贵州中尺度数值预报系统及其模拟试验

主要介绍了贵州中尺度数值预报系统、中尺度模式MM5以及业务情况。业务运行实践证明，系统具有较强的短期天气预报能力，对降水的量级和落区预报效果较好。选取4种积云对流参数化方案和两种边界层参数化方案对贵州汛期11个降水个例进行36h的降水模拟，经检验、分析和比较发现：各种方案预报效果的优劣在不同条件下有所不同，没有哪一种方案的预报效果是绝对最优的，总的来说：对50mm以下的降水，GR方案的预报效果较好，而KF方案则较差；对50mm以上的降水，BM、KF方案的预报效果一般较好；降水的模拟对参数化方案敏感。     

9406号台风登陆造成华南及长江中游暴雨过程的数值模拟试验

本文应用有限区域数值预报模式，并根据不同的积云参数化方案对１９９４年第６号台风登陆后低压的移动规律及其对应降水分布进行了数值模拟试验，结果表明积云对流参数化对于台风移动及其降水分布影响极大，是作出台风暴雨预报的关键过程。     

可降水量资料反演及在暴雨数值模拟中的初步应用

通过同化可降水资料改善模式初始湿度场从而提高暴雨模拟与预报效果。首先应用适时回归方法反演大气可降水量资料，然后以1998年6月18—19日暴雨模拟为例，采用变分同化方法研究了可降水量资料在暴雨数值模拟中的作用。数值模拟结果表明：1)MM5模式中同化可降水量资料后，对于雨带位置的模拟效果起到很大的改善；亦可改进暴雨降水强度的模拟效果，改进程度与降水参数化方案有关。2)同化可降水量资料后，明显改善初始湿度场，在一定程度上缓解旋转加强(spin up)问题，从而有效地提高降水模拟效果。3)降水模拟对参数化方案的选取同样敏感，改进初始湿度场的同时应该选择相应的降水参数化方案。     

MM5模式中积云参数化方案在西南地区适应性的进一步试验分析

针对四川盆地4次暴雨过程,利用MM5中尺度数值模式,进行了Grell和Kuo对流参数化方案及两重区域采用不同方案组合的数值试验,分析了不同试验对降水的模拟能力。结果表明,不同试验方案在降水落区、强度、演变及降水性质分配上存在一定程度的差异。细网格区域降水强度及落区主要由本区域所采用的积云参数化方案所决定。模式采用Kuo方案预报的雨区少动,主要降水落区偏西、偏南,降水强度偏弱,采用Grell方案与粗网格采用Kuo方案而细网格采用Grell方案预报结果接近,能够较好地预报雨区东移,降水强度预报更接近实况。Kuo方案以对流降水为主,Grell方案模拟的以非对流降水与对流降水两种性质降水各占一定比例,有小幅度变化,可能更能反映实际降水性质。过程分析结合统计检验表明,两重区域均采用Grell方案预报效果相对较好。同时也看到,没有哪种对流参数化方案是完备的。发展具有区域特色的对流参数方案有着重要和实际意义。      

不同模式分辨率和物理过程方案对贵州降水影响的对比试验

利用MM5中尺度数值模式,在20,15和10 km模式分辨率下,采用相同的方案对贵州两次大暴雨过程进行数值模拟试验。然后选用KUO、GRELL、KAIN-FRITSCH和BETTS-MILLER(以下简称KU、GR、KF和BM)4种对流参数化方案,分别在MRF和Blackadar 2种边界层参数化方案下,对贵州汛期16个降水个例进行数值模拟试验,对模拟结果进行对比分析并与实况资料进行比较,结果表明:预报的降水落区对参数化方案敏感。随着分辨率的提高,降水分布与实况更接近。MM5模式的这4种积云参数化方案对环流的模拟较好,但模拟降水的效果有差别:对50 mm以下的降水,GR方案的预报效果较好,KF方案则较差;对50 mm以上的降水,BM、KF方案的预报效果一般较好;选择MRF或Blackadar的边界层参数化方案对降水预报效果区别不大。选择BM或KF积云对流参数化方案、混合相显式水汽方案、MRF边界层参数化方案和云辐射方案的组合,取得了优于其他组合的预报结果。     

基于不同分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计3个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2m温度、10m风速、降水预报的影响。结果表明:(1)提高分辨率对2m温度、10m风速模拟精度均有提高,2m温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10m风速预报精度提高约0.5m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。(2)提高分辨率并调整物理参数化方案后,2m温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10m风速模拟误差增大约0.5m/s,模拟偏差增大超过0.5m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

基于不用分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计三个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2米温度、10米风速、降水预报的影响。结果表明：（1）提高分辨率对2米温度、10米风速模拟精度均有提高,2米温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10米风速预报精度提高约0.5 m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。（2）提高分辨率并调整物理参数化方案后,2米温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10米风速模拟误差增大约0.5 m/s,模拟偏差增大超过0.5 m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

山西省夏季三类典型强降水的集合预报试验

利用我国自主研发的多尺度通用的新一代同化与数值预报系统--GRAPES模式,通过对4种积云参数化方案的比较,确定集合预报成员,对山西省夏季3类典型强降水过程进行了集合预报试验.试验结果表明:(1)对所模拟的个例,Betts-Miler-Janjic对流调整方案和Kain-Fritsch对流参数化方案优于对流调整方案和郭氏参数化方案;(2)积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大,不同个例对2种不同积云参数化方案和3种不同边界层参数化方案的6种组合的反应敏感程度也各不相同;(3)不同集合成员对降水的预报结果各不相同,其预报偏差也各不相同;(4)对于不同的天气系统,不同的方案其预报效果是不同的;(5)通过集合平均,降水预报偏差明显减小,降水预报偏大的情况得到改善,且其24～36 h预报效果最好.     

东北冷涡数值预报系统建立与业务应用

东北冷涡强降水一直是东北地区气象预报的难点和重点。从提高东北冷涡降水数值预报质量着手,选择模式中可能对东北冷涡强对流有影响的不同辐射方案、边界层方案和积云参数化方案等多种物理过程,对东北冷涡降水预报的性能进行批量试验;利用天气学检验方法,选择预报结果较好的RRTM长波辐射方案、Gayno Seaman边界层方案、Grell积云参数化方案和混合相湿过程显式方案等物理方案,组合建立了东北冷涡数值预报系统。经检验表明：系统对东北冷涡降水预报的水平较东北区域中尺度数值预报业务系统有所提高。同时利用天气学检验方法,从降水预报的强度、落区和移速等方面着手,评估东北冷涡数值预报产品对冷涡降水预报的性能和系统误差,得出降水强度易偏强、落区易偏西偏南和范围易偏小等定性结论,可直接应用于预报业务,取得了较好的应用效果。     

区域数值模式在长江下游地区持续性暴雨预报中的作用

文章通过对2001年8月5～10日长江下游地区连续性暴雨过程成因进行分析，认识到弱的热带低压系统对天气影响较大，要给予高度的重视。通过采用各种参数化方案进行数值模式计算，对降水量预报对比分析认为：区域数值预报中参数化方案的选择非常重要，其决定了降水定量预报的准确性，而参数化设置中以对流参数化方案的合理选取最为重要，它是影响区域数值预报的关键因素之一。另外水汽方案和行星边界层方案的选取也会影响数值预报结果。通过所选择的三种对流参数化方案对比分析，认为Betts-Miller方案和GRELL方案预报降水量各具特色，预报质量较高，而Kain-Fritsch方案预报能力相对较弱；水汽方案中单冰相比混合冰相方案预报降水量更为有效，行星边界层方案中Blackadar PBL方案比美国中期数值预报模式方案预报降水量误差小。     

Aerosol-Cloud-Precipitation Interactions in WRF Model: Sensitivity to Autoconversion Parameterization

Cloud-to-rain autoconversion process is an important player in aerosol loading, cloud morphology, and precipitation variations because it can modulate cloud microphysical characteristics depending on the participation of aerosols, and affects the spatio-temporal distribution and total amount of precipitation. By applying the Kessler, the Khairoutdinov-Kogan(KK), and the Dispersion autoconversion parameterization schemes in a set of sensitivity experiments, the indirect effects of aerosols on clouds and precipitation are investigated for a deep convective cloud system in Beijing under various aerosol concentration backgrounds from 50 to 10000 cm-3. Numerical experiments show that aerosol-induced precipitation change is strongly dependent on autoconversion parameterization schemes. For the Kessler scheme, the average cumulative precipitation is enhanced slightly with increasing aerosols, whereas surface precipitation is reduced significantly with increasing aerosols for the KK scheme. Moreover, precipitation varies non-monotonically for the Dispersion scheme, increasing with aerosols at lower concentrations and decreasing at higher concentrations.These different trends of aerosol-induced precipitation change are mainly ascribed to differences in rain water content under these three autoconversion parameterization schemes. Therefore, this study suggests that accurate parameterization of cloud microphysical processes, particularly the cloud-to-rain autoconversion process, is needed for improving the scientific understanding of aerosol-cloud-precipitation interactions.     

短期集合预报技术在梅雨降水预报中的试验研究

数值预报的误差来源于初始场和模式的误差,集合预报技术是减小这些误差的有效方法。该文以MM5模式作为试验模式框架,模式的积云参数化方案分别取Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller方案,边界层参数化方案分别取MRF和Eta方案,通过组合4种积云参数化方案和两种边界层参数化方案产生8个集合成员,对1999年华东地区梅雨期间3个降水个例进行48 h集合预报试验。结果显示不同集合成员的预报结果各不相同,积云参数化方案对降水的影响比边界层参数化方案对降水的影响大;不同集合成员预报降水的偏差也各不相同,大多存在湿偏差,量级小的降水的湿偏差程度比量级大的降水的湿偏差程度小;对于不同个例,各成员中预报效果相对较好的成员是不同的,集合平均后可以得到一个比较稳定的预报结果;从集合预报结果中还能得到客观化和定量化的降水概率预报,它能对可能发生的天气现象发出信号。     

A NUMERICAL EXPERIMENT STUDY ON THE FORMING MECHANISMS OF LOW-LATITUDE CIRCULATION CELLS AND PRECIPITATION DURING AN EAST ASIAN COLD SURGE

The forming mechanisms of low-latitude circulation cells and precipitation during an East Asian cold surge have been studied by using a five-layer primitive equation model.Numerical experiments show that in mid-high latitudes,the propagation of the East Asian winter monsoon is nearly a dry process;in low-latitudes,the effects of cumulus convection intensify the northeast monsoon and northeast trade wind;however,they also prevent the intertropical convergence zone(ITCZ) from further southward invasion,and strengthen the meridional and zonal cells over East Asia. Numerical results also indicate that the winter monsoon precipitation in Indonesia and Northern Australia can exist independently.Both the South China Sea(SCS) cold surge and the West Pacific northeast cross-equatorial trade wind are of importance for the formation of the Northern Australia summer monsoon and its precipitation.Numerical results show that the development of cumulus convection,triggered by the SCS cold surge,is a crucial factor in forming the heavy monsoon precipitation and low-level stationary disturbances in Indonesia and Borneo.The tropical topography and northeast trade wind disturbances only affect the intensity of precipitation there.     

不同降水方案对"03.7"一次暴雨过程模拟的影响

观测和数值模拟研究已经表明,潜热释放对中国东部夏季梅雨锋系统及其锋面降水的维持和发展发挥着非常重要的作用.然而,目前对于梅雨锋降水模拟中各种降水方案的相互协调和系统评估方面的工作仍不多见,为了增进对梅雨锋暴雨模拟中降水过程的认识,作者针对2003年7月4～5日一次梅雨锋暴雨过程,构造了四组试验,利用MM5模式考察了两种分辨率(36 km、12 km),各种隐/显式方案搭配下,对所生成的雨带、雨量和降水类型的配置进行了仔细的研究,得到了一些有意义的结论,为今后更好地使用模式、利用数值模式来认识中尺度降水过程中的气象问题打下基础.主要结论包括:模拟总降水的水平分布和强度,以及显式降水和隐式降水的划分对积云参数化方案的选择非常敏感.但对特定积云参数化方案而言,降水的模拟对36 km、12 km水平分辨率不敏感(除Betts-Miller方案外);在中尺度网格分辨率10～50 km范围内,不同积云参数化方案对梅雨锋降水分布和降水量模拟的影响比不同显式方案带来的变化大得多.     

数字滤波初值化方案的数值实验

本文以一个有限区域16层斜压原始方程模式为基础,对数字滤波初值化方案进行了数值试验,并与平衡初值及实测风初值等方案的积分结果进行了比较、结果表明：数字滤波初值化能有效地滤掉初始场中的高频重力波和小尺度扰动,使客观分析质量得到明显改进;该方法易于引入非绝热过程,能有效抑制积分初期的Spinup现象;形势预报和降水预报均较其它方案有所改进。     

A MODIFIED CUMULUS PARAMETERIZATION SCHEME AND ITS APPLICATION IN THE SIMULATIONS OF THE HEAVY PRECIPITATION CASES

According to the characteristics of organized cumulus convective precipitation in China, a cumulus parameterization scheme suitable for describing the organized convective precipitation in East Asia is presented and modified. The Kain–Fristch scheme is chosen as the scheme to be modified based on analyses and comparisons of simulated precipitation in East Asia by several commonly-used mesoscale parameterization schemes. A key dynamic parameter to dynamically control the cumulus parameterization is then proposed to improve the Kain–Fristch scheme. Numerical simulations of a typhoon case and a Mei-yu front rainfall case are carried out with the improved scheme, and the results show that the improved version performs better than the original in simulating the track and intensity of the typhoons, as well as the distribution of Mei-yu front precipitation.     

A Numerical Study of Sensitivity of the Physical Dissipative Technique to Precipitation Parameterization in a Mesoscale Model

1. IntroductionRecently, the improvement of accuracy in the out-puts of a numerical mesoscale model by the physi-cal dissipative technique is reached (Liu et al., 2002;Liu and Liu, 2003). The effect of improvement ofthis technique differs not only from model to model,but from scheme to scheme of parameterization em-ployed in the same model. The rapid developmentof the computer technology makes possible the com-plicated numerical experiments by a model with highresolution and multiple domains …     

The influences of boundary layer parameterization schemes on mesoscale heavy rain system

1.Introducti0nThemesoscaleoperationalmodel-whichisoftenused,isMM4orMM5'butMM4isusedfrequentlyonlO3kmscale.Thephysicalprocessesinthismodeldevelopconstantly.FororiginalMM4,thecomputationofsurfacefluxesisnotaccurate,andKmodelfortheturbu-lencefluxesbetweenany2levelsneedstobeimprovedbynewtreatment.Inordertostudytheinfluencesofboundarylayerparameterizationschemesonmesoscaleheavyrainsystem,sur-facefluxesandKmodelinoriginalMM4areimprovedbytherecentresearchinthispaPer.Theflux-profilerelationsforv…     

WRF微物理方案对四川一次强降水模拟的影响

云物理过程是中尺度数值模式中最重要的非绝热加热物理过程之一,成云降雨过程发生以后通过感热、潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流,并在决定大气温度、湿度场的垂直结构中起着关键作用,也是人们最为关心的降水预报的关键所在.因此在中尺度数值天气预报模式当中,更加准确的描述云物理过程将能够很大程度上提高模式预报降水能力.本文利用WRF模式,对2010年7月14 ～ 18日四川一次强降水过程进行了3组数值模拟实验,每组实验采用了不同的微物理参数化方案.方案的选取上主要采用了WRF模式3.0版本后加入的几种新方案,包括(1)WDM6方案(2)New Thompson方案(3)SBU-YLIN方案,在其他参数设置均相同的情况下,首先详细分析了在整个降水过程的各个阶段,3种方案下模式模拟结果与实况的差异,以及3种方案结果之间的差异.认为在降水初期,WDM6方案的模拟结果对比实况来看盆地东部降水中心偏南,而New Thompson方案和SBU-YLin方案模拟的雅安地区降水中心强度和范围都过大,但对于盆地东部的降水中心模拟较好,New Thompson方案对广元地区的降水模拟较实况偏弱.总体看来,New Thompson方案和SBU-YLin效果相当,WDM6略差.在大范围降水产生的时期,3种方案模拟的效果与实况都非常接近,只是各方案对乐山宜宾一线雨带的模拟都有不同程度的加强,使得这一线成了整个区域的最强的中心,其中SBU-YLin方案加强最大,New Thompson方案次之,而实际过程中这一时期最强中心还是在川东北一带.WDM6方案模拟降水强度与实况最为接近,但中心偏东.其中7月16日18时～17日06时是各方案模拟效果最好的一个时段.3种方案给出的的模拟结果相差并不大,较难得出哪种方案的结果最好的结论,但可以初步看出,对于本次降水量级的模拟来讲,WDM6方案模拟降水的量级较好,较少出现模拟过强的现象,而SBU-YLin方案通常模拟的降水中心强度都要大过实际;从降水落区上来看,SBU-YLin方案的表现较好,WDM6方案则有一定偏差.在这两方面New Thompson方案都介于以上两方案之间.最后初步分析了各方案模拟所得的水相参量,主要包括水汽、云水、云冰、雨、雪和霰粒子的混合比,认为造成各方案之间降水差异的原因,主要是各方案处理云水粒子的差别造成.     

太行山地形对“96.8”暴雨影响的数值试验研究

利用ＭＭ４模型,设计了４种模式地形方案,讨论了太行山地形对“９６．８”暴雨降水量的贡献;并利用垂直运动和水汽通量等物理量,探讨了太行山地形对本次暴雨过程增幅作用的机制。结果显示,太行山地形对本次暴雨过程的降水中心强度及位置有显著影响,具有６０％增幅作用。太行山地形对垂直运动及水汽辐合也都具有增幅作用。模式地形越真实,预报结果越好,地形越高,降水增幅作用越明显。