积云对流参数化技术

文章从（１）积云对流参数化的基本问题；（２）积云对流参数化方案；（３）积云对流参数化技术的发展等３个方面进行概述。     

改进的Kuo-Type积云对流参数化方案

通过对热力学方程和水汽方程两端作计算的对比，指出Ｋｕｏ－Ｔｙｐｅ参数化方案的一种改进型Ｋｒｉｓｈｎａｍｕｒｔｉ回归方案在长江中下游地区应用的不足之处，同时结合本地区的积层云共存及相互作用的事实，以实用性为目的，提出一种改进的Ｋｕｏ－Ｔｙｐｅ参数化方案。它具有以下特点：积云对流发生的判据具有区域特点；采用Ｋｒｉｓｈｎａｍｕｒｔｉ的具有明确物理意义的对流参数，但不从统计回归中求得，而是直接由“实时资料     

暴雨模拟中积云对流参数化方案的对比试验

利用WRF中尺度数值预报模式,选用七种微物理方案及网格嵌套技术分别与Kain-Fritsch(new Eta)、Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi（简称KF、BMJ、GD方案）三种积云对流参数方案匹配,对2007年6月1—2日湖南南部的暴雨过程进行了模拟试验。模拟结果表明：选用Lin等微物理方案和三种积云方案,采用20 km的格点分辨率,基本上可以模拟这场暴雨的范围,且采用网格嵌套技术的模拟结果优于未采用嵌套的模拟结果;其中KF方案模拟的强降水位置、强度与实况比较接近;BMJ方案模拟的强降水范围偏大、强度偏强,位置偏南,上述两种方案都不同程度地存在着虚假的暴雨中心;GD方案模拟的强降水范围、强度均偏小。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统（RUC）中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍,并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明,总体预报效果以KF和GD方案较好,具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度,对流降水对总降水贡献,在中低层流场高低值系统分布,以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置,KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况,TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。     

GRAPES中尺度模式中不同积云参数化方案预报性能对比研究

利用我国新一代中尺度数值模式GRAPES_Meso,采用KFeta和BMJ两种积云对流参数化方案,对我国2009年冬季(1月)和夏季(6—8月)天气进行批量回报试验。回报试验结果表明：在冬季,两种方案对GRAPES_Meso模式的预报性能影响差异较小。在夏季,两种方案对模式回报效果的影响表现明显。在低层BMJ方案对形势场的回报性能略优于KFeta方案,中层则是KFeta方案明显优于BMJ方案,而在高层KFeta方案略优于BMJ方案。TS评分检验表明KFeta方案对降水的预报总体上优于BMJ方案,特别是中雨到暴雨量级在华南地区KFeta方案有明显的优势。两个方案预报积云降水平均贡献率的空间分布差异主要表现在低纬度洋面上,BMJ方案的贡献率比KFeta方案大。两个方案积云降水贡献率的概率分布形态在小雨量级上都呈陡峭的“U”型分布。KFeta方案随着降水量级的增大逐渐向大贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是积云降水的贡献;而BMJ参数化方案则是随着降水量级的增大逐渐向小贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是格点降水的贡献。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统 (RUC) 中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍, 并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明, 总体预报效果以KF和GD方案较好, 具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度, 对流降水对总降水贡献, 在中低层流场高低值系统分布, 以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置, KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况, TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。     

郭型积云对流参数化方案的对比试验及潜热加热效应

本文利用复杂地形条件下的嵌套细网格预报模式和1979年FGGEⅢ_b级资料对郭型积云对流参数化方案中的垂直加热分布函数及增湿系数进行了对比试验,並讨论了潜热加热效应。 结果表明,在四种垂直加热分布函数中,θ_(se)差方案主要加热出现在对流层高层,这使气柱渐趋稳定,最后抑制积云对流发展,预报效果较好。在三种增湿系数方案中,以分段线性函数法为好,它计算的b值分布合理,预报效果也好。因水汽凝结潜热加热将使气柱平均温度升高,上升运动加强,对流层中低层降压辐合,使对流层高层加压辐散。     

一种改进的质量通量积云参数化方案及预报试验

用国家气象中心有限区域业务预报模式,以１９９８年８月一次热带风暴降水过程为试验个例,对引入了下曳气流的质量通量积云对流参数方案和模式中的原质量通量积云参数化方案进行了对比试验。结果显示;引入了下曳气流后,通过提高对流降水量使降雨强度预报得以提高,更接近于实况;改进后的方案对大雨以上预报水平有一定的改善,各项评分结果均有所提高。     

积云参数化方案研究的现状

对现有的广泛使用的１１种积云参数化方案进行综述,侧重于它们的热力学特点和它们的优缺点,并对目前积云参数化的研究进行讨论。     

MM5模式中不同对流参数化方案的比较试验

应用MM5中尺度模式, 在60、20和10 km模式分辨率下, 分别选用4种不同对流参数化方案 (KUO方案、GRELL方案、KAIN-FRITSCH方案和BETTS-MILLER方案, 以下简称KU、GR、KF和BM方案) 对1996年8月3~4日石家庄暴雨过程进行数值模拟试验.模拟结果的对比分析及其与观测的比较表明:主要雨带位置对参数化方案并不是十分敏感, 但随分辨率提高, 雨带分布特征的模拟更接近实况; 当分辨率提高到10 km时, 虚假的降水中心也明显增加; 模拟的暴雨中心强度随分辨率的提高而增强并随参数化方案的不同有所变化, 但均比实况偏弱.分析还发现, MM5模式的GR、KF及BM方案的次网格降水对总降水的贡献率随分辨率的提高而减小, 而KU方案的情况则呈现出不合理的缓慢增加态势.虽然4种方案下模拟的水平环流特征有较好的一致性, 但模拟的云物理特征和垂直运动特征还是存在一定差别的, 这种差别对定点、定量降水和天空状况、地面气温、湿度等要素的准确预报都会产生影响.因此, 在预报和模拟中应考虑预报和研究对象的特点来选择对流参数化方案.     

中尺度模式中各种积云参数化方案的对比试验

利用非静力中尺度MM5数值模式，选择Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller4种积云对流参数化方案，对2003年7月25-26日台风登陆减弱为中尺度低压系统后影响云南产生的强降水过程进行模拟试验，重点分析了4种参数化方案模拟的降水分布、降水强度和中尺度低压的流场特征。结果表明：4种积云参数化方案对这次强降水过程均有一定的模拟能力，能够很好地模拟过程强降水中心的位置，但Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller3种方案模拟的大雨范围比实况大雨范围明显偏小，Betts-Miller方案模拟的降水强度比实况偏大，Anthes-Kuo方案的模拟结果与实况比较接近，它不仅能够很好地模拟强降水过程的降水区范围、降水强度和降水中心位置，还能很好地再现低压环流系统的一些中尺度特征。     

区域气候模式对不同的积云参数化方案在青藏高原地区气候模拟中的敏感性研究

本文使用MIROC3.2_hires模式输出资料作为RegCM3 (The ICTP Regional Climate Model,V3.0)初边界资料,对RegCM3中常用的3种积云参数化方案Anthes-Kuo (AK)、Grell-Fritsch&Chappell (GFC)和MIT-Emanuel (MIT)方...     

WRF中不同积云对流参数化方案对青岛降水预报影响的对比分析

1~10 km水平分辨率是中尺度模式是否采用积云对流参数化方案的"灰色带"。基于青岛市气象局9 km分辨率WRF模式,分别选择KF、GD和BMJ三种积云对流参数化方案对青岛5次大范围降雨过程进行预报试验,分析比较不同积云对流参数化方案对青岛地区降水预报效果的影响。结果表明,这三种积云对流参数化方案对不同量级的降雨具有不同的预报性能:BMJ对小雨预报性能最佳;没有考虑积云对流参数化过程的控制试验对中雨的预报效果最好,KF方案次之;GD方案对大雨和暴雨预报效果均较好。对稳定性降水,GD方案对沿海站点降雨量预报效果较好,KF方案则对内陆站点预报性能较好;对对流性降水,BMJ方案无论是在沿海站点还是在内陆站点都有比较好的预报效果。在降雨空间分布上,对稳定性降水过程,各试验方案均模拟出了小于50 mm的降雨区,对大于100 mm强降雨区,GD方案具有较好的预报效果;对对流性降水过程,BMJ方案预报效果整体较好。     

台风暴雨积云参数化试验

本文使用半预报方法检验了五种积云参数化方案，并讨论了它们在台风暴雨中的适用性，结果表明:Arakawa-Schubert方案能最好地描述台风暴雨过程Q1和Q２的垂直结构，该方案所要求的云功函数准平衡假设在台风暴雨过程中能够成立；而Kuo-type方案由于假设了加热和增温分别线性正比于Ｔs-Ｔavg-和qs－q(avg)，不能很好地描绘实际Q1和Q２的垂直结构，但当改进云温的求取法后，参数化结果会得到较大改善。计算还表明多元回归方案显示出比Kuo(1974)方案更好些的结果，这种具有简便计算优点的参数化方案如果能作些相适性改进，可望能应用于台风暴雨过程。另外，我们还分析了台风暴雨过程不同阶段的积云演变特征。     

Sensitivity of Precipitation over China to Different Cumulus Parameterization Schemes in RegCM4

The effect of different cumulus parameterization schemes(CPSs) on precipitation over China is investigated by using the International Centre for Theoretical Physics(ICTP) Regional Climate Model version 4.3(Reg CM-4.3) coupled with the land surface model BATS1e(Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme version1e). The ERA-interim data are utilized to drive a group of simulations over a 31-yr period from September1982 to December 2012. Two typically sensitive regions, i.e., the eastern Tibetan Plateau(TP; 29°–38°N,90°–100°E) and eastern China(EC; 26°–32°N, 110°–120°E), are focused on. The results show that all the CPSs have well reproduced the spatial distribution of annual precipitation in China. The simulation with the Emanuel scheme shows an overall overestimation of precipitation in China, different from the other three CPSs which only overestimate over northern and northwestern China but underestimate over southern China. Seasonally, the Tiedtke scheme shows the smallest overestimation in winter and summer, and the best simulation of the annual variance of precipitation. Interannual variations of precipitation among the four CPSs are generally simulated better in summer than in winter, and better for entire China than in the subregions of TP and EC. The precipitation trend is simulated better over EC than over TP, and better in summer than in winter. An overestimate(underestimate) of the East Asian summer monsoon index(EASMI) exists in the simulations with the Grell and the Emanuel(the Kuo and the Tiedtke) schemes.The smallest EASMI bias in the Tiedtke simulation could explain its small precipitation bias. A negative correlation between the EASMI and summer precipitation over the middle and lower reaches of Yangtze River is found in the Grell and the Emanuel simulations, but was missed by the simulations using the Kuo and the Tiedtke schemes.