嵌套网格空气质量预报模式系统的发展与应用

主要综述中国科学院大气物理研究所自主开发的嵌套网格空气质量预报模式系统(NAQPMS,Nested Air Quality Prediction Modeling System)的历史发展与应用情况.模式发展伊始为欧拉污染物输送实用模型,利用其研究东亚硫氧化物的跨国输送问题,得出中国对于周边国家的输送量不大的结论; 在系统中嵌入适合东亚的起沙机制模块,用来模拟沙尘发生、输送及沉降等过程,估算亚洲大陆沙尘气溶胶对海洋地区的输送与沉降通量,为研究海洋生物地球化学循环提供基础数据; 利用该系统研究沙尘及其土壤粒子对酸雨的中和作用,发现沙尘输送对东亚酸雨的分布影响很大; 发展城市尺度高分辨率气象和空气质量预报技术,使模式水平分辨率达到500 m,并应用于台北高浓度臭氧和PM10的模拟; 研究和集成区域及城市尺度大气污染预报理论和模拟技术,研制成目前的嵌套网格空气质量预报模式系统,以探讨不同尺度各种污染(如沙尘暴、城市光化学烟雾、酸雨、高浓度悬浮颗粒物等)的变化规律.在模式系统中初步建立资料同化模块,开展大气化学成分及沙尘输送模拟的资料同化研究.系统已经在北京、上海、深圳、郑州等城市环境监测中心实施空气质量的实时预报.未来,系统将集成到全球环境大气输送模式(GEATM),以实现从城市群到全球具有双向耦合功能的模式系统.     

一粗细风格模式“三维嵌套”方案的设计及试验结果分析

该文简要地分析了水平界嵌套技术中存在的问题，提出了“三维嵌套”的设想，并就不同对水平侧边界嵌套及三维嵌套方案进行了对比试验。     

一粗细网格模式“三维嵌套”方案的设计及试验结果分析

该文简要地分析了水平侧边界嵌套技术中存在的问题，提出了“三维嵌套”的设想，并就不同范围对水平侧边界嵌套及三维嵌套方案进行了对比试验。试验结果表明：（１）三维嵌套方案对区域模式的降水及中、下层形势场的预报均有所改进；（２）嵌套区域越小，三维嵌套方案对预报的改进效果越明显；（３）三维嵌套方案对预报的改进随积分时间的增长而愈加显著     

一个有限区嵌套细网格模式的设计及预报结果检验

在钱永甫等研制的ｐ－σ混合坐标系原始方程模式的基础上，建立、发展了一有限区域的单向影响嵌套细网格数值预报模式，并选取台风Ｗａｙｎｅ对应的天气形势演变过程为例，通过与ＭＭ４模式对同一例预报结果的比较分析以及统计学检验，对该模式的预报能力进行了验证。结果表明，该模式能够较好地预报实际天气形势的演变过程，各层大气高度场的预报结果与实况的相关系数都超过０．７４。和ＭＭ４对温压场的预测结果相对比，二者间只有     

MM5水平嵌套方案对降水预报影响的敏感性试验

利用MM5对2003-2005年华东地区的3次暴雨过程数值模拟,通过采用3种水平网格嵌套方案做对降水预报影响的敏感性试验,研究模式水平率对降水强度和落区预报的影响。结果表明:随着水平网格精度提高,模式对中小尺度天气系统的模拟能力增强,地形对天气过程的影响反映更加全面,模拟的雨带分布也越接近实况,雨量中心强度也随之增大;三层嵌套网格在暴雨落区和暴雨量级的预报上均优于两层和一层水平网格嵌套方案,尤其是暴雨落区预报有很大优势。     

一种减少有限区气候模式嵌套误差积累的方法

介绍了一种用于减少有限区气候模式中嵌套误差积累的新方法——三维嵌套方法 ,详细阐述了这种方法提出的原因、必要性和它的理论基础。在有限区气候模式上进行三维嵌套与二维嵌套的对比试验 ,试验结果表明三维嵌套方案可减少嵌套预报误差的积累 ,并且对于降水的预报也有很大的改善。     

一种减少有限区气象模式嵌套误差积累的方法

介绍了一种减少有限区气候模式中嵌套误差积累的新方法－三维嵌套方法，详细阐述了这种方法提出的原因，必要性和它的理论基础，在有限区气候模式上进行三维嵌套二维嵌套的对比试验，试验结果表明三维嵌套方案可减少嵌套预报误差的积累，并且对于降水的预报也有很大的改善。     

MOMS中尺度模式侧边界嵌套方法的研究

由于中尺度模式网格格距小，为满足预报时效要求，又需节省计算机资源，一般计算区域不能太大，若在业务预报工业中，不采用嵌套方案，很难得到满意的预报效果。文章在对多种嵌套方案试验对比基础上，选用一种计算效果较好，方法也不甚复杂的Davies物理量松驰方案，对MOMS中尺度模式进行了预报试验，其四周网格边界值采用了国家气象中心的T42L9谱模式的预报值。嵌套模式与原模式用同一个例进行了预报对比试验。结果表明，嵌套方案考虑了大尺度环流背景场在边界附近对中尺度系统的强迫作用，提高了有限区域模式的实际预报能力。     

不同嵌套方式下的积云对流方案对上海崇明极端 暴雨高分辨率模拟的影响研究

使用1980～2017年共38年崇明站逐日降水资料对崇明站年降水量及暴雨日数的特征进行分析,并使用中尺度数值预报模式WRF3.9.1.1(Weather Research and Forecasting model)针对崇明年降水量及暴雨日数异常年份2015年的最强降水过程进行数值模拟,结合站点降水观测资料使用统计方法...     

网格嵌套技术对一次中尺度对流系统降水过程模拟的影响

利用非静力中尺度模式MM5对2002年7月22日12:00~23日12:00(世界时,下同)长江流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟试验,主要讨论了网格嵌套技术对降水和中尺度对流系统的影响。结果表明:三重嵌套在D1,D2域选用积云参数化方案后,模拟的雨区收缩,虚假降水中心相对减少,降水强度及分布更接近观测值。在模式非线性动力、热力及湿物理过程共同驱动下,通过嵌套网格的双向相互作用,使可分辨云尺度的细网格域D3将其信息通过嵌套边界向次细网格域D2传递,然后再通过D2域边界向粗网格域D1域传递。同样,动力、热力反馈也会反向进行。结果将有助于改进各网格域的预报效果。但对D1网格域系统位置及其发展演变过程的影响相对小些;另外,通过双向多重嵌套,可提高模式预报区域的分辨率,特别是提高模式关键预报区域的分辨率,这也就有可能改进预报的中尺度物理场,使其能够较真实地描写大气实况。     

一种区域格点三维变分分析方案--基本框架和初步试验

给出一种区域格点三维变分分析方案的基本框架.对方案中阶数巨大的背景场误差协方差矩阵加以处理,选用位势高度和风场非平衡部分的纬向风速、经向风速作为分析变量,减少矩阵阶数;进行变量变换,避免矩阵求逆;然后,采用与最优插值方案相似的水平和垂直方向可分离的理想相关模型,在水平方向上用递归滤波器代替矩阵运算,从而实现变分分析方案的求解.用单个和理想分布观测资料对方案测试,并进行实例试验,得到很好的计算结果.     

用500hPa候平均相似离度做中长期寒潮预报

作者介绍一种中长期寒潮预报方法。按照天气形势变化特征，从北半球划分出１１个对广东中长期冷空气活动关系较密切的区域。然后根据５００ｈＰａ候平均格点高度资料进行分共统计、信息提炼，再用相似离度理论做计算，找寻历史相似个例，最后用单站逐日气温进行迭加综合，并做出寒潮预报。     

变分同化中使用背景场时尺度匹配的数值研究

分资料同化方法运用于中尺度系统的分析时，粗网格模式的输出经常被用作背景场，此时分析场和背景场之间存在尺度不一致的问题。为了让二者的尺度相匹配，文中提出可以在目标函数中增加一个过滤算子适当滤除分析场中的短波成分。应用浅水方程模式和模拟资料所作的数值试验表明，该方法可以明显地改善分析的效果。     

青海地区常规观测积雪资料对比及积雪变化趋势研究

应用青海44个台站1962—2005年逐月积雪深度和积雪日数资料,对比了这两份常规积雪资料在表征青海地区积雪变化特征上的一致性,并对近十几年来的积雪变化新趋势做了分析。结果表明:积雪深度和积雪日数均能比较一致地反映整个青海地区积雪变化趋势:夏、秋季积雪从20世纪60年代至21世纪初为一致的减少趋势;冬、春季积雪在20世纪60年代至90年代初增加,而从20世纪90年代中期至21世纪初积雪呈显著减少趋势。后期的减少趋势远比前期的增加趋势明显。青海地区不同季节积雪深度和积雪日数趋势变化明显的区域基本一致,但中心位置存在一定的差异。冬季在32.5°~35°N,95°~102°E范围内的唐古拉山、巴颜喀拉山和阿尼玛卿山区,春季在青海东南部阿尼玛卿山区附近,均明显地表现出20世纪90年代中期以后积雪的减少和前期积雪的增加。不同季节积雪深度和积雪日数的相关系数分布存在一定差异:冬季两份资料相关相对较小的区域位于青海中南部巴颜喀拉山西区至阿尼玛卿山西区一线;春季相关系数小于冬季,青海东北边缘以及东南边缘地区,相关系数未能通过95%信度检验;夏、秋季积雪较少,相关较小的区域集中在青海东南部地区。而上述区域大多为各个季节积雪较多的地区,应慎重使用该区域的常规积雪资料。综合分析两份积雪资料,确定青海地区冬季多雪年为1964,1975,1993,1995和1998年,少雪年为1963,1965,1969,1997和2003年;春季多雪年是1977,1982,1987,1989和1990年,少雪年是1969,1979,1985,1999和2001年。     

Month-Long Simulations of Gravity Waves over North America and North Atlantic in Comparison with Satellite Observations

Mesoscale simulations of gravity waves in the upper troposphere and lower stratosphere over North America and North Atlantic Ocean in January 2003 are compared with satellite radiance measurements from the Advanced Microwave Sounding Unit-A (AMSU-A). Four regions of strong gravity wave (GW) activities are found in the model simulations and the AMSU-A observations: the northwestern Atlantic, the U.S. Rockies, the Appalachians, and Greenland. GWs over the northwestern Atlantic Ocean are associated with the midlatitude baroclinic jet-front system, while the other three regions are apparently related to high topography. Model simulations are further used to analyze momentum fluxes in the zonal and meridional directions. It is found that strong westward momentum fluxes are prevalent over these regions over the whole period. Despite qualitative agreement between model simulations and satellite measurements, sensitivity experiments demonstrate that the simulated GWs are sensitive to the model spin-up time.     

东亚夏季一个与鄂霍次克海阻高建立及副高北上相关的遥相关类型

研究了鄂霍次克海阻高及西太平洋副热带高压的关系，解释了当鄂霍次克海阻高活跃时副热带高压北上缓慢的原因。具体如下(1)通过对鄂霍次克海阻高指数和500hPa高度的相关分析发现，夏季东亚附近容易出现一个类似偶板子的遥相关类型；(2)这个遥相关类型与鄂霍次克海阻高发展时产生的从鄂霍次克海经日本东部海面到副热带方面传播的波列紧密相关；(3)伴随鄂霍次克海高压的发展，此波列的传播形成一个以日本东部海面为中心的气旋式环流，起着削弱副高北缘的重要作用。这个作用可以部分解释为什么1998年夏季副高会非常偏南。     

东亚夏季一个与鄂霍次克海阻高建立及副高北上相关的遥相关类型(英)

研究了鄂霍次克海阻高及西太平洋副热带高压的关系,解释了当鄂霍次克海阻高活跃时副热带高压北上缓慢的原因。具体如下(1)通过对鄂霍次克海阻高指数和500 hPa高度的相关分析发现,夏季东亚附近容易出现一个类似偶极子的遥相关类型;(2)这个遥相关类型与鄂霍次克海阻高发展时产生的从鄂霍次克海经日本东部海面到副热带方面传播的波列紧密相关;(3)伴随鄂霍次克海高压的发展,此波列的传播形成一个以日本东部海面为中心的气旋式环流,起着削弱副高北缘的重要作用。这个作用可以部分解释为什么1998年夏季副高会非常偏南。     

冬季雨雪的酸度及化学组份的对比

分析了１９８５－１９９１年冬季雨雪的酸度及化学组份资料。结果表明，降雪的酸雪频率各年均有不同，但都比同季中降雨的酸雨频率低；降雪酸度也比降雨纸；降雪中弱酸性的酸雪出现次数最多，占总次数的４成；在酸雪中酸度值与电导率呈现显著的负相关。分析降雪的化学组份发现，降雪中ＳＯ４＾２－含量越来越高，Ｃｌ＾－含量呈下降趋势。阳离子中以ＮＨ４＾＋为主。     

The 2016 Summer Floods in China and Associated Physical Mechanisms:A Comparison with 1998

The characteristics of droughts and floods in China during the summers(May–August)of 2016 and 1998 were compared in great detail,together with the associated atmospheric circulations and external-forcing factors.Following results are obtained.(1)The precipitation was mostly above normal in China in summer 2016,with two main rainfall belts located in the Yangtze River valley(YRV)and North China.Compared with 1998,a similar rainfall belt was located over the YRV,with precipitation 100%and more above normal.However,the seasonal processes of Meiyu were different.A typical"Secondary Meiyu"occurred in 1998,whereas dry conditions dominated the YRV in2016.(2)During May–July 2016,the Ural high was weaker than normal,but it was stronger than normal in 1998.This difference resulted from fairly different distributions of sea surface temperature anomalies(SSTAs)over the North Atlantic Ocean during the preceding winter and spring of the two years.(3)Nonetheless,tropical and subtropical circulation systems were much more similar in May–July of 2016 and 1998.The circulation systems in both years were characterized by a stronger than normal and more westward-extending western Pacific subtropical high(WPSH),a weaker than normal East Asian summer monsoon(EASM),and anomalous convergence of moisture flux in the mid and lower reaches of the YRV.These similar circulation anomalies were attributed to the similar tropical SSTA pattern in the preceding seasons,i.e.,the super El Ni?o and strong warming in the tropical Indian Ocean.(4)Significant differences in the circulation pattern were observed in August between the two years.The WPSH broke up in August 2016,with its western part being combined with the continental high and persistently dominating eastern China.The EASM suddenly became stronger,and dry conditions prevailed in the YRV.On the contrary,the EASM was weaker in August 1998 and the"Secondary Meiyu"took place in the YRV.The Madden–Julian Oscillation(MJO)was extremely active in August 2016 and stayed in western Pacific for 25 days.It triggered frequent tropical cyclone activities and further influenced the significant turning of tropical and subtropical circulations in August2016.In contrast,the MJO was active over the tropical Indian Ocean in August 1998,conducive to the maintenance of a strong WPSH.Alongside the above oceanic factors and atmospheric circulation anomalies,the thermal effect of snow cover over the Qinghai–Tibetan Plateau from the preceding winter to spring in 2016 was much weaker than that in 1998.This may explain the relatively stronger EASM and more abundant precipitation in North China in 2016than those in 1998.     

A New Scheme for the Simulation of Microscale Flow and Dispersion in Urban Areas by Coupling Large-Eddy Simulation with Mesoscale Models

A coupling scheme is proposed for the simulation of microscale flow and dispersion in which both the mesoscale field and small-scale turbulence are specified at the boundary of a microscale model. The small-scale turbulence is obtained individually in the inner and outer layers by the transformation of pre-computed databases, and then combined in a weighted sum. Validation of the results of a flow over a cluster of model buildings shows that the inner- and outer-layer transition height should be located in the roughness sublayer. Both the new scheme and the previous scheme are applied in the simulation of the flow over the central business district of Oklahoma City (a point source during intensive observation period 3 of the Joint Urban 2003 experimental campaign), with results showing that the wind speed is well predicted in the canopy layer. Compared with the previous scheme, the new scheme improves the prediction of the wind direction and turbulent kinetic energy (TKE) in the canopy layer. The flow field influences the scalar plume in two ways, i.e. the averaged flow field determines the advective flux and the TKE field determines the turbulent flux. Thus, the mean, root-mean-square and maximum of the concentration agree better with the observations with the new scheme. These results indicate that the new scheme is an effective means of simulating the complex flow and dispersion in urban canopies.