逐层平滑地形的平缓地形追随坐标在高分辨率GRAPES模式中的应用研究

高分辨率GRAPES模式如3 km模式对地形的识别程度更高,模式中各高度坐标面可识别的地形坡度也更大,地形作用带来的气压梯度力计算误差和平流输送误差更突出。平缓地形追随坐标可以通过多种方式衰减坐标面上的地形影响进而减小这些计算误差。选择一种逐层平滑地形的平缓地形追随坐标,基于GRAPES-3km模式进行理想试验和批量模拟试验。试验结果显示:逐层平滑地形的平缓地形追随坐标相对其他平缓地形追随坐标对地形重力波模拟更接近解析值;24 h滚动预报月连续模拟试验中逐层平滑地形的平缓地形追随坐标一定程度上能降低高层月平均的温度场、风场的模拟误差,月平均的降水评分也有所提高。逐层平滑地形的平缓地形追随坐标应用于GRAPES-3km模式有较好的模拟效果。      

大气数值预报模式中高度地形追随坐标的设计研究：理论分析与理想试验

采用一种统一的地形追随坐标的形式,对Gal-Chen & Somerville(简称Gal.C.S坐标)、平缓坐标(smoothed level vertical coordinate,简称SLEVE坐标)等几种典型的高度地形追随坐标进行了气压梯度力计算误差影响和二维质量平流试验的理论分析,并与一种新提出的高度地形追随坐标——三角函数平缓坐标(简称COS坐标)进行比较.气压梯度力计算误差分析结果显示,与Gal.C.S坐标相比,单尺度平缓坐标(简称SLEVE1坐标)、双尺度平缓坐标(简称SLEVE2坐标)和COS坐标在减小气压梯度力计算误差上有不同程度的改进,SLEVE2坐标和COS坐标比其他两种坐标更具优势,衰减系数b和坐标转换的雅可比项对减小误差起决定性作用.二维质量平流试验也有类似的结果,与无地形的参考试验结果相比,COS坐标的质量输送计算误差最小,且经优化的COS坐标的质量输送计算误差几乎和参考计算误差完全重合,在4种坐标中最优.     

一种新型高度地形追随坐标在GRAPES区域模式中的实现:理想试验与比较研究

将一种新的高度地形追随坐标(Klemp坐标)引入了GRAPES区域模式,并与传统追随坐标(Gal-Chen坐标)和平缓地形追随坐标(SLEVE,Smooth Level Vertical coordinate)进行了比较。对不同坐标下气压梯度力的计算误差通过理想静止大气试验进行了评估,结果表明:与Gal-Chen坐标和SLEVE坐标相比,Klemp坐标有效地减小了气压梯度力的计算误差。理想重力波模拟试验表明,Klemp坐标下对重力波的模拟相比其他两种坐标也更接近于解析解。模式进一步采用了Mahrer气压梯度计算方案减少了计算误差,并提高了模式的精度和稳定性。实际个例试验与理想试验的结论相似。     

不同平缓-混合坐标对一次高原准静止锋降水过程模拟影响对比分析

GRAPES_Meso模式预报存在南风偏大、虚假降水偏多等问题,且在大地形下游地区异常明显。平缓-混合坐标可以有效减小气压梯度力计算误差以及平流输送误差,而这两种误差与风场和水汽场预报密切相关。基于GRAPES_Meso模式选择四种平缓-混合坐标对一次典型的高原东部准静止锋降水过程进行模拟分析。模拟结果表明,较弱的天气形势演变下,平缓-混合坐标的改进效果比较明显,可以有效缓解风场预报偏差、虚假降水、虚假天气系统等问题,个例模拟的结果与实况更接近。     

非静力中尺度高分辨率模式模拟中的垂直坐标影响研究

近几年来,随着高性能计算机技术的高速发展,甚高分辨率的中尺度数值预报模式业务应用已成为可能,与之相关的一系列模式技术的新问题也随之提了出来,垂直坐标系的影响就是其中之一。文中借助于美国新一代数值预报模式WRF(WeatherReseachandForecast),比较了非静力中尺度模式高分辨率模拟应用的垂直坐标影响问题。研究表明,当选用几何高度(z)和气压(p)来构造地形追随坐标时,低层两坐标引起的误差基本一样,中高层高度地形追随坐标引起的误差小于气压地形追随坐标;而且分辨率越高差异愈大。高分辨率模拟结果也表明,这种差异趋势是存在的;此外,本文对天气过程的预报要素场进行了相关的分析。     

一次大暴雨过程中地形重力波拖曳作用的研究

利用WRFV3.9数值模式,对2011年6月9—10日发生在湘鄂赣交界附近山区的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行模拟。进行了地形重力波拖曳作用的控制试验和不考虑地形重力波拖曳作用的敏感性试验。结果表明,控制试验能较好地再现江淮气旋及其产生的强降水;模式引入地形重力波拖曳后能够更好地模拟出地形附近雨带的中心位置和强度;地形重力波拖曳在本次大暴雨过程中能够减弱地形附近的经向风速,增强低层气流辐合,促进垂直上升运动,从而有利于对流的触发和维持。     

青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。     

豫西地形对一次强降水过程的影响分析

利用中尺度模式WRF 3.3.1模拟了2007年7月29日豫西山区强对流天气过程,并进行了地形高度敏感性试验。结果表明：模式能够很好地再现此次强对流降水过程,模拟降水范围与强降雨中心均与实况较一致。分析对比控制试验和地形敏感性试验结果可知,地形的改变能够在水平和垂直方向上影响环流形势,进而影响降水的落区和中心量级。地形升高和迎风坡梯度增大使近地面层水平风场辐合增强,中层上升运动明显增大,且低层的水汽通量增大,导致雨带横向范围和降水中心量级明显增大;而地形降低和迎风坡梯度减小使山脉对近地面层气流的阻挡作用明显减弱,低层水汽通量显著降低,中层辐合抬升运动明显减弱,迎风坡前强降水中心减弱甚至消失,而山脉下游降水则有所增强。分析地形高度与山前降水的定量关系可知,降水中心量级随着地形升高或降低相应地增大或减小,但二者并非完全的线性正相关。     

地形效应引起的局地扰动对华南降水预报的影响研究

利用中尺度模式对一次华南强降水过程进行模拟分析发现,模式对南岭-武夷山地区的降水存在漏报或预报强度偏弱的现象。通过与提前12 h预报结果的对比看出,引起这种预报误差的主要原因在于本次预报的模式初值中未包含地形强迫造成的小尺度局地扰动信息。对地形重力波拖曳和阻塞流拖曳参数化方案的比较发现,阻塞流拖曳力强度明显强于地形重力波拖曳,它有可能导致雨带位置偏离实况。一系列的初值敏感性试验结果表明,南岭-武夷山地区上空850~500 hPa的风场扰动增量对改进本次降水预报效果的影响最关键。      

包络地形和重力波拖曳对区域气候模拟效果的影响

用NCAR区域气候模式(RegCM2)的数值试验，研究了包络地形和地形重力波拖曳作用对1991年5、6月份中国区域内气候模拟效果的影响。通过试验结果的对比分析发现，在模式中引入地形重力波拖曳作用可在一定程度上改善模式对气候系统和要素的模拟效果，使模拟结果更符合气候实况。包络地形对模拟结果也有一定的改善，但对于细网格的区域气候模式(RCM)来说，其效果不如重力波拖曳明显。不论是地形重力波拖曳还是包络地形，在模式积分的初期，它们的作用并不明显，随着积分时间的增长，它们对模拟结果的影响程度增大。     

Effects of terrain-following vertical coordinates on high-resolution NWP simulations

With increasing resolution in numerical weather prediction(NWP)models,the model topography can be described with finer resolution and includes steeper slopes.Consequently,negative effects of the traditional terrain-following vertical coordinate on high-resolution numerical simulations become more distinct due to larger errors in the pressure gradient force(PGF)calculation and associated distortions of the gravity wave along the coordinate surface.A series of numerical experiments have been conducted in this study,including idealized test cases of gravity wave simulation over a complex mountain,error analysis of the PGP estimation over a real topography,and a suite of real-data test cases.The GRAPES-Meso model is utilized with four different coordinates,i.e.,the traditional terrain-following vertical coordinate proposed by Gal-Chen and Somerville(hereinafter referred to as the Gal.C.S coordinate),the one-scale smoothed level(SLEVE1),the two-scale smoothed level(SLEVE2),and the COSINE(COS)coordinates.The results of the gravity wave simulation indicate that the GRAPES-Meso model generally can reproduce the mountain-induced gravity waves,which are consistent with the analytic solution.However,the shapes,vertical structures,and intensities of the waves are better simulated with the SLEVE2 coordinate than with the other three coordinates.The model with the COS coordinate also performs well,except at lower levels where it is not as effective as the SLEVE2 coordinate in suppressing the PGF errors.In contrast,the gravity waves simulated in both the Gal.C.S and SLEVE1 coordinates are relatively distorted.The estimated PGF errors in a rest atmosphere over the real complex topography are much smaller(even disappear at the middle and upper levels)in the GRAPES-Meso model using the SLEVE2 and COS coordinates than those using the Gal.C.S and SLEVE1 coordinates.The results of the real-data test cases conducted over a one-month period suggest that the three modified vertical coordinates(SLEVE1,SLEVE2,and COS coordinates)give better results than the traditional Gal.C.S coordinate in terms of forecasting bias and root mean square error,and forecasting anomaly correlation coefficients.In conclusion,the SLEVE2 coordinate is proved to be the best option for the GRAPES-Meso model.     

水平气压梯度力差分格式误差的定量分析

通过分析发现地形坐标系中气压梯度力差分格式的计算误差应分为二类，其中，第二类误差在水平坐标面倾斜时出现。这种误差可理解为将水平坐标面上的气压(或位势高度)插回到等高面(或等压面)上的插值误差。 构造气压梯度力差分格式的目的正是为了减小这种第二类误差，而不是其他误差。 误差分析表明静力扣除法和Corby 格式的第二类误差都很小，比一般方法的误差小约一个量级。分析还表明第二类误差产生的主要原因是由于气压随高度非线性变化。依据这一分析思路，本文改进了#As(z)#a坐标系中的静力扣除法。 改进后的方法比改进前的误差小约一个量级。     

降水粒子空间取向对双线偏振雷达观测影响模拟研究

该文从降水粒子散射和衰减理论出发, 采用数值模拟方法, 分析了雷达波束通过均匀雨区时, 双发双收偏振模式与单发单收偏振模式下, 水平、垂直偏振波之间的耦合关系, 比较了两种收发模式下, 由于雨滴倾斜引起的水平反射率因子Z_H及其误差ΔZ_H, 差分反射率因子Z_DR及其误差ΔZ_DR, 差传播相移Υ_DP、差传播相移率K_DP及其在不同偏振模式下的差异ΔK_DP随距离的变化情况。结果表明:因实际大气中雨滴倾斜角较小, 雨滴倾斜引起的模式间Z_H, Z_DP的差别不大; 而受雨滴倾斜影响, 单发单收模式的K_DP要大于双发双收模式。该文还提出了Z_H, Z_DR真值的两种定义方式, 分别为考虑与未考虑雨滴倾斜对散射效果的影响。未考虑雨滴倾斜的真值代表了雨滴实际的微物理结构, 剔除了传播效应的影响, 更能精确反映雨滴的实际大小, 在定量估测降水等雷达资料的应用中具有更好的代表性, 因此以未考虑雨滴倾斜作为Z_H, Z_DR真值较为合理。     

深圳市闪电定位资料误差分析及其优化

利用场地误差优化模式对深圳地区的地闪定位资料进行优化处理。首先对深圳市闪电定位系统进行简单介绍,然后利用改进的传输线模式对真实地表环境下的闪电辐射电磁场进行计算,以分析深圳市闪电定位系统的场地误差,最后基于定位误差和场地误差模式对闪电定位数据进行定位误差订正。结果表明不同方位角上的不规则地形对继后回击电磁场波形具有不同影响,随着表征地形粗糙程度的高度均方根的增加,电场的峰值下降,波形的上升沿时间增加。同时,电场波形上升沿时间也会随着方位角的变化而变化,这可能会给时间到达法的定位带来一定误差。为了验证该算法的合理性,对该系统覆盖的区域进行了闪电定位数据优化精度的时空分布分析和评估。结果表明这种优化方案是可行的、可靠的,优化后的闪电定位精度明显提高。     

The characteristics of the forced stationary planetary wave propagations in summer Northern Hemisphere

The three-dimensional propagations of the forced stationary planetary waves in a realistic summer current, in which the vertical and horizontal wind shears are included, are discussed by using the refractive index squared of waves in a spherical coordinate system.The results show that there is no polar wave guide in stationary planetary wave propagations in summer. Thus, stationary planetary waves cannot propagate into the stratosphere. However, there are a wave guide pointing from the subtropics toward middle and high latitudes in the troposphere and another wave guide pointing from the lower troposphere at middle latitudes toward the upper troposphere near 30°oN in the forced stationary planetary wave propagations.A linearized, steady-state, quasi-geostrophic 34-level spherical coordinate model with Rayleigh friction and Newtonian cooling, horizontal kinematic thermal diffusivity is used to simulate the wave guides of three-dimensional propagations of stationary planetary waves in summer.     

GRAPES_Meso背景误差特征及应用

基于2015年6月—2016年5月GRAPES_Meso有限区域中尺度数值预报模式产品,采用美国国家气象中心（NMC）方法和高斯函数拟合方案统计中国区域的背景误差和水平相关尺度随纬度、高度和季节的变化特征。结果表明:控制变量的背景误差与水平相关尺度不仅随高度和纬度有明显变化,其中非平衡Exner气压和比湿具有明显的局地性和季节变化特征。非平衡Exner气压的背景误差在青藏高原地区较大,且冬季最大,夏季最小。比湿背景误差在低纬度热带季风区较大,且夏季最大,冬季最小。非平衡Exner气压和比湿的水平相关尺度在冬季最大,夏季最小。同时文中采用随高度变化的水平相关尺度替换GRAPES-3DVar中单一尺度参数,1个月的分析和模式预报试验表明,6 h的位势高度预报在对流层有明显改进;风场分析及其12 h内的预报在平流层改进明显;对24 h不同量级降水的预报有显著正贡献,也显著改善24 h内的小雨、中雨和大雨的空报现象,明显改善12~24 h特大暴雨的漏报现象。     

Evaluation of horizontal gradients in sigma‐coordinate shallow water models

Abstract

Evaluating horizontal gradients in three‐dimensional shallow water models that use bottom‐following sigma coordinates can lead to large errors near steep bathymetry. A technique that has been proposed to minimize this problem involves computing horizontal gradients in cartesian coordinates, while treating all other terms in a sigma coordinate framework. We study this technique through both truncation error analysis and numerical experimentation, and compare it to the direct application of sigma coordinates. While the Cartesian coordinate method has better convergence properties and generally smaller truncation errors when horizontal gradients are zero, the sigma coordinate method can be more accurate in other physically relevant situations. Also, the Cartesian coordinate method introduces significant numerical diffusion of variable sign near the bottom (where physical diffusion is particularly small), thus potentially leading to instabilities. Overall, we consider the sigma coordinates to be the best approach.     

Design and test of an improved scheme for global spectral model with reduced truncation error

An improved scheme of spectral model has been investigated in this paper. Through the introduction of a reference atmosphere, prognostic variables become smoother on the tilled sigma-surface over mountains or a frontal zone, and thus truncation errors are reduced. As a result, the problems about Gibbs waves and negative value of model topography on the sea, which are encountered in the current spectral model in the world, can be solved by the improved scheme. For comparison we have performed the numerical integrations of barotropic and baroclinic Rossby-Haurwitz waves, as well as the prediction of real cases with the improved scheme and the current scheme of spectral model. These results show that the scheme presented in the paper is better than the current scheme of spectral model.