WRF3.1微物理参数化方案对两例暴雨的集合预报试验及可预报性分析

采用WRFV3.1.1数值模式,选取模式中的10个微物理过程参数化方案构造10个集合预报成员,分别对2008年6月9—10日江淮地区暴雨与2008年6月6—7日华南地区暴雨进行集合预报试验,并进一步讨论了这两例暴雨的可预报性差异。结果表明:各参数化方案在暴雨的模拟中所表现出来的优势是相对的,但微物理过程集合预报在两例暴雨中都取得稳定且优异的模拟效果;通过比较两例暴雨的ETS(Equitable threat score)评分距平发现,华南暴雨在各个量级上的ETS评分距平都大于江淮暴雨,且华南暴雨集合成员之间的ETS评分差别也较大;大多数集合成员的模式误差在初始12 h增长最快,其后将减慢或者降低。对各成员的均方根误差(σ)距平分析表明,华南暴雨的σ距平增长相对较快且成员之间差别较大。因此从模式误差增长的角度来说,华南暴雨的可预报性低于江淮暴雨。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案对一次梅雨锋暴雨显式对流模拟的影响分析

利用WRF模式对2007年7月8日淮河地区特大暴雨过程开展显式对流(1.1 km)模拟试验,比较两种边界层参数化方案和三种陆面过程参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案主要影响模拟的强降水位置和强度,而对雨带位置的影响不大。采用MYJ边界层方案模拟的强降水更接近观测,采用YSU方案模拟的强降水偏弱;陆面过程参数化方案对比,简单的热扩散方案模拟的强降水最强、最接近观测,而RUC方案模拟的强降水最弱,Noah方案居中;同时改变陆面方案和边界层方案比单一改变其中一种方案对模拟降水的影响更大。造成强降水模拟差异的主要原因是模拟的近地面(约1 km以下)大气的湿度和温度不同,导致支持对流发生发展的入流空气的对流有效位能(CAPE)不同,进而影响模拟的对流强度和地面降水量。对强降水模拟较好的试验模拟的近地面大气湿度更大,环境入流空气的CAPE更大,对流发展更强,地面降水也更强。     

背景场资料与参数化方案对暴雨预报的影响

利用GRAPES-m eso模式和T213资料,对2007年7月18日发生在我国四川盆地和华东地区一次大暴雨过程进行多组数值试验,以分析侧边界资料、驱动资料的垂直分辨率、模式积分区域、云物理参数及边界参数对GRAPES-m eso模式降水预报影响。试验结果表明:(1)侧边界资料对模式降水预报结果影响较小,驱动GRAPES-m eso的全球模式产品质量提高,降水预报结果越好;(2)驱动资料垂直分辨率的高低对降水预报结果影响较大,分辨率越高,预报能力越强,反之越弱;(3)模式积分区域对降水预报结果也有明显影响,区域越大,降水预报未必总是最好;(4)物理过程和边界参数试验表明,W SM6方案与KF eta方案组合的24小时降水预报与实况更接近。      

陆面过程参数化对太湖地区雷暴过程模拟的影响

以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。     

背景场资料与参数化方案对暴雨预报的影响

利用GRAPES—meso模式和T213资料,对2007年7月18日发生在我国四川盆地和华东地区一次大暴雨过程进行多组数值试验,以分析侧边界资料、驱动资料的垂直分辨率、模式积分区域、云物理参数及边界参数对GRAPES—nleso模式降水预报影响。试验结果表明：（1）侧边界资料对模式降水预报结果影响较小,驱动GRAPES—meso的全球模式产品质量提高,降水预报结果越好;（2）驱动资料垂直分辨率的高低对降水预报结果影响较大,分辨率越高,预报能力越强,反之越弱;（3）模式积分区域对降水预报结果也有明显影响,区域越大,降水预报未必总是最好;（4）物理过程和边界参数试验表明,WSM6方案与KFeta方案组合的24小时降水预报与实况更接近。     

陆面模型Noah-MP的不同参数化方案在沙漠区域的适用性研究

为研究陆面模型Noah-MP在沙漠下垫面的最优参数化方案组合,本文利用中国气象局塔克拉玛干沙漠气象野外科学试验基地观测数据,根据沙漠环境特征进行不同参数化方案组合的三组模拟实验,利用观测数据对10 cm土壤温湿度、感热、潜热通量模拟值对比分析得出最优组合。研究表明:第三组对10 cm的土壤温度模拟效果最好,主要原因是Chen97感热交换系数和全网格二流近似(gap=0)辐射传输方案比较符合沙漠的环境特征。三组试验对土壤湿度模拟效果差,其主要原因是沙漠的土壤信息未能体现在模式中,第二组选择CLM方案对土壤类型影响蒸发方面有一定考虑,其模拟结果相对较好。对于感热通量,第一、二组模拟值在波峰存在高估,尤其是第二组模拟值在降水后出现了明显低估情况,第三组模拟效果最好,主要得益于选择了感热交换系数Chen97方案,能够较为真实的刻画Ch变化特征。潜热通量在四个特征量中模拟效果最差,主要原因是沙漠土壤水分极低,观测降水和实际进入土壤的水量有差异,另外没有植被和植物根系,模式无法准确计算土壤蒸发和植被蒸散。根据统计分析和泰勒图可知,第三组能够更好地还原沙漠区域的陆面过程。     

陆面参数的扰动对一次西北暴雨模拟影响的研究

利用中尺度模式WRFV2．2及NCEPFNL资料,模拟了2007年6月16—17日的兰州暴雨,检验此次暴雨模拟对NOAH陆面模式参数初始扰动的敏感性。结果表明,此次模拟暴雨对陆面参数的扰动（如土壤孔隙度以及地表反照率的扰动）比较敏感;陆面参数扰动对此次暴雨模拟影响的最小时间尺度小于10h;陆面参数的扰动直接引起地表通量的变化,更为重要的是通过改变水汽输送的环流形势,从而对暴雨模拟产生较大的影响。     

陆面参数随机扰动对一次暴雨过程模拟的影响分析

利用中尺度模式WRFV2.2,选取其中NOAH陆面模式进行陆面参数随机扰动试验,模拟研究了南京地区2007年7月8—9日的暴雨对扰动的敏感性。结果表明:(1)此次暴雨过程对陆面参数随机扰动较为敏感,其中对土壤最大容积含水量的扰动最为敏感,对地表反照率的扰动敏感性次之,对地表粗糙度、最小叶孔阻抗扰动的敏感性较前两者要小;(2)降水变化的触发原因是陆面参数扰动引起的通量变化,其主要的机制是通过低层大气环流(如低空急流)和水汽辐合来影响暴雨的落区和强度。     

梅雨期暴雨系统的流依赖中尺度可预报性

中尺度天气系统的初值敏感性,导致了中尺度系统预报极限的存在.中尺度系统的初始误差的快速增长及其中尺度可预报性依赖于系统流的特征.梅雨暴雨形成是多尺度天气系统共同作用的结果,决定了梅雨期暴雨的形成机制的多样性,也决定了其初值敏感性的差异性.本文重点对比分析了五种不同类型的梅雨暴雨的误差增长特征及其机制.冷空气抬升、低层涡...     

一次江淮梅雨锋暴雨的数值模拟可预报性研究

利用中尺度非静力MM5模式研究不同初始扰动（误差）对2003年7月4—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨数值预报不确定性的影响,并着重分析了提前36h定量降水的可预报性。结果表明,利用常规观测资料和NCEP/NCAR分析资料形成初始场的控制试验能够提前36h做出较好的模拟。扰动温度场的敏感性试验表明,扰动温度的均方差愈大,降水预报不确定性也愈大。误差演变特征和增长机制分析表明,误差增长具有升尺度特征,误差首先在对流层低层和高层增长,然后大值区向对流层中层扩展;湿降水过程是对流层中低层误差增长的主要机制;对流层高层的误差增长是大气干动力与湿过程共同作用的结果,前期以干过程为主,后期以湿过程为主。     

Evaluation of Heavy Rainfall Model Forecasts over the Korean Peninsula Using Different Physical Parameterization Schemes and Horizontal Resolution

In this study, the accuracy of a Pennsylvania State University-National Center for Atmospheric Research mesoscale model (PSU/NCAR MM5) for predicting heavy summer precipitation over the Korean Peninsula was investigated. A total of 1800 simulations were performed using this model for 30 heavy rainfall events employing four cumulus parameterization schemes (CPS), two grid-scale resolvable precipitation schemes (GRS), and two planetary boundary layer (PBL) schemes in three model resolutions (90 km, 30 km, and 10 km). The heavy rainfall events were mesoscale convective systems developed under the influence of mid-latitude baroclinic systems with low-level moisture transport from the ocean. The predictive accuracy for maximum rainfall was approximately 80% for 10-km resolution and was 60% for 30-km resolution. The predictive accuracy for rainfall position extended to ～150 km from the observed position for both resolutions. Simulated rainfall was most sensitive to CPS, then to PBL schemes, and then to GRS. In general, the Grell (GR) scheme and the Anthes and Kuo (AK) scheme showed a better prediction capability for heavy rainfall than did the Betts-Miller (BM) scheme and the Kain-Fritsch (KF) scheme. The GR scheme also performed well in the 24-h and 12-h precipitation predictions: the parameterized convective rainfall in GR is directly related to synoptic-scale forcing. The models without CPS performed better for rainfall amounts but worse for rainfall position than those with CPS. The MM5 model demonstrated substantial predictive capacity using synoptic-scale initial conditions and lateral boundary data because heavy summer rainfall in Korea occurs in a strong synoptic-scale environment.     

陆面水文过程研究进展

在简单介绍陆面过程模式和水文模型发展的基础上,阐述了陆面水文过程包括的各种物理过程,介绍了陆面水文模式研究的发展现状,并对国内外进展作了总结。重点介绍了目前国内外用于同气候模式耦合的陆面水文模型,指出了陆面水文过程研究以及与大气模式耦合过程中存在的问题,讨论了陆面水文过程研究的发展方向：应在加强蓄满和超渗两种产流机制兼容的混合产流模型及融雪径流模型的研究的基础上,改进传统水文模型,发展基于传统水文模型的大尺度陆面过程水文模型。     

应用GRAPES模式对贵州暴雨过程的模拟试验

利用我国新一代数值预报模式GRAPES（Global／Reglional Assimilationand Prediction Enhanced System）,对2004年发生在贵州的3次强降水过程,即6月23—24日、7月17—18日和7月21—22日的暴雨过程进行了数值模拟,并与实况资料进行对比分析。模拟结果表明：GRAPES模式成功地模拟了这几次降水过程中的主要天气系统的位置和移动过程,如西南低涡的加强、较强的低空急流、低空气流辐合以及高空槽过境等,因此较好地模拟出暴雨的落区和分布特征。但对强降水的模拟与实况有一定差异,对局地暴雨的模拟偏小。模拟试验分析可见：GRAPES模式对贵州暴雨有预报能力,有较好的参考作用。     

Impact of Horizontal Resolution and Cumulus Parameterization Scheme on the Simulation of Heavy Rainfall Events over the Korean Peninsula

In this paper, we present the results from high-resolution numerical simulations of three heavy rainfall events over the Korean Peninsula. The numerical results show that the prediction accuracy for heavy rainfall events improved as horizontal resolution increased. The fine-grid precipitation fields were much closer to the real precipitation fields in the case of large synoptic forcing over the Korean Peninsula. In the case of large convective available potential energy and weak synoptic forcing, it seems that even when using a high resolution, the models still showed poor performance in reproducing the observed high precipitation amounts. However, activation of the cumulus parameterization scheme in the intermediate resolution of 9 km, even at a grid spacing of 3 km, had a positive impact on the simulation of the heavy rainfall event.     

沙澧河流域两场大暴雨过程的对比分析

利用常规观测资料、自动站资料和NCEP1°×1°再分析资料对2007年7月5日和14日沙澧河流域两场大暴雨过程进行了诊断对比分析.结果表明:不同影响系统下产生的大暴雨过程其动力机制有所差异.垂直螺旋度计算结果显示:两次过程700hPa等压面上正垂直螺旋度中心的移向和强度变化与降水落区及趋势变化有很好的对应关系,暴雨区出现在正垂直螺旋度中心移动的前方,对流域大暴雨的落区有一定的指示意义.5日呈现中低层正、高层负的垂直螺旋度配置,动力条件更有利于大暴雨的发生.湿位涡演变分析发现,5日中低层既存在对流不稳定,又存在对称不稳定,有利于垂直对流和倾斜对流发生,造成流域大暴雨.14日中低层大气处于对流稳定状态,但边界层和中层存在对流不稳定,同时中层还存在较强的对称不稳定,垂直涡度得到较大增长,导致上升运动的加强和水汽的垂直输送,有利于降水增幅.     

河湟谷地暴雨频率的研究

利用青海（黄）河湟（水）谷地12个气象台站1980～2002年自记降水资料,分析了该流域不同历时暴雨的时空特征及其不稳定性,统计了不同历时、不同频率的设计暴雨。研究表明：河湟谷地不同历时的最大暴雨均呈现出增多趋势,且随着降水历时的延长和降水量的增大,其倾向率在不断增大,年际变化的阶段性波动逐步趋缓,各时段最大暴雨的平均值的空间分布特征逐步与年降水量的空间分布趋于接近,地形对暴雨的空间分布影响明显;30分钟的最大暴雨最为不稳定,同时随着降水时段的延长,最大暴雨的稳定性逐步增大;各时段最大暴雨的分布为正偏态;各时段不同频率的最大暴雨的空间分布总体上与实测值有很好的一致性,但较之于实测值则具有较大的不稳定性。     

GRAPES模式中不同陆面方案对新疆一次强降水事件的模拟

本文采用中尺度数值预报模式GRAPES_Meso V3.3.2.5版本以及NECP的GFS资料,分别选用模式中不同陆面参数化方案(SLAB、LSM、NOAH)对2013年9月14-17日新疆强降水过程进行数值模拟试验,模拟的结果表明：陆面方案对主要雨带的落区和大致走向影响并不大,但对降强度的模拟还是敏感的,耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况;不同陆面方案模拟的降水量存在一定差异,它们对降水中心落点、强度以及类型方面各有所长;在各种试验的综合比较中,NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理。     

High-resolution Simulation of an Extreme Heavy Rainfall Event in Shanghai Using the Weather Research and Forecasting Model: Sensitivity to Planetary Boundary Layer Parameterization

In this study,an extreme rainfall event that occurred on 25 May 2018 over Shanghai and its nearby area was simulated using the Weather Research and Forecasting model,with a focus on the effects of planetary boundary layer(PBL)physics using double nesting with large grid ratios(15:1 and 9:1).The sensitivity of the precipitation forecast was examined through three PBL schemes:the Yonsei University Scheme,the Mellor?Yamada?Nakanishi Niino Level 2.5(MYNN)scheme,and the Mellor?Yamada?Janjic scheme.The PBL effects on boundary layer structures,convective thermodynamic and large-scale forcings were investigated to explain the model differences in extreme rainfall distributions and hourly variations.The results indicated that in single coarser grids(15 km and 9 km),the extreme rainfall amount was largely underestimated with all three PBL schemes.In the inner 1-km grid,the underestimated intensity was improved;however,using the MYNN scheme for the 1-km grid domain with explicitly resolved convection and nested within the 9-km grid using the Kain?Fritsch cumulus scheme,significant advantages over the other PBL schemes are revealed in predicting the extreme rainfall distribution and the time of primary peak rainfall.MYNN,with the weakest vertical mixing,produced the shallowest and most humid inversion layer with the lowest lifting condensation level,but stronger wind fields and upward motions from the top of the boundary layer to upper levels.These factors all facilitate the development of deep convection and moisture transport for intense precipitation,and result in its most realistic prediction of the primary rainfall peak.