土壤砾石参数化对高原涡形成发展作用的敏感性分析

采用耦合了砾石参数化方案CLM4.5的区域气候模式RegCM4对一次高原涡进行了模拟分析,并做了3组敏感性试验,结合欧洲中心ERA5再分析资料进行验证分析,使用了高空、低空及土壤水热属性参数等资料,分析了砾石参数化对高原涡初生、发展、消亡等影响。结果表明：在500 hPa形势场中,特别是在高原涡发生和发展的阶段,砾石含量越接近实际,模拟效果越好,RegCM4对青藏高原降水量的模拟能力随砾石含量接近实际而提升;在高原涡区及其东北移动路径上,2 m温度的模拟结果随砾石含量的增加而升高,为高原涡的生成和发展提供条件;砾石参数化方案明显提升了土壤导热率和土壤导水率,在高原涡初生和发展过程中,砾石含量接近实际,模拟土壤温度和土壤体积含水量也接近实际,在高原涡消亡阶段,土壤含砾石较高使浅层温度明显降低,加速了高原涡的消亡,并且随着土壤深度的增加,砾石对土壤升温作用明显减弱,在高原涡生成和发展阶段,砾石对模式的提升作用明显,但在高原涡减弱和消亡阶段,砾石对模式的提升作用逐渐降低。     

青藏高原夏季砾石与有机质对土壤水热影响的数值模拟

青藏高原(简称高原,下同)地形复杂,各个区域土壤条件差异较大,土壤砾石与有机质对土壤水热有较大的影响。本文使用耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7,通过修改模式所用地表数据以及相应的土壤水热参数化方案,分别建立了砾石方案(test2)和砾石-有机质方案(test3)。模拟结果表明:test2较原方案(test1)对于高原西部的模拟效果提升明显,但对于高原东部的模拟效果欠佳。test3在test2的基础上,提升了高原中部与东部浅层土壤的模拟效果。test3的浅层土壤区域平均温度均方根误差从2.11 ℃下降到0.47 ℃,浅层土壤区域平均湿度均方根误差从0.05 mm³·mm^-3下降到0.01 mm³·mm^-3。同时,三种方案均能较好地模拟高原的地表温度。其中test3误差最小,区域平均的均方根误差从2.18 ℃下降到0.74 ℃,与再分析数据更加接近。     

边界层参数化方案对高原低涡东移模拟的影响

利用新一代中尺度气象数值模式WRF的三种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2方案),对比检验了2008年7月1-3日和2009年7月29-30日两次高原低涡东移过程的模拟效果,初步分析了三种参数化方案模拟的高原大气边界层物理量特征.结果表明,从高原低涡生成后模拟至24 h,不同边界层方案均能较好地模拟出高原低涡的路径和中心强度.其中,采用MYJ方案得到的结果最接近观测值,而ACM2方案的偏差最大.不同的边界层参数化方案模拟的水平风速、位温、垂直速度场以及相当位温场的垂直分布特征有所不同.三种方案都较好地模拟出高原边界层高度的时空分布特征,而且日变化明显,空间上呈西高东低分布.通过对比分析地表感热和潜热通量,表明局地闭合的MYJ方案较适用于模拟潜热通量,由于受较强湍流交换和高层夹卷作用,非局地闭合的YSU和ACM2方案模拟的感热通量值偏大.根据研究对象的特点采用合适的边界层参数化方案,模拟效果有明显的改进.     

云辐射效应对一次高原低涡过程影响的数值模拟研究

利用NCEP-FNL再分析资料、FY-2G卫星相当黑体亮温TBB数据,通过WRF(V3.8.1)模式对2015年8月5—7日的一次高原低涡过程进行了4组模拟试验,研究了云辐射效应对高原低涡过程的影响。结果表明,云辐射效应主要通过改变云区的辐射分布影响大气稳定度,从而影响高原低涡的发展和结构。在低涡生成阶段,白天云辐射加热抑制低涡南侧的对流,从而有利于水汽和动量向低涡源地输送;夜间云顶长波冷却促进涡区的对流活动,有利于低涡的发展。低涡成熟阶段中,涡心及其周围区域夜间辐射冷却的水平和垂直分布利于涡心下沉、外围上升的垂直运动分布,并与云辐射效应构成正反馈过程,有利于涡眼结构的形成。在低涡快速东移阶段中,云辐射加热和冷却的昼夜变化调节着低涡的强度和东移速度,而当低涡东移出高原后,这种作用则变得不显著。     

区域气候模式RegCM砾石参数化方案在青藏高原不同区域土壤水分输送的模拟分析

在耦合CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7中分别应用原始土壤水热参数化方案与改进后的砾石参数化方案在青藏高原西部、中部与东南部区域进行模拟,并根据砾石分布特征在每个区域选取单点分析了两种方案模拟结果存在差异的原因.在此基础上利用中国陆面融合再分析数据(CRA-40)检验了砾石参数化方案在高原不同区域对于土壤含水量...     

青藏高原地表温度对一例高原涡影响的数值模拟

基于FNL再分析资料、FY-2D气象卫星黑体亮温数据以及多源融合降水数据,运用WRF模式模拟了2015年6月9～11日的一次高原涡过程,通过对比控制试验和6组青藏高原地表温度敏感性试验的差异,从高原涡生成位置、结构、强度、移动路径等多个方面研究了地表温度对其的影响,并探讨了相应的物理机制。结果表明：模式能够较好地模拟出高原涡生成、发展和成熟各阶段的位置、结构、移动路径、500 hPa环流形势以及降水情况;青藏高原地表温度对高原涡强度和降水有一定影响,对高原涡生成和移动影响不大;地表温度对高原涡的影响主要是通过改变地表感热通量和地表潜热通量来实现的。     

一次青藏高原夏季低涡的数值模拟研究

本文利用美国NCAR中尺度模式MM4对1979年6月29－30日一次500hPa高原低涡的生成发展过程进行了数值试验模拟研究。通过对绝热、非绝热、有无地表感热潜热及降低地形等六个对比试验，分析指出：（1）模式对500hPa高原涡中心位置预报与实况吻合，中心平均强度实况接近，平均玫水亦接近（略偏少），落区略有偏差，故可认为对低涡的预报基本合理。（2）低涡主要由非绝热过程引起（22．6，10^－5s^－1），而动力过程是很次要的（6．0）；在非绝热过程中潜热的贡献（8．0）远比由积云对流及湍流所引起的地表感热通量（14．6）小；地表热通量的贡献主要为地表感热通量（13．4），而地表蒸发作用很小（1．2），这与文献[6]的诊断分析结论一致。（3）由半地形高度隆起至全地形时，动力作用对低涡强度的贡献由2．0增至6．0，非绝热过程的贡献由7．2增到22．6。可见模式中真实地处理地形高度是很重要的。本文虽只作了一例，但结论（2）与大量低涡诊断分析的统计结果一致。     

青藏高原西部一次高原涡生成的数值模拟研究

使用ERA5、ERA-Interim和FNL 3种常用再分析/分析资料驱动WRF模式对2006年8月14日青藏高原西部的一次高原涡活动进行数值模拟,在评估不同再分析资料驱动WRF模式对高原涡的模拟能力基础上,利用涡度收支、视热源和视水汽汇方程,诊断分析高原涡生成过程中的热力和动力结构特征.结果表明,使用ERA5和ERA...     

一次东移高原低涡影响四川暴雨的数值模拟分析

应用自动站雨量资料、常规观测资料和国家气象中心T213分析场资料,采用PSU/NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5,模拟了2008年7月20日高原低涡东移引发的四川盆地暴雨过程。通过分析模式输出资料,结果得出高原涡东移影响四川盆地暴雨的一种物理触发机制:高原涡正涡度的东移促使四川盆地正涡度发展,正涡度的发展使得大气旋转上升加强,对流层高层强烈辐散,低层辐合,对流发展形成降水,大气凝结释放潜热加热大气,使得高层等压面升高,负涡度发展,低层降压,正涡度发展,这样就形成了一个正反馈的循环机制,从而导致了四川盆地强降水。     

一次高原低涡过程的数值模拟与结构特征分析

利用非静力中尺度数值模式MM5,模拟了2009年7月29～31日的一次高原低涡过程,结果表明,TBB卫星资料显示出在低涡发展过程中具有同热带气旋类低涡相似的涡眼结构.MM5模式能较好地模拟出低涡的降水落区、强度以及内部结构,正位涡区随着低涡的东移而东移.在动力结构上,低涡发展过程中,涡心处散度和涡度的变化不大,垂直速度...     

边界层参数化和湿过程对切变线低涡发展影响的中尺度模拟

1981年8月14至22日,在青藏高原东侧陕、甘、川毗邻区,出现了一次持续暴雨过程.对其主过程的涡度诊断表明,切变线低涡初生於青藏高原东侧低空,其后,不仅出现了高、低空涡度中心的叠加和耦合过程,而且在行星边界层(PBL)内发生了迅速加强过程.这种过程与切变低涡的持续发展相伴. 一系列48和72小时中尺度数值模拟结果揭示:只有高分辨PBL参数化的湿物理过程,才能较好地模拟出切变低涡在PBL内的突然加强及其涡度演变和垂直结构;而总体PBL参数化,虽然其涡度演变和垂直结构也能基本模拟出来,但不能模拟出切变线低涡在PBL内的迅速加强;总体PBL参数化干过程的模拟结果指出,该方案较前两种湿过程方案均差,特别是被模拟系统的强度明显减弱,位置偏离. 模拟与诊断和观测之间的比较揭示,尽可能仔细地改进PBL参数化和湿物理过程,才有可能改进对这类中尺度系统发生和发展的模拟.     

辐射对高原涡形成和发展影响的模拟研究

已有研究表明辐射对热带气旋发生发展具有明显调制作用,高原涡与热带气旋有类似的暖心低压结构,辐射在高原涡发生发展过程中的作用也值得探讨。本文利用ERA-Interim再分析资料,通过中尺度数值模式WRF-ARW研究了辐射日变化对高原涡个例发展的影响机制。模拟结果表明,太阳短波辐射对高原涡的发生发展具有明显的调制作用。控制试验（CTL;即保留太阳辐射日变化）较好的再现了高原涡的发展过程。在去掉短波辐射过程的夜间试验（All_night）中,前期高原涡发展速度较快。而在白天（All_day）试验中,短波辐射过程抑制了高原涡的发展。诊断分析表明,夜间长波辐射冷却加强对流层温度递减率,减弱大气静力稳定度;同时,大气温度的降低使得夜间相对湿度增大,有利于对流层低层出现位势不稳定,进而促使高原涡的形成和发展。反之,太阳短波辐射有利于对流层高层增温,加强大气静力稳定度,从而抑制对流活动发展。夜间低层辐合更为强盛,有利于上升运动的加强并诱发高原涡形成;非平衡项结果显示,在高原涡环流中心区域存在正值区,而低涡四周为明显的负值区。从动力学和热力学特征来看,高原涡的发展与热带气旋具有一定的相似性。     

砾石对青藏高原土壤水热特性影响的数值模拟

针对青藏高原土壤砾石含量较高的特点,对陆面过程模式CLM4.0土壤结构进行改进,发展了较适合青藏高原土壤特性的土壤参数化方案,在青藏高原那曲(BJ)站进行了应用,通过模拟结果和观测资料的对比,客观评估了新方案的模拟性能。结果表明:砾石含量越高的土壤,其导水率越大。土壤含水量较大时,土壤水势随砾石含量增高而变小;反之,土壤含水量较小时,土壤水势随砾石含量增高而变大。考虑了砾石对土壤水热过程影响后的新方案对土壤含水量和温度的模拟均有一定的改进,其中新方案较原方案对模拟的各层土壤含水量的平均均方根误差降低了32.7%;模拟的各层土壤温度平均均方根误差降低了24.6%。     

积云对流参数化方案对气候数值模拟的影响

利用一个“全球五层大气环流谱模式”,试验和比较了三种不同积云对流参数化方案,即Manabe方案、Kuo方案和Arakawa-Schubert（A-S）方案,对全球气候数值模拟的影响。数值模拟的结果表明了三种方案对全球降水的模拟差别较大,差别比较明显的区域是东亚、北美和北非,且夏季的差别比冬季大。与实况相比,采用Kuo方案对东亚季风降水的模拟结果较好,而采用A-S方案对热带西太平洋、热带印度洋与北美地区降水的模拟结果较好,但采用Manabe方案却模拟不出东亚地区夏季风降水特征;并且从环流数值模拟的结果看,采用这三种方案均模拟出北半球冬、夏季中、高纬地区的环流结构,但与实况相比,采用Kuo方案能较好地模拟出冬季极涡分裂过程,并能较好地模拟出中高纬地区和东亚地区的环流系统,而采用A-S方案能较好地模拟出冬、夏季北美环流系统和太平洋副热带高压;此外,这三种方案对加热场与水汽场的描述方面也有很大不同,A-S方案的结果呈现出不同于Kuo和Manabe方案结果的特征,表明了A-S方案能反映强对流特征,而Kuo方案和 Manabe方案所描述的加热场和水汽场虽有相似之处,但在30#+[o]N以南的副热带地区,Kuo方案所描述的对流系统加热要比Manabe方案强。     

Numerical Simulation on the Formation of Mesoscale Vortex in Col Field

There exist typically two kinds of low-level col fields over the middle and lower reaches of the Yangtze River of China during summer.One is associated with the mesoscale vortex embedded in the Meiyu f...     

青藏高原土壤砾石对能量水分输送的观测与模拟研究

为了检验耦合了CLM4.5的区域气候模式RegCM4.7在加入砾石参数后对青藏高原土壤能量水分输送长期的模拟效果,因此选择青藏高原阿里站、那曲站、玛多站的观测数据和中国全球陆面再分析40年产品（CRA/Land）-逐日产品（陆面产品）对模式的模拟效果进行检验。结果表明：土壤温度的模拟效果较好,并且土壤深层较浅层相关系数更高,含砾石数据与再分析数据的偏差更小,多年数据的平均变化趋势更加统一;相较于土壤温度,土壤湿度的模拟效果稍差,尤其是在青藏高原中部,但是在青藏高原东部与西南部,模拟效果有较大提升,与再分析数据的偏差明显减小。通过连续多年的模拟发现,模式的模拟效果并未随着参数化方案的优化而逐年提升,而是在一定范围内波动,且每一年的模拟效果都较原模式在相关系数及均方根误差方面有所提升。