三维非静力中—β尺度动力学预报模式的应用研究Ⅲ:关中地区边界层结构的数值模拟

本文利用已建立的三维非静力中－β尺度动力学预报模式［1］以1996—3—31和6—1为实例，模拟研究关中地区地形的动力和热力效应对边界层结构的影响。模拟结果表明：起伏地形对垂直流场及低层风场影响较大；迎风坡空气抬升，背风坡空气下沉；层结稳定时易形成背风波，层结不稳定时，在背风波和水平温度梯度（地表性状不同）的共同作用下，在地形边界处易形成局地环流；除迎风坡空气抬升和背风坡引起上升运动外，还有地形加热引起的上升运动，它们对于水汽、能量等的垂直输送起着重要作用。     

三维非静力中─β尺度动力学预报模式的应用 Ⅱ:海陆风的数值模拟

本文利用已建立的三维非静力中－β尺度动力学预报模式［1］，以1993年9月3日为实例，模拟研究深圳大鹏湾海岸地区地形的动力和热力效应形成的海陆风环流特征。模拟结果与实测资料合理的一致，并且表明：起伏地形对垂直流场及低层风场影响较大；不规则海岸线对地面流场的走向有显著影响；海角的辐散（或辐合）较强；地面温度波的振幅直接影响到海陆风环流的强度；海陆风转换期间，风速较小风向多变。     

短时风暴数值预报模式研究──Ⅰ．模式的理论框架

本文致力于发展一个旨在用于中－β尺度天气系统研究和预报对流风暴的数值预报模式（中－β模式）。模式的动力学框架为三维非静力可压缩的完全弹性模型，对声波的处理采用时间分离求解及阻尼和压缩方法，模式只选择了对风暴系统短时预报有重要意义的一些物理过程，从而简化了模式的参数化方法，节省了计算量。     

非静力平衡数值模式

高分辨率的静力平衡模式在中尺度运动的研究中被广泛应用。但一些作者指出静力平衡近似的误差对于重力波的一些重要性质产生影响，因此发展非静力平衡模式是十分必要的。本文主要介绍了完全弹性模式和滞弹性模式，给出了模式的基本方程组，并讨论了与数值解法有关的问题，最后简单地说明了弹性近似模式。     

GRAPES非静力数值预报模式的三维变分资料同化系统的发展

为了减少分析变量与模式状态变量之间的插值误差,改善业务预报模式的初值质量,在GRAPES等压面三维变分资料同化系统的基础上,研究发展了针对GRAPES区域模式的非静力模式变量三维变分资料同化系统(GRAPES m3DVAR).该资料同化系统的垂直坐标及其分析变量的水平分布格式、垂直跳点方案与GRAPES预报模式保持完全一致.由于垂直坐标的变化和非静力关系,m3DVAR分析系统中设计了求解动力学约束方程的新方案.通过有效的高精度数学方案,避免了地形追随坐标下平衡方程的非线性项造成的复杂计算,有效解决了非静力平衡条件下求解平衡方程中非线性项的切线性方程和伴随方程引起的困难.重新构造各种观测算子,并考虑了质量场和风场之间的平衡约束关系、背景误差协方差结构,实现对探空、地面资料、船舶报等常规观测的同化.理想单点试验和实际资料的多变量资料同化分析结果表明,非静力模式变量三维变分资料同化系统能够正确地描写多变量之间的相互作用以及物理约束关系,分析结果合理,能够有效减少原等压面三维变分资料同化系统的分析与模式变量之间需要相互插值、变换产生的误差,在一定程度上提高了分析场质量,对预报模式的初值具有一定改善.     

多尺度非静力通用模式框架的设计策略

针对目前国际上数值预报模式的最新发展趋势,综述了新形势下多尺度非静力通用数值预报模式框架的设计策略。目前世界上开发通用模式主要有两个途经,一是建立一个离散化方案和源程序代码共享的、全球和有限区通用的模式,二是建立一个单一的全球可变分辨率的模式。还从通用模式方程组的选取策略、模式网格属性的构造,时间积分方案、空间离散方案,垂直坐标的选取等方面进行了分析。     

大气非静力数值模式中声波的阻尼和压缩

介绍大气非静力弹性模式中声波的阻尼和压缩方法，分析和模拟试验的结果表明，声波的阻尼和压缩能够对模式的解的振幅起到一定的衰减作用，有利于保证模式的计算稳定性和减少计算量。．     

三维中-β尺度模式研究：一次气旋暖区锋生活动的中尺度结构的数值模拟试验

设计了一个中－β尺度数值模式，并用来试验模拟一次京津地区暖区锋生降水过程。其结果不仅给出了暖锋式锋面垂直环流（热力直接环流），而且还给出了叠加在其上的次级中尺度环流结构。这说明该模式具有研究中－β特征运动的能力。     

三维非静力二阶闭合PBL模式的初步研究

采用二阶距湍流闭合方案，建立了一个复杂地形下的三维非静力边界层预报模式。通过该模式，细致了模拟了北京地区的风、温时空变化和湍流场变化。结合地面、探空和气象塔的实测资料，进一步研究了该方案在三维空间上对平均场和湍流场的预报模拟效能。结果表明该模式能较好地进行平均量和湍流量的模拟和预报。     

湖南资水流域切变线天气形势下中β尺度对流系统的数值模拟研究

本文对湖南资水流域700hPa层呈现相似切变线天气形势的两次天气过程进行了研究,其中一次是2001年6月19日08BST出现大暴雨,另一次是2001年8月13日08 BST至14日08 BST仅出现小雨,文中对这两个个例进行中尺度数值模拟,对比分析了这两个个例演变过程的差异,并对6月19日中β尺度对流系统在暴雨强盛期的动力结构特征和热力结构特征作了详细分析。研究结果表明6月19日在演变过程中生产的中β尺度对流系统引发了这次暴雨,而8月13日虽然有类似于6月19日的切变线,但是没有形成中β尺度对流系统,也就没有引发暴雨。由此表明,相似的700hPa形势可以有根本不一样的演变,而暴雨的发生与中β尺度对流系统的生产和发展有十分密切的关系。     

短时风暴数值预报模式研究 I. 模式的理论框架

本文致力于发展一个旨在用于中-β尺度天气系统研究和预报对流风暴的数值预报模式（中-β模式）。模式的动力学框架为三维非静力可压缩的完全弹性模型，对声波的处理采用时间分离求解及阻尼和压缩方法，模式只选择了对风暴系统短时预报有重要意义的一些物理过程，从而简化了模式的参数化方法，节省了计算量。     

中β尺度系统造成的大暴雨过程数值模拟与诊断分析

利用T106资料和MM5V3．5中尺度非静力模式对2002年6月8—9日发生在陕西和四川东北部的一次突发大暴雨过程进行了数值模拟与诊断分析。模拟结果表明：在有利的大尺度环流形势下,中α尺度切变激发的中β尺度系统是本次暴雨的直接引导系统。进一步诊断分析揭示了中β尺度系统的动力场和热力场之间具有一种强耦舍机制：中β尺度系统是在低空急流带上发展起来的,垂直上升运动与近饱和湿空气柱及涡散柱互耦,低空对流不稳定层结的发展触发了强烈的垂直上升运动。模拟结果表明模式能很好地模拟中尺度对流系统的整个发展过程和降水雨带,细网格模拟的降水量与实况比较接近,分析结果可为中尺度暴雨预报提供参考依据．     

用中尺度非静力模式制作北京气温和风预报

利用国家气象中心与北京市气象局联合开发的“北京地区中尺度数值天气预报业务系统”针对业务预报需要,开发了２米温度、１０米风的要素预报。通过近一年的预报效果检验表明,该系统不仅对一般性天气有比较好的预报效果,同时也可以预报出转折性的大风、升（降）温等天气过程。与ＮＣＥＰ的ｅｔａ模式相比,该系统的温度预报误差与之基本相当,而风速预报误差略小于ｅｔａ模式。     

地面中—β尺度强锋区激发的特大暴雨过程分析

受0012号台风（派比安）外围影响，2000年8月30日02时至31日08时，在江苏省东北部发生了一次具有局域性、突发性、高强度、超历史、灾情重等特征的特大暴雨，分析研究发现，在台风外围第二象限，江苏东北部地面存在中-β尺度的能量锋区，此能量锋区是构成产生、维持特大暴雨的中-β尺度的天气系统。利用锋生函数对此能量锋区的发生发展进行诊断，结果表明，锋生函数的变形项起了决定性作用，辐合项也有较明显的贡献，非绝热加热在锋生初期有作用，但对锋区的维持，其贡献并不明显，进一步用二维中尺度方程对锋区进行数值模拟，结果显示，在能量锋附近驱动产生了涡旋，在涡旋上升支，将高能区的暖湿空气向上输送而成云致雨，在涡旋下沉支，通过下沉气流使雨迅速下落，同时拖曳冷空气使地面降温，使得锋区维持和加强，致使雨强增幅，综合分析表明，中-β尺度能量锋区形成以后，通过锋区附近的中-β尺度的辐合线，中低压，中高压以及锋区附近驱动的扰动涡旋等中-β尺度的天气系统间的相互作用，导致了这次江苏省东北部高强度的特大暴雨。     

黔中西部地面中-β尺度环流系统与暴雨

引言 黔中西部处于云贵高原东侧斜坡地带,是一片地形复杂的低纬高原山区,又是乌江和北盘江的发源地,地形切割严重,海拔差异大,高山河谷纵横交错。暴雨和强对流天气十分频繁,边界层流场分布对它们的制约和影响十分明显。因此,要做好该地区这类天气的监测预报,必须对边界层诱发的局地环流有清楚的认识。本文利用贵州中西部较稠密的     

非静力AREM模式设计及其数值模拟II:数值模拟试验

在程锐等（2018）中,我们完成了非静力AREM（Advanced Regional Eta-coordinate Model）模式动力框架设计。本文将通过理想和实例试验检验其模拟能力。设计理想试验并通过与国际成熟的中尺度非静力框架比较,直接检验非静力AREM三维动力框架在细致分辨率（约1 km）下的模拟性能。可以看出,非静力AREM与ARPS（Advanced Regional Prediction System）、WRF（Weather Research and Forecasting Model）模拟出类似的积云对流结构及演变特征,从而基本确证了本文发展的非静力框架的正确性。结合原静力平衡模式的初始化和物理参数化过程,形成非静力AREM模式系统。台风实例模拟表明,粗分辨率下静力、非静力AREM模式性能接近;但在高分辨率下,非静力明显优于静力模式。我们还开展了批量降水试验检验,对非静力AREM模式性能进行了进一步的验证。     

多尺度大气数值预报的技术进展

随着计算机和计算理论的发展,数值模式正在向全球化、精细化发展,以适应多尺度、多目的应用的要求,从而模糊了大气环流模式和中尺度数值模式的界限,其主要手段就是改进模式动力框架、离散化手段、计算方法、物理过程的普适性。在实际应用中如何提高模式的多尺度计算性能则是问题关键。该文从模式球面坐标系、网格构造、离散化方法的动力特性、垂直坐标和地形处理以及对物理过程的要求出发,探讨分析多尺度大气数值模式的特点:全球/区域可选、非静力近似、具有良好的频散关系和详细的物理过程,垂直高度坐标和"剪切"地形对多尺度通用模式的改良十分重要。除上述特点外,模式所采用的计算方法也应该最大限度地描述大气动力过程特性,采用高性能计算方案有利于多尺度预报。结合当前多尺度预报的国际研究热点和开发前沿,探讨我国新一代多尺度数值预报系统GRAPES的进一步发展及改进方向。     

“5.5”黑风暴中-β尺度飑线的初步数值模拟

利用改进型ＰＳＵ／ＮＣＡＲ中尺度模式,以常规观测资料作为初值,较好地模拟了“５．５”黑风暴过程的重要影响系统中－β尺度飑线的主要特征,即近地面风场切变线,与切变线相伴的风核、狭窄强对流带、强水平温度、气压梯度带以及上述特征带（线）的形成、迅速增强的时间和移动方向,模拟显示这是一条降水很小的“干”飑线,从全物理过程和不考虑水汽的干模式对比来看,云降水过程在本例飑线中没有起到决定性作用。飑线垂直结构的初步模拟揭示,飑线温度水平剧烈变化及垂直上升速度中心都在对流层低层的７００ｈＰａ（地形高度在８５０ｈＰａ）,垂直环流随高度向后倾斜。中低层短波扰动引起的槽后强冷平流在飑线后下沉是飑线发展的重要机制。     

中—β尺度云团造成不同降水强度的水对比分析

本文对发生，发展在长江中游地区两个中－β尺度云团引起不同强度的降水，进行了对比分析，弄清它们之间的异同，进一步探讨了中－β尺度对流云团产生强降水的条件，从而为难以预报小范围的暴雨提供一些物理依据。