CWRF降尺度提高BCC_CSM1.1m对中国夏季降水跨季度动力预测能力

利用CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)对国家气候中心BCC＿CSM1.1m业务预测模式短期气候预测结果进行中国区域降尺度,并使用1991—2010年3—8月逐日气温降水观测数据评估预测能力。结果表明：CWRF预测地面2 m气温、降水气候平均态的空间分布比BCC＿CSM1.1m更接近观测,分布误差更小;在保持总体技巧不低于BCC＿CSM1.1m的同时,CWRF对我国华东和华中地区的降水年际变化预测准确率更高;对不同强度的降水预测CWRF表现均优于BCC＿CSM1.1 m模式,尤其在极端降水预测准确率上更优。总之,得益于更高的空间分辨率和优化的低空物理过程模拟,CWRF降尺度可以提高中国夏季跨季度降水预测能力。     

基于CWRF模式夏季日降水量的订正技术对比

误差订正是提高模式模拟和预报性能的有效方法。基于CWRF(regional Climate-Weather Research and Forecasting model)25套不同物理参数化方案的日降水量模拟资料, 对比仅进行降水日数订正(OCD)、仅进行降水量订正(OCM)和先订正降水日数再订正降水量(COR)三种订正方法, 先订正再等权重集成和先等权重集成再订正两种订正思路, 重点对1997—2015年华中和华南地区夏季日降水进行订正效果的对比。结果表明:(1)降水日的订正是必要的, 综合而言COR方法对CWRF模式日降水的订正效果更佳, 尤其是小量级降水, 但降水强度的表现不如OCM; (2)先集成后订正的效果更好; (3) CWRF模式不同参数化方案对日降水的模拟能力有显著差别, 经过订正后模拟能力均有所提升, 但对于不同的模拟方案, 其订正效果也不同。表明, 误差订正确实能有效提高模式模拟及预报性能, 但其效果存在不确定性。提高模式的预报性能, 关键还是提高模式对真实大气动力学的表述能力。      

CWRF模式极端降水模拟误差订正

基于1980—2015年6—8月CWRF模式(Climate-Weather Research and Forecasting model)14种方案的模拟结果和全国逐日降水观测资料,对比了Q-lin,Q-tri,RQ-lin,RQ-tri,SSP-lin和CDFt 6种误差订正方法对CWRF模式控制化方案(C1)模拟中国东部夏季日极端降水的订正效果,以CWRF模式14种方案日极端降水的模拟效果排名为基础,对比了模拟效果较好的4种方案集合、模拟较差的4种方案集合以及14种方案集合的订正效果,选出相对较好的订正方案进一步评估其成员集合后订正和成员分别订正后再集合的订正效果,结果表明:采用6种误差订正方法均可明显减少日极端降水模拟误差,其中RQ-lin方法订正效果最佳。CWRF模式对中国东部的极端降水指数均表现出较好的模拟能力,不同参数化集合方案得到14种方案成员先订正再集合与观测日极端降水平均值最为接近,研究结果对于改进模拟结果、提高其预测能力有重要应用价值。     

CWRF模式对长江流域极端降水气候事件的模拟能力评估

基于1980—2016年长江流域站点观测降水,评估了CWRF区域气候模式对长江流域面雨量和极端降水气候事件的模拟能力.结果表明:CWRF模式能较好地再现1980—2016年长江流域及不同分区降水空间分布及月/季面雨量年际变率,且在冬、春季表现较好,夏、秋季次之.CWRF模式对长江流域面雨量存在系统性高估,对面雨量的模拟...     

CWRF模式在中国夏季极端降水模拟的误差订正

利用1980—2015年6—8月我国逐日降水观测数据评估CWRF模式（Climate-Weather Research and Forecasting model）多种参数化方案对我国夏季日降水的模拟能力,并考察累积概率变换偏差订正法（CDFt）的订正效果。通过将广义帕累托分布（GPD）引入到偏差订正模型中,提出针对极端降水的累积概率变换偏差订正法（XCDFt）,检验和评估其对极端降水订正的适用性。结果显示:CWRF模式微物理过程选用Morrison-aerosol参数化方案组合对我国降水场的模拟较好,CDFt订正效果良好;XCDFt偏差订正模型能够较好地提取模式建模与验证时期变化信号,订正后相比订正前与观测极端降水的概率分布更为接近;经过XCDFt订正后华南、华中和华北地区20年一遇的极端降水重现水平较模拟值更接近观测值,可为CWRF模式提高极端降水的业务预测水平提供参考。     

基于CWRF的中国近海热带气旋集合模拟及其对物理参数化方案的敏感性研究

为评估CWRF模式的降尺度能力和其热带气旋模拟对物理参数化方案的敏感性,本文利用ERI再分析资料驱动CWRF在30km网格上对1982-2016年中国近海热带气旋开展了一次集合模拟.结果表明:CWRF与ERI均能模拟出热带气旋的季节变化和年际变化形势且均存在低估,但相较ERI,CWRF的降尺度技术和集合模拟可以再现更多...     

基于CWRF的中国近海热带气旋集合模拟及其对物理参数化方案的敏感性研究（英文）

为评估CWRF模式的降尺度能力和其热带气旋模拟对物理参数化方案的敏感性,本文利用ERI再分析资料驱动CWRF在30km网格上对1982-2016年中国近海热带气旋开展了一次集合模拟.结果表明:CWRF与ERI均能模拟出热带气旋的季节变化和年际变化形势且均存在低估,但相较ERI,CWRF的降尺度技术和集合模拟可以再现更多的热带气旋,显著减少低估.年际变化结果提升最为明显,它对积云方案最为敏感,其次是边界层,陆面和辐射方案,对云和微物理方案较弱.该研究为应用CWRF理解和预报热带气旋提供了参考.     

一种基于神经网络的中国区域夏季降水预测订正算法

基于CWRF(climate extension of WRF)区域气候模式的动力降尺度预测技术对夏季降水预测存在一定偏差,难以实现准确预测。本文立足于中国区域夏季降水特点,分析与夏季降水相关的气象要素,采用树突(dendrite, DD)网络与人工神经网络(artificial neural networks, ANN)相结合的方法,针对CWRF模式回报的1996—2019年夏季降水量进行订正,检验其订正效果。结果表明：人工树突神经网络(artificial dendritic neural network, ADNN)算法模型订正的中国夏季降水量整体好于CWRF模式历史回报,距平相关系数和时间相关系数较订正前均提高约0.10,均方误差下降约26%,趋势异常综合检验评分提高6.55,表明ADNN机器学习方法能够对CWRF模式夏季降水预测实现一定程度的订正,从而提高该模式降水预测精度。     

区域环境系统集成模式对1997/1998年夏季中国两个极端气候事件模拟能力分析

区域环境系统集成模式(RIEMS2.0,Regional Integrated Environment Modeling System Version 2.0)是由中国科学院大气物理研究所东亚区域气候环境重点实验室在RIEMS1.0基础上发展的区域气候模式。为了检验RIEMS2.0对短期气候的模拟能力,利用降水和气温(2 m)观测资料检验RIESM2.0不同物理过程和初始条件集合模拟1997/1998年夏季中国华北地区高温干旱和长江流域洪涝两个连续极端气候事件的能力(连续积分时间(1997年3月1日—1998年8月31日)共18个月),比较模拟和观测的1997/1998年夏季降水和气温。集合模拟结果表明RIEMS2.0能很好模拟1997/1998年夏季降水和气温及其两年差值分布;模拟和观测的日降水和平均气温结果有很好的相关性,但是降水模拟总体高估,干旱和江淮及江南区气温模拟偏高而半干旱和湿润区气温模拟偏低。在不同物理过程集合模拟中,虽然集合平均距平相关系数(ACC)和均方根误差(RMSE)并不是优于所有集合成员值,但集合模拟能减小模式的不确定性,在一定程度上提高模拟精度。不同显式水汽方案和积云参数化方案对降水、气温模拟效果表现出很好的一致性,湿润区一致性最好。因此,RIEMS2.0模拟能揭示1997/1998年两个连续极端气候事件夏季降水和气温空间分布,反映不同子区域降水和气温分布特征,各集合成员的模拟结果存在差异的同时也保持了很好的稳定性,选择合适的物理过程可以提高模式对区域气候的模拟能力。     

WRF模式不同参数化方案组合对青海气温、降水及风速模拟的影响

利用50个气象站观测资料,对比讨论WRF模式不同微物理过程、积云对流和边界层参数化方案组合对青海省气温、降水及风速的模拟效果。结果表明:(1)微物理过程和积云对流参数化方案分别选用Eta(Ferrier)和KF时,气温模拟效果较好;Thompson方案、KF方案和ACM2方案的组合对降水模拟普遍较好;边界层方案的选取对风速的模拟较为重要。(2)对比不同季节的模拟效果可以看出,夏季气温、降水模拟效果均较好。(3)最低气温模拟效果均好于最高气温,最高气温偏低明显。(4)小雨预报普遍偏多,中雨预报略偏少,大雨整体预报偏少。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中6种行星边界层参数化方案对新疆进行2006年10月1日至2008年1月1日的模拟积分试验,重点考察模式在10 km水平分辨率下不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的敏感性。结果表明:1）采用6种行星边界层参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量的空间分布及月降水的季节循环。2）对于新疆整体来说,采用Grenier-Bretherton-McCaa（GBM）方案模拟雨季降水更接近观测,偏差在±30%以内。对于天山地区来说,采用Bougeault-Lacarrere（BouLac）方案模拟年降水更接近观测,偏差为－19.13%;采用GBM方案模拟中雨和大雨的TS评分最高分别为0.37和0.33,并且能够较好地模拟7月5次较大降水日中不同下垫面类型的昼夜降水,偏差在5 mm以内。3）BouLac方案能够较好地模拟天山地区年降水的时空分布特征,GBM方案更适合模拟新疆整体雨季期间降水。因此利用WRF模式开展新疆降水模拟研究时应考虑不同行星边界层参数化方案的适用范围。     

积云对流参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF高分辨率模式的模拟结果,探讨了8种积云对流参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的路径、频数及强度模拟的影响。结果发现:采用Kain-Fritsch方案模拟的热带气旋活动的空间分布与JTWC统计结果最接近。KF方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显高(强)于其他积云对流参数化方案,而BMJ方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显低(弱)于其他积云对流参数化方案。进一步分析发现,采用优化集合积云参数化方案(ECP)模拟热带气旋频数、ACE指数以及PDI指数的年际变化趋势较好,而采用KF积云对流参数化方案对热带气旋空间分布、频数及强度的模拟总体最优。     

The Effects of Model Resolution on the Simulation of Regional Climate Extreme Events

The fifth-generation Pennsylvania State University/NCAR Mesoscale Model Version 3 (MM5V3) was used to simulate extreme heavy rainfall events over the Yangtze River Basin in June 1999. The effects of model's horizontal and vertical resolution on the extreme climate events were investigated in detail. In principle, the model was able to characterize the spatial distribution of monthly heavy precipitation. The results indicated that the increase in horizontal resolution could reduce the bias of the modeled heavy rain and reasonably simulate the change of daily precipitation during the study period. A finer vertical resolution led to obviously improve rainfall simulations with smaller biases, and hence, better resolve heavy rainfall events. The increase in both horizontal and vertical resolution could produce better predictions of heavy rainfall events. Not only the rainfall simulation altered in the cases of different horizontal and vertical grid spacing, but also other meteorological fields demonstrated diverse variations in terms of resolution change in the model. An evident improvement in the simulated sea level pressure resulted from the increase of horizontal resolution, but the simulation was insensitive to vertical grid spacing. The increase in vertical resolution could enhance the simulation of surface temperature as well as atmospheric circulation at low levels, while the simulation of circulation at middle and upper levels were found to be much less dependent on changing resolution. In addition, cumulus parameterization schemes showed high sensitivity to horizontal resolution. Different convective schemes exhibited large discrepancies in rainfall simulations with regards to changing resolution. The percentage of convective precipitation in the Grell scheme increased with increasing horizontal resolution. In contrast, the Kain-Fritsch scheme caused a reduced ratio of convective precipitation to total rainfall accumulations corresponding to increasing horizontal resolution.     

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.     

Customization of regional climate model (RegCM4) over Indian region

The regional climate model (RegCM4) is customized for 10-year climate simulation over Indian region through sensitivity studies on cumulus convection and land surface parameterization schemes. The model is configured over 30° E–120° E and 15° S–45° N at 30-km horizontal resolution with 23 vertical levels. Six 10-year (1991–2000) simulations are conducted with the combinations of two land surface schemes (BATS, CLM3.5) and three cumulus convection schemes (Kuo, Grell, MIT). The simulated annual and seasonal climatology of surface temperature and precipitation are compared with CRU observations. The interannual variability of these two parameters is also analyzed. The results indicate that the model simulated climatology is sensitive to the convection as well as land surface parameterization. The analysis of surface temperature (precipitation) climatology indicates that the model with CLM produces warmer (dryer) climatology, particularly over India. The warmer (dryer) climatology is due to the higher sensible heat flux (lower evapotranspiration) in CLM. The model with MIT convection scheme simulated wetter and warmer climatology (higher precipitation and temperature) with smaller Bowen ratio over southern India compared to that with the Grell and Kuo schemes. This indicates that a land surface scheme produces warmer but drier climatology with sensible heating contributing to warming where as a convection scheme warmer but wetter climatology with latent heat contributing to warming. The climatology of surface temperature over India is better simulated by the model with BATS land surface model in combination with MIT convection scheme while the precipitation climatology is better simulated with BATS land surface model in combination with Grell convection scheme. Overall, the modeling system with the combination of Grell convection and BATS land surface scheme provides better climate simulation over the Indian region.     

数值天气预报业务模式现状与展望

利用WRF V4.1.3模式和ERA5再分析资料,对2020年7月7日发生在华中地区的一次梅雨锋大暴雨天气过程进行了分析和数值模拟试验,探究了不同垂直和水平分辨率组合对降雨模拟效果的影响,在此基础上考察了3 km水平分辨率时,是否采用积云参数化方案对降雨模拟效果的影响,结果表明：各试验模拟的中低层环流形势、雨团特征、雨带分布基本与实况一致,但不同试验之间也存在一定差异;选定3个降水大值区,分析了逐小时降水演变发现,无论是降水峰值出现时间还是峰值强度,各试验的模拟结果与实况均有较大偏差,其中水平分辨率相同和积云参数化方案相同的试验的结果比较接近;TS、ETS、BS和SAL评分显示,3 km试验的模拟结果总体要优于12 km试验,说明提高模式的水平分辨率可改善降水预报效果;在3 km分辨率时,不考虑积云参数化方案明显降低了预报技巧,且对大暴雨预报的降低程度更大,但对于不同阈值的降水预报,积云参数化方案的影响不同;改变垂直分辨率对预报技巧的影响不如改变水平分辨率和是否使用积云参数化方案显著;3 km水平分辨率的模式中采用积云参数化方案能显著提升对降雨强度的预报技巧。

     

RegCM3对中国区域气候模拟的敏感性试验

为使区域气候模式RegCM3在中国区域气候的模拟中取得更好的模拟效果,针对RegCM3进行了初始场、模式水平分辨率、侧边界方案及积云对流方案的敏感性试验.结果表明:①从冬季开始的积分,模拟结果对初始场的依赖性较小;②模式水平分辨率的提高不一定会带来模拟效果的显著改善,高分辨率的嵌套模拟会对模拟效果有一定程度的改善;③选...