中尺度非静力模式中常用气压分离技术的研究

分析了气压分离和不分离,在几种不同的层结情况下,垂直气压梯度的截断误差.结果表明:基本场取法不当,会引起巨大的截断误差,甚至和不分离时相当;反之,则较小.根据计算,提出了一种取基本场的方法,在一定条件下,可以使气压偏差的垂直梯度的截断误差比不分离时的相应误差小一个量级,从而,可以取较小的垂直分辨率.     

用中尺度非静力模式制作北京气温和风预报

利用国家气象中心与北京市气象局联合开发的“北京地区中尺度数值天气预报业务系统”针对业务预报需要,开发了２米温度、１０米风的要素预报。通过近一年的预报效果检验表明,该系统不仅对一般性天气有比较好的预报效果,同时也可以预报出转折性的大风、升（降）温等天气过程。与ＮＣＥＰ的ｅｔａ模式相比,该系统的温度预报误差与之基本相当,而风速预报误差略小于ｅｔａ模式。     

非静力平衡数值模式

高分辨率的静力平衡模式在中尺度运动的研究中被广泛应用。但一些作者指出静力平衡近似的误差对于重力波的一些重要性质产生影响，因此发展非静力平衡模式是十分必要的。本文主要介绍了完全弹性模式和滞弹性模式，给出了模式的基本方程组，并讨论了与数值解法有关的问题，最后简单地说明了弹性近似模式。     

GRAPES区域模式水汽平流方案的比较与改进

与欧拉显式时间差分方法相比,GRAPES区域模式采用半隐半拉格朗日时间差分方案可增加时间步长且不影响稳定性,而且模式积分可有较高的计算效率和准确性。半拉格朗日法需要用到内插算法来预测下一时刻的值,对于水汽场的内插值来说,常常会造成预报值的过饱和或者是负值,需要进行特殊处理。比较GRAPES模式的准单调半拉格朗日方案(QMSL)和高精度正定保形方案(PRM),分析模式的降水预报、形势预报,同时初步总结了两方案的优缺点。在参考LCSL(Linear Constraint Semi-Lagarangain)方案的基础上,改进QMSL方案,通过连续试验运行,表明新方案基本稳定可靠,对于降水预报、形势预报有一定的改进,在台风预报试验中也有良好的表现。     

半隐式半拉格朗日平方守恒计算格式的构造

在显式半拉格朗日完全平方守恒格式基础上, 构造出半隐式半拉格朗日完全平方守恒计算格式, 它继承了显式半拉格朗日完全平方守恒格式的优点, 并突破计算不稳定柯朗条件对时间步长的约束, 使时间步长大为增长.此外, 还给出这种新的计算格式在一维原始方程上的应用.     

静力平衡模式在中尺度大气模拟中的适用性问题

静力平衡模式是目前数值天气预报的主要模式。近年来随着模式分辨率的提高,非静力平衡模式在中国的研制和ＭＭ５等模式的引进,从理论研究和应用的角度看,有必要对这两种模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作细致的分析研究。本文从理论上分析了静力平衡假定下重力波频率模拟的误差,指出其相对误差随Δｘ增大成平方的减少。当Δｘ≥２０ｋｍ时,相对误差小于４％,当Δｘ≤１０ｋｍ时,相对误差可能大于１６％。和一般顾名思义的概念不同,静力模式计算的重力波频率被夸大,计算的垂直加速度也由于略去惯性项而夸大。推导的准静力平衡模式,对静力平衡模式作了惯性项订正,个例试验也肯定了上述结果。     

位温方程拉格朗日平流计算方案的改进及其在GRAPES_GFS全球模式的应用

GRAPES全球数值预报系统(GRAPES_GFS)个例试验中,模式高层垂直速度在南极大陆上空会出现较大的计算噪音,进而影响模式的积分稳定性,甚至积分中断。对GRAPES_GFS的动力框架以及动力、物理耦合方案进行诊断分析,发现位势温度在拉格朗日上游点上的垂直插值是垂直速度噪音产生的主要原因。2013年7月实际资料试验表明,在位温方程中引入垂直非插值的拉格朗日平流方案,可以减少或消除该计算噪音。使用新的方案后,北半球和热带地区模式预报的整体性能得到了明显提高,8 d预报的全球质量损失较为严重的问题也得到了缓解。     

预估-校正的半隐式半拉格朗日时间积分方案及其在CMA-GFS模式中的应用

CMA-GFS采用的是传统的二时间层半隐式半拉格朗日时间积分方案(SISL).拉格朗日平流速度和非线性项需要采用时间外插进行计算,在急流轴附近等梯度大值区会造成计算不稳定,甚至积分中断现象.文中通过构造预估-校正半隐式半拉格朗日时间积分方案(SISL/P-C),以减少时间外插的影响;半隐式系数由原来的0.72减小到0....     

海岸边界层的非静力模式

建立了一个３级非静力边界层模式,并采用一种新的非局地反梯度闭合方案在杭州附近复杂地形区进行了数值模拟。通过与实测资料和静力条件下的模拟结果的比较,进一步分析了非局地闭合下非静力３级边界层模式的效能。结果表明,该模式比静力模式更能合理地模拟海岩边界层的风温场和湍流场,且模拟结果与实测更接近。     

关于半拉格朗日半隐式大气模式的时步问题

讨论半拉格朗日半隐式大气模式中时步的限制,展示时步过大时用一般的首尾两点平均方案计算非线性源汇项的严重误差,提出精确的源汇项计算格式并作了特例计算和比较,讨论了被模拟的大气过程和波动的特征对时步的要求,指出柯朗数NC=C·△t/△X是大气模式时空步长匹配的重要参数.指出云降水和大气化学过程特征时间对相应的正定变量的计算时步的限制.     

乌鲁木齐市区域数值预报模式业务系统

介绍了区域非静力中尺度数值模式预报系统，模式与MICAPS平台的结合，运行的硬件、软件平台，在新疆气候及复杂地形下对模式的预报能力进行了初步的试验。     

1998年盛夏嫩江、松花江流域暴雨过程中尺度雨团特征

采用地面逐时降水、静止卫星红外云图和云顶黑体温度（ＴＢＢ）等资料,分析了１９９８年８月上旬嫩江、松花江流域的两类不同中尺度雨团的云型和ＴＢＢ特征,揭示出中尺度雨团对应的中尺度云团发生、发展、移动及消亡的特征。     

山东半岛东部中尺度大暴雨过程成因分析

使用常规气象资料、HLAFS资料、红外云图以及中尺度分离技术等对2002年7月24～25日出现在威海市的大暴雨过程进行了分析。结果显示这次大暴雨过程是在西风槽与副高西部边缘西南气流相互作用的大尺度背景下，上升运动区内新生的中尺度气旋引起的强烈的水汽辐合上升造成的，大暴雨区上空高层强烈的辐散对强降水的维持有重要作用。     

利用起放电模式开展闪电活动的直接预报试验

利用耦合有起电和放电物理过程的中尺度起电放电模式WRF-Electric,开展了华北地区连续3年（2015—2017年）的闪电活动预报试验。结合全国地闪定位观测资料,针对不同影响范围雷暴类型和预报时间,对数值预报结果开展点对点的定量检验,评估模式对闪电活动的预报能力及特点。结果表明:WRF-Electric中尺度模式具备一定的区域闪电活动预报能力,在起报后的6~12 h对闪电活动区域具有较好的预报效果。雷暴落区预报的点对点定量检验中,模式和业务预报在华北主汛期（6—8月）的预报临界成功指数（CSI）均为0.1,模式对于活动范围较小的局地性雷暴过程的预报更具参考价值。模式预报的闪电活动范围相对集中,闪电活动密度偏高,预报的主要问题存在于放电参数化方案的设计。应当考虑到模式空间分辨率对云内电场强度的影响,合理降低闪电参数化中的放电阈值以扩大预报的闪电活动范围。模式在闪电密度的定量预报上还有较大改进空间,单次放电中和电荷量应当更符合观测事实。     

农林复合带一维非静力大气边界层模式及其模拟分析

建立了一个农林复合带地区一维非静力大气边界层能量闭合模式，对1000m以下的大气边界层内的风、温、湿作了24h的预报，并对下垫面3种不同参数化方案(农作物、森林、无植被)的输出结果与实测值进行了分析和比较；同时通过敏感性试验，突出比较了农作物和森林下垫面对大气边界层垂直流场，湍流垂直交换和湍能的影响。结果表明，本模式能改善边界层风速、位温和湿度预报的模拟效果，下垫面植被对边界层气象要素大小和分布有显著的作用，对湍能垂直分布有一定影响。     

质量守恒的订正算法在GRAPES_GFS中的应用

如何在长时间积分的过程中保证模式大气的质量守恒是数值模式动力框架面临的基本问题之一,对于半拉格朗日动力框架来说, 在理论上要满足质量守恒面临着诸多的困难,质量订正方案不失为一种简单可行的选择。中国气象局数值预报中心的GRAPES_GFS (Global-Regional Assimilation and PrEdiction System, Global Forecast System) 在长时间积分过程中质量损失问题较为明显,该研究工作借鉴C-CAM (Climate-Community Atmosphere Model) 中对地面气压进行订正控制模式质量守恒的思路,在GRAPES_GFS中开发了一种对每个网格内的质量按照不同权重系数进行调整、控制模式大气总质量守恒的算法。经过一系列的试验,验证了该方法在GRAPES_GFS中的可行性,在保证模式质量守恒的情况下可有效减小高度场的预报偏差,缓解模式预报结果中天气系统偏弱的问题,在实际业务预报中有一定应用价值。     

大气环流模式中非对流云的尺度分析

利用曾庆存的球面泛函空间方法,进行了非对流云的尺度分析,结果是:（1）对于高云,局地变化项、凝结项、平流项和垂直湍流项都是重要的;（2）对于中云除垂直平流比水平平流重要之外,其余结果与高云一样;（3）对于雨层云,凝结与局地变化是重要的;（4）对于海性层云和层积云,局地变化和垂直湍流项是重要的。以上结果对于设计大气环流模式很有参考价值。     

An Analytical one-Dimensional Second-Order Closure Model of Turbulence Statistics and the Lagrangian Time Scale Within and Above Plant Canopies of Arbitrary Structure

An analytical one-dimensional second-order closure model is developed to describe the within canopy velocity variances, turbulent intensities, dissipation rates, Lagrangian time scale and Lagrangian far field diffusivities for vegetation canopies of arbitrary structure and density. The model incorporates and extends the model of momentum transfer developed by Massman (1997) and the model of within canopy velocity variances developed by Weil (unpublished) from the second-order closure model of Wilson and Shaw (1977). Model predictions of within and above canopy velocity variances, turbulent intensities, dissipation rates and the Lagrangian time scale are in reasonable agreement with previously measured or estimated values for these parameters. The present model suggests that the Lagrangian time scale and the far field diffusivity could be strongly dependent upon foliage structure and density through the foliage effects on the velocity variances. A simple formulation for the Lagrangian time scale at canopy height is derived from model results. Taken as a whole, the present model may provide a relatively simple way to incorporate turbulence parameters into models of soil/canopy/atmosphere mass transfer.     

桂西一次强降水过程的物理量演变特征分析

利用Ｔ１０６数值预报产品物理量分析场资料, 对１９９８ 年７ 月２３～２５ 日百色地区持续性的暴雨天气过程进行分析, 揭示了暴雨发生前后影响系统及物理量场的分布与演变特征、影响系统和各种物理量的相互配置与暴雨的关系, 指出能量锋的出现与暴雨落区的形成关系特别密切。     

边界层辐合线发展成飑线的数值试验

利用高分辨率η坐标模式，以一个实际飑线个例的常规资料为初值，通过嵌入一定强度的边界中层尺度辐合线，进行了边界层辐合线型飑线激发的数值试验，结果表明，飑线实例的大尺度环境场提供了累积的有效浮力能，小尺度积云对流则通过对流翻腾提供高层水汽凝结潜热加热和低层降温冷却，而中尺度幅合线通过提供带状辐合上升运动，起着胚胎和组织积云对流的作用，这样大、中、小三种尺度相互作用导致了边界层中尺度辐合线发展成为飑线。