陆面过程模式中积雪过程的参数化及初步试验

为了用气候模式研究冰雪圈变化的气候效应，我们在已经发展的土壤－植被－大气模式基础上，考虑积雪改变表水文和反照率的参数化，建立了包含雪盖问题的陆面过程模式。利用中国西北黑河地区的ＨＥＩＦＥ实测气象和辐射资料，检验了模式对大气降雨和降雪的响应，结果表明，该模式描写的各种物理过程合理，一些可观测要素（如地面温度和地表净辐射通量）的演变特征与实况相当一致。     

陆面过程模式的研究进展简介

陆面过程是影响大气环流和气候变化的基本物理、生化过程之一。根据陆面过程研究的发展进程,介绍了三代陆面过程模式的不同特点和发展历程,指出在未来陆面方案中,引入光合作用和碳循环,可以更加真实地反映土壤、地表、大气、生物圈相互作用。陆面过程模式发展应该着眼于综合并且动态考虑植被类型变化、光合作用、碳循环和水循环的真实水文生化模型建立,将有效增强对气候变化的研究,提高天气预报模式的准确率。     

BCC_AVIM陆面过程模式冻融过程参数化的改进与检验

In this paper, considering the importance of the freezing-thawing process to the land-atmosphere interaction, and referring to the research and works on the parameterization scheme of the freeze-thaw process by domestic and foreign scholars, the parameterization scheme of the freezing-thawing process of the BCC_AVIM land surface process model is improved and vitrificated. The improvements mainly include:(1)adding the concept of supercooled water, improving soil freezing judgment conditions and updating standards for ice content;(2)adding the concept of equilibrium temperature to replace the constant freezing temperature in the original scheme;(3)Adding the impermeable fraction in hydraulic conductivity’s parameterization scheme. The modified and original schemes were used to simulate the two freeze-thaw processes of Maqu Station in 2018-2019 and 2019-2020 respectively. Comparing with the original scheme during the freezing and thawing process, it is found that modified scheme(1)increase the simulation of temperature in the frozen state, also reduce the temperature’s amplitude, and change the trend closer to the measurement data;(2)increase the simulation of water content in the frozen state, and the trend of water content of modified scheme has a better correlation with the measurement data;(3)delay the date of ice generation in the soil, advance the melting date of ice, and decrease the simulation of maximum ice content;(4)The simulation of the transition date at each stage of the freeze-thaw process is closer to the actual measurement;(5)The new scheme has a better simulation improvement effect for strong freeze-thaw years than weak freeze-thaw years. © 2022 Authors. All rights reserved.     

陆面过程模式的敏感性试验

本文对文献[1]中提出的陆面过程模式(简称LPM)进行了下列敏感性试验:1)植被的覆盖度,2)土壤湿润程度,3)不同植被类型(半荒漠、草原、混交林、森林和作物地五种)和4)不同气候带(半干旱、半湿润和湿润带三类)。试验结果与相应的观测和气候状况进行了比较,表明了模式对上述参数或参数组变化的敏感程度。模拟的不同植被和气候带的温湿状况和能量平衡关系是合理的。因此可以用于气候模拟的研究。     

一个改进的陆面过程模式及其模拟试验研究第二部分:陆面过程模式与区域气候模式的耦合模拟试验

在第一部分提出的陆面过程模式与区域气候模式ＲｅｇＣＭ实现耦合的基础上,利用这一耦合模式（简称ＣＲｅｇＣＭ）对中国中东部地区１９９１年５～７月江淮大暴雨时期的强降水气候特征进行了模拟,并与ＮＣＡＲ的区域气候模式ＲｅｇＣＭ２（此处称ＮＲｅｇＣＭ）在同样初、边值条件和同样物理过程选项下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明,模式ＣＲｅｇＣＭ具有较强的模拟性能和模拟能力,基本上成功地模拟了这次极端的降水气候事件。在某些方面,如地面气温和与陆面过程有关要素的模拟上,ＣＲｅｇＣＭ的模拟结果要比ＮＲｅｇＣＭ的结果更合理。     

简评陆面过程模式

在这篇文章中,阐述了陆面过程对天气,气候和大气环流的影响以及陆面过程模式在大气数值模拟中的重要性;回顾了陆面过程模式的发展历史;分析了一些陆面过程模式之间的主要结构差别;讨论了目前陆面过程模式的发展水平和未来的发展方向;简述了大气中尺度模式与陆面过程耦合的必要性以及当今耦合模式的研究现状。     

一种陆面过程模式对径流的模拟研究

径流在陆面模式水量平衡计算中占有重要地位,它不但与土壤水的动态变化有关,而且会影响感热、潜热等其他通量的计算结果.作者针对陆面过程模式AVIM(Atmosphere VegetationInteraction Model)对产流描述的不足,改进模式中对径流的参数化方法.并将改进后的模式用于内蒙古的锡林河流域,以检验模式对径流的模拟能力.1991～1994年的径流模拟结果表明,改进后的模式对径流的模拟有较好的改善.     

大气环流模式中陆面过程简介

大气环流模式中引入陆面过程的综合性分析表明：大气对下垫面特征是敏感的。     

陆面过程模式研发中的问题

陆面过程研究是充分理解天气/气候/地球系统过程不可或缺的重要主题。本文全面梳理了当前用于数值天气/气候/地球系统模式的陆面过程模式研制的问题,建议了当前陆面过程模式研制中需加强和改进完善的关键内容。特别强调在新一代模式研发中建立包含人类活动的高分辨率全球陆面过程模式;特别强调与其他学科相结合,形成不同行业的预报预测系统或研究方法和工具。建议建设中国的集模式发展、数据分析、模拟方法、高性能计算、数据可视化和应用示范为一体的陆面模拟综合集成平台,为天气/气候/地球系统模式提供陆面过程模式,为开展精细化的全球和区域陆面水文-气象-生态的预报预测提供科技支撑。     

AREM模式对“05.7”四川大暴雨的敏感性试验

利用AREM中尺度数值模式,对2005年7月8日四川盆地大暴雨天气过程进行了数值模拟,比较分析了AREM模式提供的不同降水方案、地表通量方案、地表辐射参数化方案对此次降水过程的模拟,以及对该过程中西南低涡活动特征的模拟。试验结果     

AREM模式对"05.7"四川大暴雨的敏感性试验

利用AREM中尺度数值模式,对2005年7月8日四川盆地大暴雨天气过程进行了数值模拟,比较分析了AREM模式提供的不同降水方案、地表通量方案、地表辐射参数化方案对此次降水过程的模拟,以及对该过程中西南低涡活动特征的模拟。试验结果表明:各方案较好地反映了四川盆地西南部强降水,对其东北部的强降水模拟存在较大偏差;各方案模拟的涡度场和流场分布决定了降水区域分布;采用降水的显式云微物理过程和大尺度饱和凝结过程模拟的降水强度、低涡强度和低空急流有一定差异,后者模拟的偏强,与实况更接近;不同地表通量过程和地表辐射过程对降水、低涡和低空急流的模拟无明显差异。     

非静力AREM模式设计及其数值模拟II:数值模拟试验

在程锐等（2018）中,我们完成了非静力AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）模式动力框架设计。本文将通过理想和实例试验检验其模拟能力。设计理想试验并通过与国际成熟的中尺度非静力框架比较,直接检验非静力AREM三维动力框架在细致分辨率（约1 km）下的模拟性能。可以看出,非静力AREM与ARPS（Advanced Regional Prediction System）、WRF（Weather Research and Forecasting Model）模拟出类似的积云对流结构及演变特征,从而基本确证了本文发展的非静力框架的正确性。结合原静力平衡模式的初始化和物理参数化过程,形成非静力AREM模式系统。台风实例模拟表明,粗分辨率下静力、非静力AREM模式性能接近;但在高分辨率下,非静力明显优于静力模式。我们还开展了批量降水试验检验,对非静力AREM模式性能进行了进一步的验证。     

GRAPES NOAH-LSM陆面模式水文过程的改进及试验研究

土壤含水量的计算影响着陆面过程的能量平衡和水量平衡,是陆面模式的核心计算要素之一。目前,GRAPES_Meso模式采用的NOAH-LSM(Noah-Land Surface Model)陆面模式既不能有效地表达径流产源面积的变动情况,也不能完整描述水文循环过程。本次试验针对以上问题对其进行了改进:(1)加入蓄水容量曲线,考虑网格内产流面积的变化及土壤含水量的不均匀性;(2)加入汇流模式,以考虑水平二维水分再分配,提高模式对径流和流量模拟能力。选取2008年8月至9月降水进行模拟试验,研究陆面水循环过程对近地面气象要素的影响。结果表明:改进后的模式模拟土壤湿度、2 m温度等近地面气象要素更接近观测值,并最终对降水量以及降水落区也产生了一定的影响。     

基于AREM 模式的贝叶斯洪水概率预报试验

为提高预见期内洪水预报精度,选取湖北省漳河水库2006 —2008 年汛期逐小时流域降水量、流量资料以及武汉暴雨研究所提供的相应时段AREM 模式预报的00 —60 h 逐小时降水预报产品作为研究资料,引入贝叶斯概率统计模型对AREM 模式的降水预报进行订正,并分别对订正前后的预报降水进行对比分析;其后,进一步将AREM 模式预报订正前后的降水预报值分别输入新安江水文模型进行洪水预报试验。结果表明,订正后的预报降水比订正前的精度有所提高,均方根误差减小幅度小于10 % ;检验期场次洪水的平均确定性系数提高10 .66 % ,平均洪峰相对误差减小3.05 % ,洪水预报精度在一定程度上有所提高。     

陆面过程模式CLASS径流模拟的改进和应用

针对陆面过程模式CLASS(Canadian Land Surface Scheme)产流模拟方面的不足,提出考虑壤中流产流机制的产流模拟方案。利用淮河流域能量和水分循环试验(HUBEX)资料,在史灌河流域对改进前后的模型进行了对比试验。结果表明,产流模拟改进方案大大提高了CLASS的径流模拟能力,同时改善了模式对土壤含水量的模拟。     

AREM初值敏感性试验及误差分析

本文基于区域暴雨数值预报模式AREM,对2008年7月四川地区的整月天气过程进行数值模拟试验,分别采用台站常规报文资料、T213预报场资料和以T213资料为背景场,融合常规报文资料3种初值,发现得到的模拟结果差异很大,其中以台站常规资料为初值模拟的降水最接近实况。和台站资料相比,T213预报场资料在四川盆地中西部中低层大气的湿度偏大,温度偏高,风场偏强,而位势高度偏低,直接导致了模拟的降水偏强。这些初值的差异随着积分时间逐渐变小,通过对比逐时降水发生发展过程,发现降水的差异与湿度的调整最为吻合,初值中各个量场对模拟结果都有一定的影响,其中水汽场的影响最为显著,位势高度场的影响最弱。通过比较不同时次初值的模拟结果还发现,0000UTC时刻大气系统相对稳定,故以此为初值模拟的降水比从1200UTC时刻开始模拟的降水更合理。模式模拟的前24h降水比后24h降水的效果更好,一方面说明临近预报的准确度更可靠,另一方面也反映积分前期模式对初值的响应相当敏感。     

SHAW模式的改进及其在黄土高原半干旱区的模拟研究

陆面过程模拟研究中的一个关键问题是如何准确的计算陆气间能量交换,但现有的陆面过程模式模拟的湍流通量与观测值间仍然存在较大偏差,因此改进湍流通量的参数化方案对于提高陆面过程模式模拟能力有重要意义。本研究通过改进陆面过程模式SHAW中的热力粗糙度方案,以及引入干表层蒸发方案,以期改善湍流通量的模拟能力。在此基础上利用黄土高原半干旱区SACOL站观测资料,进行模式改进前后的单点模拟对比试验,研究其参数化方案改进对陆面过程模拟的影响。结果表明:改进后的SHAW模式能够合理地模拟黄土高原半干旱区陆面特征的变化趋势,模拟值与观测值偏差较小。与原来的SHAW模式模拟结果相比,改进后的SHAW_MOD模式显著提高了湍流通量的模拟能力,并改善了净辐射和深层土壤温度的模拟,但对土壤湿度的改进并不明显,这可能与土壤内部水热传输过程及相关参数化方案有关,还有待做进一步研究。     

应用MM5模式对地面大风过程的模拟试验

用MM5模式对2 0 0 1年4月1 7～1 9日、5月1 2～1 5日辽宁省出现的大风过程进行了模拟,并与1 3个代表点的气象观测站资料或野外风电场测风资料作了对比。结果表明:模式能较好地模拟区域风场的演变和分布特征;对逐时风速的模拟与实况有一定差异,但模拟值与实况变化比较同步,基本反映出单点风速变化的趋势;对瞬时风速大于1 0m·s-1和平均风速大于9 0m·s-1的模拟明显偏小。模拟试验初步说明,MM5模式对区域地面风场形势、单点风速随时间变化特征的模拟较好,但可能减弱大风的实际强度。