertical layer number only increased from 55 to 65 layers. The lack of high vertical resolution limits the performance of the TRAMS model in typhoon forecasting to a certain extent. In order to study the potential improvement of typhoon forecasting by increasing the vertical resolution, this paper increases the vertical resolution of the TRAMS model from 65 to 125 layers for the first time for a comparative simulation test. The results of the case study with Typhoon Hato (2017) show that the model with high vertical resolution can significantly enhance the warm structure caused by water vapor flux convergence and vertical transport, thus accurately simulating the rapid strengthening process of the typhoon. Meanwhile, the model with 125-layer vertical resolution can simulate the asymmetric structural characteristics of the wind field, which are closer to the observations and can help to reduce the bias in typhoon track forecasting. The improvement of vertical resolution is also trialed by using the batch test results of several landfalling typhoons in 2016-2017. The experimental results show that the typhoon forecast of the model becomes consistent with the observations only when the number of vertical layers of the model increases to about 125 layers, which in turn causes a large computational burden. In the next step, we will try to solve the computational burden problem caused by ultra-high vertical resolution with the top boundary nesting technique, and realize the application of high vertical resolution in the actual operation of the TRAMS model.     

数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响

随着计算能力的提升,台风数值模拟大量采用了大涡尺度模拟,其水平分辨率已达到数10 m的量级,而垂直分辨率提升不大,其问题是数值模式的垂直分辨率对台风大涡模拟的影响如何?因此,本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展理想台风模拟,在不同的模式垂直层次(42,69和90层)情况下,研究并讨论数值模式垂直分辨率对台风大涡模拟的影响。结果表明,42层的垂直分辨率明显不足,而69层和90层的垂直分辨率则都能模拟出细致的台风边界层小尺度结构,龙卷尺度涡旋出现较多。与69层试验相比,90层试验模拟的台风强度要弱、龙卷尺度涡旋数量要少,但模拟的台风强度更稳定,模拟的小尺度涡旋也更精细。