WRF模式不同云参数化方案的暴雨预报能力检验及集成试验

利用WRFV3. 6的8种微物理方案和6种积云参数化方案对湖北及其周边地区夏季12次暴雨过程进行回报,分析各种方案对暴雨预报的影响。结果显示,各种方案均能较好地预报出降水过程,但其降水强度和范围存在一定差异。当积云参数化方案为KF方案时,对Lin、WSM6、Thompson、Morrison 2-mom、CAM5. 1、WDM5、WDM6、NSSL 2-mom微物理方案做敏感性试验,发现CAM 5. 1方案优于其他7种微物理方案,M orrison 2-mom次之。当微物理方案为CAM 5. 1时,对KF、BM J、GD、SAS、G3D、Tiedtke积云参数化方案做敏感性试验,发现在不同量级降水预报中,6种积云参数化方案各有优劣。综合考虑,GD、SAS、Tiedtke积云参数化方案优于其他3种方案。在此基础上开展多方案集成试验,结果表明集合平均(ensemble mean,EMN)在一定程度上可以减少预报误差,降低单个成员预报的不确定性。     

Relation between horizontal advection,total amount of cloudiness and precipitation

Summary A statistical study has been made of the relations between horizontal advection, total amount of cloudiness, and precipitation by means of the upper winds and the synoptic osbervations. The horizontal advection was computed from the upper winds and the objective computations of the advection differ from the more sujbective methods used by other investigators. The study is based upon all types of weather situations of the years 1952 and 1953 and no cases have been eliminated.The present study corroborates that in most cases of warm-air advection the sky is cloudy or overcast and that in a great number of these is also precipitation. In connection with the advection of cold air there exist in most cases no clouds or only a small amount of cloudiness. It seems justifiable to conclude that there is large-scale ascending motion in areas with warmair advection; the magnitude of the ascending motion depends on the intensity of the warm-air advection. Conversely, in areas with cold-air advection there occurs a descending motion, which presumably is nearly proportional to the intensity of the cold-air advection.

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Zusammenfassung Die Beziehungen zwischen horizontaler Advektion, Gesamtbewölkung und Niederschlag werden mit Hilfe der Höhenwinde und der synoptischen Beobachtungen statistisch untersucht. Die horizontale Advektion wird aus den Höhenwinden berechnet; diese objektive Methode der Berechnung unterscheidet sich von den mehr subjektiven Methoden, die in anderen Untersuchungen verwendent worden sind. Die Untersuchung benützt ohne Ausnahme alle während der Jahre 1952 und 1953 vorkommenden Wetterlagen und dürfte somit die meisten typischen Wetterlagen erfassen.Als Resultat ergibt sich, daß in den meisten Fällen von Warmluftadvektion der Himmel bedeckt oder fast bedeckt ist und daß in vielen Fällen auch Niederschläge vorkommen. Im Zusammenhang mit Kaltluftadvektion findet man meistens keine oder geringe Bewölkung. Es scheint berechtigt, anzunehmen, daß in Gebieten mit Warmluftadvektion aufsteigende Luftbewegungen in großem Maßstabe vorkommen, wobei natürlich die Steiggeschwindigkeit von dem Maß der Warmluftdvektion abhängig ist. Umgekehrt liegt in Gebieten mit Kaltluftadvektion eine absteigende Bewegung vor, von welcheranzunehmen ist, daß sie ungefähr proportional zur Intensität der Kaltluftadvektiion ist.

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Résumé Une étude statistique a été faite sur la relation entre l'advection horizontale, quantité totale de nuages et la précipitation, à l'aide des vents d'altitude et des observations synoptiques. L'advection horizontale fut mesurée depuis les vents d'altitude et les mesures objectives de l'advection diffèrent des méthodes plus subjectives utilisées par d'autres investigateurs. L'étude compred tous les types de situations météorologiques et aucun cas n'a été éliminé.L'étude présente confirme que dans la plupart des cas d'advection d'air chaud le cial est nuaguex ou couvert et dans un grand nombre de ces cas il y a aussi précipitation. En rapport avec l'advection d'air froid, dans la plupart des cas il n'y a pas de nuages ou seulement une petite quantité Il paraît juste de conclure qu'il y a mouvement ascendant à grande échelle dans les zones d'advection d'air chaud. Assez naturellement l'ampleur du mouvement ascendant varie avec l'intensité de l'advection d'air chaud. Par contre, dans les zones à advection d'air froid nous avons un mouvement descendant, qui vraisemblablement est à peu près proportionnel à l'intensité de l'advection d'air froid.

     

Dependence of global radiation on cloudiness and surface albedo in Tartu, Estonia

Summary ?The dependence of global and diffuse radiation on surface albedo due to multiple reflection of radiation between the surface and the atmosphere (base of clouds) is found on the basis of data obtained at the Tartu–T?ravere Actinometric Station over the period 1955–2000. It is found that the monthly totals of global radiation increase by up to 1.38–1.88 times, particularly in the winter half-year between November and March, when snow cover albedo may be high. A semi-empirical formula is derived for calculating with sufficient accuracy the monthly totals of global radiation, considering the amount of cloudiness and the surface albedo. In the time series of the monthly total by global radiation a downward trend occurs in winter months. A decrease in global radiation by up to 20% in the past 46 years can be explained primarily by a relatively high negative trend in the snow cover duration and surface albedo (up to − 0.24). As a result, days are growing darker, a new phenomenon associated with climate change, which undoubtedly affects human mood to some extent. Received November 8, 2001; revised January 24, 2002; accepted February 2, 2002     

不同参数化方案对安徽一次暴雨过程模拟的影响分析

使用WRF v3.4模式对2012年7月12—14日安徽的一次暴雨进行模拟。保持其他参数如辐射、陆面过程等不变, 将不同微物理过程(Eta、Kessler、Lin方案)与积云参数方案(KF、BMJ、GD方案)进行组合成9个试验。将试验模拟结果与实况进行对比分析, 发现:微物理方案的选取对于降水的雨强、位置、雨区范围的模拟都有一定的影响。积云参数化方案对于降水的范围, 雨带的位置模拟也都有影响, 但对于雨强的影响不大。将各试验模拟的逐小时降水与实况进行比较, 发现试验Eta-GD和Lin-GD模拟降水日变化与实况更接近。通过TS评分、ETS评分和系统偏差分析, 表明试验Eta-GD在此次暴雨过程的降水模拟中表现最好。     

两种陆面方案对陆雾与海雾模拟效果的对比研究

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,针对1次陆雾与1次同时包含近海雾区与开阔海域雾区的海雾个例,开展了2种陆面方案——SLAB(five-layer thermal diffusion scheme)方案与Noah(Noah land surface scheme)方案——的模拟效果对比研究。研究结果表明:1)SLAB方案与Noah方案在开阔海域雾区模拟中的表现基本一致,但只有前者成功再现了陆雾与近海雾区。2)对于陆雾,与SLAB方案相比,Noah方案在白天偏高的地表温度造成偏强的地面垂直热量通量,加之偏弱的垂直水汽通量共同使得地面相对湿度偏低20％,导致模拟失败。3)对于海雾,两种方案模拟的地表温度与地面垂直水汽通量之间的差异,直接导致了地面2 m气温与水汽混合比的差异,进而影响了渤海的地面低压天气系统的强弱与水汽平流的大小,从而使得它们对渤海近海雾区的模拟表现迥异。本次个例中,应用广泛且陆面过程完善的Noah方案对陆雾模拟的表现反而不如过程简单的SLAB方案,本文对此给出了初步的解释,但仍需进一步探究其原因。     

四川省冬季雾的数值模拟及能见度参数化

利用中尺度模式WRF对2009年冬季四川省入冬后最大的一次浓雾过程进行模拟,模拟结果表明,模式对雾区的模拟与实测结果基本一致,模拟的相对湿度也接近实况.利用成都双流机场的实测能见度和相对湿度资料分别用确定性和概率性方法获得能见度(Vis)和相对湿度(RH)的参数化方案,用模拟的相对湿度来估算能见度.研究结果表明,概率为5%的Vis-RH的参数化方案在浓雾过程中估算的能见度最为准确,可以为今后能见度的预报提供参考.     

近30a黔南地区辐射雾和雨雾时空分布特征

利用1991-2020年黔南地区12站逐日最小能见度、降水量、日照时数、云量、气温、相对湿度、风速等气象观测资料,对辐射雾和雨雾进行判定,采用正交函数分解（EOF）、Mann-Kendall突变检验、线性倾向估计等方法分析其时空分布特征。结果表明：黔南地区辐射雾和雨雾时空分布差异较大,辐射雾高发区为平塘、罗甸、龙里,雨雾为独山、都匀、长顺。都匀、龙里、长顺、瓮安、平塘、福泉、荔波、罗甸近10a辐射雾明显减少或雨雾异常增多,次区域特征显著;辐射雾日比雨雾日多42.2%,辐射雾占大雾过程87.1%,雨雾占13.9%,辐射雾主要在夏末至秋冬季,雨雾主要在冬季至初春;辐射雾2011年之后明显减少、雨雾2017年之后急剧陡升,均发生显著突变;辐射雾有9站呈减少趋势,雨雾有8站呈现增加趋势。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

Intercomparison and validation of snow albedo parameterization schemes in climate models

Snow albedo is known to be crucial for heat exchange at high latitudes and high altitudes, and is also an important parameter in General Circulation Models (GCMs) because of its strong positive feedback properties. In this study, seven GCM snow albedo schemes and a multiple linear regression model were intercompared and validated against 59 years of in situ data from Svalbard, the French Alps and six stations in the former Soviet Union. For each site, the significant meteorological parameters for modeling the snow albedo were identified by constructing the 95% confidence intervals. The significant parameters were found to be: temperature, snow depth, positive degree day and a dummy of snow depth, and the multiple linear regression model was constructed to include these. Overall, the intercomparison showed that the modeled snow albedo varied more than the observed albedo for all models, and that the albedo was often underestimated. In addition, for several of the models, the snow albedo decreased at a faster rate or by a greater magnitude during the winter snow metamorphosis than the observed albedo. Both the temperature dependent schemes and the prognostic schemes showed shortcomings.     

Synoptic and mesoaerological study of radiation fog

Summary The present study was for the purpose of determining the conditions necessary to the formation of radiation fog. The temperature and relative humidity of the lowest stratum of the troposphere were sounded with a tethered balloon and radiosonde during a number of nights when the conditions were considered favourable for the formation of radiation fog: clear weather with effective net radiation, light wind, and high relative humidity at ground level. Advection fog was also studied on some occasions for comparison. The measurements were carried out in Uppsala. Meteorological phenomena of possible importance to the study were recorded concurrently with the measurements. The weather was analyzed synoptically and aerologically also on each occasion.The results of the investigation suggest that the conditions necessary to the formation of radiation fog are not only an effective net radiation, light wind, and high relative humidity at ground level, but also that the wind must be light and the relative humidity high at some distance above the ground. This permits the more or less marked surface inversion to leave ground level and to rise as a layer of rapid temperature transition. This is brought about by the radiation gradually emitting from the upper surface of the layer of mist or fog, formed in the lowest and chilled air strata, which are subsequently cooled from above until an unstable lapse rate develops. As a results, the layer of rapid temperature transition is maintained rather intact as it rises. If the radiation continues without obstruction and the wind is ligh aloft, this layer migrates upwards until it reaches a level at which the relative humidity is so low that the cooling necessary for condensation does not occur by radiation, limiting the extension of the underlying fog. If the relative humidity is high only in the undermost air strata, the surface inversion cannot leave ground level and no fog will be formed aloft. If the wind is strong aloft, the process is hindered by the increased turbulent exchange occurring between the high and low strata.

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Zusammenfassung Die vorliegende Untersuchung, die in Uppsala durchgeführt wurde, hat zum Zweck, die für die Bildung von Strahlungsnebel notwendigen Bedingungen festzulegen. Temperatur und relative Feuchtigkeit der untersten Troposphärenschicht wurden mit Fesselballon und Radiosonde während einer Anzahl Nächte ausgemessen, in denen die Bedingungen für die Bildung von Strahlungsnebel günstig erschienen, somit bei klarem Wetter mit effektiver Ausstrahlung, leichtem Wind und hoher relativer Feuchtigkeit am Boden. Zum Vergleich wurden auch einige Fälle von Mischungsnebel (Advektionsnebel) untersucht. Die Bestimmungen wurden in Uppsala durchgeführt. Gleichzeitig wurden auch weitere meteorologische Vorgänge, die für diese Untersuchung von Bedeutung sein konnten, aufgezeichnet. Zudem wurde das Wetter synoptisch und aerologisch bei jeder Gelegenheit un tersucht.Die Ergebnisse dieser Untersuchung legen die Annahme nahe, daß die für die Bildung von Strahlungsnebel not wendigen Bedingungen nicht nur in effektiver Ausstrahlung, leichtem Wind und hoher relativer Feuchtigkeit am Boden bestehen, sondern daß auch in gewisser Entfernung über dem Boden der Wind schwach und die Feuchtigkeit hoch sein muß. Dadurch wird es der mehr oder weniger ausgesprochenen Bodeninversion ermöglicht, das Bodenniveau zu verlassen und als Schicht eines schnellen Temperaturüberganges in die Höhe zu steigen. Dies wird bewirkt durch die Ausstrahlung, die allmählich von der Oberseite der Nebelschicht ausgeht, welche sich in den untersten und ausgekühlten Luftschichten bildet, die sich nach und nach von oben her abkühlen, bis sich ein instabiler Temperaturgradient entwickelt. Infolgedessen wird die Schicht des schnellen Temperaturübergangs beim Emporsteigen nahezu unverändert aufrechterhalten. Falls die Ausstrahlung ungehindert andauert und der Wind auch in der Höhe schwach ist, wandert diese Schicht aufwärts, bis sie ein Niveau erreicht, wo die relative Feuchtigkeit so niedrig ist, daß die für Kondensation notwendige Abkühlung nicht mehr durch die Ausstrahlung hervorgerufen wird, wodurch die Ausdehnung des darunter liegenden Nebels begrenzt wird. Wenn dagegen die relative Feuchtigkeit nur in den alleruntersten Luftschichten hoch ist, kann die Bodeninversion die Höhe des Erdbodens nicht verlassen und es bildet sich haher in der Höhe kein Nebel. Falls in der Höhe starker Wind weht, wird der Prozeß der Nebeldung durch die verstärkten Austauschvorgänge zwischen den hohen und den niederen Schichten verhindert.

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Résumé Le but de la présente étude faite à Uppsala est de déterminer les conditions de formation du brouillard de rayonnement. On a mesuré à cet effet la température et l'humidité relative des couches basses de la troposphère à l'aide de ballons captifs et de radiosondes pendant un certain nombre de nuits apparement favorables à la formation de brouillard, done par temps clair, vent faible et forte humidité au sol. Quelques cas de brouillard d'advection ont été aussi retenus à titre de comparaison. En même temps on a relevé d'autres processus météorologiuqes pouvant être utiles; la situation météorologique fit l'objet d'une analyse synoptique et aérologique dans chaque cas.Les résultats obtenus font penser que ce ne sont pas seulement le rayonnement, la faible agitation de l'air et la forte humidité relative au sol qui sont déterminants dans la formation du brouillard; le vent doit être faible et l'humidité élevée également à une certaine hauteur au-dessus du sol: c'est alors que l'inversion plus ou moins prononcée peut s'élever. Cela résulte du refroidissement par rayonnement de la surface du brouillard bas; la couche froide au sol augmente alors d'épaisseur jusqu'à ce qu'un gradient vertical instable apparaisse. La couche de décroissance rapide de température se maintient tout en gagnant vers le haut, et le processus ne s'arrête que lorsqu'un niveau à faible humidité est atteint; la couche de brouillard a alors acquis son épaisseur maximum. Si l'humidité relative n'est forte que dans les couches les plus basses, l'inversion ne peut par contre quitter le sol et il ne se forme pas de brouillard plus haut. S'il y a du vent fort a une certaine hauteur, le processus de formation du brouillard est rendu impossible par le brassage des couches basses et moyennes.

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With 12 Figures

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Dedicated to Dr.Anders K. Ångström on the occasion of his 70th birthday.     

辐射和积云对流过程对大气辐射通量的影响

基于中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室发展的全球大气环流谱模式(SAMIL-R42L26),研究了澳大利亚气象局研究中心(BMRC)新辐射方案和新Zhang-McFaflane积云对流方案对大气辐射通量模拟的影响.新辐射方案相比原辐射方案在辐射计算光谱分辨率、气体吸收和计算效率等方面作了很多改进,其对大气辐射通量的模拟能力相应提高.在晴空条件下,大气顶出射长波、大气吸收短波和地表入射短波等与观测的偏差较原辐射方案明显减小,尤其是在对流活跃区域.在云天条件下大气辐射通量与观测的偏差也较原辐射方案减小,但其偏差依然较大,这与模式中积云对流参数化方案模拟能力不足引起的辐射通量偏差有关.为此,换用了新Zhang-McFarlane积云对流方案,其结果表明,对流活跃区水汽含量显著增加,原对流方案中偏强的"双赤道辐合带"现象明显减弱,赤道辐合带地区的大气辐射通量偏差有明显减小,在海洋地区晴空大气顶出射长波和地表入射短波的量值及空间分布均接近观测结果,同时大气顶全球平均能量收支的年变化和观测结果趋于一致,其中模拟的伞球年平均大气顶能量收支和观测的偏差不到0.6 W/m2.试验结果同时表明,在未来研究中引入气溶胶分布、调整相关的云物理和陆面过程等物理参数化方案是进一步提高SAMIL-R42L26辐射通最模拟性能的关键.     

不同的边界层参数化方案对江淮一次暴雨过程数值试验研究

利用WRF模式分别耦合YSU、MYJ、ACM2和MRF边界层参数化方案对长江中下游地区2013年7月的一次暴雨个例进行模拟实验。为了检验边界层参数化方案的重要性,研究使用无边界层方案(NOPBL)的WRF模式对这次暴雨进行了模拟。通过与实测数据进行对比和分析,本文检验了这五种不同的实验设计对降水落区、总量、基本气象要素的模拟能力。综合模拟结果表明,不同的边界层参数化方案模拟的结果不同。不论是否使用边界层参数化方案,均能模拟出雨带的基本走向,但不同的方案对降水中心强度及位置的模拟与实况相比有差异。NOPBL产生了最大的偏差,ACM2和MRF次之,MYJ的方案对于小雨与大雨的模拟最优,而YSU对不同强度暴雨模拟的正确率都较高。通过物理量分析对比,MYJ方案较优的原因是:1)风场检测,MYJ方案的模拟结果更接近观测值;2)850 hPa水汽通量散度检测,MYJ方案能够模拟两支水汽输送通道。一支以偏西南风为主,在急流出口区有较强的南风风速辐合,使得从西南方向来的水汽向暴雨区辐合;另一支将偏东水汽向西部输送,保证暴雨区局部辐合。3)垂直速度检测,MYJ,YSU方案模拟的垂直运动中心与降水落区相近,但YSU模拟上升速度偏大,相对而言MYJ方案更合理。     

数值模式中的大气边界层参数化方案综述

大气边界层对下垫面和自由大气之间的热量、动量和物质交换以及全球辐射的收支平衡有着非常重要的作用,数值模式中对边界层的模拟需要通过参数化方案表现出来。综述了数值模式中常用的边界层参数化方案,从闭合框架以及边界层内的重要物理过程这两个方面对各类方案进行了总结,并讨论了边界层参数化方案的发展方向。     

The influences of boundary layer parameterization schemes on mesoscale heavy rain system

1.Introducti0nThemesoscaleoperationalmodel-whichisoftenused,isMM4orMM5'butMM4isusedfrequentlyonlO3kmscale.Thephysicalprocessesinthismodeldevelopconstantly.FororiginalMM4,thecomputationofsurfacefluxesisnotaccurate,andKmodelfortheturbu-lencefluxesbetweenany2levelsneedstobeimprovedbynewtreatment.Inordertostudytheinfluencesofboundarylayerparameterizationschemesonmesoscaleheavyrainsystem,sur-facefluxesandKmodelinoriginalMM4areimprovedbytherecentresearchinthispaPer.Theflux-profilerelationsforv…     

基于不用分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计三个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2米温度、10米风速、降水预报的影响。结果表明：（1）提高分辨率对2米温度、10米风速模拟精度均有提高,2米温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10米风速预报精度提高约0.5 m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。（2）提高分辨率并调整物理参数化方案后,2米温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10米风速模拟误差增大约0.5 m/s,模拟偏差增大超过0.5 m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

Advective, orographic and radiation fog in the Tarapacá region, Chile

A project in northern Chile was undertaken to determine the origin and behaviour of fog in the coastal and inland locations of the Tarapacá Region. In the Pampa del Tamarugal, 50 km from the sea, conditions exist for the formation of radiation fog. Advective fog has been studied on the coast and orographic fog was observed at a few coastal sites near mountain ranges with elevations above 1000 m. Fog water collected by two standard fog collectors (SFC) for 3 1/2 years showed an average flux of 8.5 l m⁻² day⁻¹ on the coast and 1.1 l m⁻² day⁻¹ inland 12 km from the coastline. On only a few days in 10 months was water collected at the inland site of Pampa del Tamarugal. GOES satellite images are shown to illustrate the pattern of formation of the stratocumuli cloud over the sea, its approach to the coastline, the entrance of fog by corridors through the coastal range and the presence of radiation fog inland. The results are important for the understanding of fog formation and dissipation along the coastal mountain range and for the recognition of potential sites for the installation of fog water collectors, which can be used as a water source in the Atacama Desert. The results also provide vital information for use in the preservation of the unique ecosystems of the most arid desert of the world.     

边界层和陆面过程对中国暴雨影响研究的进展

以华中区域中尺度业务模式WRF3D为平台,使用MYJ、ACM2边界层方案完成2012年7月的批量敏感试验,重点研究不同边界层方案对中国中东部地区夏季降水预报的影响。与高分辨率降水实况相比,白天（夜晚）的降水预报差异主要由降水面积（降水强度）决定,以MYJ方案在白天预报过大降水面积和ACM2方案在夜晚预报过强降水最为突出。对模式结果的进一步诊断表明,MYJ方案下的大面积降水由白天大范围启动积云对流方案形成隐式降水造成,而ACM2方案下的强降水与夜间更易激发云微物理方案形成过强显式降水有关。在此基础上,从边界层方案设计原理出发,指出不同方案下的垂直混合强度是导致降水预报差异的根本原因。

     

尺度自适应大气边界层参数化改进及其对一次海雾的数值模拟研究

大气边界层湍流运动是地球大气运动最重要的能量输送过程之一.当数值模式分辨率接近活跃含能湍涡长度尺度时,湍流运动被部分解析,被称为"灰色区域",传统的边界层方案不适合此时模式湍流问题的描述.为了提高模式边界层方案在包括"灰色区域"的不同网格尺度上的描述能力,适应不同分辨率模式的需要,在雷诺平均湍流理论基础上,修正Mell...