Simulated Influence of Mountainous Wind Farms Operations on Local Climate

Renewable energy sources, especially wind power, were believed to be able to slow down global warming; however, evidence in recent years shows that wind farms may also induce climate change. With the rapid development of wind power industry, the number of wind farms installed in mountains has gradually increased. Therefore, it is necessary to study the impact of wind farms in mountainous areas on local climate. The Suizhou and Dawu wind farms in northern Hubei Province were chosen for the present study on the impact of wind farm operations on the local climate in mountainous areas. The mesoscale meteorological numerical model Weather Research and Forecasting Model (WRF) and the Fitch model, together with turbulence correction factor, were used to simulate wind farm operations and study their effects on local climate. The results showed the characteristics of wind speed attenuation in mountainous wind farms: the amplitude and range of wind speed attenuation were stronger in the nighttime than in the daytime, and stronger in summer than in winter. The surface temperature increased and became more significant in summer. However, a cooling variation was observed above the surface warming center. The height of this center was higher in the daytime than it was in the nighttime. The latent heat flux in the wind farms decreased at night, accompanied by an increase in sensible heat flux. However, these changes were not significant. Some differences were observed between the impact of wind farms on the climate in the plains and the mountains. Such differences are more likely to be related to complex terrain conditions, climate conditions, and the density of wind turbines. The present study may provide support for the development and construction of wind farms in mountainous areas.     

对流参数化与微物理过程的耦合及其对台风预报的影响研究

在SAS（Relaxed Arakawa-schubert Scheme）对流参数化方案中引入对流云和层状云的相互耦合机制,并通过一个台风个例对改进前后两种方案的预报效果进行了比较。试验结果表明：对于台风这种对流云和层状云相互作用非常强烈的天气系统,在对流参数化方案中引入对流云和层状云的耦合机制可以有效地提高模式对台风路径的预报水平,但是对于台风强度的预报效果不明显。考虑对流参数化和微物理过程耦合后模式的参数化降水变弱而格点降水增强,与NCEP再分析资料的对比发现,改进方案对于台风外围的大尺度温度场和湿度场的预报会有所改进,但仍然存在偏干偏冷的现象。对雨和雪的不同处理方式、不同云底条件以及是否考虑雨雪的卷入抬升三个方面进行了敏感性试验,发现72 h内模式预报结果对这些因素的差异不是很敏感。从多个个例的统计结果来看,新方案对台风路径预报的改进效果是比较稳定的。     

LAPS云分析中卫星资料的应用及对GRAPES模式短时预报的影响

通过2013年5月16日广东暴雨个例,利用LAPS分析系统在GRAPES背景场的基础上融合了地面、探空、雷达和卫星资料,比较了LAPS分析系统是否融合卫星资料的云微物理变量(云水、雨水、云冰、云雪)差异;进一步对比讨论了模式提前6 h滚动预报与LAPS反演的云微物理变量的异同,在此基础上探讨了两者对模式降水预报的影响。结果发现,LAPS分析系统融合了卫星资料后,能较好地再现中尺度云团的形态和强度,且能减少一些云微物理变量(云水、云冰、云雪)的虚假中心,大值中心与强降水中心吻合较好;模式滚动预报与LAPS反演的云微物理变量水平和垂直分布差异较大,后者的分布形态基本与观测降水、雷达回波相似,大值中心与强降水中心吻合较好;从两者对模式降水预报的效果来看,LAPS分析的云微物理变量作为模式初始场中的云参数,能改善模式1 h的降水预报,而模式滚动预报的云微物理变量对模式降水预报基本没改善。      

2012年中国南海台风模式预报情况

通过统计和评估中国南海台风模式2012年的预报结果,得出了2012年各种类型热带气旋的预报质量情况。由于在动力过程优化及水物质和边界层的改进方面做了不少工作,使得中国南海台风模式的全年平均距离误差第一次在历史上突破了100 km以下,且无论是24 h、48 h及72 h的路径还是强度预报都比历年要好很多,从2012年全年的台风路径预报效果来看,有一半的台风24 h路径预报误差在100 km以下大部分台风48 h路径预报误差在200 km以下。另外,2012年中国南海台风模式对强TC的路径预报仍然象往年一样要优于弱TC;而强度预报则相反,对于较弱的强热带风暴预报其效果反而最好。个例分析发现副高强度位置及相关的西伸活动对台风路径预报有较大影响;同时,减少模式位势高度的总体平均RMSE误差对台风路径预报准确率的提高有相当重要的作用。      

地形重力波拖曳参数化方案在华南中尺度模式（GRAPES）中的应用试验

在华南中尺度模式GRAPES中发展KA95方案地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年的2月8—12日影响华南冷空气过程、8月23—24日发生在广东的局地性暴雨和5—8月共4个月的KA95方案预报试验进行检验。结果表明,KA95地形重力波拖曳参数化方案的引入,改善了GRAPES模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,一定程度上纠正了在模式积分过程中出现的南风偏差,改正了在业务预报中因南风偏强而导致温度偏差过大的现象;改善了模式对局地强降水强度和落区的预报,减小了大雨和暴雨的漏报率和预报偏差,提高了GRAPES模式对降水的预报效果。      

东北暴雨的研究

系统性研究东北暴雨将提高对东北灾害性天气的认识，有利于加深对中国暴雨的全面研究。对我国气象工作者在东北暴雨研究方面的工作进行了综述，并回顾了影响东北暴雨的几类主要天气系统，分别为气旋、台风、冷涡，着重回顾了在过去几十年中东北冷涡暴雨方面研究的进展。指出目前待解决的问题是：影响东北地区台风暴雨强度、分布及转向问题；东北冷涡的内部结构特征及其发生发展的物理机制、东北冷涡下中尺度对流系统的结构特征与暴雨的关系；引发东北地区强暴雨过程的水汽源地等问题。这些问题需要通过今后深入和细致的加密观测分析研究，以及利用长时间卫星遥感观测资料和雷达资料的论证才能逐渐认识清楚。     

EVALUATION OF THE PARAMETERIZATION SCHEMES AND NUDGING TECHNIQUES IN GRAPES FOR WARM SECTOR TORRENTIAL RAINS USING SURFACE OBSERVATIONS

Sensitivities of parameterization schemes were conducted based on the Global/Regional Assimilation and Prediction System (GRAPES) model. Surface observations were used to evaluate the simulations and to improve the model’s ability to simulate the extreme precipitation over southern China on 20 July 2016. The results showed that GRAPES captured the large-scale precipitation over southern China but failed to predict the extreme precipitation over Xinyi. The model showed a systematic cold biases by adopting different parameterization schemes. In particular, the ECMWF analyses data showed a strong cold bias over Guangdong province and Guangxi Region. Observational nudging results showed that the surface temperature could largely help to alleviate the cold bias. The alleviation in the warm sector accounted for main improvement by the nudging scheme, and the RMSE was reduced by 1.56 degree from 3.25 degree to 1.69 degree by 1-h simulation and with 1.3 degree alleviation by 2-h simulation. Sensitivities using different parameterizations and the nudging scheme showed that the model’s underestimation of the precipitation was still present despite improvements in the predictions of surface temperature.     

不同水汽分析场对一次华南前汛期暴雨预报的影响分析

利用华南高分辨率模式分析了不同水汽分析场对一次华南前汛期暴雨模式预报效果的影响。分别使用来自NCEP-GFS（Global forecast system）和ECMWF-IFS（Integrated forecast system）两个不同预报系统提供的分析场进行模拟发现,使用IFS模式提供的初始场进行预报能够得到更为合理的降水预报效果,并发现初值中850hPa高度以下的水汽对本次过程的降水预报结果具有显著影响。由于在华南地区两种初始场内低层的水汽分布存在较大差异,导致了模式预报过程中出现了不同的降水发生机制,最终导致降水预报出现明显的偏差。在GFS分析场的基础上,进一步利用GRAPES-3DVar系统对常规观测资料进行再次同化,发现同化对本次降水过程的前期预报有改进,但是对24 h累计降水的预报改进并不明显。     

一次冷涡发展阶段大暴雨过程的中尺度对流系统研究

利用2009年东北暴雨试验资料、常规气象观测资料、自动站资料、FY-2C卫星资料和NCEP再分析资料,对2009年6月19日东北地区一次短时强降水过程的天气尺度环流特征、中尺度对流系统(MCS)环境场及其触发机制进行了分析,概括了此次冷涡发展阶段暴雨过程的三维概念模型.结果表明,此次强降水系统主要发生在东北冷涡的发展阶段,造成强对流天气的系统尺度较小、突发性强,具有明显的β-γ中尺度对流系统的特点.高温高湿及位势不稳定层结、低层的湿舌北伸及中层干冷空气的侵入,为MCS的发生、发展提供了非常有利的环境条件.位于高空西风急流出口区北侧和偏东北大风中心入口区南侧的暴雨区上层有强的高空辐散,与辐合区南侧的低空急流前部相互耦合,使得暴雨区上升气流增强;高空急流出口区南侧的偏南风低空急流加强了风暴的人流强度,为风暴提供了有利的风场环境和水汽条件.暴雨区西南侧中低层存在干空气侵入,使中低层干冷空气迅速向对流风暴发生区输送,形成逆温层.在强对流爆发前,中低层的逆温层与上层的干层分开,使风暴发展所需的不稳定能量得以累积,冷涡系统东移引导低层偏西北气流南下,增强了地面流场的辐合,是触发初始对流的关键因素.     

地形重力波拖曳参数化对热带气旋强度和路径预报影响的研究

本文在GRAPES_TMM（Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model）——中国南海台风模式版（面向南海和东南亚）中发展和引进了KA95（Kim and Arakawa,1995）地形重力波拖曳参数化方案（GWDO）,并对2012年主要的9个登陆台风进行了试验对比研究,考察了不同标准Richardson数（Ri_c）的GWDO试验对台风路径和强度预报的影响。结果表明,在引入地形重力波拖曳参数化过程后,模式对台风登陆时路径和强度的预报能力均要有提高,对台风预报时长越长,GWDO的影响也更为显著。对双台风“SAOLA”和“DAMREY”试验结果表明,GWDO对台风外围距台风中心150 km的对流层中下层风速减弱较为明显,减弱了GRAPES区域模式对台风强度预报偏强的现象,对台风强度长时间预报改善更为明显。不同标准Ri_c对重力波拖曳力的计算较为敏感,当Ri_c取1.0时,动能迅速的在低层被频散,能量无法有效地上传;Ri_c取0.25时,大部分的能量在中高层被频散。总的来说,Ri_c取0.75时对台风路径和强度预报改进更为显著,其结果可为业务预报提供指导意义。