一个用于研究湖泊对气候环境影响的非静力平衡数值模式

本文研制了一个包含云的微物理学参数化方案,地面温度和水温预报方案、边界层湍流参数化方案、长波辐射和短波辐射参数化方案的非静力平衡中小尺度数值模式。在模式中允许地面和大气有反馈过程。模式大气分为18层,土壤、水体以及水底土壤各分为4层,采用了能突出水体影响的网格系统。采用分解算法,平流项采用三次样条插值技术,并用正逆两次平滑来代替方程组中的水平扩散项。模式具有很好的积分稳定性,能精确地再现湖泊对气候环境影响的空间结构和时间变化。     

非静力中尺度模式的现状及发展趋势

随着高性能计算机与大气探测技术的发展 ,使得非静力中尺度数值预报模式的业务化成为可能 ,世界上主要的气象中心最近几年纷纷发展非静力中尺度模式 ,并取得了重要进展 ,这其中尤以英国气象局新发展的非静力通用模式最为突出。基于此 ,介绍了近年来国际上发达国家的非静力中尺度预报模式的现状及发展方向 ,并对该类模式设计中应注意的一些问题进行了阐述     

非静力平衡模式的中尺度非均匀初始场试验和锋面模拟

用非静力平衡二维中β－γ尺度大气模式,选取１９８７年欧洲的一次冷锋过程为个例,以法国的静力平衡模式的模拟结果为初始场,选用５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种水平格距进行了水平范围为２０００ｋｍ的模拟,结果表明：（１）中尺度非静力平衡模式应用非均匀初始场,而不加人为的初始扰动是可行的;（２）扰动量的初始场中π′的精度要求很高,应严格符合静力平衡条件,否则就会产生严重误差,甚至在一个时步内改变垂直速度;（３）５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种格距的对比模拟表明,５ｋｍ格距的非静力平衡模式能模拟出锋面上的多个中β尺度对流,且垂直速度场分布与实际最接近,而后两种格距只能模拟出锋面上的大范围上升区,不能细致地描述锋面对流结构。     

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。     

中尺度非静力模式中常用气压分离技术的研究

分析了气压分离和不分离,在几种不同的层结情况下,垂直气压梯度的截断误差.结果表明:基本场取法不当,会引起巨大的截断误差,甚至和不分离时相当;反之,则较小.根据计算,提出了一种取基本场的方法,在一定条件下,可以使气压偏差的垂直梯度的截断误差比不分离时的相应误差小一个量级,从而,可以取较小的垂直分辨率.     

静力平衡模式在中尺度大气模拟中的适用性问题

静力平衡模式是目前数值天气预报的主要模式。近年来随着模式分辨率的提高,非静力平衡模式在中国的研制和ＭＭ５等模式的引进,从理论研究和应用的角度看,有必要对这两种模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作细致的分析研究。本文从理论上分析了静力平衡假定下重力波频率模拟的误差,指出其相对误差随Δｘ增大成平方的减少。当Δｘ≥２０ｋｍ时,相对误差小于４％,当Δｘ≤１０ｋｍ时,相对误差可能大于１６％。和一般顾名思义的概念不同,静力模式计算的重力波频率被夸大,计算的垂直加速度也由于略去惯性项而夸大。推导的准静力平衡模式,对静力平衡模式作了惯性项订正,个例试验也肯定了上述结果。     

非静力中尺度高分辨率模式模拟中的垂直坐标影响研究

近几年来,随着高性能计算机技术的高速发展,甚高分辨率的中尺度数值预报模式业务应用已成为可能,与之相关的一系列模式技术的新问题也随之提了出来,垂直坐标系的影响就是其中之一。文中借助于美国新一代数值预报模式WRF(WeatherReseachandForecast),比较了非静力中尺度模式高分辨率模拟应用的垂直坐标影响问题。研究表明,当选用几何高度(z)和气压(p)来构造地形追随坐标时,低层两坐标引起的误差基本一样,中高层高度地形追随坐标引起的误差小于气压地形追随坐标;而且分辨率越高差异愈大。高分辨率模拟结果也表明,这种差异趋势是存在的;此外,本文对天气过程的预报要素场进行了相关的分析。     

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。     

基于非静力模式物理扰动的中尺度集合预报试验

以GRAPES中尺度有限区模式作为试验模式, 从模式的不确定性方面来构造中尺度的集合预报, 重点考虑物理因子与初始条件的扰动作用。针对2004年7月10日北京城区的突发性暴雨过程进行了36 h的集合预报试验。结果表明:GRAPES模式可有效地捕捉到中尺度过程的信息; 中尺度集合预报是可行的, 可改进中尺度暴雨过程落区、强度的预报; 不同集合方案的预报结果各不相同, 同一方案各个成员的预报结果也有差异, 即存在适宜的离散度; 在离散度分析中发现在北京附近存在一个明显大值区, 且在大气中低层的垂直结构表现出一致性, 表明这一区域的预报不确定性很大。从集合检验结果中得到:单纯考虑模式物理扰动来构造中尺度集合预报系统有一定难度, 当加入初始场不确定信息后, 同时考虑模式的不确定性和初始场的不确定性, 有助于捕捉更多的中尺度系统的不确定信息, 有助于构造更为有效的中尺度集合预报系统。     

MM5中尺度非静力模式对云南省降水预报检验

根据MM5／V3中尺度非静力模式数值预报结果，检验了该模式在云南2001年汛期（6－10月）的降水预报效果。结果表明，MM5模式降水预报对云南大部分地区的小雨有较高的TS评分，对于全省性大雨过程，MM5模式24小时降水预报的TS评分高于同期预报员的主观预报，但对暴雨及以上量级的降水预报，模式结果不太理想。     

北京地区中尺度非静力数值预报产品释用技术研究

在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预报业务系统”基础上，充分利用高分辨率中尺度数值预报产品和地面加密气象观测资料，分别使用统计和动力释用方法进行局地温度、风和北京市区空气污染状况的预报。试预报结果表明，用卡尔曼滤波方法建立的温度和风的预报效果高于中尺度数值预报直接输出结果；使用中尺度数值预报结果作为一个简单的污染预报动力模式的气象背景场，进行了污染预报试验，结果表明该预报方法具有一定的预报能力，其中SO₂、NO₂、CO浓度的预报准确率在夏、秋、冬三季中均可达到65%以上。上述研究成果已用于业务预报。     

非静力、完全弹性二维中尺度模式的建立及数值试验研究

建立了一个非静力、安全弹性的二维中～β(γ)尺度数值模式。该模式对海风环流的模拟,验证了此模式对中尺度环流的模拟能力。利用该模式模拟了重庆地区复杂下垫面边界层气象要素场,探讨了地形、水陆分布、城市热岛及其相互作用,对边界层气象要素场分布的影响。     

静力与非静力平衡模式动力框架对比

以WRF模式为例,从定性和定量两个方面分别对静力和非静力平衡模式动力框架进行了对比分析。结果表明:大气动力学过程中的非静力平衡特征信息可以由一个控制其打开和关闭状态的开关性变量来予以表示。该变量主要影响大气垂直运动,水平运动受其影响较小,且随着模式分辨率逐步提高,其影响更加显著。因此,可以将复杂耗时的非静力平衡特征信息整合问题转化为开关变量的数学建模问题,从而为解决上述问题开辟了一条可能的新路径。     

海岸边界层的非静力模式

建立了一个３级非静力边界层模式,并采用一种新的非局地反梯度闭合方案在杭州附近复杂地形区进行了数值模拟。通过与实测资料和静力条件下的模拟结果的比较,进一步分析了非局地闭合下非静力３级边界层模式的效能。结果表明,该模式比静力模式更能合理地模拟海岩边界层的风温场和湍流场,且模拟结果与实测更接近。     

正压大气中尺度半平衡和准平衡动力学模式

应用描写正压大气运动的基本方程组，分析了中尺度大气运动的物理特征，指出非平衡强迫运动是引起中尺度重要天气演变的根本原因。中尺度动力学方程组是中尺度动力学理论研究的基础，因此，结合中尺度大气运动的基本特征，依据严格的尺度分析理论和摄动理论，简化基于流体力学和热力学的大气动力学方程组使之能够恰当地描述出中尺度运动的基本特征，对于中尺度动力学的发展是极为必要的。基于非线性平衡方程所得到的半平衡和准平衡动力学模式分别与半地转和准地转模式极为相似，它们可以较精确地描述中尺度大气运动的基本特征，因而，可作为中尺度动力学研究的理论基础。将准平衡动力学模式应用于中尺度涡旋系统的研究，结论表明中尺度平衡涡旋系统主要是受梯度风控制，其流场和气压场的发展演变则由一个演化方程来描写，获得了较为理想的结果。     

基于螺旋度的中尺度平衡方程及非平衡流诊断方法

在回顾大尺度准地转平衡理论、各种平衡方程、平衡模式及非平衡流诊断工具的基础上,对平衡方程、非平衡方程给出了具体的定义.并在此基础上,进一步考虑中尺度强对流天气系统的特征,指出中尺度也有平衡运动的存在.但是由于中尺度对流系统中强烈的辐散风效应以及不可忽略的垂直运动的作用,以散度方程为基础的各种近似平衡方程不足以描述中尺度强对流天气系统的平衡运动,进而提出了从能够同时考虑旋转、辐散及垂直运动作用的螺旋度方程出发,寻找中尺度的平衡方程.在所得的平衡方程基础上,给出了相应的平衡模式和非平衡方程.并进一步将非平衡方程分解,用来诊断非平衡过程的平衡破坏和平衡恢复两个阶段,同时将它们与水平螺旋度和垂直螺旋度联系起来.     

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。     

北京地区中尺度非静力数值预报系统的开发与实时预报应用

国家气象中心与北京市气象局联合开发并将于1999年底建成“北京地区中尺度数值天气预报业务系统”。作为开发的第一阶段,以PSU/NCAR的MM5非静力中尺度模式为基础,在国家气象中心IBM/SP2机并行运算环境下与国家气象中心资料源连接并应用北京地区加密地面观测资料,初步建成了“北京地区中尺度数值天气预报试验系统”（以下简称BJ-MM5V.1）。模式设计为垂直23层,水平分辨率分别为45和15km的两重双向嵌套网格。在IBM/SP2计算机上用24个节点作36 h预报所需机时为2 h 20 min,满足实时业务预报需要。该系统于1997年夏季进行了实时运行试验,可提供北京地区每小时降水量预报每3 h多种气象要素预报,预报产品在北京市气象局试用。结果表明,系统有较强的稳定性和实用性,对降水时空分布的预报效果较好。     

非静力平衡大气中的斜压惯性不稳定

本文研究在具有水平和垂直切变的平行基本流场中的二维非静力平衡扰动,扰动沿基本流方向不变。对于基本流呈线性切变的情况得到无穷空间初值问题解,并讨论了不稳定判据及不稳定环流发展的定向特征。对于基本流场非线性切变情况得到广义能量守恒方程并将前者的讨论结果推广。对于边界及湍流耗散的影响作了简单考察并定性讨论了有关中尺度强对流的某些问题。