不同分辨率对淮河流域连续暴雨过程影响的中尺度模拟试验

利用中尺度模式WRF对2016年6月30日—7月1日华中地区一次暴雨过程进行数值模拟试验,探讨不同分辨率和云微物理方案对降水的影响,结果表明：（1）模拟雨带与实况基本一致,但模拟暴雨范围偏小;总雨区模拟对分辨率更为敏感,大暴雨区模拟对分辨率和云微物理方案均很敏感;采用不同分辨率时,降水模拟能力受云微物理过程与积云参数化共同影响。TS评分显示,12 km分辨率和Lin微物理方案组合对特大暴雨模拟效果最好。（2）不同云微物理方案模拟各水凝物粒子发展和演变主要取决于其本身特点。Lin方案多云冰和霰、少雪;Thompson方案多雪,几乎不含云冰和霰;Morrison方案3种冰相粒子分布较为均匀,Lin方案模拟冰相粒子含量被低估,而Thompson方案和Morrison方案模拟冰相粒子含量被高估。（3）不同方案模拟上升气流强弱将影响水凝物粒子分布,在系统成熟期,Lin方案模拟上升气流直立,中高层向后出流弱,冰相粒子集中;Thompson方案和Morrison方案模拟倾斜上升气流在中高层向后出流强,大量冰相粒子被带出而不能形成有效降水。

     

MM5中尺度模式及其微物理过程

按照模块功能,介绍了MM5中尺度模式中各个子模块的主要作用,描述了模式中微物理过程的对流参数化方案和显式方案,为模式在研究和预报应用提供参考。     

中尺度模式湿物理过程和物理初始化方法

文章评述了中尺度模式中湿物理过程，特别是显式云降水方案和物理初始化方法研究的最新动态，分析了显式云降水方案的优势和应用潜力。     

不同分辨率对淮河流域连续暴雨过程影响的中尺度模拟试验

利用NCAR 和NOAA 发展的新一代中尺度模式WRF(Weather Research and Forecast),对2003年7 月上旬发生在我国淮河流域三个连续暴雨过程(7 月1—11 日)进行了数值模拟试验,研究的重点是了解不同水平分辨率(45、30、20 和10 km)对WRF 模拟结果的影响。模拟结果与观测的比较表明,WRF 模式能够合理地模拟不同时段的降水带以及平均环流形势的分布特征,对于区域平均等压面上的物理量也有较好的模拟性能。不同分辨率的模拟结果比较表明:不同分辨率对降水的模拟效果影响较大,提高模式水平分辨率有助于预报效果的改善,但高分辨率模拟的降水强度偏强,空报偏多;不同分辨率对环流形势的模拟效果影响不大,各个分辨率的低层风场误差都存在一个5～6 天的波动,并向模式的中高层传播,传播速度约为3 天。      

中尺度模式中各种湿物理过程的数值模拟

利用PSU／NCAR的MM5对1999年6月下旬发生在江淮流域的梅雨锋暴雨进行数值模拟试验，研究MM5中不同湿物理过程中对MM5模拟梅雨锋暴雨的影响。试验结果显示：中尺度模式MM5能一定程度再现一些观测的中尺度特征，对流参数化方案对网格格距的大小比较敏感；显式云物理方案考虑冰相后可明显改善模式对暴雨的模拟能力，尤其是采用Reisner包含霰的混合相双变参数谱方案的双重嵌套网格对降水量的模拟取得较好的效果。     

影响江淮地区的西南涡中尺度结构特征

利用合成方法对３次西南涡过程的流场，温湿场和涡度场等进行了分析。结果指出：沿切变线存在风场的中尺度扰动，低涡的尺度为２５０－３００ｋｍ，中低层有两支不同性质的气流流入低涡区，降水主要发生在低涡移动方向右侧的两象限。温湿场和铅直流场在低涡区呈现明显的不对称分布，低涡是一个显著的斜压系统。     

模式水平分辨率对祁连山区降水模拟影响的初步分析

利用中尺度模式MM5V3．6，针对祁连山地区2002年7月14～17日的一次降水过程，设计了一组不同水平分辨率的试验进行数值模拟。并将模式结果与实测资料进行对比，结果表明：高水平分辨率对降水中心位置的模拟较好，但同时会产生虚假降水中心，且模拟的降水中心量值一般都大于实测值。而低水平分辨率对降水量值的模拟较好，但对降水中心位置的模拟没有高水平分辨率的好。     

大涡模式分辨率对海洋信风区大气边界层结构和演变模拟的影响

利用BOMEX（巴巴多斯海洋与气象学试验）的探空资料和LEM（大涡模式）,通过改变LEM水平分辨率的敏感性数值试验,对比分析不同尺度的湍涡对信风积云边界层中混合层和云层的结构、演变以及对流形式和强度的影响。结果表明,水平分辨率较高时模拟的湍涡尺度较小、混合层顶的夹卷作用较强,模拟的混合层较暖、较干,而且模拟的对流泡尺度较小、强度较大,能够模拟出较精细的边界层结构;而水平分辨率较低时则相反。模拟的湍涡尺度对海洋信风区边界层积云中液态水混合比的模拟结果影响较大:LEM模拟的湍涡尺度较小时模拟的信风积云形成的时间较早、云顶高度较高,单个云块的体积较小但数目较多,液态水含量较高;而模拟的湍涡尺度较大时则相反。虽然水平分辨率为50 m和125 m的试验都能模拟出较精细的信风边界层中混合层、云层的结构和演变特征,但是,考虑到提高分辨率在模拟过程中产生的噪音信号对结果的影响以及计算时间等问题,LEM采用125 m的水平网格距是对海洋信风边界层积云对流模拟较为理想的选择。      

中尺度山脉对流群的动力和微物理数值模拟

大山脉春夏季受太阳加热和地形抬升作用易于形成对流过程。为研究这类对流特点，在沙特阿拉伯ＡＳＩＲ山区组织了一个ＳＡＣＰＥＸ实验计划。本文应用中国强风暴实验室ＭＢＧ（ＭＥＳＯ—Ｂｅｔａ＆Ｇａｍｍａ）非静力模式，选取适当模拟通道模拟了该计划中１９９０年５月３日一次对流降水过程。模拟结果揭示了大山脉气流强迫与对流环流相互作用的一些基本特点，展示了大山脉对流过程多种复杂的宏微观特征及其生消演变。包括山坡激发对流，大对流对小对流的抑制，云自然引晶效应等，并指出在这类对流系统中ＣＣＮ浓度对其降水类型的重要影响。此外，本文还进行了采取细致的雹云微物理参数化和采用简单的暖云微物理参数化的对比试验，结果表明两者模拟的动力场差别甚小，而云形态和降水发展有明显差异。上述结果总体上与该个例外场观测一致。     

2000年7月西南涡暴雨过程的分析和数值模拟

对2000年7月1～8日西南涡暴雨过程进行了大尺度分析,并利用中尺度暴雨模式MRM1对这次过程进行了数值模拟,结果表明,这次西南涡暴雨过程分为两个阶段,分别对应着两次冷空气南下。暖切变线的南北摆动是发生大暴雨的一个重要原因,而西南急流核的向北传播导致雨区向北传播。模式成功地模拟出了中-α尺度的低涡、切变线,沿暖切变线的强烈倾斜上升气流、中尺度正涡度以及水汽通量散度辐合柱状结构,这些对暴雨的发生提供了动力和水汽条件;而沿低空急流轴的狭长暖湿舌,其北部的干冷区构成的南北向能量锋区,以及较强的中低空不稳定层结是这次暴雨持续发生的重要条件。     

闽东一次暴雨过程的数值模拟和诊断分析

用中尺度数值模式MM5对发生在闽东的一次暴雨天气过程进行了数值模拟,并利用模式输出的较高时空分辨率的结果对有关物理量进行诊断分析。结果表明:中尺度低涡是本次暴雨过程的主要影响系统之一,低涡的时空演变特征与暴雨中心的移动和雨强的变化相一致。对风场的试验结果表明:高低空急流不仅为暴雨的形成提供了充沛的水汽条件,而且也是暴雨产生的一种重要的触发机制。     

一次华南暴雨的中尺度结构及复杂地形的影响

文中选取了 1998年 6月 8～ 9日的一次发生在华南的强降雨过程 ,利用观测资料和MM5中尺度模式对这个过程进行了诊断分析和数值模拟 ,研究了该暴雨过程的中尺度结构及华南地区复杂地形的影响。分析表明这次华南暴雨由锋面暴雨和暖区暴雨组成 ,具有不同的中尺度结构 ,其中广西梧州地区暴雨是准静止锋面上的中尺度对流系统造成 ,具有持续时间短 ,强度大的特征 ,MM5模拟的雷达回波强度超过 30dBz ,高度超过 2 0 0hPa ,并在其东、北侧出现闭合的次级垂直环流 ;珠江三角洲的暴雨是暖区暴雨 ,发生在深厚的暖湿气流内 ,85 0hPa上强度超过 16m/s的西南低空急流是影响降水的主要系统 ,该中心暴雨持续时间较长 ,降水强度也达到了暴雨标准 ,模拟雷达回波不明显 ,没有出现局地的次级环流。华南地区的复杂地形在这次华南暴雨过程中主要为动力性作用 ,具体表现在一支冷空气在低层由苗岭和南岭之间南下 ,南海上空一支暖湿气流北上直接到达梧州地区 ,另一支次暖湿空气在南岭的阻挡下由武夷山以南沿南岭和云开大山之间折而向西 ,这三支气流在梧州地区附近汇合 ,形成广西梧州地区的暴雨 ;同时南海上空北上的低层气流被迫向东北绕行海南岛 ,形成一个尺度为 2 0 0km左右的背风面气旋 ,这个气旋的东北部分加强了在珠江三角洲地     

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。     

分辨率对区域气候极端事件模拟的影响

利用NCAR MM5V3对1999年6月长江流域的极端异常降水事件进行了模拟, 主要研究不同水平和垂直分辨率对极端区域气候事件模拟的影响.数值模拟试验表明:模式能够模拟出极端强降水的主要分布特征;水平分辨率的提高降低了模式模拟的强降水偏差,对逐日降水变化的模拟更加合理,而垂直分辨率的提高基本上也都减小了模拟的强降水过程的偏差,改善对强降水的模拟能力;模式水平、垂直分辨率的提高在一定程度上增强了对强降水过程的模拟能力.水平分辨率的提高能够改善模式对海平面气压的模拟,而垂直分辨率的提高可以改善模式模拟的地面气温和低层环流.分辨率对中层大气环流的影响不是很敏感.不同积云对流参数化方案模拟的对流降水比率随水平分辨率的变化是不同的,Grell方案对流降水比例随分辨率的提高而增加,而Kain-Fritsch方案的结果相反.     

物理耗散技术及其在MM4中的应用

在传统的流体动力学框架下,数值天气预报问题往往被提为经典牛顿力学的确定论初值问题　。然而大气是多体系统,利用仅对三体以下的系统才能精确描述的理论来处理多体系统的运　动,会引起较大的误差和问题。为此,文中提出了一套在数值天气预报模式中引入“不可逆　热力学算子”的技术,按热力学第二定律的约束方式,来控制多体系统的演变方向,以提高　数值天气预报的精度。例如在ＭＭ４模式中引入不可逆热力学算子后,温度场、湿度场、高度　场及全风速场的平均相对均方根误差减小了约１３％,其中４８　ｈ预报的误差减小两成以上。鉴于文中提出的不可逆热力学算子引入技术是基于描述耗散性的物理定律,而非纯粹出于计算　上的考虑,故名为物理耗散技术。由于它所依据的物理原理对所有流体力学和大气数值模式　均适用,因此该项新技术在地球物理流体力学界将有广阔的应用前景。     

模式垂直分辨率对梅雨锋暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式MM5(V3),对2003年7月7日~8日发生在武汉地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。采用经过简化处理的基于矢量模的双参数最优化处理方法,对模式大气进行了垂直分层。在水平分辨率不变的情况下,数值模式的垂直分层分别采用25层和36层进行了对比模拟试验。模拟结果表明,水平分辨率达到较高的精度后,粗的垂直分辨率会放大模式中地形的作用,造成数值模拟雨带落区的偏差;要得到比较好的模拟结果,需要相应的提高数值模式的垂直分辨率。水平分辨率与垂直分辨率的不协调,会在水平方向上产生虚假的重力波,影响数值模式的模拟结果。     

一次夏季西南低涡形成机理的数值试验

本文用一个适合于高原地区的简化流体动力学模式,对一次夏季西南低涡的形成进行了多种数值试验。控制试验结果表明,西南低涡形成的位置在高原东侧地形高度3000m附近,与实况基本吻合,降水区分布比较合理。对不同物理过程进行试验表明,动力过程对西南涡的形成起了基本作用,但单纯的动力过程不能使西南涡维持下去。潜热加热对西南涡的维持发展有重要影响。感热加热作用较小。 青藏高原地形对西南涡的形成有决定性影响。模式地形高度削减一半,模拟的西南涡形成位置比实况偏西偏南;去掉地形后,700hPa为一热低压,位于青藏高原内部。     

干旱地区中尺度非均匀边界层气候的数值研究

为了用中尺度模式研究干旱地区非均匀下垫面与大气的相互作用及其对边界层气候的影响，本对Nickerson等提出的β-中尺度模式进行了某些修改．在此基础上我们着重对模式进行了敏感性试验．结果表明：模式对植被覆盖度和背景风速十分敏感。其次我们用此模式研究了我国北方(40°N，100°E)夏季非均匀下垫面对边界层气候的影响．