边界层参数化方案对暴雨数值模拟的影响

选取2003年7月4-5日南京暴雨个例，采用非静力中尺度模式MM5进行模拟，着重研究了不同边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布的影响。结果表明：对于不同的边界层参数化方案，垂直速度场、水汽通量散度场、涡度场、水平风场的散度以及θse场都表现出不同的特征；合理边界层方案的引入对预报效果有明显的改进；结合边界层和自由大气的动力、热力结构进行了综合分析，给出了边界层作用与自由大气动力、热力结构的配置情况。说明这种配置对暴雨的形成是至关重要的。     

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。     

边界层参数化方案对不同性质降水模拟的影响

利用MM5模式的4种边界层方案(ETA方案、MRF方案、Blackadar方案、Gayno-Seman方案),对2008年9月22～27日发生在四川盆地先是对流性,后来是稳定性的暴雨过程进行了该4种不同边界层方案的数值模拟比较试验。整体而言,ETA方案对雨带的预报能力较差,但对对流性降水有一定的预报能力;MRF方案对雨带(特别是稳定性降水)的预报能力相对最强;Blackadar方案对后24h强降水最具能力,且对对流性和稳定性降水的预报能力没有太大差别;Gayno-Seman方案对后24 h强降水预报能力较差。边界层对物理量场的影响随时间增大。在预报积分的前10 h以内,各方案的涡度、相对湿度、垂直速度等物理量预报几乎无异;积分10～24 h,它们的量值间出现差异;24 h后,不同方案的预报不仅量值上有差异,甚至变化趋势都不尽相同。高度场受边界层的影响最小,受边界层方案影响最大的是U场,V场受边界层的影响呈高度和时间的分段函数,湿度场受到的影响有明显的时间滞后性特征。对于温度场而言,600 hPa似乎是温度场受边界层影响的一个拐点,边界层影响在通过600 hPa后改变了影响规律。     

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.     

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。     

边界层参数化对海南岛海风环流结构模拟的影响

利用WRF V3.7详细分析了应用8种边界层参数化方案（YSU、MYNN2.5、MYNN3、ACM2、BouLac、UW、SH、GBM）所模拟的2014年5月25日海南岛海风环流结构的差异,其中YSU、ACM2和SH为非局地闭合方案,MYNN2.5、MYNN3、BouLac、UW和GBM为局地闭合方案。结果表明:对于海风环流水平结构的模拟,15时,YSU、ACM2、BouLac、UW和SH模拟的北部海风较强,SH和GBM的内陆风速偏大。温度与海风发展强度相对应,MYNN2.5与MYNN3模拟的岛屿温度偏低,海陆温差小,海风相对较弱。对于海风环流垂直结构的模拟,09时海风开始,但强度较小,且存在残余陆风,向内陆传播距离较短,YSU、MYNN2.5和SH方案的海风相对较强。12时,海风已呈现出较为清晰的环流结构,YSU和ACM2的海风厚度及向内陆传播距离相对强于其它方案,MYNN3的环流结构则不太明显,且向内陆推进距离短,海风相对较弱。15时,海风发展强盛,MYNN2.5和MYNN3方案模拟的海风垂直强度较小,ACM2方案的海风垂直环流特征最为明显。18时,海风的强度和扰动均有所减弱,ACM2、BouLac和UW的整体海风相对强于其它方案。21时海风已基本转为陆风,BouLac与UW的陆风环流结构最为清晰。位温、水汽及海风垂直环流强度的发展变化与海风的演变过程基本一致。造成ACM2模拟海风偏强的原因是其边界层垂直混合偏强,形成了足够的湍流混合强度所致。对于边界层高度的模拟,ACM2的边界层顶最高,这与此方案所模拟的海风强度偏大相吻合,其它方案的边界层高度与海风强度并不完全一致。      

边界层湍流通量参数化方案

文章对边界层湍流通量参数方案进行了系统的回顾，尤其是对常用的一阶和湍流功能方案（１１／２ｏｒｄｅｒ）进行了详细的讨论，以期为“九五”攻关任务－模式边界层参数方案的改进打好基础。     

不同边界层参数化方案在暴雨数值模拟中的对比分析

本文利用非静力平衡的中尺度模式(MM5),通过对一次华南锋前暖区暴雨的数值模拟,比较了3种边界层参数化方案的作用。结果表明：从24小时累积降水的分布来看,MRF方案的预报与实况对比效果最好,其次是Blaekadar高分辨率PBL模式,最差是no PBI,方案。分析MRF方案的输出结果,发现对应每个时刻的累积雨团上空,925hPa都有较强的辐合辐散偶极子与之相配合,而在300hPa则有较强的辐散。不同边界层方案模拟的辐散场有一定的差别,导致了降水的不同预报效果。     

不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中6种行星边界层参数化方案对新疆进行2006年10月1日至2008年1月1日的模拟积分试验,重点考察模式在10 km水平分辨率下不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的敏感性。结果表明:1）采用6种行星边界层参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量的空间分布及月降水的季节循环。2）对于新疆整体来说,采用Grenier-Bretherton-McCaa（GBM）方案模拟雨季降水更接近观测,偏差在±30%以内。对于天山地区来说,采用Bougeault-Lacarrere（BouLac）方案模拟年降水更接近观测,偏差为－19.13%;采用GBM方案模拟中雨和大雨的TS评分最高分别为0.37和0.33,并且能够较好地模拟7月5次较大降水日中不同下垫面类型的昼夜降水,偏差在5 mm以内。3）BouLac方案能够较好地模拟天山地区年降水的时空分布特征,GBM方案更适合模拟新疆整体雨季期间降水。因此利用WRF模式开展新疆降水模拟研究时应考虑不同行星边界层参数化方案的适用范围。     

边界层参数化方案的探讨

本文对求取边界层参数的多种参数化方案进行了分析讨论，通过比较表明：新一代空气质量模式系统ＨＰＤＭ采用的参数化方案具有较优的性能，在我国制定大气污染物排放标准时值得借鉴。同时本文还对边界层高度Ｚｉ提出改进方案     

基于WRF模式的对流尺度边界层方案参数随机扰动方法研究

边界层参数化方案的准确性会影响模式对近地面变量和大气低层热动力结构的模拟,对雷暴等强对流天气的预报非常重要,但边界层方案内在的不确定性使得单一预报具有局限性。为了提高对流尺度数值模式中边界层方案的预报效果,基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式,应用随机参数扰动（SPP）方法对Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino（MYNN）边界层方案中重要的3个不确定参数进行扰动,探究了该方法对北京地区一次雷暴过程模拟的影响。同时考虑了对流尺度集合预报系统的特点,调整随机参数扰动方法的3个参量（去相关时间尺度、空间尺度和格点标准差）探究了对流尺度中对MYNN方案参数进行扰动的最优设置。结果显示:随机扰动MYNN边界层方案参数（SPPM）方法可以有效提高近地面变量和700 hPa以下低层变量的离散度,同时提高了短时强降水位置和强度的预报技巧。3个参量的试验说明,去相关时间尺度增大到12 h集合离散度有明显提高;格点标准差增大到0.20,预报技巧也略有提高;去相关空间尺度维持在默认值700 km较好,尺度过小（150 km）预报技巧明显降低。上述结果表明,在对流尺度中SPPM方法可以有效表达边界层参数化方案的不确定性,提高集合预报系统的预报技巧。      

Aerosol climatology for the planetary boundary layer derived from regular lidar measurements

Regular aerosol extinction and backscatter measurements using a UV Raman Lidar have been performed for almost 3 years in Hamburg in the frame of the German Lidar Network. A set of 92 aerosol extinction and 164 aerosol backscatter profiles has been used for statistical investigations. Mean values and variances of the aerosol extinction and backscatter in the boundary layer have been calculated. Large fluctuations during the whole year have been found. The measured aerosol extinction over Hamburg shows a seasonal cycle with highest values in early fall and a second less prominent peak in spring.An analysis of the data using back trajectories showed a dependence of the aerosol extinction on the origin of the air mass. The residence time of the air mass over industrialized areas was found to be an important parameter for the measured aerosol extinction at Hamburg. However, only a small part of the total variability could be explained by the air mass origin.For 75 cases of aerosol extinction measurements under cloud-free conditions, the aerosol backscatter profile and therefore, the lidar ratio as a function of altitude could be determined. Winter measurements of the lidar ratio are often close to model results for maritime aerosol, the summer measurements are close to the model results for urban or continental aerosols.The high quality of the data has been proven by intercomparisons with other lidar systems and with star photometer measurements of the aerosol optical depth during the Lindenberg Aerosol Characterization Experiment (LACE'98) field campaign.     

边界层和陆面过程对中国暴雨影响研究的进展

以华中区域中尺度业务模式WRF3D为平台,使用MYJ、ACM2边界层方案完成2012年7月的批量敏感试验,重点研究不同边界层方案对中国中东部地区夏季降水预报的影响。与高分辨率降水实况相比,白天（夜晚）的降水预报差异主要由降水面积（降水强度）决定,以MYJ方案在白天预报过大降水面积和ACM2方案在夜晚预报过强降水最为突出。对模式结果的进一步诊断表明,MYJ方案下的大面积降水由白天大范围启动积云对流方案形成隐式降水造成,而ACM2方案下的强降水与夜间更易激发云微物理方案形成过强显式降水有关。在此基础上,从边界层方案设计原理出发,指出不同方案下的垂直混合强度是导致降水预报差异的根本原因。

     

WRF模式对青藏高原那曲地区大气边界层模拟适用性研究

采用WRF（Weather Research and Forecasting）模式4种边界层参数化方案对青藏高原那曲地区边界层特征进行了数值模拟,并利用"第三次青藏高原大气科学试验"在青藏高原那曲地区5个站点的观测资料对模拟结果进行验证,分析不同参数化方案在那曲地区的适用性。研究表明,YSU、MYJ、ACM2和BouLac方案对2 m气温和地表温度的模拟偏低。BouLac方案模拟的地表温度偏差较小。通过对能量平衡各分量的对比分析发现,温度模拟偏低可能是向下长波辐射模拟偏低以及感热通量和潜热通量交换过强导致的。对于边界层风、位温和相对湿度垂直结构的模拟,局地方案的模拟效果均优于非局地方案。BouLac方案对那曲地区近地层温度、边界层内位温和相对湿度的垂直分布模拟效果较好。      

边界层温度廓线遥感反演的本地化改进研究

采用MODIS资料和美国发展的MODIS大气温、湿度廓线统计反演算法,估算大气温度、湿度廓线作为初始场,应用101层快速透过率模式(PFAAST)估算了大气透过率,并采用Newton非线性迭代算法反演中国西北荒漠戈壁地区大气温度廓线。结果表明:该方法对边界层高度及以上部分的大气温度反演得比较好,误差基本都在2 K范围内,边界层范围内的温度反演误差较大,反演误差与气溶胶光学厚度增量和地表温度估算误差呈显著正相关关系,与大气水汽混合比的关系较差。文中从敏感性试验和理论分析角度阐述了地表温度和气溶胶光学厚度估算误差对大气温度反演误差的影响,发现不同光谱波段的地表温度权重均随地表温度的增加有不同程度增加,地表温度反演误差增加将增加地表温度权重,提高地表温度估算误差有助于提高地表温度权重的精度;荒漠戈壁地区大气边界层中气溶胶浓度较高,光学厚度较大,使边界层大气透过率降低,进而降低卫星红外遥感波段的地表温度权重和空气温度权重。由于该模式没有很好地考虑边界层中沙尘气溶胶的影响,使卫星反演的大气透过率偏高,以至于高估地表温度权重和大气温度权重,使得反演的表面温度和空气温度偏低。该研究结合太阳光度计获得的光学厚度资料,采用统计方法对气溶胶效应引起的大气透过率误差和表面温度估算误差进行校正,并对物理算法进行本地化改进,实现了边界层温度廓线的反演。     

不同边界层方案对一次华北暴雨数值模拟的敏感性研究

以2010年8月17—19日华北地区的暴雨事件为研究对象,采用中尺度数值模式WRF,通过8个数值实验测试暴雨事件模拟结果对不同边界层方案的敏感性。结果表明,采用不同边界层方案的模拟结果存在明显差异。分辨率为12 km时,7个边界层方案实验均模拟出类似观测的四处较强降水,但模拟得到的降水强度和强降水中心位置与实况有所差异,NOPBL实验模拟的雨带收缩,降水相对其他模拟实验较少且更为集中。分辨率为4 km时,采用边界层方案的7个实验均可见小尺度降水结构,模拟出较多虚假降水中心,而在NOPBL试验中降水的小尺度结构不明显。检验表明:分辨率为12 km时,MYJ试验的TS评分、相关系数和误差分析等整体表现最优,分辨率为4 km时,Bou Lac试验整体表现最优。与NOPBL试验相比,加入MYJ边界层方案后,模拟的水汽输送增加、上升运动及涡散度绝对值增大。     

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。     

荒漠绿洲边界层结构的数值模拟

陆-气相互作用和中小尺度天气系统的研究中,水平不均匀边界层和水平不均匀地表的强迫作用都是重要的物理过程.本文用已建立的陆面过程与大气边界层耦合模式(BLCM),较详细地研究了草地周围为荒漠(半沙漠)的地表植被不均匀而造成的边界层结构特征和局地环流及其昼夜变化.通过边界层顶影响自由大气不同尺度的运动.模式结果揭示出最强的上升和下沉运动是发生在荒漠-草地间动力和热力不连续的界面附近,且呈现出不对称性.