GRAPES_Meso模式不同参数化方案在甘肃河东地区的模拟评估

利用我国新一代GRAPES_Meso区域中尺度数值预报模式,通过调整边界层方案、陆面过程方案、微物理过程方案和积云对流方案,形成8组不同的参数化组合方案,对甘肃河东地区2015年7-8月的高空要素、2 m气温和降水开展了对比试验,结果表明:当微物理过程为WSM6类方案、积云对流为KF方案、边界层为MRF方案、陆面过程为...     

长波辐射对大气变化的敏感性和在WRF模式中的应用检验

用RRTM长波辐射 (LWR)参数化方案测试了LWR对大气变化的敏感性。结果表明 :高云对向外长波辐射(OLR)、30 0和 5 0 0hPa净LWR通量的减弱作用较中、低云大 ;低云对 85 0hPa和地表净LWR通量的减弱作用较中、高云大。在云层中 ,LWR冷却率受云影响最大 ;在云层下方 ,云对LWR的影响迅速减小 ;而在云层上方 ,冷却率几乎不受云的影响。当水汽含量减少或增加时 ,地表向下LWR受到相应减弱或增强 ,而净LWR则在一定程度上受到相应增强或减弱 ,并且越接近地面 ,受到水汽变化的影响就越大。O3 对LWR的影响相对云和水汽来说是比较小的。文中介绍了在WRF模式中应用RRTM方案预报LWR不同季节的 2个个例 ,给出了应用NCEP/AVN分析资料预报和验证中国范围 2d之内LWR通量的模拟结果。试验表明 ,OLR和 5 0 0hPa净LWR通量与高度形势场有较好的对应关系 ,而地表净LWR很大程度上还受到地形的影响。     

GRAPES模式中地面通量在一次台风数值模拟中的敏感性试验研究

在中尺度天气数值预报模式（GRAPES）的边界层方案（MRF）中,地面通量的计算与模式分层有直接关系,可能引起计算结果的不准确。在模式中引入Beljaars方案,通过比较分析模拟的台风地表特征量及形势场和风场表明,引入的方案对台风强度和路径的预报效果都起到改善作用。对台风“巨爵”个例的模拟表明,引入Beljaars方案之后,其地表的潜热、感热通量均明显增强,摩擦速度最大值增大,说明地表向上传输的热通量、水汽通量、动量通量均增强,这都有利于台风的发展和加强,因此模拟的台风路径和强度也更接近实况;从台风结构来看,方案二模拟的台风倾斜垂直结构没有方案一的明显,暖心结构有所加强;从风场分析来看,台风眼区的风速低值中心可延伸到500 hPa的高度上,明显高于方案一。      

一种新的地面气压插值方案在计算低于模式地形的观测相当量中的研究

中国地形复杂,致使特定分辨率的模式地形与实际地形常存在一定差别。如何在复杂地形条件下设计数值预报模式中合理的地面气象要素的计算方案,对我国地面观测资料在中尺度数值模式中的充分应用有着非常重要的意义。利用GRAPES模式变量计算低于模式面的实际台站高度上的气压方案,采用基于静力平衡的气压外推方法计算地面气压,并与实际观测的地面气压进行比较,两者基本吻合。又利用新的计算方案讨论了地面气压观测的质量控制问题,新的质量控制方案大大扩充了目前地面资料在同化中的使用率。     

数字滤波初始化方案在高分辨率GRAPES区域模式中的应用研究

高分辨率同化系统中引入的高频率高密度观测信息会造成分析变量之间的不平衡,因而在模式积分中产生的虚假重力波会严重影响模式预报质量和运行稳定.为了抑制虚假重力波在模式中快速增长,文中通过在高分辨率GRAPES区域模式中应用非绝热数字滤波和增量数字滤波初始化方案,研究不同滤波截断周期的初始化方案对分析预报的影响.试验结果表明...     

二阶精度半隐式半拉格朗日轨迹计算和时间积分方案在GRAPES区域模式中的应用

将两时间层稳定外插方案(Stable Extrapolation Two-Time-Level Scheme,SETTLS)引入GRAPES区域模式,并将其用于上游点和非线性项的时间外插计算。对线性项采用二阶精度的非中央权重时间平均,并取等温参考大气的温度大于实际大气平均温度,以保证半隐式积分方案的稳定性。原GRAPES时间积分方案对线性项做一阶非中央权重时间平均,对参考大气的选择并无限制,而为保证稳定性,须取较大的非中央权重系数,但非中央权重系数会对低波数波动产生较强的衰减作用。理想试验结果表明,相比原GRAPES半隐式半拉格朗日(SISL)时间积分方案,新SISL时间积分方案计算稳定且对波动的衰减作用较弱。     

积云参数化方案中云底质量通量的限制及在高分辨率模式中的应用

对SAS积云参数化方案中的云底质量通量进行限制并将其应用到华南区域高分辨率模式降水预报中,分别对强对流个例和弱对流个例进行模拟和比较,分析了限制云底质量通量之后的积云参数化方案对模式降水预报的影响,并探讨了不同大小的云底质量通量限制对预报结果的敏感性。试验结果表明,对积云参数化方案进行闭合时采用不稳定能量释放假设要比原来的准平衡闭合假设更适用于中小尺度模式。对积云参数化方案的云底质量通量进行限制以后可以有效地消除对流参数化在高分辨率模式中引起的虚假降水,同时又能够合理地引入一些次网格尺度的弱对流的影响,从而改进模式的降水预报效果。敏感性试验结果表明,随着云底质量通量限制程度的变弱,对流参数化方案对模式降水预报的影响会逐渐增强;在一定大小范围内的云底质量通量限制下,强对流个例的总降水量预报结果对于不同大小的限制不如弱对流个例敏感。对两种不同的云底质量通量限制方式进行比较发现,在云底质量通量较大时完全关闭对流参数化方案可以更有效避免对流参数化引起的虚假降水。      

CCM3/NCAR的辐射方案在IAP-AGCM模式中的应用

利用NCAR的CCM3 (The Community Climate Model version 3) 辐射模块, 对IAP9L－AGCM的辐射计算方案进行了替换, 并对改进的结果做了细致的评估。分析表明, 新版本的模式在大多数辐射场的空间平均和分布型的模拟上有了较为明显的改进, 特别是较好地克服了原模式中陆面净辐射场的偏差。在此基础上, 新版本计算的大气温度普遍升高。伴随这种变化, 模式中的海平面气压、 地表温度、 位势高度、 风场、 降水、 比湿等物理量都有了调整, 但是变化并不明显, 从而对模式的进一步发展和完善提出了新的要求。     

二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输方案在全球气候模式中的应用

本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四流上的推广。因此新方案在计算精度上要优于原方案。通过在全球气候模式中的应用与比较,本文发现新方案对气候模拟会产生比较大的影响。在晴空条件下,新方案计算的在南纬30°到60°区间、北大西洋东北部以及非洲北部的撒哈拉沙漠区域的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,最大差别可以达到3.5 W/m2;同时,新方案计算的在南纬30°到60°区间和北大西洋东北部的大气顶向上年平均短波辐射通量要大于原方案结果,最大差别达到3 W/m2。在有云大气情况下,新方案计算的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,并随着纬度的增加,新旧两种方案的差别逐渐变大,在南北极时达到最大5.5 W/m2;同时,新方案计算的在赤道区域的大气顶的年平均短波向上辐射通量要小于原方案结果,最大差别为2.5 W/m2,而在南北纬30°到60°区间,新方案计算的在大气顶的年平均短波向上辐射通量则要大于原方案结果,最大差别为1.5 W/m2。新方案计算的年平均短波加热率普遍高于原方案结果,特别是在800 hPa到地表之间的低层大气以及50 hPa到100 hPa的高层大气,最大差别可达0.03 K/d。因此,新方案有助于改善全球气候模式中普遍存在的赤道平流层中下层的温度冷偏差现象。     

McICA云—辐射方案在国家气候中心全球气候模式中的应用与评估

本文将一种新的、可以灵活给出云的次网格结构的蒙特卡洛独立气柱近似 (McICA) 云—辐射方案应用于国家气候中心全球气候模式BCC_AGCM 2.0.1中;由于此方案会引入一定的随机误差,本文对随机误差的特征和对所模拟的气候场的影响进行了分析和评估.结果表明,McICA随机误差引起的模拟扰动很小,随机误差对所模拟的各种气候变量影响也很小,全球平均值与作为参考的精确独立气柱近似 (ICA) 计算的差别都在0.01%量级,模拟结果的纬向分布、垂直分布和典型区域内的分布等气候特征都基本上与ICA一致.因此,在国家气候中心全球气候模式BCC_AGCM 2.0.1中应用McICA云—辐射方案具有较高的可信度,模拟性能的提升仍然主要取决于模式物理过程、动力框架等方面,而不受随机误差的影响.考虑到McICA方案下云和辐射过程是各自独立的,云的结构调整和辐射模式的改进都更为简便,为模式在未来的进一步改进提供了很大便利和发展空间.     

GRAPES中尺度模式中Kain-Fritcsh方案的改进及应用试验

本文对GRAPES_Meso中Kain-Fritcsh eta积云参数化方案进行了三种改进：(1)将原触发机制中的温度扰动分解成由水汽决定的垂直向和水平向温度扰动(KF1方案),(2)在原温度扰动中直接增加一项由相对湿度计算的水汽平流项(KF2方案),(3)在KF1方案中增加用相对湿度计算的水汽平流项(KF3方案)。利用GFS预报场资料对上述改进方案进行模拟试验和批量回报试验,结果表明：“5·23”暴雨个例中,(1)改进方案均可以减少原方案模拟的部分虚假降水,KF1方案模拟降水范围较好,KF2方案模拟强降水中心较好,KF3方案同时具备二者优点。(2)三种改进方案对于强降水站点均存在模拟降水偏弱,KF1方案降水趋势与实况接近,但存在对流激发较快,后期降水略为不足,KF2方案则相反,KF3方案表现介于二者之间;KF2、KF3方案均会在对流激发最强和最弱时刻使其向有利方向调整。台风个例中,KF1方案模拟中心气压较好,KF2方案模拟台风路径较好,KF3方案则在两者上均有较好表现。TS评分检验表明KF1方案在各个降水量级上的评分都较低,KF2、KF3方案评分相对较高;误差检验(高度、风)时,KF1方案在中层误差较大,高、低层误差最小,其他两种方案表现则相反。     

热带OLR异常的遥相关结构及其季节变化

本文用单点相关研究了1月和7月热带OLR异常的遥相关结构及其季节变化。结果表明，热带纬带（15°N-15°S）遥相关型具有纬向偶极结构和准驻波性。1月遥相关具有热带波数2的结构，它反映了东非（赤道中太平洋）和南美（热带西太平洋）之间的非绝热加热异常存在翘翘板（Seesaw）关系；7月遥相关呈热带1波型，它同全球最强的行星尺度热源异常的东西振荡相联系。遥相关型对季节变化的敏感性主要表现为全球热带纬带几个热源（汇）区强度变化和纬向位移，以及东非的遥相关在6-9月符号变异，并由此引起遥相关型从冬到夏从波数2向波     

改进的FY-3B/VIRR OLR反演模式及其应用效果

FY-3B卫星VIRR仪器的向外长波辐射(outgoing long-wave radiation,OLR)产品处理采用与NOAA/AVHRR相同的算法模型,即用窗区通道亮温-通量等效亮度温度的回归关系式计算OLR,但两星的OLR业务产品与目前国际质量最好的云和地球辐射能量系统(cloud and earth’s radiant energy system,CERES)仪器观测OLR产品相比,存在约10 W·m~(-2)的系统负偏差。FY-3B的原因在于OLR反演模式建立过程中红外辐射传输计算软件的精度不够。鉴于此,本文采用美国21世纪开发的逐线辐射传输模型计算软件(LBLRTM),模拟计算了全球2521条大气廓线的大气顶辐射率光谱,在此基础上计算了每条廓线的OLR和FY-3B/VIRR窗区通道亮温,应用最小二乘法统计回归模拟数据,重新建立了由FY-3B/VIRR窗区通道亮温计算OLR的回归关系式及系数。模式应用于FY-3BL1级数据,处理2016年1,3,7和10月的FY-3B逐日全球OLR资料,该资料与AQUA-TERRA卫星的CERES仪器OLR观测产品相比,得到日平均OLR:RMSE=9~15 W·m~(-2),R=0.9834,Bias=-0.3W·m~(-2);月平均OLR:RMSE=4~7W·m~(-2),R=0.9915,Bias=-0.3W·m~(-2),表明改进的模式能处理出无系统偏差的、精度基本与CERES观测相当的OLR产品,尽管单通道反演算法有着固有的模式回归误差。     

辐射传输模式中地表参数对大气长波辐射的影响

本文利用Liou-Ou一维宽带辐射传输模式，对地表热力参数取值部分作了改进，使用模式大气和青藏高原实测资料对下垫面温度与地表空气温度两者不能合二为一的问题进行了分析，同时还讨论了下垫面温度的日变化对大气长波辐射通量日变化的影响及地表比辐射率的变化对大气长波辐射通量计算结果的修正作用。     

高分辨率模式对中国地表短波辐射季节预测

基于中国气象科学研究院T255全球高分辨率气候系统模式(CAMS-CSM)2011—2020年多样本集合回报试验,评估模式在中国及3个典型区域地表短波辐射(downward short-wave radiation flux,DSWRF)的季节预测能力。结果表明：CAMS-CSM模式能较好预测DSWRF的季节变化特征,但春季、夏季预测强度偏弱,秋季、冬季偏强。不同季节、不同地区DSWRF异常场的预报技巧差异明显。由DSWRF异常的空间相关系数和时间相关系数可以看到,内蒙古和西北地区秋季、冬季预报技巧较高,京津冀部分地区夏季、秋季节预报技巧较低。从趋势异常综合评分指数看,中国区域超前1个月预报各季节评分均超过70分,对西北地区夏季、秋季的评分指数最高,超过80分。整体而言,高分辨率气候模式对中国区域DSWRF超前0~1个月预报有一定预测能力,尤其是太阳能资源丰富的西北地区,可为未来DSWRF短期预测及太阳能清洁能源选址等提供参考。除模式系统性偏差外,春季、夏季DSWRF预报偏差主要来源于总云量预报的模拟偏差,改进模式云微物理过程是提高DSWRF季节预测能力的重要途径。     

Research on the Application of the Radiative Transfer Model Based on Deep Neural Network in One-dimensional Variational Algorithm

As a typical physical retrieval algorithm for retrieving atmospheric parameters, one-dimensional variational(1 DVAR) algorithm is widely used in various climate and meteorological communities and enjoys an important position in the field of microwave remote sensing. Among algorithm parameters affecting the performance of the 1 DVAR algorithm, the accuracy of the microwave radiative transfer model for calculating the simulated brightness temperature is the fundamental constraint on the retrieval ...     

A Statistically-Based Low-Level Cloud Scheme and Its Tentative Application in a General Circulation Model

1. Introduction Clouds are active factors in the climate system, and have significant influences on the global hydrolog- ical and thermal budgets. More and more the climate model developers and researchers have realized the im- portance to appropriately describe the interactions be- tween cloud and radiation in the atmospheric general circulation model (AGCM). It is well known that cloud is one of the contributing factors to the uncertainties in the simulation of climate by AGCM. Especiall…     

华南沿海暖海雾过程中的湍流热量交换特征

湍流交换是海雾中的关键物理过程, 在海雾的热量和水汽平衡过程中起重要作用。本文根据2007年3月24～25日一次海雾的外场观测数据, 分析了海雾过程中近海面湍流热量交换特征; 并在区分风切变机械湍流与雾顶长波辐射冷却热力湍流的基础上, 着重分析了两种不同性质的湍流对海雾发展和维持的作用。结果表明: (1) 本次海雾是在西南低压和变性冷高压的控制下, 来自南海东部暖水区的空气平流在近岸冷海面上形成的暖海雾; 暖海雾中的湍流热量交换过程比冷海雾更为复杂; (2) 在暖海雾的形成和消散阶段, 风切变机械湍流的热量输送起主要作用; 而在发展和维持阶段, 既有风切变机械湍流的热量输送作用, 也有雾顶长波辐射冷却热力湍流的热量输送作用; (3) 风切变机械湍流向冷海面输送热量, 对近海面空气起到降温和增湿作用; 热力湍流同样向冷海面输送热量, 但对雾层起到增温和降湿作用; (4) 暖海雾中的湍流热量交换机制与雾层的非充分混合结构有密切关系。     

Modulation of Convectively Coupled Kelvin Wave Activity in the Tropical Pacific by ENSO

The influence of El Nio-Southern Oscillation (ENSO) on the convectively coupled Kelvin waves over the tropical Pacific is investigated by comparing the Kelvin wave activity in the eastern Pacific (EP) El Nio, central Pacific (CP) El Nio, and La Nia years, respectively, to 30-yr (1982-2011) mean statistics. The convectively coupled Kelvin waves in this study are represented by the two leading modes of empirical orthogonal function (EOF) of 2-25-day band-pass filtered daily outgoing longwave radiation (OLR), with the estimated zonal wavenumber of 3 or 4, period of 8 days, and eastward propagating speed of 17 ms-1 . The most significant impact of ENSO on the Kelvin wave activity is the intensification of the Kelvin waves during the EP El Nios. The impact of La Nia on the reduction of the Kelvin wave intensity is relatively weaker, reflecting the nonlinearity of tropical deep convection and the associated Kelvin waves in response to ENSO sea surface temperature (SST) anomalies. The impact of the CP El Nio on the Kelvin waves is less significant due to relatively weaker SST anomalies and smaller spatial coverage. ENSO may also alter the frequency, wavelength, and phase speed of the Kelvin waves. This study demonstrates that low-frequency ENSO SST anomalies modulate high-frequency tropical disturbances, an example of weather-climate linkage.     

边界层湍流参数化改进对雾的模拟影响

为了提高边界层参数化在我国复杂下垫面上的描述能力,改善边界层能量和物质输送计算和检验其数值模拟效果,本文选取WRF三维模式,采用基于我国不同下垫面上的边界层观测资料改进的新MYNN（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino）参数化方案对2009年3月17日黄海海雾以及2011年12月4日华北地区两次大雾过程进行模拟检验,探讨边界层参数化方案对雾和边界层结构模拟的影响。参照卫星云图和探空资料,边界层内云水混合比垂直积分的水平分布的模拟能力明显提高,反映了改进的MYNN方案能够更好地模拟出两次雾过程的发生、移动和雾区空间分布,更精确的云水混合比和温度的垂直分布能更好地给出雾区的垂直结构和稳定层结,同时可改善雾区低层位温以及比湿垂直分布的模拟。