三维嵌套技术在有限区域模式长时间积分中的初步应用

在复杂地形条件嵌套细网格模式基础上, 利用球圈模式与有限区域模式自嵌套, 就三维嵌套方法在长时间积分中的模拟结果进行了初步分析。结果表明:三维嵌套对垂直层次选取较敏感; 在长时间积分中模式运行稳定, 积分时间越长, 其优势越明显。这为有限区气候模式侧边界方案提供了新的思路。     

一粗细网格模式“三维嵌套”方案的设计及试验结果分析

该文简要地分析了水平侧边界嵌套技术中存在的问题，提出了“三维嵌套”的设想，并就不同范围对水平侧边界嵌套及三维嵌套方案进行了对比试验。试验结果表明：（１）三维嵌套方案对区域模式的降水及中、下层形势场的预报均有所改进；（２）嵌套区域越小，三维嵌套方案对预报的改进效果越明显；（３）三维嵌套方案对预报的改进随积分时间的增长而愈加显著     

异模式嵌套作中期数值预报的试验

利用一个全球谱模式和一个有限区域细网格模式，作了异模式嵌套的初步试验。对异模式嵌套的方案流程，细网格模式边界值晚新的时间间隔及细网格模式的起步时间作了初步研究，发现无论采用物理量本身还是其倾向值作衔接，效果均不错，边界值更值的时间间隔既不宜太长，也不宜太短，粗细网格同时起步或用粗网格模式１２小时的预报场作为细网格模式匠初始场，两者预报的结果基本一致。     

气候模式一重,二重区域嵌套方案的试验研究

本文采用美国俄勒岗州立大学(OSU)两层大气环流模式,进行一重、二重嵌套区域气候模式的试验研究。研制细网格区域模式是目前气候模式发展的一个重要方向。本文实施一重、二重嵌套方案的月平均模拟结果表现了实现多重嵌套区域气候模式的可行性,即模拟平均场能够描述区域气候特征,且具备在细网格(d/2或d/4)感兴趣区域添加更详细资料(地形、植被等)的条件;本文运用An(?)hes等(1989)提出的张弛逼近方案处理侧边界,在一重、二重嵌套试验中均取得较佳计算结果。     

区域气候模式在东亚地区的应用研究——垂直分辨率与侧边界对夏季季风降水影响研究

将美国国家大气研究中心（NCAR）的区域气候模式（RegCM2-1996）设置在东亚-西太平洋区域（简称东亚区域气候模式RegCM2/EA）。利用该模式研究东亚区域气候模式的几个重要问题，即：垂直分辨率的影响，侧边界条件（如嵌套技术、缓冲区宽度、不同资料）的重要性等。数值试验结果表明：细垂直分辨率模拟的降水分布优于粗分辨率模式，但容易引起“数值点暴雨”；RegCM2/EA与不同来源的大尺度侧边界嵌套，模拟的降水会有明显的不同；当用RegCM2/EA模拟较大区域时，应该取较宽的缓冲区；在各种嵌套方案中，指数松弛嵌套方法最好。这些结果为进一步探讨东亚区域气候模式的特点以及发展与改造区域气候模式提供一定的依据。研究结果还需要用更多的数值试验来验证。     

论区域气候模式与全球模式嵌套时边界区的选择

做了3个试验,第一个试验只用大气环流模式(GCM),主要考察GCM的性能并确定其误差的区域分布.后两个为对比试验,一个试验中,将区域气候模式(RCM)(NjU-RCM)的侧边界放在全球模式(L9R15)中我们感兴趣的区域,未考虑侧边界区GCM的误差大小,另一个试验中,RCM的侧边界位置根据GCM预报误差的空间分布选取,使其落在GCM预报误差较小的区域.3个试验都对1998年5、6、7月份中国区域的降水过程进行了模拟和比较.结果表明:单独使用GCM的效果最差;当用GCM-RCM嵌套模式对区域气候进行预测时,GCM侧边界值的误差对RCM的模拟结果有显著的影响,嵌套侧边界若选择在GCM系统性误差较小的地区,模拟或预测效果会有明显的改进.     

有限区分析预报系统及其业务应用

中国国家气象中心在新开发的有限区多元最优插值分析技术及１５层球面网格原始方程模式的基础上建立了一个新的有限区分析预报系统。１９９１年投入业务使用，主要用于２４－４８ｈ降水预报。这个系统是依附于全球同化预报系统的一个分支系统。亦即使用全球谱模式６ｈ预报作为初估值进行有限区细网格分析及使用其１２—６０ｈ预报作为侧边界值进行非同步嵌套预报。作为一个升级模式系统，它的进步表现在：较充分使用了卫星测湿资料及地面资料的细网格多元最优插值分析；同时使用同场及质量场初值，成功地实现了有限区非线性正规模初始化处理；采用位涡拟能守恒差分格式，包含较真实地形的球面坐标原始方程模式；实现了具有不同模式地形的差分模式与谱模式的嵌套及设计了分级降水客观检验系统。     

区域气候模式在东亚地区的应用研究：垂直分辨率与边界对夏季季风降水影响

将美国国家大气研究中心（ＮＣＡＲ）的区域气候模式（ＲｅｇＣＭ２－１９９６）设置在东亚－西太平洋区域。利用该模式研究东亚区域气候模式的几个重要问题,即：垂直分辨率的影响,侧边界条件的重要性等。数值试验结果表明：细垂直分辨率模拟的降水分布优于粗分辨率模式,但容易引起“数值点暴雨”;ＥｅｇＣＭ２／ＥＡ与不崃源的大尺度侧边界嵌套,模拟的降水会有明显的不同,当用ＲｅｇＣＭ２／ＥＡ与不同来源的大尺度侧边界嵌套     

有限区域套网格数值预报模式的侧边界处理技术的研究与试验

本文选择了几种有代表性的侧边界处理方案,利用三维十一层原始方程模式,引进套网格技术,用1983年3月14日20时的实测资料作为初始场,对一次倒槽气旋的南下过程进行24小时数值预报试验。通过预报试验,调试出了适合于模式的侧边界处理方案,试验表明,该方案能使天气系统自由出入细网格区域而不伴有明显的二倍格距波。具体地说,所预报的倒槽气旋及其后部的高压都能进入细网格区域并且东移发展。而细网格区域东部的高压主体则逐渐地从细网格区域东移出去。同时发现,对所试验的数值预报模式而言,在目前流行的两种处理侧边界问题的途经中,通过在侧边界邻域上引进一定宽度的侧边界过渡区,或者通过部分修正原动力学方程组的性质而引进某种形式的附加修正项,使之减弱超定义性质的途径比直接估算所谓的局地相速或特征相速而在各个侧边界有区别地应用流入流出边界条件的途径,具有运算简单,预报效果好的优点     

网格嵌套技术对一次中尺度对流系统降水过程模拟的影响

利用非静力中尺度模式MM5对2002年7月22日12:00~23日12:00(世界时,下同)长江流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟试验,主要讨论了网格嵌套技术对降水和中尺度对流系统的影响。结果表明:三重嵌套在D1,D2域选用积云参数化方案后,模拟的雨区收缩,虚假降水中心相对减少,降水强度及分布更接近观测值。在模式非线性动力、热力及湿物理过程共同驱动下,通过嵌套网格的双向相互作用,使可分辨云尺度的细网格域D3将其信息通过嵌套边界向次细网格域D2传递,然后再通过D2域边界向粗网格域D1域传递。同样,动力、热力反馈也会反向进行。结果将有助于改进各网格域的预报效果。但对D1网格域系统位置及其发展演变过程的影响相对小些;另外,通过双向多重嵌套,可提高模式预报区域的分辨率,特别是提高模式关键预报区域的分辨率,这也就有可能改进预报的中尺度物理场,使其能够较真实地描写大气实况。     

中尺度模式中不同对流参数化方案的比较试验

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,粗细网格采用不同的积云参数化方案对降水预报有一定的影响。采用常用的四种积云参数化方案,粗细网格进行不同配置,对辽东半岛大暴雨过程进行试验发现：细网格信息可以通过嵌套边界向外层传递,影响外层预报结果。细网格选取GR方案比选取AK、BM、KF方案模拟效果好很多;细网格参数化方案不变,粗网格取不同的参数化方案,对细网格的模拟结果差别不大。但选取一个好的参数化方案对细网格的模拟结果会稍有改进。     

A comparison of 3D model results with observations for an isolated CCOPE thunderstorm

Summary This paper is concerned with the simulation of deep convection for the CCOPE 19 July 1981 case study. Clark's three-dimensional (3D) cloud model modified to use the bulk water parameterization scheme of Lin et al. has been used in the simulation of the CCOPE 19 July 1981 case in coarse mesh, fine mesh, and interactive grid nested schemes, respectively. Comparisons with observations show this 3D grid nested cloud model is capable of both capturing both the dynamic and microphysical properties of the cloud.In the nested grid fine mesh model simulation, the timing and mode of cloud growth, the diameter of liquid cloud, the cloud top rate of rise, the maximum cloud water content, and the altitude of first radar echo are consistent with observations. The simulated thunderstorm begins to dissipate, after precipitation reaches the ground as indicated by the decreasing values of maximum updraft and maximum liquid cloud water content, and ends as a precipitating anvil as was observed in the actual thunderstorm. The model precipitation developed through ice phase processes consistent with the analysis of observations from the actual thunderstorm.Qualitative comparisons of the actual radar RHIs with simulated reflectively patterns from the 3D model show remarkable similarity, especially after the mature stage is reached. Features of the actual RHI patterns, such as the weak echo region, upshear anvil bulge, strong upwind reflectivity gradients, and the upwind outflow region near the surface are reproduced in the simulation. Comparison of the actual radar PPIs with horizontal cross sections of radar reflectivity simulated by the 3D model, however, show modest differences in the storm size with the 3D simulated thunderstorm being 1–2 km longer in the west-east direction than the actual thunderstorm. The model-predicted maximum updraft speed is smaller than the 2D model-predicted maximum updraft speed, but still greater than what was observed.Comparisons among the nested grid fine mesh model (MB), nested grid coarse mesh model (MA), fine mesh model (FM), coarse mesh model (CM), and 2D model results previously published show that the nested grid fine mesh model (MB) gives the best simulation result. The various 3D model simulation results are generally similar to each other except for the difference in the domain maximum values. The domain maximum values in the fine mesh models (MB and FM) are generally higher than the coarse mesh models as a result of averaging over a smaller area.With 7 Figures     

应用于双向套网格模式的一种变格距差分解法

本文提出了一种用于双向套网格模式的变格距差分计算方案。该方案在不同格距的网格区采用不同精度的差分格式，它自然地连接粗细网格，避免了一般套网格方案在粗细网格相重合点上进行的重复计算。用解析法和数值试验证明了:它与其它一些变格距差分格式相比，对短波的穿透能力有明显改进，虚假的反射也较小。应用该方案建立了正压原始方程双向套网格模式，并采用空间分解和时间分解计算方法。这不仅使二维问题转化为二个一维问题，而且二维套网格也可简化为一维均匀网格和一维套网格两部分，从而使计算和程序简化。用理想场为初值所做的一系列数值试验表明，该模式中的波可以自由进出粗细网格区，计算稳定。最后，还用该模式做了台风路径预报试验，给出了一些试验结果。     

Integration of a semi‐implicit model with time‐dependent boundary conditions

A semi‐implicit barotropic primitive equations model is integrated over a limited area with time dependent boundary conditions using the standard mesh and a finer mesh. Following a theorem by Charney, a minimum number of variables are specified as boundary conditions for the limited area integrations in order to avoid mathematical over‐specification. The comparison of coarse mesh limited area forecasts with the corresponding forecasts made over a much larger domain demonstrates that the essential features, namely the Rossby type perturbations, are handled almost perfectly. The fine mesh forecasts over the same limited area are also very good. Finally, the effect of specifying inaccurate boundary conditions, in the form of twelve‐hour forecasts, is briefly illustrated.     

Initializing a Mesoscale Boundary-Layer Model with Radiosonde Observations

A mesoscale boundary-layer model is used to simulate low-level regional wind fields over the La Plata River of South America, a region characterized by a strong daily cycle of land–river surface-temperature contrast and low-level circulations of sea–land breeze type. The initial and boundary conditions are defined from a limited number of local observations and the upper boundary condition is taken from the only radiosonde observations available in the region. The study considers 14 different upper boundary conditions defined from the radiosonde data at standard levels, significant levels, level of the inversion base and interpolated levels at fixed heights, all of them within the first 1500 m. The period of analysis is 1994–2008 during which eight daily observations from 13 weather stations of the region are used to validate the 24-h surface-wind forecast. The model errors are defined as the root-mean-square of relative error in wind-direction frequency distribution and mean wind speed per wind sector. Wind-direction errors are greater than wind-speed errors and show significant dispersion among the different upper boundary conditions, not present in wind speed, revealing a sensitivity to the initialization method. The wind-direction errors show a well-defined daily cycle, not evident in wind speed, with the minimum at noon and the maximum at dusk, but no systematic deterioration with time. The errors grow with the height of the upper boundary condition level, in particular wind direction, and double the errors obtained when the upper boundary condition is defined from the lower levels. The conclusion is that defining the model upper boundary condition from radiosonde data closer to the ground minimizes the low-level wind-field errors throughout the region.     

初始条件和边界条件对区域模式模拟青藏高原区域气候的影响

用ＧＦＤＬ气候场及ＧＣＭ的模拟结果分别为区域模式（ＭＭ４）提供初始条件和边界条件,模拟了青藏高原地区夏季区域气候特征,通过比较不同初始条件和边界条件时区域模式的模拟结果,分析了初始条件和边界条件对模拟结果的影响,虽然这两种方法都模拟出青藏高原附近的主要区域气候特征,但ＧＦＤＬ提供初始条件和边界条件对ＭＭ４的模拟结果明显优于用ＧＣＭ提供初始条件和边界条件时的模拟结果,特别是高层,ＧＣＭ输出结果与实际     

一次江淮梅雨锋暴雨的数值模拟可预报性研究

利用中尺度非静力MM5模式研究不同初始扰动（误差）对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨数值预报不确定性的影响,并着重分析了提前36h定量降水的可预报性。结果表明,利用常规观测资料和NCEP/NCAR分析资料形成初始场的控制试验能够提前36h做出较好的模拟。扰动温度场的敏感性试验表明,扰动温度的均方差愈大,降水预报不确定性也愈大。误差演变特征和增长机制分析表明,误差增长具有升尺度特征,误差首先在对流层低层和高层增长,然后大值区向对流层中层扩展;湿降水过程是对流层中低层误差增长的主要机制;对流层高层的误差增长是大气干动力与湿过程共同作用的结果,前期以干过程为主,后期以湿过程为主。     

Impact of soil moisture initialisation and lateral boundary conditions on regional climate model simulations of the West African Monsoon

In this study, we use the Met Office Hadley Centre regional climate model HadRM3P to investigate the relative impact of initial soil moisture (SM) and lateral boundary conditions (LBC) on simulations of the West African Monsoon. Soil moisture data that are in balance with our particular model are generated using a 10-year (1997–2007) simulation of HadRM3P nested within the NCEP-R2 reanalyses. Three sets of experiments are then performed for six April–October seasons (2000 and 2003–2007) to assess the sensitivity to different sources of initial SM data and lateral boundary data. The results show that the only impact of the initial SM anomalies on precipitation is to generate small random intraseasonal, interannual and spatial variations. In comparison, the influence of the LBC dominates both in terms of magnitude and spatial coherency. Nevertheless, other sources of initial SM data or other models may respond differently, so it is recommended that the robustness of this conclusion is established using other model configurations.