基于WRF模式的海面湍流通量参数化方案的研究

中尺度数值模拟结果特别是高影响天气的精细预报对近地层动量和热量通量极为敏感,因此近地层湍流通量参数化方案一直是大气科学研究中一个十分重要的课题.以TOGA-COARE观测试验资料为基础,本文将湍流通量参数化方案模块从天气研究预报(WRF)模式中提取出来,与最新研发的湍流通量参数化方案(即LGLC方案)进行对比测试分析....     

修正的ECMWF质量通量积云参数化方案的预报试验

用一个有限区域业务预报模式，以１９９５年７—８月西北地区几次大范围的降水天气过程为试验个例，对经过修改的ＥＣＭＷＦ质量通量积云参数化方案和模式中的原Ｋｕｏ型积云参数化方案进行了共１３例４８ｈ的批量对比预报试验。结果显示：质量通量方案能给出比Ｋｕｏ型方案更合理的积云降水落区；质量通量方案对模式预报≥１０．０ｍｍ的降水有一定的改进，并提高了各种降水等级的预报效率评分值     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义, 湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一。选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统, 离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA 相似理论迭代方案B), 并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析。在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下, 根据边界层铁塔4层高度风速拟合, 发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显。将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算。结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素, 在不稳定条件下方案B低估了动量通量, 方案A优于方案B, 而在稳定条件下方案A低估了动量通量, 方案B优于方案A, 两种方案总体来看误差不大。对于大理边界层通量观测场地农田植被交替的环境条件, 不同季节下垫面植被类型的差异, 以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显著影响。方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异, 不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A。针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象, 在使用了(Zeng, et al, 1998)提出的对于使用辐射地表温度在裸土下垫面时的订正方法后, 计算结果也有明显改善。     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义,湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一.选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统,离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA相似理论迭代方案B),并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析.在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下,根据边界层铁塔4层高度风速拟合,发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显.将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算.结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素,在不稳定条件下方案B低估了动量通量,方案A优于方案B,而在稳定条件下方案A低估了动量通量,方案B优于方案A,两种方案总体来看误差不大.对于大理边界层通量观测场农田植被交替的环境条件,不同季节下垫面植被类型的差异,以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显着影响.方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异,不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A.针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象,使用了Zeng等1998年提出的用辐射地表温度订正裸土下垫面感热能量方法后,计算结果也有明显改善.     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

积云参数化方案中云底质量通量的限制及在高分辨率模式中的应用

对SAS积云参数化方案中的云底质量通量进行限制并将其应用到华南区域高分辨率模式降水预报中,分别对强对流个例和弱对流个例进行模拟和比较,分析了限制云底质量通量之后的积云参数化方案对模式降水预报的影响,并探讨了不同大小的云底质量通量限制对预报结果的敏感性。试验结果表明,对积云参数化方案进行闭合时采用不稳定能量释放假设要比原来的准平衡闭合假设更适用于中小尺度模式。对积云参数化方案的云底质量通量进行限制以后可以有效地消除对流参数化在高分辨率模式中引起的虚假降水,同时又能够合理地引入一些次网格尺度的弱对流的影响,从而改进模式的降水预报效果。敏感性试验结果表明,随着云底质量通量限制程度的变弱,对流参数化方案对模式降水预报的影响会逐渐增强;在一定大小范围内的云底质量通量限制下,强对流个例的总降水量预报结果对于不同大小的限制不如弱对流个例敏感。对两种不同的云底质量通量限制方式进行比较发现,在云底质量通量较大时完全关闭对流参数化方案可以更有效避免对流参数化引起的虚假降水。      

修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究Ⅰ:方案介绍及对1991年洪涝过程的模拟

文中在综合比较各类积云对流参数化方案优缺点的基础上 ,主要参考陈伯民等修正的ECMWF质量通量积云参数化方案 ,对其进行简化和修改 ,发展了一个质量通量积云对流参数化方案 ,文中表示为 MFS(Mass Flux Scheme)。MFS是一种综合型的方案 ,既考虑了大尺度水汽辐合的重要性 ,又考虑了积云中的上升运动、下沉运动、环境中的补偿下沉运动 ,以及卷入、卷出和蒸发等 ,用总体云模式来描述积云与环境的相互作用 ,同时考虑了深对流和浅对流。将 MFS植入 NCAR区域气候模式 Reg CM2中 ,对 1 991年 5～ 7月江淮地区特大降水过程的夏季风气候特征和变化进行了模拟 ,并与 NCAR Reg CM2选用 Kuo方案 ,在同样初、边值条件和其它物理过程选择下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明 ,植入 MFS后的模式能够模拟这次极端的降水气候事件。在某些方面 ,如地表气温 ,降水的模拟上 ,植入 MFS后的模式的模拟结果要比原模式的结果更合理     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

一种提高气候模式对PNA年际变化模拟能力的方法

The climate modeling community has been challenged to develop a method for improving the simulation of the Pacific-North America (PNA) teleconnection pattern in climate models. The accuracy of PNA teleconnection simulation is significantly improved by considering mesoscale convection contributions to sea surface fluxes. The variation in the PNA over the past 22 years was simulated by the Grid Atmospheric Model of IAP LASG version 1.0 (GAMIL1.0) model, which was guided by observational sea surface temperature (SST) from January 1979 to December 2000. Results show that heating in the tropical central-eastern Pacific is simulated more realistically, and sea surface latent heat flux and precipitation anomalies are more similar to the reanalysis data when mesoscale enhancement is considered during the parameterization scheme of sea surface turbulent fluxes in GAMIL1.0. Realistic heating in the tropical central-eastern Pacific in turn significantly improves the simulation of interannual variation and spatial patterns of PNA.     

积云对流参数化方案对大气含水量及降水的影响

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL, 自从发展成R42L26新版本之后, 显示出对全球气候基本态的模拟能力, 但模式对流层低层以及热带地区整层偏干, 且对热带地区的降水模拟存在“双赤道辐合带”这一普遍误差, 在赤道地区以及北半球中纬度降水偏少, 而在拉丁美洲降水偏多。敏感性试验表明这些误差是相互联系的。通过将700 hPa以下的相对湿度趋近于“观测资料”的试验显示模拟的降水误差减小了。据此, 对Tiedtke 积云对流参数化方案中的浅对流部分进行修改, 增加了浅对流的侧向混合的卷入以及卷出率, 并减小了对流方案中的云水[CD*2]雨水的转换率, 将其耦合到模式中。积分结果表明, 修改后的方案明显改进了湿度和温度场的模拟, 对降水的模拟能力有了很大的提高, 基本消除了“双赤道辐合带”现象。     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part I： Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model （R42_AVIM） is fulfilled by coupling the spectral atmospheric model （SAMIL_R42L9） developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences （LASG/IAP/CAS） with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model （AVIM）. In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere （SSIB） models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August （JJA） and December-January- February （DJF） land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.     

An Introduction to the Coupled Model FGOALS1.1-s and Its Performance in East Asia

The spectral version 1.1 of the Flexible Global Ocean-atmosphere-land System (FGOALS1.1-s) model was developed in the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophys- ical Fluid Dynamics at the Institute of Atmospheric Physics (LASG/IAP). This paper reports the major modifications to the physical parameterization package in its atmospheric component, including the radia- tion scheme, convection scheme, and cloud scheme. Furthermore, the simulation of the East Asian Summer Mon...     

An evaluation of the effects of cloud parameterization in the R42L9 GCM

Cloud is one of the uncertainty factors influencing the performance of a general circulation model (GCM)．Recently,the State Key Laboratory of Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics,Institute of Atmospheric Physics(LASG／IAP)has developed a new version of a GCM(R42L9)．In this     

An Updated Coupled Model for Land-Atmosphere Interaction. Part Ⅰ: Simulations of Physical Processes

A new two-way land-atmosphere interaction model (R42_AVIM) is fulfilled by coupling the spectral at- mospheric model (SAMIL_R42L9) developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmo- spheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sci- ences (LASG/IAP/CAS) with the land surface model, Atmosphere-Vegetation-Interaction-Model (AVIM). In this coupled model, physical and biological components of AVIM are both included. Climate base state and land surface physical fluxes simulated by R42_AVIM are analyzed and compared with the results of R42_SSIB [which is coupled by SAMIL_R42L9 and Simplified Simple Biosphere (SSIB) models]. The results show the performance of the new model is closer to the observations. It can basically guarantee that the land surface energy budget is balanced, and can simulate June-July-August (JJA) and December-January- February (DJF) land surface air temperature, sensible heat flux, latent heat flux, precipitation, sea level pressure and other variables reasonably well. Compared with R42_SSIB, there are obvious improvements in the JJA simulations of surface air temperature and surface fluxes. Thus, this land-atmosphere coupled model will offer a good experiment platform for land-atmosphere interaction research.     

两种对流参数化方案对辐射能量收支的影响研究

利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室的格点大气环流模式(GAMIL)1.0版设计了两组数值模拟实验来研究两种不同的对流参数化方案对辐射能量收支的影响.这两种对流参数化方案分别是:Zhang and McFarlance/Hack方案(简称ZM)和Tiedtke/Nordeng方案(简称 TN).对应的数值模拟实验分别取名为EX-ZM和EX-TN.通过对实验结果的分析表明:在对流过程中,EX-ZM允许深对流和浅对流同时发生,因此两种对流同时在模式低层消耗了更多的水汽,释放了更多的潜热,引起了更大的增温;EX_TN每次只允许一种对流发生,也就避免了不同类型的对流在同一层同时消耗水汽的现象.因此对流过后,EX-ZM的环境空气相对湿度较小,而EX-TN周围空气的相对湿度较大,有利于低云云量的生成和大尺度的凝结,因此EX-TN模拟的低云云量偏多,低层的云水含量偏高,模式低层的云光学厚度偏大,这就使得EX_TN中更多的太阳短波辐射通量被云反射掉,严重低估了模式对短波波段的辐射通量的模拟.此外,不同的对流参数化方案通过改变云的长波发射率和降水,进而影响了模式对长波波段的辐射通量、感热和潜热通量的模拟.     

The Performance of Atmospheric Component Model R42L9 of GOALS／LASG

This paper examines the performance of an atmospheric general circulation model (AGCM) developed at the State Key Laboratory of Numerical Modeling for Atmospheric Sciences and Geophysical Fluid Dynamics, Institute of Atmospheric Physics (LASG/IAP). It is a spectral model truncated at R42(2.8125°long×1.66°lat) resolution and with nine vertical levels, and referred to as R42L9/LASG hereafter. It is also the new version of atmospheric component model R15L9 of the global ocean-atmosphere-land system (GOALS/LASG). A 40-year simulation in which the model is forced with the climatological monthly mean sea surface temperature is compared with the 40-year (1958-97) U.S. National Center for Environmental Prediction (NGEP) global reanalysis and the 22-year (1979-2000) Xie-Arkin monthly precipitation climatology. The mean DJF and JJA geographical distributions of precipitation, sea level pressure, 500-hPa geopotential height, 850-hPa and 200-hPa zonal wind, and other fields averaged for the last 30-year integrat     

A land surface model (IAP94) for climate studies Part II: Implementation and preliminary results of coupled model with IAP GCM

The Institute of Atmospheric Physics Land Surface Model (IAP94) has been incorporated into the IAP two-level atmospheric general circulation model (IAP GCM). Global and regional climatology averaged over the last 25 years of 100 year integrations from the IAP GCM with and without IAP94 (“bucket” scheme) is compared. The simulated results are also compared with the reanalysis data. Major findings are:(1) The IAP GCM simulation without IAP94 has extensive regions of warmer than observed surface air tempera?tures, while the simulation with IAP94 very much improves the surface air temperature.(2) The IAP GCM simulation with IAP94 gives improvement of the simulated precipitation pattern and intensity, especially the precipitation of East Asian summer monsoon and its intraseasonal migration of the rainbelts.(3) In five selected typical regions, for most of the surface variables such as surface air temperature, precipitation, precipitation minus evaporation, net radiation, latent heat flux and sensible heat flux, the IAP GCM with IAP94 pro?vides better simulations.     

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。