包络地形和重力波拖曳对区域气候模拟效果的影响

用NCAR区域气候模式(RegCM2)的数值试验，研究了包络地形和地形重力波拖曳作用对1991年5、6月份中国区域内气候模拟效果的影响。通过试验结果的对比分析发现，在模式中引入地形重力波拖曳作用可在一定程度上改善模式对气候系统和要素的模拟效果，使模拟结果更符合气候实况。包络地形对模拟结果也有一定的改善，但对于细网格的区域气候模式(RCM)来说，其效果不如重力波拖曳明显。不论是地形重力波拖曳还是包络地形，在模式积分的初期，它们的作用并不明显，随着积分时间的增长，它们对模拟结果的影响程度增大。     

青藏高原地形重力波拖曳的初步分析及数值模拟研究

针对目前对青藏高原大地形激发的重力波拖曳相关问题还不十分清楚,在GRAPES_Meso模式中引入次网格地形重力波拖曳参数化方案,通过数值试验初步研究了青藏高原地区次网格地形重力波拖曳的一些相关参数,结果指出:(1)沿30°N地形重力波拖曳的垂直分布显示,阻塞拖曳主要存在于模式的低层(第1—5层),重力波拖曳主要存在于模式的第5—10层;从水平分布看,模式第3层以阻塞拖曳为主,主要位于青藏高原边缘地区,阻塞拖曳大值区沿喜马拉雅山脉走向和青藏高原东坡;模式第5层以重力波拖曳为主,主要位于青藏高原东部地区和云贵高原的北部边缘。(2)弗劳德数和气流绕流高度分析表明,在青藏高原喜马拉雅山脉一带和高原东部边缘地区,气流爬坡能力强,同时在这一地区绕流高度最高;弗劳德数越大的地区绕流高度距离地表越高。(3)采用次网格地形重力波拖曳参数化方案后,对于低层和高层地形重力波破碎的发生有更准确的描述,地形重力波是向上垂直传播的。(4)个例和批量试验检验结果表明,采用次网格地形重力波拖曳参数化方案对于风场和降水模拟有正效果,提高了模式预报的准确率。     

包络地形对气候模拟特征的影响

本文用ｐ－σ混合坐标系球带模式研究了不同包络度地形对冬夏季气候模拟特征的影响。结果表明，采用较大包络度的地形可在一定程度上改善气候模拟结果，尤其是在冬季。气候模拟特征由海陆和地形的共同作用决定，地形包络度的影响是次要的。包络度值要取得恰当，否则反而不利。不同地区可用不同的包络地形。     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

一次大暴雨过程中地形重力波拖曳作用的研究

利用WRFV3.9数值模式,对2011年6月9-10日发生在湘鄂赣交界附近山区的一次江淮气旋大暴雨天气过程进行模拟.进行了地形重力波拖曳作用的控制试验和不考虑地形重力波拖曳作用的敏感性试验.结果表明,控制试验能较好地再现江淮气旋及其产生的强降水;模式引入地形重力波拖曳后能够更好地模拟出地形附近雨带的中心位置和强度;地形...     

地形重力波拖曳参数化对热带气旋强度和路径预报影响的研究

本文在GRAPES_TMM（Global/Regional Assimilation and Prediction System for Tropical Mesoscale Model）——中国南海台风模式版（面向南海和东南亚）中发展和引进了KA95（Kim and Arakawa,1995）地形重力波拖曳参数化方案（GWDO）,并对2012年主要的9个登陆台风进行了试验对比研究,考察了不同标准Richardson数（Ri_c）的GWDO试验对台风路径和强度预报的影响。结果表明,在引入地形重力波拖曳参数化过程后,模式对台风登陆时路径和强度的预报能力均要有提高,对台风预报时长越长,GWDO的影响也更为显著。对双台风“SAOLA”和“DAMREY”试验结果表明,GWDO对台风外围距台风中心150 km的对流层中下层风速减弱较为明显,减弱了GRAPES区域模式对台风强度预报偏强的现象,对台风强度长时间预报改善更为明显。不同标准Ri_c对重力波拖曳力的计算较为敏感,当Ri_c取1.0时,动能迅速的在低层被频散,能量无法有效地上传;Ri_c取0.25时,大部分的能量在中高层被频散。总的来说,Ri_c取0.75时对台风路径和强度预报改进更为显著,其结果可为业务预报提供指导意义。     

青藏高原边坡地形重力波拖曳方案应用的个例研究

本文针对我国西南地区的一次持续性暴雨过程,利用WRF模式引入地形重力波拖曳方案进行120h的模拟,对比结果认为引入地形重力波拖曳的模拟效果总体看来略有优势,并详细分析了不同模拟时段的位势高度场,风场,海平面气压场与降水,其结果认为,引入与未引入地形重力波模拟的差异主要出现在48~72h之后,位势高度场方面,72h之后,在青藏高原主体上引入拖曳方案后的模拟结果相对未引入拖曳方案的结果是正偏差,高原下游地区为负偏差,引入后的模拟相对准确;风场模拟方面同样72h以内的模拟差距较小,72h之后高原上出现一处气旋性涡旋,其中心位置的模拟,引入拖曳方案后的结果相对准确,本次个例中出现的一例西南低涡,两实验都能够较好的模拟出700h Pa的气旋性涡旋;降水模拟的结果表明,在72h之后,对于四川地区降水中心位置的模拟,引入拖曳方案的模拟有所提高,但中心依然过强。这方面主要考虑降水的模拟牵涉模式内部更为复杂的处理过程和其他因素,地形重力波拖曳只是其中一个影响因素而不是核心因素。另外此方案对温度场及海平面气压场模拟的影响不明显。理论上讲引入地形重力波拖曳效应的模拟是物理过程相对更为完善的,在本次个例中模拟效果也略优,但在高原下坡复杂地形处长期应用的模拟效果仍需要更多的测试,将在后续工作中加以完善。     

一个双波地形重力波拖曳参数化方案

当地形次尺度强迫的作用与显式的经典动力作用效应相当时,地形重力波拖曳力对于环流的维持,以及动量和热量通量输送的动力效应变得十分显著。这种地形次尺度拖曳作用项可通过参数化的方法,在动力方程中加入额外的小项而引入数值模式。目前成熟的地形重力波拖曳参数化方法,如第1代基于线性单波理论的参数化方案;以及侧重考虑了临界层作用等因素对拖曳力的额外贡献的第2代参数化方案,都无法有效表达风速垂直变化引起的波动应力随高度变化的特征。基于上述考虑,本文给出了一个双波参数化方案用于计算地形重力波拖曳中由线性自由传播重力波造成的波动应力的垂直分布。通过二阶WKB近似,它对由风速垂直变化引起的对波动应力的选择性临界层吸收过程和经典的临界层吸收过程做了显式处理;而在不发生临界层吸收现象的地区,则用两个单波同时在垂直方向上进行应力的传播,并利用波饱和标准进行应力耗散。进一步地在真实地形(以大别山地区为个例)条件下的测试结果表明,通过在不同理想风速廓线以及北半球冬季中纬度纬向平均风廓线下对波动应力垂直分布的计算,证明该方案确实能有效地给出应力随高度变化的特征。     

地形重力波拖曳参数化方案在一次陕西极端性暴雨天气过程中的应用

利用中尺度WRF模式进行敏感性试验,分析探讨加入地形重力波拖曳参数化方案(GWDO)后对2013年陕西入夏以来最强的一次暴雨过程的模拟能力和地形影响下强降水的形成机制。本次过程是在高空槽和低涡配合的有利形势下形成的,秦巴山区的地形作用对本次暴雨过程有着重要影响。在引入地形重力波参数化方案后,模式对关中大暴雨中心的模拟能力有所提高,强降水落区及量级与实况更为接近,较为有效地改善了环流形势及主要影响系统的模拟。在引入地形重力波参数化方案后,这一地区环流进行调整,有利的水汽条件和对流不稳定配合强烈的上升运动,是影响关中地区强降水的重要因素。该参数化方案对陕西暴雨预报具有一定的适用性,但是对陕南的暴雨区模拟还具有较大的误差,需要进一步改进。     

地形重力波拖曳参数化方案在华南中尺度模式（GRAPES）中的应用试验

在华南中尺度模式GRAPES中发展KA95方案地形重力波拖曳参数化方案(GWDO),并对2012年的2月8—12日影响华南冷空气过程、8月23—24日发生在广东的局地性暴雨和5—8月共4个月的KA95方案预报试验进行检验。结果表明,KA95地形重力波拖曳参数化方案的引入,改善了GRAPES模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,一定程度上纠正了在模式积分过程中出现的南风偏差,改正了在业务预报中因南风偏强而导致温度偏差过大的现象;改善了模式对局地强降水强度和落区的预报,减小了大雨和暴雨的漏报率和预报偏差,提高了GRAPES模式对降水的预报效果。      

对流云街激发的重力波和波动阻力

大气边界层中的对流活动,可以在其上部稳定层中激发出重力波,并引起垂直动量输送,影响到对流层和平流层中的动量平衡过程.从二层模式中大气波动方程的线性解出发,得出了对流云街激发的重力波波阻解析表达式,并讨论了大气条件对波阻的影响.这些分析可有助于大气环流模式(GCM)中此类重力波波阻参数化表达式的建立和改进.     

谱模式中负地形的处理与东亚副热带气候的模拟

谱模式中负地形对气候模拟有严重干扰。本文重新处理IAP/LASG GOALS模式地形及海陆分布,通过对比新旧地形强迫下数值试验的结果,揭示了原有GOALS/LASG气候模式对西太平洋副高模拟中存在的系统偏差与（30oN,120oE）长江口附近的负地形及纬向地形谷有关。与NCEP/NCAR再分析资料和CMAP综合分析资料比较表明,新的地形方案减弱了负地形效应,使东亚气候,如夏季西太平洋副热带高压及夏季降水的模拟得到明显改善。     

A Two-Wave Scheme for Orographic Gravity Wave Drag Parameterization

When the magnitude of sub-scale ographic forcing is comparable with explicitly ordinary dynamic forcing, the drag effect reduced by ographic gravity wave is to be significant for maintaining dynamic balance of atmospheric circulation, as well as the momentum and energy transport. Such sub-scale ographic forcing should be introduced into numerically atmospheric model by means of drag being parameterized. Furthermore, the currently mature ographic gravity wave drag （OGWD） parameterization, i.e., the so-called first-generation （based on lineal single-wave theoretical framework） or the second-generation drag parameterization （including an important extra forcing by the contribution of critical level absorption）, cannot correctly and effectly describe the vertical profile of wave stress under the influence of ambient wind shearing. Based on aforementioned consideration, a new two-wave scheme was proposed to parameterize the ographic gravity wave drag by means of freely propagating gravity waves. It starts with a second order WKB approximation, and treats the wave stress attenuations caused by either the selective critical level absorption or the classical critical level absorption explicitly; while in the regions where critical levels are absent, it transports the wave stress vertically by two sinusoidal waves and deposits them and then damps them according to the wave saturation criteria. This scheme is thus used to conduct some sample computations over the Dabie Mountain region of East China, as an example. The results showed that the new two-wave scheme is able to model the vertical distribution of the wave stress more realistically.     

初始场和长波辐射对气候模拟的影响

对CCM2 (T42L18) 模式运行10次，每次初始状态稍微变化。试验结果表明了CCM2模式对初始场的响应，10次运行长波辐射（LWR）加热率的标准差在全球许多地方和谱的许多尺度上超过10%。相似的结果也可以从云和温度的计算结果中发现。从CCM2算法的10次运行和应用CCM2、MOR和NMC三种不同的LWR算法的3次运行的试验比较中发现，不同LWR算法模式运行之间的变率比没有LWR算法变化的初始场作用大得多。在CCM2模式中，比较应用CCM2、MOR和NMC三种不同的LWR算法的气候模拟，我们发现CCM2和MOR的算法比较接近，而和NMC的差别较大。但三种不同的LWR算法3次运行积分结果的平均值和不同算法间的绝对差值在全球许多地方和不同尺度上的差别都超过10%，远远大于初始场对气候模拟的作用。     

重力波对一次雹暴天气过程演变的影响

利用北京地区雷达、风廓线仪和稠密的自动站观测资料,对2005年5月31日午后多次出现雹暴现象的飑线天气过程进行了中小尺度诊断研究,揭示了雹暴系统的发生、发展和再生过程与地面气象要素分布之间的关系,重点分析了重力波对雹暴单体、雹暴群演变、移动的影响.结果表明:(1)在有利于强对流发生的大气环流背景下,由地形、强雹暴产生的重力波,不仅催生新的风暴单体,而且对风暴单体的移动、发展或减弱产生直接影响;(2)不同强迫源(地形、强雹暴)引发的、具有不同振幅、波长和波动周期的中尺度重力波之间通过复杂的相互作用过程对多个风暴单体的演变产生了重要影响,有利于雹暴群的形成.     

天气与气候模式中次网格重力波拖曳参数化的研究

从数值模式物理过程地形参数化研究的角度,回顾了次网格地形重力波拖曳参数化、地形阻塞流拖曳参数化和对流强迫拖曳参数化等方面的研究现状,总结概括了目前模式物理过程中关于地形参数化研究中若干亟待解决的科学问题。另外,在华南中尺度模式预报系统(GRAPES_Mars)中引进和发展了地形重力波拖曳参数化方案KA95,讨论了KA95方案对2012年2月8-12日华南冷空气过程的影响。结果表明,地形重力波拖曳参数化的引入较好地改善了GRAPES_Mars模式对冬、春季低层南风偏强和地面温度偏高的现象,显示出重力波拖曳参数化对改善模式风场预报的突出作用和对减小模式系统偏差的良好应用前景。