GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究

从数值模式物理过程地形参数化研究的角度,回顾了次网格地形重力波拖曳参数化、地形阻塞流拖曳参数化和对流强迫拖曳参数化等方面的研究现状,总结概括了目前模式物理过程中关于地形参数化研究中若干亟待解决的科学问题。另外,在华南中尺度模式预报系统(GRAPES_Mars)中引进和发展了地形重力波拖曳参数化方案KA95,讨论了KA95方案对2012年2月8-12日华南冷空气过程的影响。结果表明,地形重力波拖曳参数化的引入较好地改善了GRAPES_Mars模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,显示出重力波拖曳参数化对改善模式风场预报的突出作用和对减小模式系统偏差的良好应用前景。     

地形重力波拖曳参数化方案在华南中尺度模式（GRAPES）中的应用试验

在华南中尺度模式GRAPES中发展KA95方案地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年的2月8—12日影响华南冷空气过程、8月23—24日发生在广东的局地性暴雨和5—8月共4个月的KA95方案预报试验进行检验。结果表明,KA95地形重力波拖曳参数化方案的引入,改善了GRAPES模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,一定程度上纠正了在模式积分过程中出现的南风偏差,改正了在业务预报中因南风偏强而导致温度偏差过大的现象;改善了模式对局地强降水强度和落区的预报,减小了大雨和暴雨的漏报率和预报偏差,提高了GRAPES模式对降水的预报效果。      

地形效应引起的局地扰动对华南降水预报的影响研究

利用中尺度模式对一次华南强降水过程进行模拟分析发现,模式对南岭-武夷山地区的降水存在漏报或预报强度偏弱的现象。通过与提前12 h预报结果的对比看出,引起这种预报误差的主要原因在于本次预报的模式初值中未包含地形强迫造成的小尺度局地扰动信息。对地形重力波拖曳和阻塞流拖曳参数化方案的比较发现,阻塞流拖曳力强度明显强于地形重力波拖曳,它有可能导致雨带位置偏离实况。一系列的初值敏感性试验结果表明,南岭-武夷山地区上空850~500 hPa的风场扰动增量对改进本次降水预报效果的影响最关键。      

青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。     

随机物理过程扰动方案在克拉玛依区域集合预报中的应用研究

克拉玛依气象局研发了区域集合预报系统并已实现业务运行,该系统仅采用了集合变换卡尔曼滤波(ETKF)初值扰动,导致离散度发展受到限制,为改善区域集合预报的离散度,本文尝试在初值扰动基础上引入随机物理过程倾向(SPPT)模式扰动方案。通过开展SPPT方案关键参数的敏感性试验,确定了适用于本系统的参数设置,构建了初值-物理过程扰动方案(ETKF-SPPT),并与仅采用初值扰动的集合方案(ETKF)进行了对比。结果表明:ETKF初值扰动方法能够产生具有动力学结构的初值扰动,但是随着预报时效的延长,集合离散度增长很快达到饱和,并在侧边界约束下逐渐减小;ETKF初值扰动结合SPPT模式扰动可使集合离散度在各个预报时效均保持增长状态;集合预报检验结果表明,仅采用ETKF初值扰动的集合预报概率分布可靠性较低,概率预报准确性也较差;ETKF-SPPT方法可获得更好的概率预报结果,可靠性更好,均方根误差更低。对克拉玛依城区一次大风预报个例表明,ETKF方案对大风起风时间和量级把握较差,而ETKF-SPPT可以增加集合离散度,起风时间和风速预报更准确。综合而言,增加SPPT扰动可以有效改善克拉玛依区域集合预报系统的预报技巧。     

青藏高原边坡地形重力波拖曳方案应用的个例研究

本文针对我国西南地区的一次持续性暴雨过程,利用WRF模式引入地形重力波拖曳方案进行120h的模拟,对比结果认为引入地形重力波拖曳的模拟效果总体看来略有优势,并详细分析了不同模拟时段的位势高度场,风场,海平面气压场与降水,其结果认为,引入与未引入地形重力波模拟的差异主要出现在48~72h之后,位势高度场方面,72h之后,在青藏高原主体上引入拖曳方案后的模拟结果相对未引入拖曳方案的结果是正偏差,高原下游地区为负偏差,引入后的模拟相对准确;风场模拟方面同样72h以内的模拟差距较小,72h之后高原上出现一处气旋性涡旋,其中心位置的模拟,引入拖曳方案后的结果相对准确,本次个例中出现的一例西南低涡,两实验都能够较好的模拟出700h Pa的气旋性涡旋;降水模拟的结果表明,在72h之后,对于四川地区降水中心位置的模拟,引入拖曳方案的模拟有所提高,但中心依然过强。这方面主要考虑降水的模拟牵涉模式内部更为复杂的处理过程和其他因素,地形重力波拖曳只是其中一个影响因素而不是核心因素。另外此方案对温度场及海平面气压场模拟的影响不明显。理论上讲引入地形重力波拖曳效应的模拟是物理过程相对更为完善的,在本次个例中模拟效果也略优,但在高原下坡复杂地形处长期应用的模拟效果仍需要更多的测试,将在后续工作中加以完善。      

WRF模式中地形重力波参数化方案应用及不同拖曳力试验

在WRF模式中引入地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),利用WRFV3.2中尺度模式对2007年7月3日00时至10日00时(世界时)发生在我国江淮梅雨季向华北雨季转换时段江淮与华北地区过渡区域的降水天气过程进行了不同重力波拖曳力作用下的敏感性试验,设计了5组数值试验:不考虑重力波拖曳的控制试验(Ctrl)及考虑重力波拖曳(GWDO)但在不同拖曳力作用下的4组敏感性试验。结果表明:GWDO方案的引入,有效地改善了模式对环流场、水汽输送带、垂直速度场的模拟,缓解了对风速预报偏强的现象,一定程度上纠正了模式模拟的西风偏差,对降水落区和强度也有较好的改善。随着模拟时次的推移,引入的拖曳力越强,对降水模拟的改善越显著。     

一次大暴雨过程中地形重力波拖曳作用的研究

利用WRFV3.9数值模式,对2011年6月9-10日发生在湘鄂赣交界附近山区的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行模拟.进行了地形重力波拖曳作用的控制试验和不考虑地形重力波拖曳作用的敏感性试验.结果表明,控制试验能较好地再现江淮气旋及其产生的强降水;模式引入地形重力波拖曳后能够更好地模拟出地形附近雨带的中心位置和强度;地形...     

新疆百里风区强风中尺度特征分析

大尺度环流背景和天山山脉大地形共同作用形成新疆百里风区，其风力之大居全疆九大风区之首。为进一步研究百里风区强风中尺度特征及其与局地地形的关系，选取2018年5月6—8日百里风区强风天气过程，使用WRF模式进行中尺度模拟分析，形成以下结论：天山两侧气压梯度力驱动下冷空气翻越天山，经色皮山口狭管效应和过山波水跃下沉接力加速，在背风坡上空形成强风区，强风区接地形成百里风区地面大风；大风过程中，七角井盆地地形强迫引发有限振幅重力波，背风坡上空大风区之上的临界层吸收上层能量并向下传递，增大了大风区的风速，使得低空大风区的接地更加充分。低空大气稳定层结的强度与大风强度相对应。     

新疆克拉玛依强下坡风暴的机理研究

利用美国中尺度数值模式 WRF 对2013年3月7—8日克拉玛依强风进行了模拟,对下坡风发生、发展和结束3个阶段的三维结构特征进行了分析,并由此提出克拉玛依强下坡风的形成机制模型：上游地区出现中高层西南风、低层西北风并伴有强冷平流的配置,当风速不断增大时,气流能够翻越加依尔山在背风坡侧形成重力波,重力波相位向气流上游方向倾斜产生非线性效应,促进了波不稳定区域的形成并导致波破碎,形成湍流活跃层,不断把上层的能量向下传播;克拉玛依中低层形成三层夹心的大气层结稳定度分布,出现明显的过渡气流带从而导致强下坡风的形成;南北风分量在低层和中层符号相反,形成了临界层,不断吸收上层波能量并向地面传送,强下坡风暴不断维持发展。最后利用2006—2012年克拉玛依33个强下坡风过程中的探空观测资料对提出的形成机制进行了验证。     

Observational Study of Surface Wind along a Sloping Surface over Mountainous Terrain during Winter

The 2018 Winter Olympic and Paralympic Games will be held in Pyeongchang, Korea, during February and March. We examined the near surface winds and wind gusts along the sloping surface at two outdoor venues in Pyeongchang during February and March using surface wind data. The outdoor venues are located in a complex, mountainous terrain, and hence the near-surface winds form intricate patterns due to the interplay between large-scale and locally forced winds. During February and March, the dominant wind at the ridge level is westerly; however, a significant wind direction change is observed along the sloping surface at the venues. The winds on the sloping surface are also influenced by thermal forcing,showing increased upslope flow during daytime. When neutral air flows over the hill, the windward and leeward flows show a significantly different behavior. A higher correlation of the wind speed between upper-and lower-level stations is shown in the windward region compared with the leeward region. The strong synoptic wind, small width of the ridge, and steep leeward ridge slope angle provide favorable conditions for flow separation at the leeward foot of the ridge. The gust factor increases with decreasing surface elevation and is larger during daytime than nighttime. A significantly large gust factor is also observed in the leeward region.     

克拉玛依特强大风的气候特征及天气分析与预报

分析1971—2006年克拉玛依11级以上特强大风天气的气候特征,总结了年代际变化及月、季分布特点。研究显示,在全球气候变暖造成极端天气事件明显增多的大气候背景下,克拉玛依特强大风天气呈明显减少趋势。在这种气候背景下,利用NCEP资料,分析了克拉玛依发生特强大风的主要天气形势特征,提出预报思路,给出预报经验指标,提高对特强大风的防范意识和预报能力     

Effects of Non-orographic Gravity Wave Drag on Seasonal and Medium-range Predictions in a Global Forecast Model

This study implements the parameterizations of convective and frontal gravity wave drag (GWD) with wide phase speed spectra into a global forecast model with a model top near 0.3 hPa. The new convective GWD scheme replaces the existing one that considers only a stationary convective GW, and the frontal GWD scheme is newly introduced. When the new GWD schemes are used, the Rayleigh friction, applied above 2 hPa to mimic the effects of missing GWD, is removed. The convective (frontal) GWs are generated mainly in the Intertropical Convergence Zone and winter extratropical storm track regions (extratropics where strong baroclinicity exists). The convective and frontal GWD derived from the new schemes are significant near the model top, with maxima of ~2-4 and ~26-58 m s^?1 day^?1, respectively. The differences in convective GWD between the stationary and non-stationary schemes appear mainly in the tropics and summer hemisphere, where stationary GWs cannot propagate upward. The new schemes improve the seasonal representation of stratospheric wind, through changes in both the GWD and the resolved wave forcing, which is modulated by the changed large-scale wind due to the GWD. The downward influence, in response to the changed GWD, is also positive in the tropospheric fields, such as subtropical jet and planetary-scale disturbances. For the medium-range forecasts, improved skill scores on wind speed are achieved globally with the new schemes. The improvements mostly appear only in the stratosphere during the early forecast period (~3 days) but expand to the troposphere as forecast time increases.     

Relation of slope winds to the ambient flow over gentle terrain

Four years of continuous tower data collected at the Risø National Laboratory are analyzed to study the climatological influence of a gentle slope on surface winds. Under very stable nocturnal conditions, the surface air tends to flow down the slope, at least intermittently, regardless of the direction of the overlying ambient wind. With more significant upslope ambient wind and only modest stability, downslope gravity flow is normally prevented. However, the slope-buoyancy effect is still of importance in that it retards the upslope flow of cold air. This effect is of climatic importance for the data studied here.     

淮北夏半年大风预报方法的建立及检验

利用T639业务数值模式预报场和大风观测资料,分别采用I_W雷暴大风指数和多个对流指数方法,计算相对应的指标值,建立淮北市夏半年大风预报方法,得到淮北市大风的短期预报结果,并对2011年的预报应用情况进行检验。结果表明：基于T639业务数值模式的I_W大风指数与多指标的叠加,实现夏半年定量和定性的大风预报。将多种不稳定指标与T639数值模式相结合的叠加预报,当4个指标中有3个满足条件时预报淮北有大风出现,否则没有大风;I_W大风指数的风速预报与实际极大风速较为接近。两种预报方法对淮北市的大风预报具有较好的指导作用,多数大风天气能够预报准确,但是容易空报,不太容易漏报。     

南海热带气旋大风的遗传－神经网络集合预报

利用1980-2012年的南海热带气旋实况资料和NCEP/NCAR再分析资料,将热带气旋定位中心周边6×6格点上的地面风速作为预报对象,以气候持续预报因子和前期风速预报因子作为模型输入,采用遗传—神经网络集合预报方法,进行热带气旋定位中心周边36个格点上的风速预报模型的预报建模研究.分别对2008-2012年7-9月共368个独立预报样本进行遗传-神经网络集合方法的分月预报结果表明,南海热带气旋中心周边风速24h的预报平均绝对误差为2.35m.s-1.另外,本文还进一步将该预报方法与国内外普遍采用的逐步回归预报模型进行对比分析,在相同的预报量和预报因子的条件下的对比分析表明,新预报模型对≥10m.s-1的强风预报结果较逐步回归方法的优势明显,预报性能较好,可为沿海热带气旋大风预报提供新的参考.     

1986－2006年抚顺大风特征分析及预报

选取1986－2006年抚顺地区3个测站地面自记风资料,探讨抚顺地区大风的时空分布规律。结果表明：近20 a抚顺地区大风有多个高值年和低值年,平均7－8年为1个波段,2002年后大风日数明显减少。春季大风最多,冬季最少。根据环流形势特征,将大风分为两高夹低型、东高西低型、西高东低型和中小尺度型4种天气环流类型。建立了偏南大风、偏北大风和中小尺度型大风的预报指标和预报方法,为大风预报提供依据。选取2001－2006年40次大风观测数据进行预报效果检验,预报正确率为62％,检验效果较好。     

乌鲁木齐机场东南大风数值预报及地形敏感性试验

利用WRF模式和GFS资料对乌鲁木齐机场一次东南大风天气进行了预报和地形敏感性试验。模式预报的结果表明:WRF模式对东南大风的起风时间、持续时间、风速大小等方面有较强的预报能力。地形敏感性试验表明:1乌鲁木齐市区与机场300m左右的高度差对机场风速的影响很大;2机场上空下沉运动的强弱与东南大风的强弱有很好的对应关系;3机场东南大风的风速变化并不总是与峡谷两端气压梯度力的变化同步。此次东南大风天气的产生是低空动量下传、狭管效应和下坡风共同作用的结果。动量下传主要出现在海拔2000m以下的高度,下坡风主要出现在海拔935m以下的高度。     

1986-2005年抚顺大风特征分析及预报

选取1986-2005年抚顺地区3个测站地面自记风资料,探讨抚顺地区大风的时空分布规律。结果表明：近20a抚顺地区大风有多个高值年和低值年,平均7—8a为1个波段,2002年后大风日数明显减少。春季大风最多,冬季最少。根据环流形势特征,将大风分为两高夹低型、东高西低型、西高东低型和中小尺度型4种天气环流类型。建立了偏南大风、偏北大风和中小尺度型大风的预报指标和预报方法,为大风预报提供依据。选取2001-2005年40次大风观测数据进行预报效果检验．预报正确率为62％,检验效果较好。