WRF模式中台风"启德"模拟对 参数化方案的敏感性分析

为准确模拟台风路径和强度,采用WRF模式比较不同微物理过程和积云对流过程参数化方案对台风路径和强度模拟的影响,并基于集合预报方法考虑对台风预报系统误差进行优化。选用4种微物理过程方案和3种积云对流参数化方案,针对1213号台风“启德”进行模拟,结果表明不同的参数化方案对台风路径和强度的预报结果有明显影响,积云对流过程参数化方案相对于微物理过程参数化方案更加敏感。基于不同参数化方案扰动成员的集合平均预报方法,对于台风路径和强度的模拟误差均有明显改善,台风路径误差随时间增幅较小,其结果优于全部12个单方案试验的模拟结果;从台风强度方面来看,基于集合预报方法模拟得到的台风强度变化趋势与实况结果一致,且误差较小,优于大多数试验方案。结果表明:采用不同微物理过程和积云对流过程参数化方案的组合构建的集合预报模型,对于台风路径和强度的模拟均有一定程度改善,减小了采用不同参数化方案产生的路径不确定性,使其在台风“启德”的路径模拟上与实况更为接近,可为提升台风预报能力提供科学参考。     

不同参数化方案试验对南黄海典型台风中心最低气压和最大风速数值模拟影响

为提高对南黄海典型台风的中心最低气压及其最大风速的预报能力,本文以经过南黄海的典型台风——2011年09号台风"梅花"以及2015年09号台风"灿鸿"为例,基于WRF中尺度数值预报模式,以欧洲中期天气预报中心(ECWMF)的再分析资料作为模式的初始场以及侧边界条件,对南黄海台风数值模拟进行了分析。结果表明,不同微物理方案的选择对南黄海典型台风中心最低气压和最大风速模拟结果影响较小;YSU边界层方案以及KF积云对流方案组合模拟效果最佳,可使南黄海典型台风中心最低气压和最大风速的模拟结果误差最小。     

积云对流参数化方案模拟我国东南沿海及台湾海峡地区降水的适用性

我国东南沿海及台湾海峡地区地形和下垫面情况复杂,积云对流活动强烈,这给该地区降水的模拟和预测带来很大困难。为探讨不同积云对流参数化方案在我国东南沿海及台湾海峡地区的适用性,选择了4种参数化方案(Anthes-Kuo方案、Arakawa-Schubert方案、Fritsch-Chappell方案和MIT-Emanuel方案),基于区域气候模式RegCM 4.0分别模拟了该地区的降水情况,并选用了与模式分辨率相当的TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission,0.25°×0.25°)月平均降水资料进行验证。模拟结果表明,4种方案均能大致模拟出我国东南沿海及台湾海峡地区降水的空间结构和季节变化特征。其中,Fritsch-Chappell方案和MIT-Emanuel方案均能较好地模拟出降水空间分布,包括台湾岛南部和广东沿海的降水极值中心,而MIT-Emanuel方案降水的季节和年际变化特征模拟最好,如能够基本再现夏季降水在6月和8月份的双峰结构。此外,基于各高度层假相当位温的计算结果表明,MIT-Emanuel方案模拟的对流活动强烈,产生的对流性降水较多,使得其模拟的降水量值更接近实测资料。因此,MIT-Emanuel方案可能是最适用于模拟我国东南沿海和台湾海峡地区降水的积云对流参数化方案。     

海洋飞沫参数化方案在台风数值模拟中的应用

海洋飞沫作为海气相互作用的重要因子, 在台风的发生、发展过程中扮演着重要角色.将Fairall和Andreas海洋飞沫参数化方案加入到WRF模式中对两个台风--"珊珊"、"桑美"进行了模拟, 以研究不同海洋飞沫参数化在WRF模式中对台风模拟效果的影响.结果表明, 加入Fairall方案后潜热通量、感热通量得到很大程度的加强, 使得台风的热力结构得以改变, 暖心结构十分明显, 从而影响了动力场结构.相对涡差解释了台风移动路径变化的原因, 热成散度、涡度以及水汽通量的改变影响了台风的强度.Andreas方案由于界面通量算法在考虑海表面动量粗糙度、热力粗糙度及水汽粗糙度随风速、相对湿度变化的情况下, 得到的潜热通量、感热通量较Fairall方案为弱, 因而台风的强度不强.飞沫参数化方案对模拟台风路径的影响较小.     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

CICE海冰模式中融池参数化方案的比较研究

冰面融池的反照率介于海水和海冰之间,获得较准确的融池覆盖率对认识极区气冰海耦合系统的热量收支有重要意义。在数值模式中,融池覆盖率的模拟结果直接影响到冰面反照率计算的准确性,本文对CICE5.0中的3种融池参数化方案进行了较系统的比较分析,结果显示3种方案各有优缺点,模拟结果都存在一些问题。cesm方案中判断融池冻结的条件更为合理。比较而言,融池冻结条件更改后的topo方案模拟的北冰洋区域平均融池覆盖率的年际变化幅度、融池覆盖范围、融池发展盛期持续时间与MODIS数据最接近。通过修改CICE5.0中的代码漏洞,研究了融池水的垂向渗透效应,这一效应会带来一些负面影响,如lvl方案中多年冰上几乎没有融池,说明目前的CICE模式中对于海冰渗透性演化或其他物理机制的处理仍有待改进。最后,着重讨论了topo方案的改进思路。     

强对流过程对大尺度模式洋面通量加强的参数化研究与进展

由于地球表面热通量直接决定着大气环流运动,在大气数值模式中如何准确描述地球表面热通量就变处得十分重要.洋面是地球表面最广泛分布的下垫面,它的表面热通量描述尤为被重视.尤其是西赤道太平洋暖池、东赤道太平洋冷舌、ITCZ及信风带等关键区域的洋面热通量的准确估计更是非常重要,这些区域的地表通量变化通常被认为是全球气候变化即ENSO现象的最重要的信号[1].众所周知,中尺度降水对流在以上关键海域频繁发生.中尺度降水对流系统往往有较强的下沉气流(downdraft)[2],这种下沉气流在中尺度降水对流系统与大尺度过程的相互作用中伴演着重要角色.     

"凤凰"台风模拟对陆面方案敏感性的分析

为研究台风模拟对不同陆面过程方案的敏感性,本文以0808号登陆台风"凤凰"为例,采用中尺度数值模式WRFv3及NCEP同化资料,进行了48 h的数值研究。结果表明,每一陆面方案与大气模式耦合模拟时台风中心位置及台风最大风速都呈现出该耦合系统独特的模拟特征,如与观测台风中心位置相比,NOAH方案模拟移动路径平均偏差最小,PX模拟偏差最大,NOAH-PX两方案差异可达NOAH方案模拟移动路径平均偏差的40%,可见台风模拟可因陆面方案的不同而呈现系统性的差异,且台风模拟对陆面方案的选择是敏感的;不同陆面方案通过模拟地表通量的差异导致温压场差异,并进一步影响模拟台风路径及台风强度。这些结果都表明了在台风的模式预报中,选择适当陆面方案的重要性。     

WRF模式中不同物理参数化方案组合在中国近海风能资源评估中的适用性研究

基于中尺度气象数值模式WRF(Weather Research and Forecasting),分别对我国广东、浙江、山东这3个近海典型风能资源储备区域进行了45组物理参数化方案组合连续1 M的敏感性试验,对试验中多要素的模拟结果进行综合评估,分别确定了适用于3个风能资源储备区各自排名前3的物理参数化方案组合,并对其模拟性能较优的原因进行分析。为了测试3个风能资源储备区筛选得到的物理参数化方案组合的适用性,利用不同于敏感性试验时段的模拟结果,结合海上测风塔和海洋气象站的实测数据开展进一步评估。结果表明,优选得到的物理参数化方案组合具有较好的适用性,其对近海的风速模拟性能较优,具有实际业务应用价值。     

两种盐度参数化方案在海冰模式中的应用比较

本文详细介绍了SIS海冰模式中引进两种盐度参数化方案即等盐度方案和盐度廓线方案对海冰模拟所存在的差异。利用盐度廓线方案导出的表征盐度与海冰温度间关系的方程比等盐度方案多出一项,将定义为盐度差异项。盐度差异项对海冰厚度的热力作用表现为：在海冰厚度增长季节（11月到次年5月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度,抑制海冰增长;在消融的第一阶段（6．8月）,盐度差异项通过升高海冰内部温度加快海冰消融;在消融的第二阶段（9．10月）,盐度差异项通过降低海冰内部的温度抑制海冰消融。但尺度分析表明,盐度差异项要比方程中队海冰温度作用最大项小1．2个量级,如果采用一级近似,可以略去盐度差异项,因此盐度差异项对海冰增长和消融影响很小。同时利用冰洋耦合模式（ModularOceanModel,MOM4）,分别采用两种盐度参数化方案模拟北极海冰厚度和海冰密集度的季节性变化,模拟结果也表明两种方案模拟得到的海冰厚度和海冰密集度的季节性变化相差甚小。     

边界层高度和动量粗糙度的不确定性对台风“天鸽”(1713)模拟的影响

基于中国气象局区域台风数值预报系统(CMA-TYM),通过一系列敏感性试验,分析研究了台风“天鸽”(1713)生命过程中不同时间阶段的移动路径及强度的数值模拟对模式参数化方案中边界层高度(h)和动量粗糙度(z₀)的敏感性。试验结果表明,使用不同参数化方案计算的h在“天鸽”(1713)初期的热带风暴阶段对热带气旋的移动路径有较明显的影响,在台风成熟后对热带气旋的移动路径影响不显著 ;台风中心附近最大10 m风速对h的变化不敏感,而最低海平面气压对h的变化却非常敏感。同时发现在台风发展初期阶段,边界层过薄或过厚都不利于台风强度的发展加强。这表明边界层高度h在热带气旋数值模拟和预报中是非常重要的,尤其是在台风发展的初期阶段。动量粗糙度z0的变化对台风“天鸽”的影响主要体现在台风增强阶段,台风中心附近10 m风速最大值在台风增强阶段对z₀敏感,尤其是在台风发展的初期阶段     

登陆型台风“尤特”积云对流参数化方案的数值模拟研究

利用中尺度气象模式WRF-ARW 3.7.1版本,选取6种积云对流参数化方案,对台风"尤特"进行了数值模拟敏感性试验,讨论了不同积云对流参数化方案对影响我国最大的西北太平洋登陆型台风的模拟情况。结果表明:积云对流参数化方案对台风路径和强度影响较为明显;模式对大尺度环流配置模拟的差异是造成台风路径差异的主要原因;在模拟时间较长的情况下,台风核心区对流层中下层的不稳定层结及较为强盛的上升运动使得台风强度偏强。     

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。     

海面风应力拖曳系数参数化方案对风暴潮数值模拟的影响

为了比较不同的海面风应力拖曳系数参数化方案在风暴潮数值模拟中的效果,采用9种不同的风应力拖曳系数参数化方案对湛江附近海域15个热带气旋风暴潮进行数值模拟.模拟结果表明,不同风应力拖曳系数参数化方案对热带气旋风暴潮增水最大值的数值模拟效果不完全相同,在风暴潮数值模拟中要选择合适的风应力拖曳系数参数化方案;文中Smith(...     

西北太平洋暖池区台风对海表盐度的影响

分析了西北太平洋暖池区2002和2003年夏季ARGO浮标得到的次表层温度和盐度剖面,结果表明大多数台风经过暖池区时,会引起海面盐度下降,这与Kwon和Riser等在大西洋观测到的飓风过后海面盐度上升的结论不同,表明西北太平洋暖池区特有的上层结构以及台风在此海域的降雨与大西洋不同,结果对研究西北太平洋暖池区的混合层混合和热交换过程有重要意义.     

台湾地形对台风Dot运动影响的数值研究

本文将多功能、高分辨率的中尺度数值模式CSU-RAMS改为嵌套网格的台风数值模式,并且用该模式成功地模拟出台风Dot在台湾地形影响下产生不连续跳跃式的异常路径,分析了产生这种异常路径的原因是地形诱生低压发生发展的结果.     

不同初始场对台风Khanun模拟效果的影响及其暴雨过程的螺旋度分析

利用中尺度非静力MM5模式,在NCEP和JMA两种初始场方案下,对2005年严重影响我国的15号台风Khanun的登陆过程进行了数值模拟,模拟结果的对比分析及其与观测的比较表明:台风对初始场十分敏感,JMA初始场方案在台风路径、强度和暴雨预报上较NCEP初始场方案都有显著改善。利用JMA方案高分辨模拟结果,对台风暴雨过程的螺旋度特征进行了诊断分析,结果表明:暴雨区上空螺旋度呈高层负值区,低层正中心分布,低层700hPa和850hPa螺旋度高值中心位置和强度演变对未来6h暴雨落区与强度有一定指示意义。     

不同海况下六种湍流通量参数化方案的对比分析

利用前人给出的表面波浪动力试验中的部分观测资料,通过六种不同的湍流通量参数化方案,分别计算了不同海面波浪状况所对应的摩擦速度。结果表明:海面状况对计算结果有显著影响,六种参数化方案计算的摩擦速度相对涡动相关法(EC)直接测量值的偏差纯风浪海面状况下,较交叉涌浪或反向涌浪海面状况时小得多。并且在纯风浪海面状况下,当近海层大气处于不稳定层结时,Dyer74方案计算的摩擦速度相对EC直接测量值的归一化误差最小,仅为8.47%,能够较好的估计近海层摩擦速度。在稳定层结条件下,当整体Richardson数小于0.1时,除Businger71方案外,其它五种方案的计算误差接近且较小。     

两种湍流参数化方案针对水体温度演变过程的模拟与比较

依据山东跋山水库的观测数据,采用MY2.5参数化方案和κ-ε参数化方案在不同的表面边界条件下模拟观测的温度剖面演化过程。模拟结果显示,在风应力强迫的表面边界条件下,采用这两种参数化方案的模拟结果差别不大;当考虑Mellor和Blumberg的波浪破碎表面边界条件时,采用MY2.5参数化方案的模拟结果没有明显的改善,但采用κ-ε参数化方案的模拟结果有明显的改善,得到与观测相符的模拟结果。     

两种湍流参数化方案针对水体温度演变过程的模拟与比较

依据山东跋山水库的观测数据,采用MY2.5参数化方案和κ-ε参数化方案在不同的表面边界条件下模拟观测的温度剖面演化过程。模拟结果显示,在风应力强迫的表面边界条件下,采用这两种参数化方案的模拟结果差别不大;当考虑Mellor和Blumberg的波浪破碎表面边界条件时,采用MY2.5参数化方案的模拟结果没有明显的改善,但采用κ-ε参数化方案的模拟结果有明显的改善,得到与观测相符的模拟结果。