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。     

积云对流参数化方案对气候数值模拟的影响

利用一个“全球五层大气环流谱模式”,试验和比较了三种不同积云对流参数化方案,即Manabe方案、Kuo方案和Arakawa-Schubert（A-S）方案,对全球气候数值模拟的影响。数值模拟的结果表明了三种方案对全球降水的模拟差别较大,差别比较明显的区域是东亚、北美和北非,且夏季的差别比冬季大。与实况相比,采用Kuo方案对东亚季风降水的模拟结果较好,而采用A-S方案对热带西太平洋、热带印度洋与北美地区降水的模拟结果较好,但采用Manabe方案却模拟不出东亚地区夏季风降水特征;并且从环流数值模拟的结果看,采用这三种方案均模拟出北半球冬、夏季中、高纬地区的环流结构,但与实况相比,采用Kuo方案能较好地模拟出冬季极涡分裂过程,并能较好地模拟出中高纬地区和东亚地区的环流系统,而采用A-S方案能较好地模拟出冬、夏季北美环流系统和太平洋副热带高压;此外,这三种方案对加热场与水汽场的描述方面也有很大不同,A-S方案的结果呈现出不同于Kuo和Manabe方案结果的特征,表明了A-S方案能反映强对流特征,而Kuo方案和 Manabe方案所描述的加热场和水汽场虽有相似之处,但在30#+[o]N以南的副热带地区,Kuo方案所描述的对流系统加热要比Manabe方案强。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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.     

RIEMS中积云对流参数化方案对我国降水的影响

利用区域环境集成系统模式RIEMS选择Kuo-anthes(KA)和Grell(GCC)积云对流参数化方案,进行1991年5～8月敏感性试验,重点考察了区域环境集成系统模式中两种积云对流参数化方案对1991年江淮流域持续性暴雨的模拟能力.结果表明:1)对于200 hPa西风急流的位置和强度来说,采用GCC积云对流参数化方案较采用KA对流参数化方案,RIEMS模式模拟的结果更加接近观测;2)不管模式采用哪种参数化方案,RIEMS模式都能模拟出850 hPa上的水汽输送和流场,但模式模拟的水汽输送都比观测强;3)不管是采用GCC方案还是KA方案RIEMS模式基本上能够模拟出平均气温的空间分布,但对于长江以南地区,模式模拟的温度较观测偏低,对长江以北地区模式模拟的温度偏高.而采用GCC方案模式模拟的温度更加接近观测,并且对大部分地区温度偏差在-1.65～1.5℃;4)对于降水来说,采用GCC方案模式能够较好地模拟降水的空间分布特征以及雨带季节性移动,但模拟的雨带较观测的偏北,大约为1～2纬度.尽管GCC积云对流参数化方案在RIEMS模式中模拟中国地区降水更加接近观测,但由于积云对流参数化在不同水平分辨率下影响模式模拟的效果,因此对利用RIEMS模式进行数值模拟应考虑不同水平分辨下积云对流参数化方案的适用范围.     

用积云参数及数值预报产品作对流性降水量模拟试验

应用部分实时资料和数值预报输出产品，以积云参数化为基础，依据湿绝热过程中饱和湿静力能量守恒原理，并通过克拉贝龙方程转换，实现积云形成所需不汽凝结量及积云面积比等积云参数的计算，进而实现对流性降水量的模拟计算，对计算值再做经验订正，建立对流性降水量的经验预报公式，预报效果较好。     

MM5模式中不同对流参数化方案对降水预报效果影响的对比试验

本文应用MM5模式，在45km和25km模式分辨率及Blackadar和MRF边界层参数化方案下，选择AK、Grcll、KF和BM等4种对流参数化方案对非汛期22个降水个例进行48h预报试验。结果表明KF和AK方案预报的降水量误差较小，BM方案预报的降水量误差较大；各种方案预报降水效果的优劣对于量级不同的降水是不同的，对中雨、大雨和暴雨的预报，没有哪一种方案的预报效果是绝对最优的；不同方案预报降水结果的差异对量级大的降水比对量级小的降水大；在大部分情况下，相同方案在45km分辨率下的预报结果好于在25km分辨率下的预报结果。     

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     

IMPACTS OF CUMULUS PARAMETERIZATION AND RESOLUTION ON THE MJO SIMULATION

Madden-Julian Oscillations (MJO) in six integrations using an AGCM with different cumulus parameterization schemes and resolutions are examined to investigate their impacts on the MJO simulation. Results suggest that the MJO simulation can be affected by both resolution and cumulus parameterization, though the latter, which determines the fundamental ability of the AGCM in simulating the MJO and the characteristics of the simulated MJO, is more crucial than the former. Model resolution can substantially affect the simulated MJO in certain aspects. Increasing resolution cannot improve the simulated MJO substantially, but can significantly modulate the detailed character of the simulated MJO; meanwhile, the impacts of resolution are dependent on the cumulus parameterization, determining the basic features of the MJO. Changes in the resolution do not alter the nature of the simulated MJO but rather regulate the simulation itself, which is constrained by cumulus parameterization schemes. Therefore, the vertical resolution needs to be increased simultaneously. The vertical profile of diabatic heating may be a crucial factor that is responsible for these different modeling results. To a large extent, it is determined by the cumulus parameterization scheme used.     

THE EFFECT OF MODEL HORIZONTAL RESOLUTION ON THE PRECIPITATION OF RAMMASUN

This paper investigates the effect of horizontal resolution on the precipitation of the super typhoon Rammasun (1409). The experiment uses WRF (V3.4) model with resolutions of 15 km, 9 km and 3 km. The results suggest that the simulated Rammasun rain band shapes and distributions at different horizontal resolutions are nearly the same. When the resolution is increased from 15 km to 9 km and then to 3 km, heavy precipitation is observed to spread in all directions from a concentrated distribution, especially when the resolution is increased from 9 km to 3 km. The 6h and 1h heavy precipitations also show a more significant comma-shape distribution. Moreover, the water vapor distribution shows the same characteristics as the heavy precipitation with a notably enhanced ascending movement and a decreased height of the strongest ascending movement. Of the three resolutions, the precipitation distribution simulated at 3 km resolution is the closest to the observed distribution; however, there is still a noticeable difference between the simulated precipitation and the actual observation. With the absence of the convection parameterization in the model, the precipitation distributions simulated at 9 km and 3 km resolutions demonstrate the same features as when the KF convection parameterization is applied. However, the simulated precipitations at these two resolutions are smaller than those obtained with the KF scheme. Meanwhile the difference between the simulated precipitations at these two resolutions is also smaller than that in the latter case. In general, when KF scheme is applied to the model, the simulation effect of Rammasun precipitation is better than that obtained without the convection parameterization scheme.     

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。     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

MM4模式积云参数化方案的改进和检验Ⅰ：MM4模式积云参数化方案的改进

将MM4模式应用于梅雨锋暴雨的中－β尺度系统模拟时，模式的水平分辨率必须提高，这使得模式中原有的Kuo-Anthes方案变得不适应。根据Fritsch-Chappell方案的基本原理和特点，它可以合理取代Kuo-Anthes方案来适应中－β尺度系统的模拟；同时，结合近年来人们对积云属性研究的新成果，对Fritsch-Chappell方案作了改进，最终得到一个适用于梅雨锋暴雨中－β尺度系统模拟的改进MM4模式。     

一个适合青藏高原地区的修改了的郭型积云参数化方案

本文利用复杂地形条件下的有限区域模式和1979年6－7月的FGGEⅢb级资料，首先检验的原修改了的郭型积云参数化方案（下称原方案）在青藏高原地区的预报效果。然后根据其存在的问题，结合该地区积云活动的特点，应用修改了的Kirshnamurti多元回归方法，考虑中尺度水汽辐合，由该地区的散度、层结稳定度拟合了增湿系数b和中尺度水汽辐合参数η（下称新方案）。最后用新方案作了9例24小时预报和诊断分析。结果表明：原方案在高原地区的降水预报明显偏大；而新方案改进了高原和我国东部地区的降水及形势场的预报。同时，高原地区的增湿系数b和对流加热、增湿垂直廓线也更为合理。