积云参数化问题

过去２０年间，对大气对流性质和积云体系内尺度相互作用进行过广泛研究。这些研究计划的主要目的是提高积云参数化技术的水平。本文主要依据其基本原理、基本目的和动力约束，当它们应用到中尺度和大尺度模式的参数化时，评述积云参数化问题。还依据参数化和积云多数化问题各个方面的综合联系，讨论了几个流行的现行方案。     

积云对流参数化技术

文章从（１）积云对流参数化的基本问题；（２）积云对流参数化方案；（３）积云对流参数化技术的发展等３个方面进行概述。     

积云一维数值模式敏感性及动力催化数值试验研究

建立了积云一维定常夹卷参数化模式 ,对模式相关参数进行了敏感性分析 ,并利用模式进行了积云动力催化试验 ,给出了积云动力催化的可作业判据。     

两种积云对流参数化方案对1998年区域气候季节变化模拟的影响研究

利用区域气候模式RegCM3,选择Kuo-Anthes积云对流参数化方案和基于FC80假设的Grell积云对流参数化方案,对1998年东亚气候分别进行年尺度模拟,模拟结果对比分析表明:在春、夏季转换时期, 两者模拟的降水形势差别较大, 对江淮、中南和华南地区的夏季降水量模拟差别最为明显。对流层上层模式变量和模式大气质量对积云对流参数化方案的选择不敏感, 而对流层中、下层模式变量对积云对流参数化方案比较敏感。不同积云对流参数化方案对8天时间尺度的天气系统模拟差别比较大。在积云对流比较活跃的夏季,不同参数化方案会导致模式大气出现不同的系统性偏差。由于模式在陡峭地形处动力过程计算方案存在缺陷,在高原与盆地的交界处,模式误差会产生明显的突变。     

多积云参数化方案热带气旋路径集合预报试验

利用MM5模式采用5种积云参数化方案选项研究了2004～2006年共8个热带气旋路径的集合预报。结果表明，热带气旋路径预报对积云参数化方案的选取是敏感的，积云参数化方案之间优劣互补，而选择无积云参数化方案选项对热带气旋路径的预报有积极的贡献。采用3种路径集合预报方案研究的结果表明，集合方法对热带气旋路径预报有明显的改善，其中无积云参数化Grell、Betts—Miller和Kain—Fritsch4种积云参数化方案选项组合的集合预报效果最好，平均路径误差最小。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

北太平洋SST涛动与华北夏季降水异常

本文给出了热带地区大气边界层顶的垂直速度,并以此对积云对流加热进行了参数化。用垂直二层楼式讨论了在积云对流加热作用下赤道波的线性稳定性性质。结果表明,在加热强度因子η=O(1)的情况下,由波动自身在大气低层的辐散辐合进行参数化的积云对流加热仅仅引起波动的频率修正,它对波动的不稳定增长率没有贡献;而由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热可直接引起波动的不稳定增长。当η>0.5时,由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热便使赤道波出现不稳定增长;重力型波动均存在有限波长的最大增长率;Rossby型波动的不稳定增长率远较重力型波动大。此外,由边界层旋转抽吸进行参数化的积云对流加热也会引起波动的频率修正。在此修正下,Kelvin波成为频散波.     

中尺度模式中不同对流参数化方案的比较试验

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,粗细网格采用不同的积云参数化方案对降水预报有一定的影响。采用常用的四种积云参数化方案,粗细网格进行不同配置,对辽东半岛大暴雨过程进行试验发现：细网格信息可以通过嵌套边界向外层传递,影响外层预报结果。细网格选取GR方案比选取AK、BM、KF方案模拟效果好很多;细网格参数化方案不变,粗网格取不同的参数化方案,对细网格的模拟结果差别不大。但选取一个好的参数化方案对细网格的模拟结果会稍有改进。     

中国关于积云参数化方案的应用

文中简要评述并比较了４类积云参数化方案,着重总结了各种积云参数化方案在中国的应用,最后结合中国特点讨论了积云参数化方案在应用中存在的一些问题和改进途径。     

高分辨率模式中积云参数化方案对模拟台风“凡亚比”的影响

在高水平分辨率模式(3～6 km)中,对于是否应该再使用积云参数化方案,仍存在着争论.为此,利用WRF模式,在5 km水平分辨率下,研究了不同云降水方案对一次台风过程模拟的影响,并对影响原因进行了初步探索.结果表明,即使在5 km高水平分辨率下,使用积云参数化方案仍能有效改善对台风路径的模拟,同时,成熟的混合冰相微物理方案对模拟台风路径也非常重要;对台风强度模拟,对积云参数化方案的选择较为敏感和复杂;在48 h预报时效内,只使用微物理方案模拟的降水较好,使用积云参数化方案容易产生较多的虚假降水,但能改善第3天24 h累积降水模拟.这些研究结果为利用高水平分辨率模式模拟台风和改进积云参数化方案提供一定借鉴.     

IMPACTS OF CUMULUS PARAMETERIZATION AND RESOLUTION ON THE MJO SIMULATION

Madden-Julian Oscillations (MJO) in six integrations using an AGCM with different cumulus parameterization schemes and resolutions are examined to investigate their impacts on the MJO simulation. Results suggest that the MJO simulation can be affected by both resolution and cumulus parameterization, though the latter, which determines the fundamental ability of the AGCM in simulating the MJO and the characteristics of the simulated MJO, is more crucial than the former. Model resolution can substantially affect the simulated MJO in certain aspects. Increasing resolution cannot improve the simulated MJO substantially, but can significantly modulate the detailed character of the simulated MJO; meanwhile, the impacts of resolution are dependent on the cumulus parameterization, determining the basic features of the MJO. Changes in the resolution do not alter the nature of the simulated MJO but rather regulate the simulation itself, which is constrained by cumulus parameterization schemes. Therefore, the vertical resolution needs to be increased simultaneously. The vertical profile of diabatic heating may be a crucial factor that is responsible for these different modeling results. To a large extent, it is determined by the cumulus parameterization scheme used.     

A MODIFIED CUMULUS PARAMETERIZATION SCHEME AND ITS APPLICATION IN THE SIMULATIONS OF THE HEAVY PRECIPITATION CASES

According to the characteristics of organized cumulus convective precipitation in China, a cumulus parameterization scheme suitable for describing the organized convective precipitation in East Asia is presented and modified. The Kain–Fristch scheme is chosen as the scheme to be modified based on analyses and comparisons of simulated precipitation in East Asia by several commonly-used mesoscale parameterization schemes. A key dynamic parameter to dynamically control the cumulus parameterization is then proposed to improve the Kain–Fristch scheme. Numerical simulations of a typhoon case and a Mei-yu front rainfall case are carried out with the improved scheme, and the results show that the improved version performs better than the original in simulating the track and intensity of the typhoons, as well as the distribution of Mei-yu front precipitation.     

积云参数化和分辨率对MJO数值模拟的影响

用中国科学院大气物理研究所发展的一个大气环流模式,使用不同的积云参数化方案和分辨率进行了6个模拟试验,考察了积云参数化方案和模式分辨率对热带大气季节内振荡（MJO）模拟的影响。结果显示：积云参数化方案和分辨率都会影响MJO的模拟。但积云参数化方案决定了模式对MJO模拟的基本能力,决定了模拟的MJO的基本特征。分辨率的变化并不能使模拟的MJO发生本质的改变,分辨率的作用更多的是对MJO的模拟起一定的调制作用,而这种调制作用又受到积云参数化方案的制约。在改进积云参数化方案的基础上提高模式的分辨率会在某些方面改善MJO的模拟。但是分辨率的提高需要同时提高水平分辨率和垂直分辨率,单独提高水平分辨率会降低模式模拟MJO的能力,引入更多的小尺度的高频扰动。非绝热加热垂直廓线对模式模拟MJO有重要的影响,而非绝热加热廓线很大程度上取决于所使用的积云参数化方案。模式水平分辨率的变化不会对加热廓线的结构产生明显的影响,而垂直分辨率的变化会对加热廓线的垂直结构产生一定的调制作用,进而对模拟的MJO起到调制作用。     

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

积云凝结加热对海陆风的作用

本文用参数化方法研究积云凝结加热对海陆风的作用。第一部分是线性理论,在静力稳定度参数和湍流扩散系数为常数时,加热使风场的结构发生很大的变化。积云加热还起到修正静力稳定度的作用。第二部分是数值模拟,加热作用的主要贡献是使垂直速度增大,若海陆风是暴雨的触发机制,则积云凝结加热使这一机制加强。比较两部分结果,它们之间有一定的差异,但在风场的变化与加热场分布的对应关系上,两者是一致的。     

大尺度环境场和CISK与西南低涡发展的动力学分析

本文根据文献1)提出的用CISK理论研究西南低涡发展的设想,采用早期最简单的积云参数化模式,把积云对流同低层次天气尺度扰动联系起来,用描述大尺度环境场和积云对流对次天气尺度扰动作用的方程组,在简单两层模式中求解,分析了影响西南涡发展的各个因子,讨论了发展型西南涡在模式中的简单结构。     

MM4模式积云参数化方案的改进和检验Ⅱ：改进模式的检验试验

为了检验用Fritsch-Chappell积云参数化方案改进的MM4模式^[1]对梅雨锋暴雨系统的模拟能力，初步确定该模型的稳定性，可靠性，用不同的侧边界条件，地形条件，行星边界层参数化方法进行了模拟试验，并将模拟结果与采用Kuo-Anthes积云参数化方案的模式模拟结果分别进行了比较，结果表明，改进模式对高度场和降水的预报均有改善，并能预报出一些细致特征，此外，改进模式对侧边界条件和地形极为敏感，而对行星边界层参数化方法的敏感性较弱，因此在模式侧边界条件选取和地形处理方面应十分谨慎。