低纬高原上中尺度模式的积云参数化方案研究

在低纬高度上的中尺度数值模式研究中，积云参数化方案的设计是极其重要的，而垂直加热廓线和增湿系数的方案设计是Kuo型积云参数化方案中两个重要的问题。本文从垂直加热廓线和增湿系数的角度设计了多种改进的Kuo型积云参数化方案进行数值试验。试验结果表明，垂直加热廓线采用位湿法，增湿系数采用指数型定义法的Kuo型改进方案较适合云南低纬高原上的中尺度数值模式；低纬高原上的增湿系数比我国东部沿海及一些平原地区要大；在改进积云参数化方案的基础上考虑低纬高原地形的影响，能进一步提高中尺度数值模式在低纬高原上的模拟效果。     

地形对大气低频振荡影响的数值研究

使用五层全球谱模式研究地形对月、季尺度低频振荡的影响。该模式为三角形截断，截断波数为１０，并含有较为完善的物理过程参数化，对分别用有地形和无地形模式来模拟的低通滤波资料进行了分析和比较。结果表明，地形强迫产生的月、季尺度低频波列有明显的季节特征。北半球夏季由地形影响产生的热带热源是南北半球低频波列的源。模拟结果进一步指出北半球地形强迫产生的波列扰动可以引起赤道纬向流的异常，这种纬向流的瞬变强迫可以     

ECMWF预报模式在不同地形方案下的系统误差检验

Wallace等的研究表明,由于引进了包络地形方案,欧洲中期天气预报中心(ECMWF)的中期天气预报有所改善。本文是上述工作的继续。所用的资料为原作者的数值试验结果。检验的对象包括纬向平均风场、温度场和经圈环流,及不同波数域中的涡旋和经圈环流对角动量的平均经向输送。结果表明,在冬季,包络地形方案对低纬地区的温度场和风场的预报略有改进,对总涡旋动量通量的模拟也较好。然而对天气尺度系统的预报和对热带对流及积云摩擦的参数化却有待更进一步改善。     

低纬高原地区MM5v3不同参数化方案降水模拟试验

为了进一步了解MM5模式在低纬高原降水预报性能，利用MM5模式中的3个物理过程组合了7个不同的参数化试验方案，对低纬高原地区2005年主汛期进行了降水数值试验。结果表明：第三重嵌套网格中的Grell积云参数化、Goddard显式水汽和Cloud（或RRTM）辐射过程组合的试验方案对降水预报效果较好，特别是对大雨和暴雨预报有明显的改善；在将试验结果插值到测站点时，不同扫描半径对插值结果有一定影响，相对而言，20～30km扫描半径插值结果较为理想。     

中期数值天气预报业务系统讲座 第三讲 中期预报模式及其对预报的影响

前言 国家气象中心“中期数值天气预报业务系统”中的预报模式是T_(42)L_9(即三角形截波的最大波数为42、垂直层数为9层的谱模式),其原先配置的物理过程参数化方案是美国地球流体动力学实验室(GFDL)70年代的物理过程软件包,它偏重于长期预报和气候模拟。所以,在1990年5月我们又开发了欧洲中心的1979年版本的物理过程参数     

北半球七层原始方程谱模式（三）及其五天中期数值预报试验

北半球七层原始方程谱模式ff考虑了较完整的物理过程:（1）地形作用（采用了σ坐标系）和地面摩擦；（2）动量、热量，水汽的水平扩散过程和垂直扩散过程（其中包括了下垫面感热和水汽作用）；（3）水汽凝结潜热作用；（4）云和辐射作用；（5）积云对流过程等。上述模式采用了非线性平衡方程初值化方法。并利用逐日客观分析资料，制作5天中期数值预报试验。本文给出了1982年冬季和夏季的20个例子的五天数值预报验证结果和一个例子的中期数值预报图和对应的实况图。预报效果比较好。在数值预报试验中，虽然纬向波数只取15个波，但所取得的短期、中期的预报效果能和一些较高分辨率模式的预报效果相比较。     

物理守恒律保真全球谱模式辐射—云—对流过程的改进

辐射—云一对流相互作用的正确和合理描述是改进湿物理过程描述和数值模式的重要方面.在一个物理守恒律保真的全球模式中引入描述更细致的云参数化方案和辐射参数化方案,对6个30天实时资料数值积分进行分析.结果表明,通过云参数化方案中云描述的细化,改进了模式对云分布、云量、以及云水、云冰不同相态的模拟;辐射方案中对这些云水物质的...     

GOALS模式中大气能量循环的诊断分析与不同版本计算结果的比较研究

利用大气能量循环框图,对比分析中国科学院大气物理研究所大气科学与地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG/IAP)全球海-陆-气耦合系统模式(GOALS)两个版本(GOALS-2和GOALS-4),以及观测的全球平均大气能量循环的主要特征,并从能量循环贮蓄和转换项的纬向平均贡献去解释全球积分值改善和转坏的原因,以及诊断分析参数化方案变化后产生的影响.结果表明:模式的两个版本基本上能正确地模拟出全球能量循环的主要特征.旧版本GOALS-2能较好模拟全球积分值,常常是不同符号局地误差的相互抵消结果.新版本GOALS-4中某种局地过程的改善在一些情况下导致了全球积分值的转坏.引入辐射日变化参数化方案可能对能量循环各参数的局地贡献有着明显的影响.如纬向平均有效位能向瞬变涡动有效位能的斜压转换率、瞬变涡动有效位能向瞬变涡动动能的斜压转换率以及定常涡动动能的局地贡献有明显改善.南极地区不合实际的上升运动,是模拟的纬向平均有效位能与纬向平均动能之间的转换项全球积分值为负数的主要原因.     

数值天气预报业务模式现状与展望

20 0 4年是数值天气预报理论提出 10 0周年 ,同时也是数值天气预报业务化应用 5 0周年。经过百年的发展历程 ,数值天气预报学科有了飞跃的发展。特别是最近 10多年来 ,大气科学以及地球科学的研究进展 ,高速度、大容量的巨型计算机及网络系统的快速发展 ,更加快了数值天气预报的发展步伐。文中从模式动力框架、物理过程参数化、模式程序软件等方面对数值天气预报业务模式现状进行了简要综述 ,对存在的问题进行了探讨 ,并对数值天气预报业务模式的未来发展作了展望。当前数值天气预报业务模式发展的特点有 :(1) 2 0世纪 90年代中期以来 ,各国的全球和区域模式水平和垂直分辨率都有明显提高 ,且模式物理过程也同步进行改进 ;数值预报业务模式已进入了大规模并行计算的阶段 ;(2 )主要发达国家和中国都正在致力于研发各自的新业务数值预报模式———非静力 (多尺度 )一体化模式或非静力中尺度模式 ,部分国家的新一代天气 气候一体化数值模式已业务运行 ;(3)业务数值预报模式正在朝着不断完善的方向发展。随着模式分辨率的提高 ,云物理过程、陆面过程和湍流过程、考虑坡度 -坡向因子的辐射过程等在模式中的参数化方案 ,以及模式垂直坐标的选择越来越受重视 ,这些物理过程的描述成为业务数值模式改进的重点和     

全球海温异常作用下的低层大气环流和降水异常的数值模拟

通过在ＩＡＰＡＧＣＭ中加进太平洋和印度洋海温异常的数值模拟，证实了实况月平均８５０ｈＰａ上的异常环流特征：ＥｌＮｉｎｏ海温位相时低纬太平洋低层大气出现异常的西风气流以及在东南亚沿海出现向赤道的异常气流；而在ＬａＮｉｎａ位相时，低纬太平洋低层大气出现异常的东风气流和在东南亚沿海出现离赤道的异常气流。若在模式中仅引入太平洋的海温异常或在模式中去掉地形以后，模拟的低纬低层异常气流与上述结果有所不同。用该模式还模拟出了与观测相符的低纬地区降水的异常     

GRAPES中地形重力波拖曳物理过程的引进和应用试验

在中国新一代全球中期/区域中尺度同化与预报系统(GRAPES)模式中引进了ECMWF地形重力波拖曳物理过程,填补了GRAPES全球中期数值预报系统中物理过程的空白。重新计算了地形重力波过程需要的地形静态资料数据,并与原ECMWF模式的地形静态参数进行了对比分析,验证了模式地形参数的正确性。利用GRAPES模式,进行了地形重力波拖曳物理过程影响的敏感性数值试验;结果表明:引进地形重力波拖曳过程以后,在存在大地形的区域,风场会发生变化,当纬向风遇到青藏高原时,一部分气流会产生爬坡效应而越过高原,使高原上空的西风气流减弱;另一部分气流会绕过高原,在高原的南侧产生绕流;随着模式积分时间的延长,风场变化会越来越明显,地形越复杂,风场的变化也越复杂;连续的模式积分试验结果显示,引进地形重力波过程,可以延长GRAPES模式的可用预报时效,提高了全球形势预报的准确率。通过对一次降水过程的模拟,对地形重力波过程影响降水预报的原因进行了简单分析。结果显示:引进地形重力波拖曳过程后,改变了大气流场的分布,使预报的流场更接近于大气真实状态,从而提高了降水预报的准确率。     

数值模式中的大气边界层参数化方案综述

大气边界层对下垫面和自由大气之间的热量、动量和物质交换以及全球辐射的收支平衡有着非常重要的作用,数值模式中对边界层的模拟需要通过参数化方案表现出来。综述了数值模式中常用的边界层参数化方案,从闭合框架以及边界层内的重要物理过程这两个方面对各类方案进行了总结,并讨论了边界层参数化方案的发展方向。     

海陆风研究进展与我国沿海三地海陆风主要特征

海陆风是发生在海岸附近由于海陆热力差异引起的中尺度环流,对沿海地区天气气候和环境空气质量有重要影响,本文综述海陆风研究进展与我国华南、长三角和环渤海3个不同地区海陆风的主要特征.海陆风研究可分为观测研究、理论研究、数值模拟研究.20世纪60年代以来的观测研究表明,全球高、中、低纬沿海地区都有海陆风.海陆风理论研究已从20世纪20年代力的平衡分析发展到海陆热力平衡非线性动力学解析与数值模拟相结合研究海陆风的参数化,模拟研究已逐步成为主要手段.我国华南、长三角和环渤海3个不同地区海陆风有明显差异,海风盛行和结束时间不尽相同,低纬地区海风出现较晚,甚至可持续至午夜时分.海陆风有可能造成污染物的累积,使空气质量变差,应引起沿海地区有关部门的重视.     

应用ECM数值产品作西江致洪暴雨中期预报

应用ＥＣＭ７２、９６、１２０ｈ数值预报产品对西江历史上中等以上致洪暴雨天气、动力分析,得出低槽模式和热带模式两个中期预报模式,并对预报场的关键区和要素,计算出不同的物理量：低槽指数、副高指数、中低纬区域同韧工东西部平均度度差、等。     

GRAPES_GFS不同湿物理过程对云降水预报性能的诊断与评估

积云对流和云微物理是数值天气预报模式中最为重要的两类湿物理过程,它们共同影响云和降水的预报性能。通过采用CMAP降水资料和MODIS、MLS及Cloud Sat卫星云观测资料对全球中期数值预报模式GRAPES_GFS中这两类湿物理过程参数化方案的不同组合所预报的降水场和云宏微观场进行诊断和评估,以揭示其对云和降水的预报性能。结果表明:(1)云微物理方案是中高纬度地区总降水预报差异的主因,三种云微物理方案预报的降水强度为SINCEP3NCEP5。赤道及低纬地区降水差异主要是由积云对流方案引起的,KF_SI组合与CMAP降水最为一致。(2)SI方案和NCEP3方案在中纬度地区格点降水要显著多于混合相云NCEP5方案;与SAS方案和KF方案相比,BM方案使与其组合的云方案产生的格点降水明显偏少。(3)BM方案产生的对流降水要明显多于SAS方案和KF方案,中高纬地区SAS方案和KF方案预报的对流降水基本一致,在低纬地区SAS方案对流降水最少。(4)NCEP5方案预报的云顶温度与MODIS观测吻合较好,NCEP3方案和SI方案预报的云顶温度要较实况偏暖。三种对流方案预报的云顶温度冷暖关系为SASBMKF,BM和KF预报的云顶温度与实况较为接近。(5)NCEP5方案预报的积分云水与卫星观测最为接近,两种简冰方案显著偏少,尤以SI方案偏少最多。SAS和KF方案能较好的预报积分云水的空间分布,但其量值较观测偏大,BM方案预报的积分云水在低纬度地区偏少明显。(6)所有方案组合预报的卷云较MLS卫星观测显著偏少,混合相云方案对卷云预报较简冰方案具有一定优势,BM方案偏少最显著。(7)全球平均而言,KF对流方案和NCEP5云微物理方案对GRAPES_GFS的云和降水预报性能较其他降水物理方案具有一定优势。     

线性化物理过程对GRAPES 4DVAR同化的影响

线性化物理过程能够改善四维变分同化中极小化收敛的稳定性和增加极小化过程中对大气物理过程和动力更加精确的描述,它是四维变分同化中非常重要的一部分。通过在GRAPES全球模式中研究线性化物理过程,尤其是两个湿线性化物理过程,改善切线性模式预报精度,来提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。线性化物理过程的开发首先需要简化原非线性化物理过程中的强非线性项,然后对线性化物理过程进行规约化,以抑制切线性扰动的异常增长。目前GRAEPS全球模式中的线性化物理过程主要包括次网格尺度地形参数化、垂直扩散、积云深对流和大尺度凝结。线性化物理过程预报精度的检验方法是通过选择合适大小的初始扰动（同化分析增量）,来比较非线性模式和切线性模式中的扰动演化的纬向平均误差。然后以绝热版本的切线性模式为基础,通过冬、夏两个个例试验来分别检验4个线性化物理过程的12 h预报效果。试验结果表明,通过添加次网格地形参数化和垂直扩散两个干线性化物理过程方案,可以有效抑制住绝热版本切线性模式低层扰动的异常增长,大幅度改善切线性模式预报效果。通过添加积云深对流和大尺度凝结两个湿线性化物理过程,可以在热带区域和中、高纬度地区提高切线性模式中湿变量和温度变量的近似精度,提高GRAPES全球四维变分同化的分析和预报效果。      

国家气象中心新一代业务中期预报模式T213L31的主要特点

T2 1 3中期数值预报系统于 2 0 0 2年 9月 1日起在国家气象中心正式业务化。作为此系统核心的T2 1 3L31全球模式与原业务模式T1 0 6L1 9相比 ,采用了一些新的数值技术 ,包括半拉格朗日时间积分方案的引入 ,采用规约格点 ,分布内存与共享内存并行相结合 ,从而在目前有限的计算机资源条件下 ,能积分高分辨率的模式。更重要的是 ,模式采用了一些更新、具有更真实物理概念的物理过程参数化方案 ,对于辐射方案、次网格尺度地形参数化、积云对流方案、云方案、陆面过程方案都作了很大改进 ,从而克服了许多T1 0 6L1 9模式中存在的问题 ,明显提高了T2 1 3L31模式的预报技巧。     

BCC_CSM对全球海表温度和混合层深度的模拟评估

为了定量评估北京气候中心(BCC)发展的BCC_CSM对当代全球海表温度和混合层深度的模拟能力,以WOA09(World Ocean Atlas 2009)观测资料作为检验模式的气候态实况场,提取包括BCC_CSM在内的CMIP5中的17个海气耦合模式的模拟结果,评估BCC_CSM模拟的全球海表温度和混合层深度的气候平均态并分析造成偏差的可能原因。结果表明:BCC_CSM模拟的海表温度在北半球中高纬的误差较大,而在其余纬度的模拟性能较佳。偏差的产生主要归因于海洋环流偏差。BCC_CSM模拟的最深混合层在北半球中高纬和南半球高纬地区的误差较大,同时这些区域也是多模式模拟差异最大的区域;其模拟的最浅混合层在南半球中高纬的偏差较大。冬季大西洋经向翻转环流的模拟在北大西洋下沉的位置偏南导致北半球高纬地区海表温度偏冷。由此认为包括BCC_CSM在内的许多海气耦合模式需重点改进对南、北半球深对流海域物理过程的描述,以提高气候预测的可信度。     

POEM2模式对热带季节内振荡模拟能力的评估

大气季节内振荡与天气和气候系统关系密切,是延伸期数值天气预报研究的重要方面。这种现象在热带地区更为显著,成为衡量气候模式模拟能力的主要指标之一。为了加深数值模式对热带季节内振荡模拟的理解,基于美国夏威夷大学参与研发的POEM2气候系统模式10年回算资料,利用方差分析、功率谱分析等方法对比评估了该模式对热带地区季节内振荡的模拟能力。结果表明,POEM2对850 hPa纬向风和OLR方差模拟结果与观测整体分布形势相同,在北印度洋和西太平洋地区模式方差更大。冬季模式模拟MJO东传运动更好,对应对850 hPa纬向风的模拟优于夏季。夏季模拟MJO北传运动更好,对应对大气降水的模拟优于冬季。模式模拟MJO信号向东传播速度偏快,气象要素异常功率谱频率大值区主要在2~3波,而观测为1~2波。多变量联合EOF结果表明模式可以模拟出东印度洋和西太平洋高低层风配置和降水的关系,但幅度较弱。POEM2模式前两个EOF模态时间系数时滞相关也呈现与观测类似的周期变化。以上结论表明,未来POEM2气候系统模式需要完善其物理过程和参数化方案,在动力学上加强对混合Rossby重力波的描述,进一步提高对1波的模拟能力。     

两种模式随机扰动方案比较及扰动传播分析

基于我国T213全球集合预报系统,设计了两种模式随机扰动方案,第一种方案对物理过程和动力过程积分总倾向项进行随机扰动(简称STPS),第二种方案仅对参数化的物理过程的积分倾向项进行随机扰动(简称SPPS).将两种方案分别引入模式进行数值试验,评估集合预报效果,分析随机扰动特征及扰动传播机制.结果表明:两种随机扰动方案对T213模式预报变量都产生了明显的影响,垂直方向和水平方向上,扰动值都随着积分时间增加而增长,中高纬地区尤为显著.两种方案的差异是STPS方案预报变量扰动值偏大;SPPS方案预报变量扰动值更为合理,SPPS的扰动大值中心随预报时效增加从低纬向中高纬传播,且总能量偏差具有从小尺度向大尺度传播的特征.与STPS方案相比,SPPS方案的集合预报离散度、集合平均的均方根误差在积分后期明显更有优势,高度场和风场的预报准确性提高,降水量预报技巧也得到明显的改进.表明SPPS方案能更加合理地体现模式物理过程的不确定性,在一定程度上提高集合预报系统的预报能力.