物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小,降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes-Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

物理过程参数化方案对中国夏季降水日变化模拟的影响

系统地分析了不同陆面过程、辐射传输以及积云对流参数化方案对区域气候模式模拟中国夏季降水日变化能力的影响,发现日内最大标准化降水及其出现时刻的模拟对不同模式物理过程的组合方案敏感。陆面过程、辐射传输参数化方案只影响降水强度的模拟,而对降水日变化形式和峰值出现时间模拟的影响较小, 降水日变化形式的模拟对积云对流参数化方案敏感且与模拟区域的选择关系密切。Grell方案对青藏高原东部、长江中游地区夏季降水的日变化特征具有较好模拟能力,Kuo和Anthes Kuo方案较好地模拟出了东北、华南地区夏季降水的日变化特征,BM方案仅能模拟华南地区夏季降水的日变化特征。4种积云对流参数化方案均不能模拟出江淮—华北地区夏季降水日变化的双峰值结构。     

不同积云对流参数化方案对黑河流域降水模拟的影响

使用NCEP-fnl再分析资料作为黑河流域高分辨率区域气候模式的初始场和边界场,利用该模式中常用的3种积云对流参数化方案:Grell,Bett-Miller(BM)和不采用积云对流参数化方案(NON)对黑河流域进行2000年1月1日至12月31日的积分试验,重点考察水平分辨率在3 km条件下不同积云对流参数化方案对黑河流域降水模拟的敏感性。结果表明:①卫星遥感反演的黑河流域的降水较观测台站降水偏少,卫星遥感反演日降水与观测台站日降水的相关系数达到0.34,相关系数通过99%置信度检验;②模式采用3种参数化方案都能够较好地模拟出年降水空间分布以及不同区域日平均降水随时间演变,与观测之间的相关系数都通过99%置信度检验;③对于黑河流域来说,在水平分辨率为3 km条件下区域气候模式采用Grell积云对流参数化方案较其他2种方案无论从空间和时间演变来说均更加接近观测。     

对流边界层灰区尺度数值模拟研究进展

随着计算能力的不断提高,数值天气预报模式的水平网格分辨率已经达到公里—次公里量级,这一网格尺度与对流边界层中的湍流特征尺度相当,数值模式可以对有组织对流结构进行解析计算。传统的一维边界层参数化方案（适用于几公里或更粗水平分辨率）和大涡模拟三维湍流闭合方案（适用于几十米以下水平分辨率）的假设条件在这一尺度上均不成立,称为对流边界层的灰区尺度。在讨论传统参数化方法的适用性和局限性的基础上,从理论、方案方法和影响3个方面介绍了对流边界层灰区尺度的研究进展,总结了近20年来国内外发展的各对流边界层灰区尺度模拟方法的特点,探讨了该尺度上边界层过程对数值模式中其他物理过程（如浅/深对流等）的影响,最后展望了未来可能的研究方向和思路。     

典型中尺度数值预报模式参数化方案的综述与展望

中尺度天气现象对人类的生产生活有重要影响,中尺度数值预报模式是进行数值天气预报的主要工具。受模式分辨率和对天气现象物理机制认识不足的限制,许多复杂天气过程只能用参数化方案来隐式表达,对参数化方案进行研究有助于推动中尺度数值预报模式的模拟和预报效果的不断优化。在探讨国内外典型中尺度数值预报模式特性的基础上,综述了积云对流参数化方案、云微物理参数化方案、边界层参数化方案、陆面过程参数化方案和辐射传输过程参数化方案的研究进展,比较了代表性参数化方案的理论基础和应用场景,发现对独立或组合参数化方案效果的对比试验和改进试验是该领域主要的研究范式。认为参数化方案未来将走向深入探讨各种天气现象的影响因素和物理机制,多要素、多尺度和多方案耦合,更加重视对“灰色区域”的模拟,应用选择更加多元化,并与机器学习技术融合的发展模式。     

城市陆面过程与边界层结构研究

通过城市边界层观测、卫星遥感以及城市边界层数值模拟等途径,获取对城市陆面过程特性的认识,研究建立精细城市边界层模式,引入合理城市区陆面过程参数化方案,并进行城市边界层结构影响研究。研究结果表明：①城市下垫面能量平衡过程迥异于自然地表,引入合理的参数化方案是改善数值模拟性能的关键。②高分辨卫星观测信息是认识城市地表参数状况及其变化的有效途径。 ③人为热排放参数化方案的合理引入是准确描述地表能量平衡过程的又一重要课题。需根据实际情况确定人为热排放的引入方案及量值变化。④应从合理描述城市建筑物下垫面对热力输送及大气动力场的影响出发,研究建立了多层城市冠层模式。⑤应建立更完善的多尺度城市边界层模式系统并引入更新的城市效应参数化方案和数据同化处理,以增强并完善城市边界层数值模拟能力。     

RegCM3模式在西北地区的应用研究Ⅱ:区域选择及参数化方案的敏感性

通过数值模拟方法,研究了降水对区域尺度、积云对流参数化等的敏感性.结果表明:由于较小区域尺度的模式内部场和大尺度分析场激发的外强迫之间有更强的束缚,这种束缚使得内外强迫更容易达到一致.小区域尺度模拟的降水型比大的区域尺度的模拟更好,但同时,大的区域尺度消弱了由于模式侧边界效应产生的虚假动力效应,模拟的降水在量值上更加接近于观测值.因此,进行区域气候模拟时,须根据需要对模式区域进行仔细的选择.结果同时表明,由于Grell方案倾向于模拟更多的对流降水,因此Kuo-Anthes方案对西北地区降水型和量值的模拟比Grell方案更接近于实际.由于地形对于降水的重要意义,在复杂地形下进行区域气候模拟时有必要在模式中仔细描述地形.     

大气数值模式中城市效应参数化方案研究进展

介绍了对城市效应影响大气运动的物理过程,以及在不同尺度大气模式中如何合理考虑这些物理过程,对进一步发展完善城市效应参数化方案中亟待解决的问题及困难作了论述,并着重强调了不同城市冠层参数化方案的优缺点。结论认为,随着城市的扩张,城市效应对大气运动的影响是数值模拟研究中一个不可或缺的物理过程,城市冠层模式的引入可以有效地提高数值模拟效果。对于不同尺度的数值模拟研究工作,应该采取不同的城市效应影响方案。目前,由于冠层模式中涉及的物理过程十分复杂,冠层模式还有待进一步完善,此外冠层方案的验证工作,尤其是应用城市地表能量平衡观测资料进行的验证工作还应该进一步深入开展。     

数值天气预报模式物理过程参数化方案的研究进展

数值天气预报模式对天气过程发展的物理描述主要通过物理过程参数化实现,因此,物理过程参数化方案的发展一直是国际研究热点,也是数值模式改进的难点。在阐述对流、云微物理和边界层等主要物理参数化方案的理论基础和发展历史的基础上,指出在高分辨率模式网格条件下的物理过程参数化方案改进将是未来数值模式发展的核心问题。随着高性能计算能力的迅速发展,目前业务模式网格距已逐渐精细到小于10 km,但模式所使用的物理过程参数化方案大多并未针对高分辨率网格设计,其理论假设的适用性值得商榷。根据目前国际研究趋势,探讨了今后物理过程参数化方案研究改进的重点方向。     

区域中尺度模式云微物理参数化方案特征及其在中国的适用性

云微物理参数化方案在数值模式中起着重要的作用,是影响数值天气预报和气候预测准确性的最大因素。系统回顾了中尺度数值模式中云微物理参数化方案的研究进展,并统计分析了最近十余年云微物理参数化方案在中国范围内的敏感性试验研究成果。Lin方案和Rutledge-Hobbs方案奠定了中尺度模式中云微物理参数化方案的基础,其他方案都是直接或间接在这2个方案的基础上从多方面改进而形成的。这些改进主要体现在:①水凝物粒子分类数目;②冰核活化;③粒子谱分布描述函数;④粒子谱截距的取值;⑤粒子间相互转换阈值大小的设定。中国范围内云微物理参数化方案敏感性试验研究成果统计表明,使用WRF模式中Lin方案的模拟效果较好,MM5模式采用Goddard和Reisner方案效果较好。     

A Study on the Impact of Parameterization of Physical Processes on Prediction of Tropical Cyclones over the Bay of Bengal With NCAR/PSU Mesoscale Model

Prediction of the track and intensity of tropical cyclones is one of the most challenging problems in numerical weather prediction (NWP). The chief objective of this study is to investigate the performance of different cumulus convection and planetary boundary layer (PBL) parameterization schemes in the simulation of tropical cyclones over the Bay of Bengal. For this purpose, two severe cyclonic storms are simulated with two PBL and four convection schemes using non-hydrostatic version of MM5 modeling system. Several important model simulated fields including sea level pressure, horizontal wind and precipitation are compared with the corresponding verification analysis/observation. The track of the cyclones in the simulation and analysis are compared with the best-fit track provided by India Meteorological Department (IMD). The Hong-Pan PBL scheme (as implemented in NCAR Medium Range Forecast (MRF) model) in combination with Grell (or Betts-Miller) cumulus convection scheme is found to perform better than the other combinations of schemes used in this study. Though it is expected that radiative processes may not have pronounced effect in short-range forecasts, an attempt is made to calibrate the model with respect to the two radiation parameterization schemes used in the study. And the results indicate that radiation parameterization has noticeable impact on the simulation of tropical cyclones.     

次网格积雪参数化在祁连山区斑状积雪带模拟中的应用

运用中尺度大气模式MM5,积雪参数化分别采用简单的积雪参数化方案以及考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案,对黑河流域上游祁连站附近气温和降水进行模拟,与祁连站的观测值对比,检验积雪参数化方案中次网格积雪分布和雪密度变化在该地区气温和降水模拟中的作用.结果表明:简单积雪方案对网格积雪的非0即1描述在斑状积雪带是不合理的,尤其在黑河流域海拔3 300 m以下积雪多为斑状或片状,网格内积雪非均匀性的处理是非常必要的;通过耦合简单和复杂积雪方案的大气模式对气温模拟和观测值比较发现,新方案模拟的气温比旧方案模拟值更接近观测值,在气温低于0℃时改进尤其明显,说明使用复杂积雪/融雪方案可改进斑状积雪带气温的模拟.耦合复杂积雪方案的大气模式模拟的降水与观测值绝对误差低于耦合简单积雪方案模拟结果,复杂积雪方案的模拟结果降水错报率为使用简单积雪方案结果的一半,证明了耦合复杂积雪方案可以提高大气模式对该地区春季降水模拟的准确性.与积雪面积变化相对应,耦合复杂积雪方案模拟出了融雪产流量,而使用简单积雪方案则没有模拟出来.综上所述,耦合考虑次网格积雪分布和雪密度变化的复杂积雪参数化方案比耦合“非0即1”积雪方案可以更准确地模拟祁连山区冬、春季气温和降水.     

Variation of coastal atmospheric boundary layer characteristics with convective activity along the west coast of India during the Arabian Sea Monsoon Experiment (ARMEX) 2002

This paper investigates the characteristic features of the coastal atmospheric boundary layer (CABL) along the west coast of India during the south-west monsoon (SWM) 2002. Extensive surface and upper-air findings were obtained during the same period from the Arabian Sea Monsoon Experiment (ARMEX; 15th June to 15th August 2002) 2002. The operational general circulation model (GCM) of the National Centre for Medium Range Weather Forecasting (NCMRWF) was used in this study to see the spatial variation of the CABL during two specific convective episodes that led to heavy rainfall along the west coast of India. The impact of a non-local closure (NLC) scheme employed in the NCMRWF GCM was carried out in simulating the CABL. The same episodes were also simulated using a similar parameterization scheme employed in the high resolution mesoscale modelling system (MM5). The diurnal variation of CABL is better represented from MM5 simulation. Comparing the MM5 simulation with that of the coarser grid NCMRWF GCM, we observed that the NCMRWF GCM underestimates the values of both latent heat flux (LHF) and the coastal atmospheric boundary layer height (CABLH). Results from MM5 therefore indicate that the best way to move forward in addressing the short-comings of coarse grid-scale GCMs is to provide a parameterization of the diurnal effects associated with convection processes.     

Sensitivity of tropical cyclone intensification to boundary layer and convective processes

This study examines the role of the parameterization of convection, planetary boundary layer (PBL) and explicit moisture processes on tropical cyclone intensification. A high-resolution mesoscale model, National Center for Atmospheric Research (NCAR) model MM5, with two interactive nested domains at resolutions 90 km and 30 km was used to simulate the Orissa Super cyclone, the most intense Indian cyclone of the past century. The initial fields and time-varying boundary variables and sea surface temperatures were taken from the National Centers for Environmental Prediction (NCEP) (FNL) one-degree data set. Three categories of sensitivity experiments were conducted to examine the various schemes of PBL, convection and explicit moisture processes. The results show that the PBL processes play crucial roles in determining the intensity of the cyclone and that the scheme of Mellor-Yamada (MY) produces the strongest cyclone. The combination of the parameterization schemes of MY for planetary boundary layer, Kain-Fritsch2 for convection and Mixed-Phase for explicit moisture produced the best simulation in terms of intensity and track. The simulated cyclone produced a minimum sea level pressure of 930 hPa and a maximum wind of 65 m s⁻¹ as well as all of the characteristics of a mature tropical cyclone with an eye and eye-wall along with a warm core structure. The model-simulated precipitation intensity and distribution were in good agreement with the observations. The ensemble mean of all 12 experiments produced reasonable intensity and the best track.     

耦合冻土方案的大气模式对祁连山区春季土壤状况的模拟

对黑河流域上游山区水源涵养林区2003年春季土壤温度、湿度变化进行分析,运用耦合冻土参数化和没有耦合冻土参数化的大气模式MM5对该区春季过程进行了模拟,并与观测值进行对比,对模拟的产流量做了初步分析.结果显示:考虑冻土参数化方案对土壤温度模拟的改进主要体现在表层土壤,对深层土壤温度的模拟没有大的改进;考虑冻土参数化方案改进了对100 cm深度以内的土壤含水量的模拟,很大程度上缩小了模拟值与观测值之间的绝对误差.总体来讲,考虑了冻土参数化的模拟结果在一定程度上改进了模式对黑河流域上游季节冻土区土壤温、湿状况的模拟,在一定程度上逼近祁连山区的春季土壤状况.考虑冻土参数化和没有考虑冻土参数化对产流量的模拟表明,冻土参数化对产流量模拟有很大影响,冻土形成的不透水层可以产生更多的地表径流.尽管考虑冻土参数化过程对模拟结果有一定程度的改进,但模拟结果与实测结果还是有一定差距的.因此,进行寒区冻土过程模拟时,还需要进一步对土壤信息、模式物理过程,大气背景场驱动数据以及局地因素进行详细而精确的考虑,以期进一步提高模式在寒区的模拟性能,特别是为高寒山区无观测地带陆气相互作用研究提供依据.     

边界层参数化影响“梅花”台风的敏感性试验

以GRAPES-TCM为试验模式,对1109台风“梅花”进行了36次72 h的预报试验,通过试验分析了2种边界层参数化方案——MRF方案与YSU方案在不同情况下对台风预报的影响.结果显示:“梅花”路径与强度对边界层方案的变化都表现出一定的敏感性,敏感性大小与对流参数化方案、台风的初始强度等因素有关,强度的敏感性比路径更明显;对弱台风的路径与强度,YSU方案的总体预报效果优于MRF方案,对于强台风,2种边界层方案中MRF方案的路径预报效果更好,哪种方案的强度预报效果更好与对流参数化方案有关;无论何种情况,YSU方案预报的“梅花”强度都明显强于MRF方案,YSU方案预报的降水及感热通量与潜热通量总体上大于MRF方案;YSU方案时更多的感热通量和潜热通量与该方案时边界层更强的湍流混合有关,更多的潜热通量导致更多的降水,从而释放更多的潜热,更多的潜热释放以及更多的感热通量导致台风强度更强.     

内陆河高寒山区流域分布式水热耦合模型（Ⅲ）：MM5嵌套结果

利用中尺度气候模式MM5计算黑河山区流域2003年2月11日到6月30日的日降水量、2.0 m高度的日平均气温和潜热，并将其嵌套到DWHC模型中。MM5运行周期为10 d，积分步长为3 s，空间分辨率为3 km。保持DWHC模型土壤参数、植被参数、经验参数和可调参数等不变，仅对模型初始参数进行了调整，利用最近距离法（nearest）将MM5输出结果插值到1 km×1 km格点上，所计算的黑河干流出山口日平均流量与实测序列的NSE＝0.79，B＝-0.79（％），EV＝0.79，R2＝0.81。利用基于三角网格的立体插值法（cubic）所获结果与此相当，NSE＝0.79，B＝-0.65（％），EV＝0.79，R2＝0.80。这说明利用MM5 DWHC嵌套模型来模拟流域日平均流量是可行的。MM5 DWHC嵌套模型在径流模拟方面，比利用地面资料驱动结果要好。MM5 DWHC嵌套模型的计算结果表明，内陆河高寒山区流域存在明显的浅表产流特征，这与地面观测资料驱动结果一致。模型调试结果表明，MM5输出结果存在某种奇异性，且输出的非汛期降水量明显偏大。     

新一代中尺度预报模式（WRF）国内应用进展

随着中尺度大气模式的不断发展,新一代中尺度天气研究和预报模式WRF因其完全开放、可移植性强、更新快等特点在国内外得到了广泛应用。从物理参数化方案研究,实时个例模拟研究及与中尺度大气模式MM5的对比研究3个方面介绍近10年来WRF模式在国内的发展和应用概况,阐明WRF模式在中尺度模拟中的普适性和优越性,展望WRF模式在国...     

A distributed water-heat coupled model for mountainous watershed of an inland river basin in Northwest China (III) using the outputs from Mesoscale model version 5

The distributed water-heat coupled (DWHC) model is calibrated, with the help of the Mesoscale model version 5 (MM5), by calculating the daily precipitation, the daily average air temperature at the 2.0 m heights and the daily potential evaporation in Heihe mountainous watershed area and its vicinity (96.786°∼102.284°E, 37.328°∼40.601°N, 17 × 10⁴ km²), from February 11 to June 30, 2003. The MM5 model periodically ran every 10 days in 3 km × 3 km grid resolution with an integral time step of 3 s. In the MM5 model, many scheme or options are consulted or adopted, such as the Grell scheme cumulus parameterization method, the Dudhia option, the cloud-radiation scheme, MRF PBL option and the modified Oregon State University Land-surface model (OSULSM). According to the projection transform methods, the MM5 outputs are interpolated to the 1 km × 1 km grid in Alberts projection by using triangle-based cubic interpolation (Cubic) and nearest neighbor interpolation (Nearest) methods, with which the DWHC model shares the same method. The result shows that, when the Nearest method is used, the Nash-Sutcliffe equation value of the daily average runoff is 0.79, the balance error is −0.79% and the goodness of fit R ² value is 0.81. Meanwhile, when the Cubic method is used, the Nash-Sutcliffe equation value, the balance error and the R ² value are 0.79, −0.65% and 0.80, respectively. Though the runoff simulation result is not favorable, it is still better than that using measured data at the meteorological and hydrological stations; the latter has a Nash-Sutcliffe equation value of 0.61. The MM5-DWHC model results also show that runoff mainly occurs on land surfaces and from shallow soil layers. According to model calibration results, certain outputs of MM5 are singular to some extent and the DWHC model is very sensitive to the initial values.