修正WRF次网格地形方案及其对风速模拟的影响

复杂地形区域风场模拟的准确率一直是风能研究领域的难点和重点。WRF模式是目前风能评估领域应用最广泛的天气数值模式之一,但该模式在复杂地形区域存在对平原、山谷风速高估且对山顶风速低估的系统性误差,并有研究建立次网格地形方案以订正误差。而次网格地形方案在不同水平分辨率下常出现错误的修正结果,该文基于高精度地形高程数据分析了方案失效的主要原因,发现其方程组中判断山体形态特征的阈值-20在过低和过高水平分辨率下均失去参考性。针对这一原因,将方案中影响关键参数C_t的地形高度算子与模式水平分辨率进行拟合,形成地形高度算子与水平分辨率相依赖的线性关系,获得不同分辨率下更适合的山体形态阈值。通过与自动气象站10 m风速对比分析了修正前后WRF对低层风速的模拟效果,结果显示:修正后的次网格地形方案能够分别在较低和较高分辨率下,部分矫正原方案错误的订正结果,使低层风速模拟更接近实况。修正后的次网格地形方案可为复杂地形区域开展高分辨率风场模拟提供参考。     

从初始化中排除潮汐信号方案在全球模式中的应用

对国家气象中心全球预报模式T106L19原有的标准非绝热正规模初始化方案要求外强迫是准静止这一假定进行了修正,将潮汐信号在初始化条件中适当地表达出来并将其从中排除。与三维变分分析SSI的联接对比试验表明,修正潮汐信号后的新方案在消除高频重力波振荡方面与标准初始化方案有同样的效果,但该方案较标准初始化更好地捕捉住了地面气压的半日变化,更接近于未经初始化的分析场。模式7天预报500hPa高度场与分析场的对比检验表明,新方案的距平相关系数和均方根误差都较原方案有明显的改进。     

中高纬度地区500 hPa高度场动力预测统计订正

利用DEMETER多模式集合研究计划中Météo France模式的预报资料集,在分析其对冬季北半球中高纬度地区 (20°~90°N)500 hPa高度场预报效果的基础上,针对模式预测较差的模态分别运用最优子集回归修正方案和回归-相似相结合的修正方案对其进行订正。结果表明:数值模式对观测模态的预测能力并非随模态数的增加而递减,方差贡献较小的模态的预报效果可能好于方差贡献较大的模态;基于最优子集的回归订正方法未能改进原模式预报技巧;在最优子集回归基础上再经相似订正的方法 (DAP-OSR) 能够改进预测效果,独立试报的距平相关系数平均每年提高0.1。     

WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究

边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式,以QNSE（Quasi-Normal Scale Elimination）边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.（2003）提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。     

中国地面气温自适应递减平均降尺度方法的改进研究

针对基于卡尔曼滤波类型的自适应递减平均降尺度方案对中国地面气温精细化预报中,原方案在强降温天气预报结果不理想的问题,将其中只随空间变化的递减平均权重系数w(i)改进为含有空间、天气过程信息的自适应函数w(i,p)(i为站点信息,p为天气过程信息);在此基础上将上一次的强降温日信息当做预报前一天信息,应用改进w(i,p)递减平均降尺度方案称为w(i,p)相似法;而直接从强降温历史信息中统计插值预报与观测值的系统性偏差均值,并用以修正预报结果的方法称为w(i,p)统计法。结果表明:改进为自适应函数w(i,p)后的降尺度方案对中国地面气温的预报效果有不同程度的改善,对于24 h强降温预报,采用w(i,p)降尺度方案的预报误差均方差较原方案减小了0.19℃;而进一步改进的w(i,p)相似法与w(i,p)统计法的预报误差均方差分别减小了1.12℃、1.45℃,改进效果显著。     

Gamma概率分布模型参数的数值估计方法

讨论了二参数Gamma概率分布参数的估计方法，并对Thom极大似然估计方法进行了改进，提出了修正方案。     

唐古拉山区Geonor T—200B雨雪量计日降水观测误差修正

降水观测资料的准确性对气候、气象及水文研究至关重要,因此2005-2011年在青藏高原唐古拉山中段开展了中国标准雨量计(CSPG)和Geonor T-200B自动雨雪量计(下称T-200B)的降水对比观测试验,以CSPG人工观测的日降水修正值作为真实的日降水量,通过数学统计分析,提出T200B的固态、液态及混合态日降水修正公式,并对其进行验证。结果表明,T 200B日降水观测值经过修正后,与CSPG日降水修正值基本相符,试验时段三种降水类型的降水总量的T-200B修正值与CSPG修正之间的平均相对误差为2.3%,平均绝对误差为13.7 mm,该修正方案提高了T 200B降水观测效率,修正精度能够满足实际应用需求。     

基于A-Train卫星编队资料的热带气旋强度估算

准确估算热带气旋(TC)强度,对于预测TC发展、减少财产损失具有重要的意义。前人将TC看作满足静力平衡和梯度风平衡的轴对称涡旋系统,基于云顶高度、云顶温度、海表面气压等物理量建立了TC强度估算模型,该模型未考虑环境垂直风切变对TC强度的影响。本文提出一种修正模型,通过统计拟合手段将垂直风切变加入原模型中。从2006—2015年的Cloud Sat资料中筛选出穿心个例共63个。针对云雷达(CPR)数据特点,提出根据反射率因子的垂直分布确定眼墙和外围边界位置的方法。分别用原模型与修正模型对这63个TC个例进行强度估算。与最佳路径数据相比,原模型结果总体偏大,尤其对风切变较大、强度较小的个例估算效果不佳。修正模型对于风切变大于5 m·s~(-1)的个例误差明显减小,平均绝对误差MAE、均方根误差RMSE和平均绝对误差百分比MAPE分别从5.8 m·s~(-1)、7.7 m·s~(-1)和19.5%变为3.5 m·s~(-1)、4.9 m·s~(-1)和11.5%。在一定强度范围内,修正模型估算效果随着强度的增强而提升。修正模型对于成熟阶段的个例效果更好,北半球的估算精度高于南半球,纬度越高,估算误差越小。试验结果表明,用该修正模型估算TC强度是可行的,可以对现有的技术进行辅助和补充。     

有限区域套网格数值预报模式的侧边界处理技术的研究与试验

本文选择了几种有代表性的侧边界处理方案,利用三维十一层原始方程模式,引进套网格技术,用1983年3月14日20时的实测资料作为初始场,对一次倒槽气旋的南下过程进行24小时数值预报试验。通过预报试验,调试出了适合于模式的侧边界处理方案,试验表明,该方案能使天气系统自由出入细网格区域而不伴有明显的二倍格距波。具体地说,所预报的倒槽气旋及其后部的高压都能进入细网格区域并且东移发展。而细网格区域东部的高压主体则逐渐地从细网格区域东移出去。同时发现,对所试验的数值预报模式而言,在目前流行的两种处理侧边界问题的途经中,通过在侧边界邻域上引进一定宽度的侧边界过渡区,或者通过部分修正原动力学方程组的性质而引进某种形式的附加修正项,使之减弱超定义性质的途径比直接估算所谓的局地相速或特征相速而在各个侧边界有区别地应用流入流出边界条件的途径,具有运算简单,预报效果好的优点     

干旱区陆面过程参数改进对东亚区域气候影响的数值模拟

为了进一步检验裸土参数化的气候模拟性能,本文在文献[1,2]的基础上,利用NCEP再分析资料和Xie等全球降水资料与CCM3模拟结果进行了对比。结果表明：加入裸土参数化方案的CCM3能较好地再现冬季东亚和中国地区区域气候的主要特征,模式较原CCM3能更好地模拟地表温度和东亚及中国西北地区的降水,对东亚季风环流的模拟也较接近实际。同时,该方案在CCM3中的加入改进了青藏高原冬季降雪带及夏季高原东南部降水中心的模拟,提高了模式对高原冬夏季降水的模拟能力,从而再次说明利用观测资料对模式参数修正及参数化方法的改进是提高数值模式模拟能力的一个重要途径。     

Gamma概率分布模型参数的数值估计方法

讨论了二参数Gamma概率分布参数的估计方法,并对Thom极大似然估计方法进行了改进,提出了修正方案.     

二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输方案在全球气候模式中的应用

本文首先构建了二流—四流球谐函数谱展开累加辐射传输的新方案,然后将其应用于国家气候中心第二代大气环流模式BCC_AGCM2.0.1的新版本中,并与模式中原有的Eddington累加方案进行了比较。由于新方案本质上是单层Eddington近似方案在四流上的推广。因此新方案在计算精度上要优于原方案。通过在全球气候模式中的应用与比较,本文发现新方案对气候模拟会产生比较大的影响。在晴空条件下,新方案计算的在南纬30°到60°区间、北大西洋东北部以及非洲北部的撒哈拉沙漠区域的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,最大差别可以达到3.5 W/m2;同时,新方案计算的在南纬30°到60°区间和北大西洋东北部的大气顶向上年平均短波辐射通量要大于原方案结果,最大差别达到3 W/m2。在有云大气情况下,新方案计算的地表向下年平均短波辐射通量要小于原方案结果,并随着纬度的增加,新旧两种方案的差别逐渐变大,在南北极时达到最大5.5 W/m2;同时,新方案计算的在赤道区域的大气顶的年平均短波向上辐射通量要小于原方案结果,最大差别为2.5 W/m2,而在南北纬30°到60°区间,新方案计算的在大气顶的年平均短波向上辐射通量则要大于原方案结果,最大差别为1.5 W/m2。新方案计算的年平均短波加热率普遍高于原方案结果,特别是在800 hPa到地表之间的低层大气以及50 hPa到100 hPa的高层大气,最大差别可达0.03 K/d。因此,新方案有助于改善全球气候模式中普遍存在的赤道平流层中下层的温度冷偏差现象。     

半球谱模式的风场初值及其对资料同化的影响

利用半球谱模式（Ｔ４２Ｌ９）进行了大量的资料同化和预报试验。结果表明，半球风场初值方案对资料同化和预报有重要的影响。不恰当的初值处理会导致虚假散度源，在非绝热模式中可能进一步诱发虚假的强降水与相应的潜热释放。很明显，这个问题既不同于Ｄａｌｌｅｙ［１］所分析的半球／全球范围效应，也不同于所谓的赤道资料效应。文章在前人研究的基础上，提出了散度和涡度修正方案，进而用对比试验方法讨论了该方案与其他方案的差异以及对同化的影响。初步试验表明，散度修正方案是半球资料同化中克服初值计算误差的一个较好的选择。     

不等距分层的散度和垂直速度修正量计算式

用运动学方法计算垂直速度比较简便。只要资料允许,原则上适用于计算各种尺度的垂直速度。丁土晟等曾对各种垂直速度计算方案作过比较,认为 O'brin 方法修正的垂直速度与降雨区对应关系最好。故目前在天气诊断分析中已广泛应用。计算修正量,一般采用分层计算的办法。仇在资料不足或地面海拔变化大的地方,分层往往不容易恰当合适,算出的修正量也会     

非线性迭代时间积分方案在IAP AGCM-II中的实施及其模拟结果

将非线性迭代时间积分方案用于大气环流模式 IAP AGCM-II中, 并用 Rossby-Hauwitz波进行了检验, 结果表明, 该方案能长期稳定的积分。此外, 还将采用该方案的模式(其中物理过程不变)和原 IAP AGCM-II模式作了模拟结果的比较, 以考察其效果; 发现采用该方案模式对降水尤其是东亚地区降水的模拟能力较原模式有所提高。     

非线性迭代时间积分方案在IAP AGCM-Ⅱ中的实施及其模拟结果

将非线性迭代时间积分方案用于大气环流模式IAP AGCM-Ⅱ中,并用Rossby-Hauwitz波进行了检验,结果表明,该方案能长期稳定的积分。此外,还将采用该方案的模式(其中物理过程不变)和原IAP AGCM-Ⅱ模式作了模拟结果的比较,以考察其效果;发现采用该方案模式对降水尤其是东亚地区降水的模拟能力较原模式有所提高。     

亚洲地区云量参数化的对比试验及云的影响

本文首先分析了亚洲地区气候云量及相对湿度的分布事实。然后,利用一有限区域模式,1979年FGGE资料和我们综合的实测云量资料等,对选用或修改了的6种云量诊断方案,就1979年冬、春及夏季的4次个例进行了对比试验。最后还针对四川‘81.7’特大暴雨个例,按有无云两种方案,作了48小时预报试验。结果表明,在6种云量诊断方案中,以考虑了亚洲地区特点的ECMWF修正方案和气候云量修正方案对云区及云量的诊断效果最好。另外,云的影响对大范围短期预报虽不重要;但可对局部地区的短期天气变化有一定影响。即模式云量增加后对流层中低层温度升高,抑制陆上对流发展,预报的降水量减少。     

对流边界层湍流通量及逆梯度输送参数化分析

"K"理论是众多气象预报模式中运用最广泛的湍流参数化方案之一,但无法解释"逆梯度"的输送,必须进行修正。最具代表性的修正方案有三种:方案Ⅰ(Deardroff方案)、方案Ⅱ(Holtslag和Moeng方案)和方案Ⅲ(刘烽方案)。本文利用香河的边界层观测资料对上述三种方案进行验证和比较,发现方案Ⅰ的结果在整个对流边界层(Convective Boundary Layer,CBL)呈系统性偏低,与观测不符;方案Ⅱ在CBL中上部能够再现逆梯度输送现象,基本能给出合理的湍流通量垂直分布,但在CBL的下部和上部与观测不符;方案Ⅲ的逆梯度项与高度有关,并在CBL中部达到最大,而其他两个方案中逆梯度项随高度不变。该方案不但在CBL中上部与方案Ⅱ的结果一致,并能合理表达整个CBL内的湍流通量分布,更接近观测结果。     

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式, 并选取个例, 分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1~-7.6℃温区之间, 高于原方案所得的-50.1~-24.2℃温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中, 温度相对较高的过冷区产生大量冰晶, 其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外, 与原方案相比, 霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制, 导致生成的霰小于原方案, 且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案, 此外, 在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。     

不同业务预报初值形成方案的数值模拟比较

设计了一个适用于同步，双重嵌套模式的ｐ－面水平插值，双非线性正规模初值形成方案。把新方案与国家气象中心的台风路径数值预报准实时业务模式原预报初值形成方案进行了比较。所选台风个例的４８小时数值模拟结果表明，新的预报初值形成方案优于原方案。