基于WRF不同边界层方案的陕西气象要素预报检验

利用陕西省区域数值模式系统,通过对比WRF中两种大气边界层方案(MJY和YSU),对陕西省2021年7月地面和高空要素预报开展了对比试验。结果表明:地面要素预报上,MYJ方案的24 h累积降水量预报的空报率和漏报率都更低,TS评分更高,预报效果更好,逐小时降水量预报的BIAS评分随预报时效的增加变化更小,空报率、漏报率和TS评分也整体优于YSU方案,表明MYJ方案对降水预报的稳定性更好。两个方案的2 m温度和10 m风场预报存在正偏差,2 m比湿预报存在负偏差,即预报场的温度偏高、风速偏大、湿度偏干,YSU方案在2 m温度和10 m风场预报上效果更好,而MYJ方案在2 m比湿预报上效果更好。高空要素预报上,两个方案在各个高度层上对各个要素的预报各有优劣,其中YSU方案在高空风速预报上较MYJ方案更稳定。     

中尺度模式边界层方案对华中区域降水预报的对比试验

选用华中区域中尺度模式中的ACM2、YSU、MYJ三种边界层参数化方案,对2012年5—7月进行降水模拟检验。通过比较三种方案模拟降水的总量分布,表明三种方案能够体现出累积降水的整体分布特征,但存在细节差异,降水TS评分(Ts)和BS偏差(Bs)统计显示ACM2的预报性能优于YSU方案和MYJ方案。大气温湿结构则体现了MYJ方案湍流输送较弱的特点,ACM2和YSU方案因使用非局地闭合理论,模拟结果相近。此外对一次西南低涡暴雨过程进行了分析,结果表明:ACM2方案对低涡移动路径、强度及造成的降水量的总体模拟效果最好。     

宁夏两次低涡暴雨过程边界层方案的敏感性试验

利用中尺度数值模式WRF选取3种边界层参数化方案（YSU、MYJ和ACM2）对2018年8月20日和2019年8月2日宁夏两次低涡暴雨过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对暴雨过程模拟的影响。结果表明：YSU和MYJ方案对暴雨的预报性能均较优,ACM2方案对强降水的空报率较大;YSU方案对逐时中等强度降水的模拟效果更优。YSU方案对低涡系统的移动路径和中心强度模拟效果最好。相比ACM2方案,YSU和MYJ方案对环境场物理量和边界层内水汽混合比的模拟更接近实况,并且YSU方案能准确地反映边界层内位温分布特征。YSU与ACM2方案的湍流混合强度更强,后者维持较强湍流的时间更长。总体上,YSU方案对宁夏低涡暴雨过程的模拟效果最优。     

不同的边界层参数化方案对江淮一次暴雨过程数值试验研究

利用WRF模式分别耦合YSU、MYJ、ACM2和MRF边界层参数化方案对长江中下游地区2013年7月的一次暴雨个例进行模拟实验。为了检验边界层参数化方案的重要性,研究使用无边界层方案(NOPBL)的WRF模式对这次暴雨进行了模拟。通过与实测数据进行对比和分析,本文检验了这五种不同的实验设计对降水落区、总量、基本气象要素的模拟能力。综合模拟结果表明,不同的边界层参数化方案模拟的结果不同。不论是否使用边界层参数化方案,均能模拟出雨带的基本走向,但不同的方案对降水中心强度及位置的模拟与实况相比有差异。NOPBL产生了最大的偏差,ACM2和MRF次之,MYJ的方案对于小雨与大雨的模拟最优,而YSU对不同强度暴雨模拟的正确率都较高。通过物理量分析对比,MYJ方案较优的原因是:1)风场检测,MYJ方案的模拟结果更接近观测值;2)850 hPa水汽通量散度检测,MYJ方案能够模拟两支水汽输送通道。一支以偏西南风为主,在急流出口区有较强的南风风速辐合,使得从西南方向来的水汽向暴雨区辐合;另一支将偏东水汽向西部输送,保证暴雨区局部辐合。3)垂直速度检测,MYJ,YSU方案模拟的垂直运动中心与降水落区相近,但YSU模拟上升速度偏大,相对而言MYJ方案更合理。     

WRF模式多种边界层参数化方案对四川盆地不同量级降水影响的数值试验

利用中尺度模式WRF三种边界层参数化方案(MYJ、YSU和ACM2),对2012年四川盆地夏季连续40天逐日降水量进行数值试验,并检验评估了不同边界层参数化方案下模式对分级降水量和边界层结构的模拟能力,分析了各参数化方案对降水量模拟差异的可能原因。结果表明:三种边界层参数化方案对较小量级(小雨和中雨)降水量的模拟,24 h时效优于48 h,ACM2方案效果较好;对较大量级(大雨和暴雨)降水的模拟,48 h时效优于24 h,YSU方案模拟效果较好。对比分析温江站加密探空观测与模式模拟的大气边界层结构表明,ACM2方案对小量级降水时边界层结构的模拟较为准确,而YSU方案更适合于温江站大量级降水时边界层结构的模拟。不同边界层参数化方案对各量级降水量模拟差异的可能原因是边界层湍流混合强度的不同,MYJ方案湍流混合作用较弱,导致底层大量水汽积聚,不稳定性强,容易产生虚假降水,因此对各量级降水模拟能力均有限;YSU方案具有强烈的垂直混合强度,有利于局地水汽的向上输送,更易达到大量级降水发生发展的条件,适用于盆地较大量级降水的模拟;ACM2方案在保证足够湍流混合强度的同时,在较稳定条件下会关闭非局地输送,不致于产生过强降水,适合盆地较小量级降水的数值模拟     

WRF中不同湿过程对青岛一次暴雨过程的预报性能检验

基于9 km分辨率的中尺度数值模式WRF,通过TS评分、降水空间分布和降水强度检验评估3种积云对流和7种云微物理参数化方案对2014年5月10日青岛地区的一次暴雨天气的预报性能。结果表明:在分辨率为9 km的模式中考虑KF、GD和BMJ积云对流参数化方案时,能够不同程度提高大雨和暴雨的TS评分,且GD方案模拟的降雨落区和强度更接近实况。7种云微物理方案对暴雨模拟效果相差不大,平均TS评分达到0.64,其中KESSLER方案预报性能最好,TS评分达到0.73,其次是WSM6、LIN和WSM5方案,但也大都表现出暴雨范围偏大、雨量偏强的特点。对于此次降雨过程,积云对流参数化方案的预报性能优于云微物理过程方案的表现。     

不同土地利用数据对WRF模拟新疆高温天气的影响

本研究在WRF(v3.8.1)中使用MODIS 21类和USGS24类土地利用类型数据,模拟了新疆2017年7月9日的极端高温天气,并在对模拟温度进行了高度订正的基础上,对比了两种土地利用数据对2m温度预报的影响。结果表明：(1)MODIS和USGS在新疆地区的土地利用差异主要在阿尔泰山、天山以及南疆西部的昆仑山北部海拔3000米以上的高山带,相应地,使用USGS模拟的这些高山带2m气温明显高于使用MODIS的模拟值,最高偏高12℃左右,是全疆范围内两者偏差的极大值。(2)就新疆区域而言,使用USGS模拟的2m气温整体优于使用MODIS的模拟值,且USGS模拟的2m温度整体低于MODIS模拟的2m温度。两者的均多在2℃以内。(3)在伊犁河谷,MODIS土地利用类型主要为“旱地/草地”,USGS为“草地”和“农田/林地马赛克”。代表站点2m温度模拟多以高温偏低、低温偏高为主。(4)与MODIS相比,USGS中哈密地区 “农田/林地马赛克”所占比重明显增大。哈密地区多数代表站点高、低温均以偏低为主。(5)站点温度的高度订正多以调低为主,调高幅度最大值为1.9℃,出现在伊犁河谷的尼勒克站,调整幅度明显大于MODIS和USGS模拟2m温度的差值,由此可见温度高度订正的必要性。     

WRF模式边界层参数化方案对西南低涡模拟的影响

应用中尺度数值模式WRF(V3.3版本)选用4种行星边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和NOPBL)对2011年6月16—18日造成强降水的西南低涡过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对西南低涡过程模拟的影响。模拟结果表明:4种边界层参数化方案均能较好地模拟出西南低涡以及暴雨带的东移,其中YSU方案对低涡路径、强度及降水的总体模拟效果最好。YSU和ACM2方案,与MYJ和NOPBL方案相比,模拟的低涡中心区域正涡度柱和垂直上升运动较强,达到的垂直高度更高。造成这种差异的主要原因是对边界层上的夹卷效应以及垂直混合作用考虑的不同。不考虑边界层作用的NOPBL方案模拟的地表风速异常偏大,造成地表热通量明显偏强、边界层高度偏高。YSU、ACM2和MYJ 3种方案模拟的边界层高度和热通量的日变化比较一致,夜间基本维持少变,白天变化大,其中MYJ模拟的边界层高度和热通量较大,ACM2模拟的较小。地表风速是造成热量输送以及边界层高度模拟差异的主要因子。     

不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候模拟的对比研究

用WRF v3.2.1中尺度预报模式和NCEP/NCAR再分析资料,对比研究了WRF模式中5个不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候的模拟效果。结果表明:WRF模式对各边界层参数化方案均较为敏感,采用不同的边界层参数化方案对模拟区域内的夏季降水、气温、环流等气候要素均可产生明显影响。选取MYJ方案和QNSE方案对500 h Pa夏季平均环流的模拟效果较好,YSU方案和QNSE方案对夏季平均日降水量模拟与再分析资料更吻合,YSU方案和MYNN2.5方案对中国东部2 m气温的模拟结果较好。不同边界层参数化方案模拟结果都显示出由于副热带高压偏强,使副热带高压第2次北跳后停留时间过短,导致长江中下游降水偏少,华北地区降水增多。通过比较YSU和QNSE边界层方案,发现YSU方案相比QNSE方案的降水差异,是由于850 h Pa水汽输送造成的。在中国大部分地区YSU方案的2 m温度比QNSE方案高,并且地面2 m气温和降水存在一定对应关系。因此合理选取边界层参数化方案可以提高数值模拟的准确性。     

基于大涡模拟对两类典型边界层参数化方案的评估分析

在WRF模式的三维动力框架和同一种外强迫下,基于大涡模拟结果对Yonsei University(YSU)和Mellor-Yamada-Janiic(MYJ)边界层参数化方案进行了评估。模式初始场由一个探空观测给定,模式的外强迫为观测得到随时间变化的地面感热、潜热通量及辐射传输模式得到的辐射冷却率。通过显式解析边界层的大涡模拟试验和采用边界层参数化方案的模拟试验结果表明,与大涡模拟结果相比,YSU方案模拟的混合偏强,MYJ方案偏弱;YSU方案模拟的边界层高度偏高,边界层内偏暖、偏干;MYJ方案模拟的边界层高度偏低,边界层内偏冷、偏湿。     

鄂东暖区暴雨个例的高分辨率模拟对边界层方案的敏感性

2016年7月5-6日,鄂东发生了一次典型的副热带高压边缘型暖区暴雨。本研究使用WRF模式对该过程进行积云可分辨模拟,重点关注不同边界层方案下(ACM2、YSU、MYJ)短时强降水的差异及其可能原因。结果表明:相比ACM2,YSU和MYJ方案的短时强降水呈现先强后弱的特点;究其原因,与后两种方案下强对流的提前触发和消散有关。具体地,在对流触发前,YSU和MYJ方案模拟的涡流扩散性系数较ACM2偏小,边界层V风倾向偏弱,从而低层南风减速不明显,使得南风辐合偏强并提前触发强对流;而在消亡阶段,YSU和MYJ方案下强对流很快消散,但ACM2方案模拟的低层切变线上不断有对流新生;进一步,通过关闭微物理潜热加热的敏感试验,证实了低层切变线的产生与前期强降水潜热释放对中尺度环境场的改变有关,边界层过程的作用相对较小。另一方面,使用高分辨率模式结果对不同边界层方案下云微物理特征的分析表明,短时强降水的形成与霰的融化主导冷云降水过程有关,相比ACM2,YSU和MYJ方案下短时强降水的先强后弱对应于霰含量的先多后少。     

WRF模式中不同土地利用数据对新疆一次高温天气模拟的影响

本研究在WRF(v3.8.1)中分别使用MODIS 21类和USGS 24类土地利用类型数据,模拟了新疆2017年7月9日的极端高温天气,并在对模拟温度进行了高度订正的基础上,对比了两种土地利用数据对2 m温度预报的影响。结果表明:(1)MODIS和USGS在新疆地区的土地利用差异主要在阿尔泰山、天山以及南疆西部的昆仑山北部海拔3000 m以上的高山带,相应地,使用USGS模拟的这些高山带2 m气温明显高于使用MODIS的模拟值,最高偏高12 K左右,是全疆范围内两者偏差的极大值。(2)就新疆区域而言,使用USGS模拟的2 m气温整体优于使用MODIS的模拟值,且USGS模拟的2 m温度整体低于MODIS模拟的2 m温度。两者与实况的偏差多在2 K以内。(3)在伊犁河谷,MODIS土地利用类型主要为"旱地/草地",USGS为"草地"和"农田/林地马赛克"。伊犁河谷代表站点2 m温度模拟多以高温偏低、低温偏高为主。(4)与MODIS相比,USGS中哈密地区"农田/林地马赛克"所占比重明显增大。哈密地区多数代表站点高、低温均以偏低为主。(5)站点温度的高度订正多以调低为主,调低幅度最大值为1.9 K,出现在伊犁河谷的尼勒克站。站点2 m温度的调整幅度整体上明显大于MODIS和USGS模拟2 m温度的差值,由此可见温度高度订正的必要性。     

多普勒雷达资料同化在福建地区暴雨过程中的模拟试验

利用中尺度模式WRFV3.5,对福建地区的一次暴雨过程进行了模式参数化方案模拟效果的敏感性试验,并同化了多普勒雷达资料进行了模拟研究。结果表明,WSM5微物理方案与BMJ积云对流方案的组合模拟大雨和暴雨量级降水的TS评分可达0.29,模拟效果优于其他各种组合。在此基础上,采用WRFV3.5三维变分系统,直接同化多普勒雷达资料,并和登陆台风的外围暴雨过程的控制试验比较,结果表明,仅同化反射率资料使得暴雨落区会向南调整,更接近于实况(TS评分提高了0.12),而仅同化径向风资料使得模拟的降水强度更趋近于实况(TS评分提高了0.13);同时同化反射率和径向风资料,使得暴雨落区及其强度的模拟最接近于实况(TS评分从0.12提高到0.28);敏感性试验的对比结果以时间间隔为3 h时模拟效果最优,6 h间隔次之。因此,合理同化雷达资料会显著改进福建登陆台风的降水模拟效果。     

GRAPES_TCM模式对影响浙江省热带气旋的降水预报评估

基于2006-2009年有热带气旋影响浙江省期间气象站(包括自动站)资料及上海台风研究所的GRAPES_TCM模式输出降水资料,应用TS和BS评分方法,对模式在浙江省的热带气旋降水预报能力进行了评估.结果表明模式晴雨准确率和小雨TS评分24 h和36 h预报相对高,48 h开始随预报时效逐渐下降,中雨、大雨和暴雨TS评分随时效变化趋势不明显,而大暴雨TS评分有较大的随机性.漏报是影响小雨和中雨TS评分的主要原因,空、漏报对大雨和暴雨TS评分的影响基本相同,空报是影响大暴雨TS评分的主要原因.相同预报时效的TS评分随降水等级的提高而减小.BS评分发现模式对大雨及以下量级降水预报站次比实际偏少,对暴雨预报相对接近实际出现站次,对70 mm以上的大暴雨模式有过度预报倾向.与宁波市气象台主观预报比较,对晴雨和小雨预报,相同时效的主观预报一般高于客观,主观暴雨预报TS评分比客观预报一般高出30％以上.GRAPES_TCM模式对于影响程度高的TC降水预报能力相对高.20时输出预报与08时相比,对于晴雨和小雨预报,48 h以内差异不大,而60 h和72 h预报准确率,20时明显高于08时.对于中雨及以上等级降水,20时预报TS评分一般比08时好,主要得益于漏报率的降低.     

边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风（1614）登陆阶段影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s?1及241 mm;（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;（4）综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。     

WRF模式对山谷城市边界层模拟能力的检验及地面气象特征分析

利用先进的WRF中尺度模式中3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2),模拟了2005年1月25~28日兰州市冬季地面温度和风速的变化,并与同期系留探空和自动气象站的实测资料进行了对比分析。结果表明:对兰州冬季大气边界层地面温度日变化的模拟,局地闭合的MYJ方案优于非局地闭合的YSU和ACM2方案;3种方案模拟的夜间位温廓线较好,白天的较差;在边界层低层,考虑局地和非局地闭合的ACM2方案模拟的位温廓线与观测值比较一致;在边界层上部,局地闭合的MYJ方案则更适合于描述大气湍流对位温垂直分布的影响;3种边界层参数化方案模拟的兰州地区冬季温度场空间分布特征相似,但MYJ方案模拟的夜间温度低于YSU和ACM2方案,白天则高于YSU和ACM2方案。     

AREM模式中引入MYJ边界层方案介绍及其试验

业务实践表明,AREM模式对中国暴雨有较好的模拟能力。当前AREM模式中可供选择的边界层参数化方案比较单一,而不同边界层方案对暴雨的模拟差异较大,所以在AREM中引入一种新的边界层方案是提高其性能的一个重要方面。本文介绍了在AREM模式中引入Mellor-Yamada-Janjic′（MYJ）边界层方案的关键技术与流程,并对MYJ方案的模拟能力进行了评估。模式对2008年四川暴雨的模拟结果表明,MYJ方案有助于改善模式预报的降雨落区位置。     

两种边界层方案对台风“Megi”路径的影响

以WRF为试验模式,对比分析2种边界层参数化方案(YSU、MYJ)对台风"Megi"路径的影响。结果显示,"Megi"路径对边界层方案的变化有一定的敏感性。相比于MYJ方案的模拟结果,YSU方案模拟的边界层垂直混合作用和水汽垂直输送较强,因此对流层高层的水物质含量高于MYJ方案中的结果。分布于台风周围的水物质在对流层高层会以砧云的形态扩散至副高区域,砧云在对流层高层凝结放热增温,在低层形成降水蒸发吸热降温,影响副高区域上下层的温度分布,导致副高强度减弱、位置东退,最终造成台风提前转向。     

长江下游地区不同边界层参数化方案的试验研究

利用中尺度数值模式WRFV3.1.1中的MYJ、QNSE、YSU、ACM2、MYNN2.5、MYNN3、Boulac七种不同边界层参数化方案,进行了发生在长江下游地区的3例暴雨的模拟试验.重点分析比较了七个不同边界层参数化方案对降水总量分布、次降水区的边界层结构、关键基本气象要素场的模拟能力,并将降水总量和关键基本气象要素场的模拟结果与实测结果进行了统计检验.通过对比,发现QNSE方案的模拟能力相对优于其他边界层参数化方案.     

边界层方案对一次西南涡背景下局地暴雨过程影响分析北大核心

利用WRF模式对2017年6月9日重庆合川区一次局地暴雨过程开展对流可分辨尺度的模拟试验,比较三种边界层参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同试验均能模拟出此次降水的主要分布特征,而不同边界层参数化方案能够显著影响降水落区和强度的模拟。MYJ方案对强降水的模拟最好,能较好地模拟出降水触发的时间和位置;其次为BouLac方案,触发时间偏晚约2 h,降水落区与MYJ方案相近;YSU方案模拟的降水分布偏差较大,降水触发的位置和落区偏北。湍流混合强度是造成落区模拟差异的主要原因,通过影响1.5 km高度以下风场分布改变造成此次局地强降水过程的西南涡位置,进而影响到降水的落区。基于YSU方案的湍流混合减弱试验证明了湍流混合强度与降水落区的关系。