用WRF与MM5模拟1998年三次暴雨过程的对比分析

使用NCAR和NOAA的新一代中尺度模式WRF(WeatherResearchandForecast)和UCAR/PSU的MM5 (v3)模式 ,对 1998年发生在中国的三次强降水过程 ,即 5月的 1次华南暴雨过程 ,7月初的 1次淮河流域暴雨过程和 7月下旬的 1次长江流域暴雨过程进行了数值模拟。模拟结果表明 ,WRF模式能够成功模拟这几次不同性质的降水过程 ;与MM5对比 ,WRF更好地模拟了引起这几次降水过程中的主要天气系统的位置和移动过程 ,从而使WRF模拟的降水落区好于MM5。但在这几次过程中WRF模拟的降水都较MM 5为小 ,也小于实况值 ,分析可见 ,WRF模拟的垂直速度明显小于MM5的模拟结果 ,这可能是导致模拟的降水偏小的原因之一。     

NIM陆面过程模式的研究:模式建立与对比研究

为了真实模拟干旱、半干旱地区以及湿润地区的陆面与大气之间的能量和物质交换 ,发展了一个具有普适性的南京气象学院 ( NIM)陆面过程 ( LSP)模式。该模式是由等温植被参数化方案和本文建立的土壤模式所组成。土壤模式又分为五层模式和两层模式两种。利用 1 979年 5～ 8月“青藏高原气象科学实验”资料作验证 ,同时将五层模式与 Deardorff( 1 978)陆面模式、两层模式作了对比 ,结果表明五层土壤模式的模拟效果较好 ,它比 Deardorff模式优越 ,也比两层土壤模式模拟效果稍好一些。     

NIM陆面过程模式的研究Ⅰ:模式建立与对比研究

为了能真实地模拟干旱、半干旱地区以及湿润地区的陆面与大气之间的能量和物质交换,发展了一个具有普适性的南京气象学院(NIM)陆面过程(LSP)模式.该模式是由等温植被参数化方案和本文建立的土壤模式所组成.土壤模式又分为五层模式和两层模式两种.利用1979年5～8月"青藏高原气象科学实验"资料作验证,同时将五层模式与Deardorff(1978)陆面模式、两层模式作了对比,结果表明五层土壤模式的模拟效果较好,它比Deardorff模式优越,也比两层土壤模式模拟效果稍好一些.     

雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时预报影响的数值对比试验

为对比雷达资料同化与提高模式水平分辨率对短时数值预报的影响,利用美国Oklahoma大学风暴分析和预测中心开发的ARPS(The Advanced Regional Prediction System)模式及其资料分析系统ADAS(ARPS Data AnalysisSystem),对一次华北暴雨过程进行了18,15,9,6,3 km 5种不同水平分辨率的数值对比试验,并对比了使用雷达资料进行云分析时5种分辨率的模拟结果,结果表明,仅使用常规观测资料的情况下,通过提高模式水平分辨率,可以改进6 h内的短时预报,模拟的锋面结构更为细致,降水尤其是强降水预报评分提高了。而使用雷达资料改进模式初始场后,能明显改进模式6 h内的预报尤其是降水强度和落区预报,使得18 km上使用雷达资料同化的预报结果好于3 km不使用雷达资料同化的结果,表明雷达资料同化比单纯提高模式水平分辨率更为有效。不同分辨率上使用雷达资料同化的对比发现,对于40 mm以下的一般性降水,从18—3 km的模拟结果差别不大,而对于强降水,仍然需要提高模式的水平分辨率。但无论初始场是否使用雷达资料同化,但当分辨率由6 km提高到3 km时,模拟结果无明显改进,因此,提高模式分辨率有一定的限度,而在适当提高模式分辨率的同时使用雷达资料同化改进模式初始场,则是提高模式短时预报的一个非常有效的途径。     

东亚夏季海陆热力对比对全球变暖的响应

利用耦合模式比较20世纪气候模拟试验和21世纪SRES(Special Report on Emissions Scenarios)A1B情景气候预估试验结果,探讨了东亚区域海陆热力对比对全球变暖的响应。首先通过超级集合方法,重建了20世纪40a(1960—1999年)和预估了21世纪40 a(2020—2059年)东亚地区的海陆热力对比;在此基础上,分析了东亚夏季海陆热力对比的过去40 a的变化特征及其未来的可能变化趋势。结果表明,超级集合的方法能够有效地降低单个模式存在的不确定性,其结果优于多模式的算术平均结果。利用超级集合方法能够很好地再现1960—1999年间海陆热力差指数的变化特征,并且有效地降低与再分析资料的均方根误差。进一步分析发现,陆面温度在全球变暖背景下变化较明显,尤其在华南地区存在显著增温;而东亚大陆季风区,存在明显的降温趋势。利用超级集合方法预估未来海陆热力对比的结果表明,在2040年前存在较强的海陆热力差,而2050后海陆热力对比有减弱趋势。     

固态毫米波雷达探测模式的对比评估与分析

利用2014年广东阳江和青藏高原外场观测中多种探测仪器的观测资料,对比了灾害天气国家重点实验室与航天科工23所联合研制的固态毫米波雷达三种探测模式最小可测回波强度、可测液态水(冰水)含量、观测同一目标时回波强度的差异以及与K波段微降水雷达回波强度的差异等。结果表明:(1)毫米波雷达不同模式最小可测回波强度差异与理论差异一致,边界层模式和降水模式能观测近地面全部层云和积云,卷云能观测5km高度冰水含量在0.0007 g·m~(-3)以上的卷云,随着高度上升探测能力有所下降;(2)毫米波雷达使用不同模式观测同一目标时,不同观测模式宏观回波强度一致,大部分差异不超过3.5 dB;(3)K波段微降水雷达和Pasivel2激光雨滴谱仪的近地面回波强度一致,毫米波雷达与K波段微降水雷达存在系统差异。     

GRAPES与MM5模式对重庆特大暴雨的模拟预报对比分析

利用中国气象局的中尺度模式GRAPES和美国国家大气研究中心的MM5模式,对2004年9月初发生在重庆地区的特大暴雨过程进行了模拟预报。结果表明,GRAPES和MM5模式都较成功的预报出了此次降水过程。但是在降水中心的分布以及降水量级上与实况仍有一定程度的差异,GRAPES模式模拟出的总体落区略优于MM5,而MM5对降水量级的预报好于GRAPES。通过对环流形势的分析发现,MM5预报的垂直速度大于GRAPES的预报结果,这可能是导致降水量级差别的原因之一;通过对模式结果的初步诊断分析发现,两个模式对不稳定条件的模拟结果影响了他们对落区的预报结果。     

T213与T639模式热带气旋预报误差对比

应用国家气象中心全球谱模式T213L31(简称T213) 及其升级版本T639L60(简称T639) 对2009—2010年西北太平洋热带气旋数值预报的结果进行对比。结果表明:T213与T639模式24～120 h预报平均距离误差基本相近,但由于T639模式分辨率较高,T639模式的热带气旋强度预报明显好于T213模式。从分类误差来看,T639模式对于西北行登陆及转向热带气旋的路径预报好于T213模式,但对西行及北上热带气旋预报误差偏大。对于异常路径热带气旋预报,T639模式能较好预报环流形势的突然调整,对路径突变的热带气旋预报比T213模式有明显优势;从登陆类热带气旋预报的移向误差来看,T213模式存在东北偏北向系统性偏差,T639模式存在东北偏东向系统性偏差。     

欧洲ECWMF模式与我国T213模式夏季预报能力的对比分析检验

T213 L31模式(简称T213)是中国国家气象中心在T106L19谱模式的基础上建成的第四代全球中期数值天气预报系统,它于2002年9月1日起投入业务使用。本文根据世界气象组织(WMO)基本系统委员会(CBS)1985年特别会议推荐的数值预报标准化检验方案,采用欧洲中期数值预报模式ECWMF和国家气象中心T213数值预报模式的500 hPa位势高度、850 hPa温度预报格点资料和客观分析实况格点资料,对东亚区域2002年和2003年夏季时段内两种模式的预报能力进行对比分析检验。所得结果表明,ECWMF预报的环流场中的低压槽在102°E以东的我国中东部(102°E以西的我国西部)比实况值偏弱(偏强),高压脊偏强(偏弱);而在我国的大多数地区,T213模式预报的低压槽偏强,高压脊偏弱。     

东亚夏季风的模拟研究──3个区域气候模式的对比

全球环流模式在东亚地区模拟可靠性评估研究表明存在不确定性，尤以降水更明显．该模式更难于模拟小范围（如一个省）和小时间尺度（如日）的气候变化．本研究用３个区域气候模式作１９９１年东亚夏季（５～８月）季风洪涝气候的模拟．其模拟结果与观测场作了严格的对比并进行了３个模式的相互对比．研究表明，３个区域气候模式成功地模拟了１９９１年夏季发生在我国江淮流域及日本南部的洪涝和几次特大暴雨过程以及相应的大气环流形势的分布．     

CMIP5气候模式对东亚夏季平均环流场模拟能力的评估

利用第五次耦合模式比较计划(Phase 5 of Coupled Model Intercomparison Project,CMIP5)提供的30个全球气候模式模拟的1961~2005年的夏季逐月环流场资料及同期NCEP再分析资料,引入泰勒图及各种评估指标,探讨全球气候模式对东亚夏季平均大气环流场的模拟能力,寻求具有较好东亚夏季环流场模拟能力的气候模式。结果表明:1)全球气候模式能够模拟出东亚夏季平均大气环流的基本特征,CMIP5模式的总体模拟能力较第三次耦合模式比较计划(CMIP3)有较大程度的提高,如CMIP5模式对东亚大部分地区夏季海平面气压(Sea Level Pressure,SLP)场的模拟偏差在6 h Pa以内。2)模式对不同层次环流场的模拟能力存在差异,500 h Pa高度场的模拟能力最强,其次为100 h Pa高度场、850 h Pa风场,SLP场最弱;对东亚夏季主要环流系统的模拟对比发现,模式对印度热低压及东伸槽强度指数的模拟能力最好。3)综合CMIP5模式对东亚夏季各层次平均环流场以及主要环流系统的模拟能力,发现模拟较好的5个模式为CESM1-CAM5、MPI-ESM-MR、MPI-ESM-LR、MPI-ESM-P和Can ESM2。4)相对于单一模式,多模式集合平均(MME)模拟能力较强,但较优选的前5个模式集合平均的模拟能力弱。     

三套冰晶核化参数化方案的对比分析

基于大气模式CAM5对比分析了三套基于物理过程发展而来的冰晶核化参数化方案,包括BN方案、KL方案和CAM5自带的LP方案。针对三个方案的离线测试结果表明,由LP和BN方案计算得出的冰晶数浓度随硫酸盐溶液滴的数浓度增加而明显增加,而KL方案对硫酸盐溶液滴的数浓度不敏感;CAM5模拟结果显示,这三套方案得出的云辐射强迫、冰晶数浓度及其概率分布非常相似,基本上都接近观测。但是,使用KL方案得出的全球平均云长波辐射强迫从工业革命前到当代增加0.05 W·m~(-2),明显低于LP方案的0.36 W·m~(-2)和BN方案的0.33 W·m~(-2);由此可见,选择哪个冰晶核化参数化方案不会明显影响模式对冰云的模拟性能,但对评估人为产生气溶胶的间接效应可能有显著影响。     

模式再分析与实际探空资料的对比分析

利用2007年11月—2008年11月美国国家环境预报中心(NCEP)和国家大气中心(NCAR)的全球再分析资料与阜阳和安庆探空站的高空资料,对NCEP资料进行垂直的拉格朗日插值和水平的双线性插值后,对比分析了模式再分析与探空资料的一致性。结果表明:探空资料和NCEP资料中温度、相对湿度、u风和v风4种气象要素的绝对差值随地点、高度和季节变化较小,0.5～8 km基本稳定在一定的范围内:温度相差0.5～1.0℃,相对湿度相差5%～15%,u风和v风分别相差1～3 m/s和1～4 m/s。但值得注意的是近地面(0.5 km以下)二者差异相对较大。对比结果验证了利用模式探空资料来分析无实际探空资料地区上空气象参量变化特征的可行性。     

2003年汛期3种中尺度数值预报模式降水预报检验

利用2003年汛期降水实况及河南省气象台引进的3种中尺度数值预报模式(REM、MM5、MAPS)的降水预报资料，对模式预报性能作了检验对比分析。结果发现：REM模式对于大雨以上降水的预报效果较好；MAPS模式的12h预报有明显优势；MM5模式对小雨和中雨的预报效果较好，并且预报结果具有稳定性。     

非结构网格空气质量模式对东亚强沙尘暴的初步模拟研究

基于中国科学院大气物理研究所自主研发的嵌套网格空气质量数值预报模式(NAQPMS)和英国帝国理工学院应用计算与建模小组(AMCG)研制的有限元流体模式(Fluidity),构建了非结构网格沙尘传输模式(Fluidity-Dust),并模拟再现了2010年3月19~22日东亚强沙尘暴整个暴发、演变的三维立体动态过程,从整体上对这次沙尘事件有了全新的直观认识和了解。通过利用FY-2D卫星沙尘反演资料及MODIS(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)卫星反演的气溶胶光学厚度(AOD)资料,可对模拟结果进行整体上对比验证;同时,利用中国9个城市站点的PM10(空气动力学当量直径小于等于10μm的颗粒物,即可吸入颗粒物)地面观测资料以及日本多个站点的激光雷达资料,逐一对比分析了不同地区PM10的时空分布以及沙尘传输经过时的垂直分布情况;并与NAQPMS模式的沙尘模拟结果进行了模式间的对比分析。对比结果均表明:该模式具有较好的模拟能力,能很好地模拟再现整个沙尘暴过程,为今后进一步运用自适应变网格技术以实现对沙尘暴的高精度追踪模拟奠定了基础。不同模式比较是量化模拟不确定性的重要方法。以往沙尘输送模式比较研究表明:起沙量模拟的不确定性是沙尘暴数值模拟的最大不确定来源。本文通过两个具有相同起沙方案的模式对同一沙尘事件的模拟,发现不同的平流方案以及不同的沉降计算也会对沙尘过程模拟产生重要影响。     

WRF和MM5对2008年6—9月温度数值预报结果的对比分析

使用WRF模式和MM5模式分别对吉林省50个地面观测站做了温度预报的数值模拟,并进行了检验分析和对比。结果表明：0-24h定时预报的预报准确率,WRF模式高于MM5模式5％～20％;24-48h定时预报的预报准确率,WRF模式高于MM5模式的6％～20％;0-24h最高和最低温度预报准确率,WRF模式分别高于MM5模式12．8％和10．9％;24-48h最高和最低温度预报准确率,WRF模式分别高于MM5模式11％和26．8％。表明WRF模式的温度预报性能优于MM5模式。     

通用地球系统模式对亚洲夏季风降水的模拟能力评估

通过与观测/再分析资料和参加第五次耦合模式比较计划(CMIP5)的模式模拟结果进行对比,评估了通用地球系统模式(CESM,1.0.3版本)对亚洲夏季风降水的模拟能力。结果表明:CESM能够合理地模拟出亚洲夏季风降水的气候平均态,但与其他CMIP5模式模拟结果类似,对中国东南地区降水模拟偏少,而对中国西部高原地区降水模拟偏多;CESM可以再现亚洲季风区降水冬弱夏强、雨带北进南退的季节变化特征,其模拟偏差具有区域性和季节性差异;从EOF分析结果来看,CESM能够模拟出亚洲夏季风降水的时空变化特征,且能较好地抓住亚洲夏季风降水与厄尔尼诺-南方涛动(El Ni?o-Southern Oscillation,简称ENSO)的相关关系。总的说来,CESM对亚洲夏季风降水的模拟是合理的,模拟水平与4个最好的CMIP5模式相当。     

0703温带气旋特大风暴潮数值模拟对比分析

为验证德国汉堡大学所开发的三维陆架模式HAMSOM(Hamburg Shelf Ocean Model)对渤海海域气旋风暴潮模拟的可行性和准确度, 并对不同来源气象数据的模拟结果进行比较, 分别使用T213和NCEP资料的风场和气压场数据, 运用HAM SOM模式对2007年3月4—5日发生在渤海和黄海北部的气旋风暴潮增水过程进行了数值模拟。模拟结果较好地反映出烟台、威海两站风暴潮增水过程的水位变化, 较准确地模拟出风暴潮在渤海、黄海北部的增水过程, 且T213资料比NCEP资料的模拟结果更接近实况, 该模式对研究和模拟渤海气旋风暴潮比较适用。     

尺度适应的对流参数化方案对一次华南飑线模拟的影响

尺度适应(scale-aware)的物理过程是现代数值预报发展的一种趋势,本文针对GRAPES_Meso(Global/Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)模式没有考虑物理过程尺度适应的现状,首先在KFeta(Kain-Fritsch Eta)积云对流参数化方案中引进了尺度适应过程,对该方案的对流时间尺度、格点垂直速度以及夹卷率进行了基于尺度适应参数化的改进。为研究尺度适应KFeta方案与原KFeta方案对不同分辨率模式模拟结果的影响,选取了一次华南飑线过程进行数值模拟和影响分析。结果表明:在3 km、5 km、10 km、20 km水平分辨率的GRAPES_Meso模式中,尺度适应KFeta方案相比原方案,对降水强度及落区分布的模拟有一定的正效果,随着模式水平分辨率提高,次网格降水减少、格点降水增多、对流层中低层夹卷略有增强,对原来存在的对流层高层及低层偏冷的偏差有一定的改进,对流活跃区域的上升气流强度、云中水凝物含量更符合真实的天气系统演变。综合来看,改进后的方案更适用于高分辨率数值预报模式,该研究结果可以为尺度适应对流参数化方案的应用及数值模式强降水预报性能的优化提供有益的参考。     

CMIP5模式对北极涛动的模拟评估

基于国际耦合模式比较计划第五阶段(CMIP5)历史试验(historical)的输出结果,评估了26个耦合模式对北极涛动(AO)的模拟能力。对各模式逐月AO指数序列的功率谱分析表明,有23个模式能够模拟出AO模态无显著变化周期的特征。这些模式也能够较好地再现冬季AO在海平面气压场上的主要分布特征,但均高估了AO模态的强度。对于伴随着冬季AO位相变化而出现的中高纬度偶极型的纬向平均纬向风异常,CMIP5中只有一些模式有较好的模拟表现,大多数模式对其中心位置和强度的模拟存在明显不足。对比之下,MPI-ESM-P对AO时空特征的模拟更接近观测结果。