数值模式地形处理方法与地形降水影响模拟研究回顾

本文从数值模式出发,回顾了数值模式中考虑地形影响的处理方法和模式地形构造方法,数值模拟地形对降水影响的一些研究成果,从而获得数值模式中地形处理方法及数值模拟地形降水特征及机理的认识。在数值模式中合理地考虑地形影响,提供更为真实的模式地形,将有助于提高数值模式的预报能力,从而提升天气预报的业务水平。      

伴随同化系统中用云导风修正模式地形的试验

以2002年7月23日的天气过程为例,利用中尺度模式MM5伴随模式同化系统,进行了修正模式地形高度的试验研究。结果发现,MM5伴随模式同化系统可以对地形进行修正,并得到与资料更为协调一致的地形高度。另外,利用非常规云导风资料能够比仅使用常规资料更有效地修正模式地形高度。将修正后的地形场作为模式地形,所得的预报结果比未经修正的地形有所改进。     

GRAPES中尺度模式地形有效尺度影响的理想数值试验研究

针对区域GRAPES模式,设计并实施了一系列不同属性气流条件下的二维与三维理想数值模拟试验,通过比较分析不同尺度地形的模拟试验表明,模式地形尺度的选择对模式预报能力有着非常重要的影响;同时指出6倍格距的地形尺度可以认为是区域GRAPES模式的最高有效分辨地形尺度,6倍以下尺度的地形对该模式的预报能力是有害的,应该滤除,...     

地形效应影响数值预报结果的试验研究

本文利用P-σ混合坐标系的有限区域嵌套细网格原始方程模式，选取Wayne台风天气形势演变过程为个例，试验讨论了地形效应对数值预报结果的影响。 试验方案分三类，一是真实地形，二是部分真实地形，三是均匀地形。文中着重比较了不同地形方案对Wayne台风天气形势演变过程的影响。结果指出，对西太平洋副热带高压进退及高空西风槽的活动，地形的影响极为显著，真实的地形有助于改善预报质量，使得形势预报结果更为接近实际。地形对温度场的影响局地性较强，模式地形过矮和过于平滑将使得地面温度的预报偏高。对降水场的预报，数值模式普遍存在的降水区域过于分散的问题，可能是由于模式地形影响的缘故。但对大范围雨带的分布来说，地形不具有决定性的因素。模式地形对降水的影响，主要表现在其增幅效应和降水区分布的结构上，即模式地形增高，降水量将适度增大，雨区结构将更为复杂。地形的影响在风场环流预报中体现得也极为明显。最后作者指出，在数值模式中引入合理的模式地形，是改善预报质量的有效途径之一。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

四川地形谱特征及中尺度模式水平网格分辨率选取

四川地形复杂多样,暴雨频发,常诱发山洪、泥石流等灾害。在利用中尺度模式对复杂地形区域的暴雨进行研究时,模式水平分辨率的选取缺乏定量依据。为了揭示四川地形的复杂特征和给中尺度模式水平网格分辨率的选取提供定量依据,利用二维离散余弦变换,对四川地形高度场和暴雨分布场进行谱分解,根据暴雨分布特征分区讨论了四川盆地地形特征,同时利用地形谱方差和数值试验定量讨论了数值模式水平分辨率的选取问题,得到主要结论有:(1)二维离散余弦变换能较好地表现出研究区域各向异性的复杂特征;(2)雅安地区和四川盆地西北部的地形谱与降水谱有较好的同相关系,盆地东北部和盆地中部的地形谱与降水谱在波长较大处出现反相关系;(3)针对某个区域的地形特征,可以通过计算模式能分辨的地形方差与总地形方差的比值来确定合适的中尺度模式水平网格分辨率。     

上海业务数值予报模式中地形动力效应试验

本文在上海台风研究所无地形的业务数值予报模式中引入地形,用实际天气过程进行了地形动力效应的予报试验。结果表明,引入地形后的模式,其予报能力有明显改善,尤其是对500hPa高空槽以及地面冷高压活动的予报,模式地形表现出重要影响。由此说明,即使在有限区域短期数值予报模式中,引入地形也是十分必要的。     

次网格地形动力效应参数化及其对降水模拟效果的影响

地形对气流的动力抬升作用是地形降水的重要产生机制之一, 为了在模式中考虑地形对气流的动力抬升作用, 改进模式对复杂地形区域的降水模拟效果, 本文提出了一个次网格地形动力效应参数化方案.在模式中首先利用高分辨率的地形高度资料计算出次网格格点处的地形坡度、坡向, 这些微观地形参数可以较为精细地描述次网格尺度地形信息;然后再根据地面气压与地形对气流动力抬升作用的关系, 对地面气压倾向进行次网格修正;最后利用 p-σ区域气候模式进行了三个数值试验, 检验该方案对模式模拟降水能力的影响.结果表明, 次网格地形动力效应参数化方案的引入, 对中国区域的降水模拟有明显改进, 尤其对冬、春季的降水模拟, 无论是分布范围还是中心最大强度都与实况比较接近.     

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。      

谱模式中负地形的处理与东亚副热带气候的模拟

谱模式中负地形对气候模拟有严重干扰。本文重新处理IAP/LASG GOALS模式地形及海陆分布,通过对比新旧地形强迫下数值试验的结果,揭示了原有GOALS/LASG气候模式对西太平洋副高模拟中存在的系统偏差与（30oN,120oE）长江口附近的负地形及纬向地形谷有关。与NCEP/NCAR再分析资料和CMAP综合分析资料比较表明,新的地形方案减弱了负地形效应,使东亚气候,如夏季西太平洋副热带高压及夏季降水的模拟得到明显改善。     

高分辨地形对华南区域GRAPES模式地面要素预报影响的研究

华南区域GRAPES模式动力框架的更新使得高分辨地形数据能够进入模式。引入SRTM数据实现静态数据更新,结合模式内置数据,进行了批量模拟试验;通过站点检验方式,对批量试验结果进行对比,得出以下结论:对比业务使用的Topo10 m地形、Topo30 s地形、SRTM地形和基于SRTM多种插值方案得到的地形,海拔偏差的空间分布和分位数统计都有明显的改善,复杂地形区域的改善效果更显著。通过地面要素平均绝对误差(MAE)箱须图统计和模式西部站点绝对误差(AE)时间序列图对比分析,发现高分辨地形试验的2 m气温和10 m风速MAE和AE有大幅度的改善。高分辨地形对模式静态数据的改善是2 m气温和10 m风速MAE下降的主要原因,地形复杂区域对MAE改善的贡献高于模式其他区域。高分辨地形进入模式后会引起动力过程计算的虚假扰动,适当的滤波平滑能够抑制扰动,从而进一步提高预报精度。      

青藏高原背风坡地形对西南涡过程影响的数值试验

在一个有三重水平结构的台风数值模式基础上，发展了一个能考虑青藏高原及其背风坡不同尺度地形的数值模式，用于９８１年７月１２日２０：００￣７月１４日２０：００西南涡个例的数值研究。模式中设计了全地形、１／３地形和无地形三种方案。对比试验结果表明：全地形对西南涡的移动和发展、形状和范围均能较成功地模拟，降低地形或无地形时，模拟则不成功。全地形时急流轴为偏北方向，而在１／３地形或无地形时，急流走向为偏东方     

地形湍流拖曳力参数化及在GRAPES中的应用

分辨率的限制使得不能被模式识别的地形称为次网格尺度地形,次网格尺度地形在热力和动力方面对实际大气有着不可忽略的作用,其效应只能通过参数化的形式回馈给模式。分辨率的提高使得与较小尺度地形相联系的地形湍流拖曳力凸显其重要性。数值模式中地形湍流拖曳力的参数化对完善模式物理过程和改善模式近地层预报效果具有积极意义,其方法包括有效粗糙度法和直接参数化法,而GRAPES模式中并未以任何方法考虑次网格尺度地形的影响。该文通过单柱模式比较了有效粗糙度法和直接参数化法的优劣, 发现后者在有些方面优于前者。最后,将应用于实际的一个直接参数化方案接入GRAPES中尺度模式中,进行个例模拟,并与NCEP再分析资料进行对比,结果表明:考虑地形湍流拖曳力方案对模式预报具有改进作用,尤其对局地低层风场具有积极影响。     

太行山地形对“96.8”暴雨影响的数值试验研究

利用ＭＭ４模型,设计了４种模式地形方案,讨论了太行山地形对“９６．８”暴雨降水量的贡献;并利用垂直运动和水汽通量等物理量,探讨了太行山地形对本次暴雨过程增幅作用的机制。结果显示,太行山地形对本次暴雨过程的降水中心强度及位置有显著影响,具有６０％增幅作用。太行山地形对垂直运动及水汽辐合也都具有增幅作用。模式地形越真实,预报结果越好,地形越高,降水增幅作用越明显。     

不同分辨率地形数据对黑河流域模拟结果的对比分析

陆面模式和分布式水文模式都要求细致的地面要素场描述,其中地形数据是一个重要的因子。目前,美国地质调查局(USGS)制作的全球30″地形数据已广泛应用于陆面模式和分布式水文/生态模式中,这套全球地形数据可以比较准确地描述地形的大尺度分布,然而若描写复杂地形的小尺度分布细节则略显不足。在黑河流域,我们有高分辨率的30 m地形数据,这里首先对黑河流域范围的该两套数据进行了比较;为评估黑河流域超高分辨率地形数据在大气模式中对气象要素的模拟能力,在中尺度大气模式(MM5)中分别使用黑河流域超高分辨率地形数据和全球30″地形数据,对黑河流域2003年6月大气要素场进行模拟。模拟结果显示,无论从要素场本身与地形空间分布的相关性还是要素变化的空间分布与地形变化的相关性看,地形对气压场、土壤和大气温度场以及大气可降水量场都有着重要影响,地形分布对月总降水量的空间分布也有一定影响。黑河数据对气温以及风向的模拟能力好于USGS数据,对降水过程模拟的改善程度不是很明显。     

地形影响热带气旋“泰利”降水增幅的数值研究

利用NCEP/NCAR再分析资料与日本气象厅区域谱模式的融合资料,采用WRFV2.2模式研究了热带气旋“泰利”(0513)降水增幅过程中的大别山地形效应。结果表明,大别山地形对“泰利”降水影响明显,改变了降水增幅的中心位置,降水强度增幅约为15％,但是降水增幅是否发生与大别山地形无关。大别山地形的存在导致了地形辐合线和...     

天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究

从数值模式物理过程地形参数化研究的角度,回顾了次网格地形重力波拖曳参数化、地形阻塞流拖曳参数化和对流强迫拖曳参数化等方面的研究现状,总结概括了目前模式物理过程中关于地形参数化研究中若干亟待解决的科学问题。另外,在华南中尺度模式预报系统(GRAPES_Mars)中引进和发展了地形重力波拖曳参数化方案KA95,讨论了KA95方案对2012年2月8-12日华南冷空气过程的影响。结果表明,地形重力波拖曳参数化的引入较好地改善了GRAPES_Mars模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,显示出重力波拖曳参数化对改善模式风场预报的突出作用和对减小模式系统偏差的良好应用前景。     

地面观测资料同化初步研究

通过对比分析当前两种地面观测资料同化方案(Ruggiero方案和郭永润方案),对其优缺点进行初步分析研究。结果表明:两种同化方案同化地面观测资料后都是从模式低层到高层对分析场产生影响,中低层高度影响比较大,高层影响较小,并且对24 h模拟结果产生一定的影响。Ruggiero方案考虑了模式地形与观测站地形高度差异,但资料剔除较多,且模式分辨率越高,资料剔除对分析场的影响越明显。郭永润方案不考虑模式地形与观测站地形高度差异,假定所有地面观测资料位于模式面,因此无论模式分辨率如何,资料都能得到充分利用,但模式地形与实际观测站地形高度差异大小在地面观测资料同化分析中的影响不可忽略,因此郭永润方案有待改进,适当考虑这两种地形高度差异时效果更好。     

伴随模式同化系统在修正模式地形中的应用

任何模式都只是实际大气的一种近似模拟，存在误差。鉴于传统的四维资料伴随模式同化系统都是假设模式完全正确仅对初始场进行修正。将伴随模式同化系统应用于修正模式地形误差，通过对不同初始地形的修正试验表明，MM5伴随模式同化系统能很好地对地形误差进行修正，能够反演出与初始气象要素场分辨率相匹配、与模式更协调的地形场，为伴随模式同化系统的广泛应用提供了一种新的思路。     

小地形起伏的随机效应对地形Ｒossby慢波影响的初步分析

本文利用浅水模式讨论了小地形起伏的随机效应对地形Rossby慢波的影响,得到了一个非线性地形下的地形Rossby慢波的频率特征,并与线性地形的情形作了比较。