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。     

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。      

黄海海雾WRF数值模拟中垂直分辨率的敏感性研究

基于WRF模式探究不同垂直分辨率下模式对黄海海雾的模拟表现。将3种垂直分层方案（35η、44η与63η）和2种边界层方案（YSU、MYNN）组合,对10次海雾做模拟研究。统计分析了水平雾区与雾顶高度对垂直分辨率的敏感性,并利用1次典型个例剖析了雾顶长波辐射与雾体湍流的作用。统计结果显示,提高垂直分辨率能显著改进水平雾区的模拟效果,改善明显的个例在不同垂直分辨率试验下的雾顶高度差异也较大;YSU方案相比于MYNN方案更敏感,从35η层增至44η层其试验个例的击中率（POD）和公正预兆得分（ETS）的平均改进率分别提高了13.29%和10.22%。典型个例研究结果揭示,模式对雾顶长波辐射和雾体湍流作用的模拟程度强烈依赖垂直分辨率：粗垂直分辨率给出的湍流强度很弱,导致模拟失败;雾顶存在“云水含量增多→长波辐射增强→降温加大→云水含量增多”的正反馈过程,细垂直分辨率比粗垂直分辨率更容易维持与增强此反馈;只有细垂直分辨率才能模拟出雾顶长波辐射冷却产生的贯穿雾体直抵海面、强度不弱于近海面机械湍流的浮力湍流,它导致雾体降温而出现符合观测事实的海温高于气温的现象。     

长江下游地区不同边界层参数化方案的试验研究

利用中尺度数值模式WRFV3.1.1中的MYJ、QNSE、YSU、ACM2、MYNN2.5、MYNN3、Boulac七种不同边界层参数化方案,进行了发生在长江下游地区的3例暴雨的模拟试验.重点分析比较了七个不同边界层参数化方案对降水总量分布、次降水区的边界层结构、关键基本气象要素场的模拟能力,并将降水总量和关键基本气象要素场的模拟结果与实测结果进行了统计检验.通过对比,发现QNSE方案的模拟能力相对优于其他边界层参数化方案.     

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。     

高寒草原地区边界层参数化方案的适用性评估

为了验证中尺度数值模式WRF中不同的边界层参数化方案对青藏高原地区高寒草原均匀下垫面的适用性,选取4种不同的边界层参数化方案(YSU、MYNN2.5、ACM2和BouLac),分别在青藏高原东部玛曲地区进行了高分辨率的数值模拟,借助中国科学院寒区旱区环境与工程研究所若尔盖高原湿地生态系统研究站观测资料,对典型晴天条件下近地层温度、辐射收支、地表能量以及边界层结构特征进行了相互比较分析,评估了不同边界层参数化方案的模拟差异.结果表明,对于近地层温度,白天不同方案的模拟值与观测值差异不明显,夜间MYNN2.5方案更偏离观测值,而其余方案的模拟差异不大;相对短波辐射,长波辐射过程更易受边界层参数化方案的影响;对于地表热通量,非局地闭合方案的模拟值相对湍流动能TKE闭合方案更接近观测值;对于净辐射通量、感热通量和潜热通量,MYNN2.5方案的模拟要优于其他3种方案;不同边界层参数化方案均模拟出了白天超绝热层以及夜间逆温、逆湿现象,但不同方案对边界层结构的模拟仍然存在一些差异.     

WRF模式中不同边界层及云微物理方案对两次黄海海雾个例数值模拟的影响

利用WRF模式及其循环三维变分同化系统,以发生在2006年3月6—8日和2012年3月27—28日的两次大范围黄海海雾事件为研究对象,针对不同的边界层方案和云微物理方案,设计了4组海雾数值模拟对比试验。模拟结果显示:对于2006年较为浓厚的海雾个例,边界层方案采用YSU、云微物理方案采用Lin得到的模拟雾区与观测事实最为相符;YSU和Thompson方案、MYNN和Lin方案的组合模拟结果次之。边界层方案采用MYJ时,无论采用何种云微物理方案,模拟结果均较差。而对于2012年较为淡薄的海雾个例,采用不同云微物理方案之间的差异较小,采用不同的边界层方案得到的模拟雾区差异显著。采用MYNN边界层方案得到的模拟雾区与观测事实最为相符,而YUS和MYJ方案均不能很好地模拟出此次海雾过程。     

春季黄海海雾WRF参数化方案敏感性研究

利用2005—2011年10次春季黄海海雾个例开展WRF模式参数化方案敏感性研究。结果表明:边界层方案对WRF模式雾区模拟结果起决定作用,而微物理方案影响较小,它主要影响海雾浓度和高度。边界层与微物理方案的最佳组合为YSU与Lin方案,最差为Mellor-Yamada与WSM5方案;Mellor-Yamada和QNSE方案模拟的近海面湍流过强,导致边界层过高,不利于海雾的发展与维持;而MYNN与YSU方案刻画的湍流强度与边界层高度合适,有利于海雾发展与维持。MYNN方案虽与YSU方案相当,但在大多数海雾个例中,后者明显优于前者,而在有些个例中却刚好相反。因此对于某一具体海雾个例而言,所用边界层方案仍需在它们之中选择最优者。这些信息可为黄海海雾WRF模式边界层与微物理方案的选择与改进提供参考。     

边界层参数化方案在梅雨暴雨模拟中的应用比较

利用新一代中尺度数值模式WRF中不同的边界层参数化方案,对2009年7月24日发生在江南地区的一次暴雨过程进行了模拟分析。结果表明,边界层参数化对于10km精度的模式模拟,具有重要影响;不管哪种边界层参数化方案,由于都已经考虑比较全面的边界层物理过程,因此模拟结果都比较接近实况;边界层对模拟的影响主要在低层,对暴雨强度有影响,对暴雨落区也有影响;不同的参数化方案之间,边界层结构就会有所不同,使得边界层内动量、热量、水汽以及能量的垂直输送有差异,从而对模拟结果会产生影响。就此个例而言,MYNN Level-3方案具有最佳的模拟效果。     

微物理过程和积云参数化方案对海南岛秋季暴雨模拟的影响

利用WRF(ARW)V3.6模式模拟了2010年10月5—6日发生在海南的一次秋季大暴雨过程,从降水、风场、反射率和云结构等方面分析WRF模式中3个积云参数化方案(KF,BMJ,Tied Tke)和4个微物理参数化方案(Lin et al,WSM5,WSM6,Thompson)对海南岛秋季暴雨模拟的影响。结果表明:此次秋季暴雨过程模拟对不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合是比较敏感的,不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合通过调整温湿场结构,从而影响模拟降水的时间、强度和落区。对比发现,Thompson微物理方案的组合对于降水量级的模拟更为敏感,能较合理的描述暴雨发生发展过程中的水汽输送、热力和动力条件,并通过影响雨水混合比和云水混合比的高度和大小从而影响降水。其中Thompson微物理方案和Tied Tke积云方案的组合能较好的模拟出本次暴雨过程的特征,与实测最为接近,该组合模拟的最大垂直速度和反射率区与最大云水混合比对应。另外,积云方案和微物理方案的选择不影响水汽混合比的模拟。     

Impact of Turbulent Mixing in the Stratocumulus-Topped Boundary Layer on Numerical Weather Prediction

The impact of enhanced turbulent mixing induced by radiative cooling at the top of the stratocumulus-topped boundary layer (STBL) on numerical weather prediction is examined. An additional term involving top-down turbulent mixing via in-cloud radiative cooling is applied to the Yonsei University (YSU) planetary boundary layer (PBL) parameterization scheme using a top-down diffusivity profile and cloud-top entrainment. The modified scheme is evaluated in an advection fog case over the Yellow Sea of Korea using the Weather Research and Forecasting (WRF) model and in global medium-range forecasts using the Global/Regional Integrated Model system (GRIMs). In the fog case simulation, consideration of the additional top-down mixing parameterization in the YSU PBL simulates less formation and more rapid dispersion of the fog. As a result, the modified scheme simulates a drier and warmer boundary layer and a moister and cooler layer above the PBL. The modified algorithm also improves surface temperature prediction over the Yellow Sea accompanying early dissipation of the fog. In the global medium-range forecast experiment, the modified scheme simulates overall enhanced PBL mixing over the STBL in the tropics and subtropical ocean, showing drier and warmer regions near the surface and moister and cooler regions above the PBL, resulting in prediction of reduced low level cloud amount and increased downward shortwave radiation at the surface. The modified scheme appears to improve systematic bias in temperature and humidity in the lower troposphere compared to the control simulation.     

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。      

不同边界层参数化方案对江苏地区一次平流雾过程的模拟影响

边界层参数化方案的选取在平流雾的预报准确度上起着决定性的作用。本文利用WRF模式对2013年3月18~19日发生在江苏地区的一次平流雾过程进行数值模拟试验,对耦合不同闭合方式边界层参数化方案的试验结果与实测气象数据进行对比分析,评估了他们对此次平流雾的模拟效果,探讨了边界层高度对此次平流雾的生成和发展的影响。研究结果表明:（1）耦合不同边界层方案的WRF模式对地面气象要素的模拟结果均呈现气温偏低、湿度和风速偏大的特征。（2）QNSE方案对气温的模拟能力最强;ACM2方案对相对湿度的模拟性能最好;YSU方案对风速的模拟效果最佳。不同边界层方案的模拟结果在垂直方向上的差别主要表现在低空相对湿度上:QNSE方案预报的湿度更大。（3）综合TS（Threat Score）和BS（Bias Score）两个评分指标来看,ACM2方案对雾区分布的模拟效果最好。三个边界层方案对此次平流雾的模拟结果在江苏沿海站点的预报评分较高,在距海较远站点的预报评分表现较差。YSU方案对东南沿海地区的雾区预报评分较高;QNSE方案对长江沿江区域的雾区预报评分较高;ACM2方案对沿海地区、尤其对沿海北部地区的有较好的预报效果。（4）QNSE方案对此次平流雾的生成时间、出现地点预报比较准确。（5）平流雾的生成与发展阶段模拟雾区覆盖范围与边界层高度关系十分紧密,适当强度的湍流混合作用有助于平流雾在地面的生成与发展;但是过强的湍流混合作用会导致大雾过早的消散。     

北京地区一次空气重污染过程的气象条件模拟参数化敏感性试验

气象预报是影响大气重污染预报精度的关键所在。针对2016年12月16～21日北京市一次重污染过程,开展了中尺度气象模式WRF的参数化方案配置敏感性试验。对微物理过程、长波辐射过程、短波辐射过程、陆面过程、边界层过程、近地面过程以及积云对流参数化过程进行组合优选,共设计51组参数化方案组合,分析不同模拟方案下北京市8个气象站点温度、相对湿度、10 m风速的模拟精度及其敏感性。试验结果表明:温度模拟对长波过程参数化方案最为敏感,集合离散度达2.4～7.4°C,再次是短波过程参数化方案;相对湿度模拟也对长波过程参数化方案最敏感,再次是陆面过程;风速模拟对不同过程参数化方案的敏感性程度差异不大。通过模拟结果与观测的统计对比,优选出模拟误差最小的方案组合为Lin微物理方案、RRTMG长波方案、RRTMG短波方案、Tiedtke积云对流方案、Noah陆面方案、MYNN 3rd边界层方案和MYNN近地面方案,并将其与集合平均、基准方案进行对比。对于集合平均来说,其温度模拟与观测相关系数为0.69,高于基准方案,其模拟偏差与均方根误差比基准方案低25%和11%;集合平均的相对湿度和风速模拟相比基准方案变化较小。与集合平均相比,优选方案能同时改进温度、相对湿度和风速模拟,使温度模拟偏差和均方根误差比基准方案下降35%和17%,使相对湿度模拟偏差和均方根误差下降43%和13%,使风速模拟偏差和均方根误差下降33%和24%。以上结果表明,参数化方案的敏感性试验和优选能显著减小重污染期间气象要素的模拟误差,重污染预报改进需重点关注参数化方案模拟上的不确定性。本研究也发现MYNN3rd边界层方案在这次重污染过程的气象要素模拟上具有良好性能,可为未来重污染预报改进提供参考。     

边界层方案对华北低层O3垂直分布模拟的影响

利用WRF-Chem模式,采用3种边界层参数化方案 (YSU, MYJ和ACM2),针对1个晴空、静稳日 (2013年8月26日20:00—27日20:00(北京时)) 进行模拟,着重分析不同边界层参数化方案对夜间残留层形成及日出前后O₃浓度垂直分布形式的模拟效果,并与固城站地面及垂直同步观测资料进行对比。结果表明:3种边界层参数化方案均能够模拟出温度及风速的区域分布形式以及风温垂直结构的变化特征;相比之下,MYJ方案模拟的夜间边界层高度较YSU方案和ACM2方案明显偏高,该对比结果可能是导致近地面污染物浓度模拟差异的重要原因;在夜间稳定层结至日出后稳定状态打破的边界层结构演变过程中,采用YSU方案和ACM2方案模拟的温度和风速垂直扩线形式与观测结果更为接近;同样采用非局地闭合的YSU方案和同时考虑局地和非局地闭合的ACM2方案,对于边界层高度内O₃浓度垂直分布形式的模拟效果具有明显优势。     

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。      

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

2018年2月琼州海峡持续性海雾过程的数值模拟分析

2018年2月春节期间琼州海峡发生持续性大雾天气,造成大量船舶停航。本文结合葵花8号卫星反演海雾产品、琼州海峡沿岸站点能见度观测数据及美国国家环境预报中心NCEP（National Centers for Environmental Prediction） 提供的FNL（Final Analysis）客观分析资料,对2018年2月18～20日的大雾过程进行了天气学成因分析,并进一步利用CMA-MESO（Global and Regional Assimilation and Prediction System）高分辨率数值模式从边界层方案、模式垂直分层以及海雾能见度算法三个方面进行敏感性试验,以找出模拟效果更好的模式设置方案。研究结果表明:大雾期间华南近海海温较常年平均偏低,受地面冷高压南下补充的弱冷空气影响,偏东暖湿气流流经冷海面并快速凝结。而数值模拟对比试验显示,采用YSU（Yonsei University）边界层方案、边界层垂直层次加密及美国国家海洋大气局预报系统实验室（FSL/NOAA）的海雾诊断方案（简称FSL）对改进能见度预报效果显著:YSU边界层方案比MRF（Medium Range Forecast Model）边界层方案对该次大雾过程的分布范围和最低能见度出现的时间模拟效果更优;模式低层分层加密可更好体现出低能见度的演变过程;通过能见度算法与实况对比,基于模式预报性能较好的湿度和温度预报而来的FSL算法,其能见度预报与站点实况最为接近。