高分辨率数值预报模式并行计算方法研究

根据计算机软硬件条件引进开发数值模式在ＰＶＭ环境下的并行版本,于１９９６年６月开始模式并行计算业务实验。结果表明：在数值预报中采用并行计算技术后,其ＣＰＵ加速比达到３．２１,并行效率达８０％,模式并行计算版本运行基本稳定,计算结果与串行计算结果基本一致。     

改进的物理过程参数化对台风路径数值预报的影响

文章介绍了国家气象中心的台风路径数值预报试验模式和新开发的改进物理过程参数化方案，对1992年的5个台风个例初步试验结果表明:改进物理过程参数化模式对台风路径和台风强度的预报比简单物理过程模式有明显提高，24 h和48 h台风中心位置预报误差分别为188 km和337 km，比原模式减小38 km和190 km；48 h台风中心气压与实况之差平均减小3 hPa。     

改进的物理过程参数化对台风路径数值预报的影响

文章介绍了国家气象中心的台风路径数值预报试验模式和新开发的改进物理过程参数化方案，对１９９２年的５个台风个例初步试验结果表明，改进的物理过程参数化模式对台风路径和台风强度的预报经简单物理过程模式有明显提高，２４ｈ和４８ｈ台风中心位置预报误差分别为１８８ｋｍ和３３７ｋｍ，比原模式减小３８ｋｍ和１０９ｋｍ；４８ｈ台风中心气压与实况之差平均减小３ｈＰａ。     

高分辨率业务数值预报模式的进展

随着计算机的飞速发展,当然还有人们对大气运动过程的深入了解,数值天气预报在两个方面将得到迅速发展,这就是预报时效的延长和预报准确度的提高.欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的十天业务预报早已闻名于世.它的中期预报产品已广泛应用于世界各主要气象中心并取得十分有效的经济和社会效益.英国气象局已     

WRF模式云微物理参数化方案预报效果分析

利用中尺度模式WRFV3.5中常用的云微物理过程参数化方案,对河南省3次典型强天气过程进行敏感性试验。结果表明:不同微物理方案对过程降水的预报效果存在差异,随着模拟降水量级的增大,各方案之间的差异也随之增大。模拟效果相对较好的方案存在不确定性,在所选过程的模拟中没有哪种云微物理方案明显优于其他方案。相对地,WSM6类冰雹方案在所选的局地干、湿对流过程中能更合理地表现出强降水量级、范围及落区。对于"2007-07-29"卢氏暴雨过程,采用WSM6类冰雹方案的模拟效果最理想,WSM3方案模拟效果次之,Thompson和Lin方案的模拟效果最不理想。对于"2011-06-24"豫西局地强风雹过程,3种相对复杂的微物理方案模拟结果差别不大,相对地,WSM6类冰雹方案模拟效果优于其他方案的,Lin方案的模拟效果相对较差。"2006-06-25"豫西北飑线过程的模拟结果表明,各方案虽不能完美再现飑线的影响时间、范围及其结构特征,但每种方案均有其自身特点且能表现出部分细节特征。相比于WSM6类冰雹方案和Thompson方案,Lin方案模拟结果在影响时段、范围及飑线结构等方面表现得更理想。     

冰雹生长物理过程参数化研究

对冰雹生长物理过程的理论与实验研究都表明 ,冰雹生长过程中表面热量与质量传输决定了冰雹生长率及其结构特征。然而 ,许多模式研究者在冰雹的热量平衡方程中 ,关键的热传输系数一直引用Ranz和Marshall在小雷诺数下对水滴蒸发的测定结果进行外推 ,与实际的冰雹状况差距较大。本文利用郑国光在与实际冰雹尺度相对应的雷诺数范围内 ,对热传输系数的测定结果 ,进行参数化处理 ,应用于胡志晋等的一维及三维冰雹生长模式 ,结果发现冰雹的融化、蒸发、干湿增长都有很大不同。其中冰雹的融化率比原模式大 12 %～ 5 0 % ;冰雹的蒸发率比原模式大 10 %～ 2 0 0 % ;冰雹的干湿增长率增大 10 %～ 40 %。     

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案,并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题,建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时,要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。     

高分辨率有限区务数值预报模式及降水预报试验

该文介绍了国家气象中心在原业务有限区模式基础上开发的一个新的高分辨率有限区模式，该模式除分辨率提高外，其主要改进表现在：１．增加了地面土壤过程，地面辐射过程，地面摩擦及边界层垂直湍流输送；２．积云对流参数化方案改用质量通量方案取代了原来的Ｋｕｏ方案。文章还对模式的准业务运行结果作了较全面地评述。     

高分辨率有限区业务数值预报模式及降水预报试验

该文介绍了国家气象中心在原业务有限区模式基础上开发的一个新的高分辨率有限区模式（HLAFS）。该模式除分辨率提高外,其主要改进表现在：（1）增加了地面土壤过程、地面辐射过程、地面摩擦及边界层垂直湍流输送;（2）积云对流参数化方案改用质量通量方案取代了原来的Kuo方案。文章还对模式的准业务运行结果作了较全面地评述。     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

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...     

基于数值模式的月尺度近地层气象要素预报技术研究

利用WRF模式对美国NCEP发布的CFS气候预测业务产品在中国区域内进行动力降尺度预报,可得到预报时效为45天的逐6小时、30 km分辨率基础气象要素预测产品。再利用全国气象站观测资料和3个风电场70 m高度风速、温度观测资料对2015年冬季预测结果进行检验评估和分析,最后通过线性方法对地面要素预测结果和70 m高度风速、温度预测结果进行统计订正。结果表明:（1）2 m温度和相对湿度的全国预报平均绝对误差分别为4.71 ℃和18.81%,在华东、华中和华南地区误差较小;（2）10 m风速预报平均绝对误差为2.42 m/s,在东北、华北和西北地区误差较小;（3）线性订正后,2 m气温、相对湿度和10 m风速的预报绝对误差分别减小1.05 ℃、5.29%和1.47 m/s,并且订正后误差随时间变化更平稳;（4）订正后70 m高度风速和温度的预报绝对误差均减小,风速平均误差减小最大可达1.29 m/s（B塔）,气温平均绝对误差减小最大可达3 ℃（C塔）。研究结果表明,基于CFS产品和WRF模式的、与月尺度风电预报关系密切的气象要素预报性能较好,未来可将该方法尝试于风电场的月尺度功率预测产品研发。      

不同物理过程参数化方案对贵州降水预报的敏感性试验

利用我国新一代数值预报模式GRAPES,采用6个不同的参数化方案组合：即选择Kessler、NCEP3_class simple ice和simple ice（developed by LiuQijun,CAMS）微物理过程参数化方案和Kain-Fritseh（new Eta）、Betts-Miller-Janjie积云参数化方案形成6个组合,对2004年贵州汛期的降水过程进行48小时的预报试验,对预报结果进行对比分析并与实况资料进行比较、检验。结果表明：GRAPES模式适合对贵州的降水预报;积云参数化方案对降水的影响比微物理过程参数化方案对降水的影响大。simpleice方案与Betts-Miller-Janjie方案组合对贵州降水的预报较好,这些结果对提高GRAPES模式对贵州降水的预报能力有一定的参考意义。     

中尺度数值模式中湿过程参数化的敏感性试验

本文利用一个三维中尺度模式，分别采用两种不同的湿过程处理方案ＦＰＡ和ＮＣＡ模拟同一个洋面冷锋个例，以考察模拟结果对湿过程参数化方案的敏感性。两种方案的区别在于前一种使用了次网格湿对流参数化而后者没有。通过比较分别使用ＦＰＡ和ＮＣＡ方案所进行的模拟ＦＰＳ和ＮＣＳ，发现冷锋结构在两者间出现较大差异。从８５０ hPa等压面|Δθe|等值线图所显示的结构看，ＮＣＳ中冷锋呈现为一长一短两条锋带，而ＦＰＳ中冷锋仅呈现为一条锋带。在相应的冷锋横向垂直剖面中，ＮＣＳ中存在两个相邻的锋面垂直环流，而ＦＰＳ中只有一个。另外，ＮＣＳ中对流不稳定的冷锋区出现垂直运动过分发展的现象，而ＦＰＳ中不存在这个问题。通过与卫星云图比较，我们注意到，ＮＣＳ中尽管出现了垂直运动过分发展的现象，但相对于ＦＰＳ而言，其模拟的冷锋结构与实际较为接近，成功地模拟出云图上显示的双冷锋结构。ＮＣＳ中垂直运动过分发展的一个重要原因是模式中采用的静力平衡近似。ＦＰＳ中次网格对流参数化方案的使用，通过减少甚至消除对流不稳定度，一方面使垂直运动的过分发展倾向受到约束，另一方面也可能使在对流不稳定层结下的锋区环境中本应出现的中尺度结构失去了形成的机会。     

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。     

华南区域高分辨率数值模式前汛期预报初步评估

基于华南地区自动站逐小时观测资料, 采用传统站点评分、邻域法等评估华南区域高分辨率数值模式(包括GRAPES_GZ_R 1 km模式和GRAPES_GZ 3 km模式)对降水、地面温度和风场等要素的预报能力。结果表明: GRAPES_GZ_R 1 km模式的降水预报技巧优于GRAPES_GZ 3 km模式, 模式预报以正偏差为主。对于不同起报时间的预报, 00时(世界时, 下同)起报的预报效果优于12时。GRAPES_GZ_R 1 km模式的TS评分是GRAPES_GZ 3 km模式的两倍以上, 对不同降水阈值的评分均较高。分数技巧评分(FSS)显示GRAPES_GZ_R 1 km模式6 h累计降水预报在0.1 mm、1 mm及5 mm以上的降水均可达到最低预报技巧尺度, 对所检验降水对象的空间位置把握能力更好。2 m气温和10 m风速检验结果表明两个模式均能较好把握广东省温度的分布特征, GRAPES_GZ_R 1 km模式对2 m气温预报结果优于GRAPES_GZ 3 km模式, 预报绝对误差更小; 两个模式对风速的预报整体偏强, 预报偏差在1~4 m/s之间, 但相比之下GRAPES_GZ 3 km模式在风场预报上表现更好。GRAPES_GZ_R 1 km模式的2 m气温和10 m风速预报偏差随降水过程存在明显波动, 强降水过后温度预报整体偏低, 风速预报偏强, 在模式产品订正、使用等需要考虑模式对主要天气系统的预报情况。总的来说, GRAPES_GZ_R 1 km模式的预报产品具有较好的参考价值。      

积层混合云数值模拟研究(Ⅰ)──模式及其微物理过程参数化

用积云对流速度场叠加辐合场的方法建立了一个二维平面对称积层混合云数值模式,以用于模拟研究层状云和嵌入其内的对流云组成的混合云。模式动力场计算以一种新的方法求解(V,θ,π)为基本变量的深对流滞弹守恒型方程组。云中微物理过程考虑了6种水质并使用双变参数谱描述和采用更为合理的粒子谱。为了便于与实测雷达回波强度和结构比较,模式可以计算雷达观测模式云的回波强度。     

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。     

一次梅雨锋暴雨过程数值模拟的云微物理参数化敏感性研究

梅雨锋暴雨中的云微物理过程对降水的演变有着重要影响。本文通过WRF模式（3.4.1版本）,针对2018年6月29～30日一次梅雨锋背景下的暴雨过程进行数值模拟,分别采用了Morrison、Thompson和MY云微物理参数化方案进行对比分析,结果发现:（1）三个方案模拟的背景场在天气尺度上,都与ERA5再分析资料一致,能够模拟出有利于强降水发生的环流场。云微物理过程对梅雨期暴雨的局地环流有着显著影响,不同方案存在明显差异,本次过程中,Thompson方案模拟出更强的局地环流系统变率和上升气流。三个方案的模拟降水均有所夸大,小时降水率始终大于观测值。冰相粒子融化或雨滴搜集云滴的高估可能是造成降水模拟值偏强的重要原因之一,总体来看,Morrison方案的模拟效果相对最优。（2）冰相粒子融化、雨滴搜集云滴是雨滴增长的关键源项,蒸发则是其最重要的汇项。总的来说,雨滴对云滴的搜集量大于冰相粒子融化。但上述过程在不同方案中存在空间上的差异,从而使得模拟降水的空间分布存在差异。（3）Thompson方案中,冰相粒子融化量最大,雨滴蒸发项显著大于其它两个方案,在底层表现得最为明显。同时,该方案水汽凝结效应最强,使得雨滴搜集更多云滴。该方案模拟的雨滴最多,降水最强。该方案中凝华的主要产物为雪,且其在与过冷水碰并增长过程中占主导地位,故模拟的雪最多。（4）Morrison方案中,水汽主要凝华为雪和少量霰（冰晶忽略不计）;Thompson方案中水汽基本凝华为雪,其它冰相粒子极少;MY方案中,水汽主要凝华为雪和冰晶,冰晶总量略少于雪,但显著大于其它方案。（5）云滴在凇附过程中的总体贡献大于雨滴。Morrison和MY方案中,霰粒子搜集云滴增长的量均最大。Morrison方案中,其它凇附过程不同程度发挥作用,而MY方案中,其它凇附过程几乎可忽略不计。并且,霰粒子搜集云滴的增长量大于凝华过程产生的雪粒子总量。贝吉龙及凇附效应的差异,是不同方案中冰相粒子分布差异的关键原因之一。