Polar WRF模式海冰密集度方案对北极海雾模拟效果的个例研究

全球变暖的背景下,北极航线的常规通航甚至商业运营有望实现,而海雾会严重影响航道上船只的航行安全。海冰的存在使海气之间相互作用变得更为复杂,是研究北极海雾不可忽略的因素。船载观测发现,与中纬度常见平流冷却雾形成时气温下降速度往往超过海水降温速度不同,北极海雾发生时海冰的存在还会使海水降温速度超过空气降温速度。然而目前海冰分布是否会影响模式模拟海雾的准确性还不得而知,因此本文利用Polar WRF(Polar Weather Research and Forecasting)模式模拟了中国第七次北极考察中观测到的一次海雾过程,并进行海冰密集度敏感性试验。通过与船载观测和欧洲中期天气预报中心再分析数据比对发现,在低浮冰区内(海冰密集度小于50%)考虑海冰分布时可以更加准确地刻画潜热通量与水汽通量,模拟出与观测事实相符的表层空气降温与增湿过程以及相对湿度的变化,因此能够更好地刻画海雾的三维结构及其生消演变。     

WRF模式空间分辨率对南海台风模拟的敏感性分析

为准确模拟南中国海台风路径和强度,对建立的WRF模式开展水平和垂向网格分辨率的敏感性分析。水平网格分辨率分别采用5 km,10 km,20 km,30 km以及15 km和5 km的嵌套方案等5种情况,垂向网格分辨率采用35层、28层和20层等3种情况,顶部最大压强采用1000 Pa,2000 Pa,3500 Pa和5000 Pa等4种情况,针对台风"启德"的路径和强度进行模拟分析。对不同条件组合下的台风路径、风速和海面压强进行对比,发现水平和垂向网格分辨率对台风路径的影响比较有限,对台风强度的影响相对显著。基于高精度空间分辨率模拟得到的台风强度与实测值吻合更好,采用嵌套网格技术对计算结果精度的提高效果显著。采用35层的垂向分辨率得到的模拟结果明显优于基于20层和28层得到的模拟结果。经过对比分析,确定适用于本研究的最优参数设置：水平空间分辨率采用15 km和5 km的双向嵌套网格方案;垂向分层为35层,顶部最大压强为2000 Pa。     

利用WRF模式对海上蒸发波导的数值模拟研究

以WRF中尺度模式为基础,耦合Babin蒸发波导模式,建立了一种海洋蒸发波导预报模式,对南海2010年3月26日至28日的蒸发波导高度进行48h的数值模拟。通过与NCEP再分析资料FNL数据计算得出的蒸发波导高度对比分析发现,WRF模拟结果与FNL计算结果拟合的较好,并且变化规律基本一致,该模式可以用来预报海上蒸发波导。     

HYCOM模式中水平分辨率对海温模拟影响的评估

基于HYCOM模式建立两组数值试验:低水平分辨率的全球模型(0.5°)和高分辨率的嵌套试验(嵌套0.1°分辨率的热带太平洋海域),评估水平分辨率对HYCOM模式在热带太平洋海域海温模拟能力的影响。结果表明:(1) HYCOM数值模拟结果除赤道中太平洋的小部分海域误差较大外,基本较好地模拟出热带太平洋海域海表温度的分布特征,并能较好反应西太暖池空间分布的季节变化。(2)提高水平分辨率使得HYCOM对热带太平洋SST的模拟有所改进,有效减少了HYCOM对西太平洋暖池区模拟偏暖的误差,但是提高水平分辨率后使得夏秋季节暖池西缩。(3)通过代表性断面上温度分布的对比分析,两组试验等温线的密集程度均比实测结果稀疏,高分辨率模型对跃层强度的模拟偏弱,这反映模式在提高分辨率的同时要有相应的物理过程(如混合等)与之相匹配。     

WRF-POM耦合模式对一次海雾过程的模拟试验

采用中尺度大气模式WRF和区域海洋模式POM构造了一个中尺度海气耦合模式。以2008年7月7—11日一次大范围黄海海雾过程为研究对象,将该耦合模式和单独的WRF模式进行对比试验。模拟结果显示:与单独使用WRF模式相比,耦合模式能有效改进海雾的模拟结果,特别是对于海雾发展与演变的模拟更接近于实况,这种改进效应主要源自于耦合模式中对于SST的描述更为精细。     

垂直分辨率对长江口海域M2分潮模拟的影响

基于EFDC(Environmental Fluid Dynamics Code)模式建立了长江口及其邻近海域的三维水动力学模型, 研究模型的垂直分辨率对该海域M₂分潮模拟的影响。结果表明:垂直分辨率的变化对M₂分潮传播方向的模拟结果影响较小, 但其可通过底摩擦和湍流耗散两个计算过程来影响潮能通量的模拟结果, 最终对长江口和杭州湾内的M₂分潮振幅产生显著的影响。最底层厚度较大时, 上层自由水体的高流速特征在最底层过于明显, 进而导致计算的底摩擦应力偏高, 此时提高底层的垂直分辨率会降低底摩擦对能量的耗散。另一方面, 垂直湍流混合作用会随垂直分辨率的增加而增强, 所以垂直分辨率增加到一定程度后, 上层自由水体的高流速会经由增强的湍流混合而更多的传入底层, 使计算的底摩擦应力随垂直分辨率的提高而有重新增加的趋势, 进而又增强底摩擦对潮能的耗散。     

海雾的数值模拟试验

采用二维数值模式,对海雾进行了数值模拟,通过不同海洋气象条件下进行的数值试验,初步揭示了海雾的生成与时空变化规律,并对其生成机制进行了初步探讨.     

垂直混合方案对全球海洋环流模式模拟结果的影响对比研究

利用Modular Ocean Model version4(MOM4)海洋环流模式设计了2个全球海洋-海冰耦合的数值实验,以分析比较Pacanowski and Philander(PP)和K-Profile Parameterization(KPP)两种不同垂直混合方案在全球海洋上层模拟中的表现。实验结果表明,PP和KPP方案在中纬和高纬海域模拟海温差别较大,后者模拟结果好于前者;在低纬海域差别较小,但赤道断面PP方案模拟结果较好;KPP方案能很好地模拟太平洋赤道潜流,而PP方案模拟的赤道潜流位置偏浅。     

黄海近岸海雾的初始场择优集合预报试验:个例研究

选取2014年4月发生的一次黄海近岸海雾个例,利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式开展了集合预报试验研究。依据每个集合成员初始场中海平面气压、2 m温度、2 m水汽混合比与2 m相对湿度(relative humidity, RH)4个变量的均方根误差(root mean square error, RMSE)与RMSE集合平均值的相对大小,以剔除高于者而保留低于者的原则,设计了4种不同的初始场集合体择优方案,实施了一系列数值预报试验,比较了不同择优方案的集合预报效果。研究结果表明:(1)蒙特卡罗方法所生成的集合体中存在不少海雾预报效果较差的成员,这会降低集合预报效果,因此初始场择优十分必要;(2)以RH作为择优变量的择优方案(记为RH-RMSE方案),集合预报效果明显优于其他3种方案;(3)对比不择优集合预报,采用RH-RMSE方案的择优集合预报效果不仅节省了50%左右的计算时间,并且公正预兆评分(equitable threat score,ETS)改进率高达36%左右。本研究提出的RH-RMSE方案具有业务化应用前景。     

涡分辨率模式模拟的南海中尺度涡旋

Mesoscale eddies(MEs) in the South China Sea(SCS) simulated by a quasi-global eddy-resolving ocean general circulation model are evaluated against satellite data during 1993–2007. The modeled ocean data show more activity than shown by the satellite data and reproduces more eddies in the SCS. A total of 345(428) cyclonic eddies(CEs) and 330(371) anti-cyclonic eddies(AEs) generated for satellite(model) data are identified during the study period, showing increase of ~24% and ~12% for the model data, respectively. Compared with eddies in satellite, the simulated eddies tend to have smaller radii, larger amplitudes, a slightly longer lifetime, faster movement and rotation speed, a slightly larger nonlinear properties(U/c) in the model. However, the spatial distribution of generated eddies appears to be inhomogeneous, with more CEs in the northern part of SCS and fewer AEs in the southern part. This is attributed to the exaggerated Kuroshio intrusion in the model because the small islands in the Luzon Strait are still not well resolved although the horizontal resolution reaches(1/10)°. The seasonal variability in the number and the amplitude of eddies generated is also investigated.     

海洋模式的水平分辨率对吕宋海峡深层环流数值模拟结果的影响

基于南海观测得到的垂向混合率修改KPP垂向混合方案,利用大洋环流模式HYCOM首次模拟得到了吕宋海峡深层环流的空间分布特征,并通过3个不同水平分辨率的实验(1/6(°)、1/12(°)、1/24(°))讨论水平分辨率对模拟吕宋海峡深层环流空间结构的影响。模拟结果表明:(1)1/6(°)水平分辨率过于粗糙,无法分辨巴士海峡和台东海峡地形特征,无法得到吕宋海峡深层环流的空间分布特征;(2)1/12(°)的水平分辨率可以很好的分辨吕宋海峡和台东海峡的地形特征,模拟得到吕宋海峡深层环流的空间分布和流场特征;(3)1/24(°)水平分辨率的模拟结果表明,更高的水平分辨率不会改变吕宋海峡深层环流的空间分布和主要出入口的垂向结构,只是会显示更细节的环流结构。1/12(°)和1/24(°)水平分辨率的模式结果都表明,西北太平洋深层水通过巴士海峡和台东海峡进入吕宋海沟,年平均流量分别为1.1和0.4Sv,然后沿吕宋海沟向南海方向流动,最后主要通过位于恒春海脊上的2个缺口进入南海,年平均流量分别为0.5和0.9Sv。     

山东半岛冷流暴雪的WRF数值模拟方案研究

采用WRF数值模式,选择2005年12月6—7日和21日两次冷流暴雪天气过程进行模拟,通过有Kessler微物理方案和无微物理方案进行了敏感性试验对比分析。结果表明,有Kessler微物理方案对冷流降雪过程模拟效果好,模拟的降雪量和降雪落区更接近于实况,对流层低层温度平流和风场辐合能够揭示冷流暴雪产生的原因。而无微物理方案模拟的山东半岛降雪量较实况明显偏少,850h Pa温度冷平流的绝对值偏小,且风向辐合的交角偏小,辐合强度偏小。     

WRF模式中台风"启德"模拟对 参数化方案的敏感性分析

为准确模拟台风路径和强度,采用WRF模式比较不同微物理过程和积云对流过程参数化方案对台风路径和强度模拟的影响,并基于集合预报方法考虑对台风预报系统误差进行优化。选用4种微物理过程方案和3种积云对流参数化方案,针对1213号台风“启德”进行模拟,结果表明不同的参数化方案对台风路径和强度的预报结果有明显影响,积云对流过程参数化方案相对于微物理过程参数化方案更加敏感。基于不同参数化方案扰动成员的集合平均预报方法,对于台风路径和强度的模拟误差均有明显改善,台风路径误差随时间增幅较小,其结果优于全部12个单方案试验的模拟结果;从台风强度方面来看,基于集合预报方法模拟得到的台风强度变化趋势与实况结果一致,且误差较小,优于大多数试验方案。结果表明:采用不同微物理过程和积云对流过程参数化方案的组合构建的集合预报模型,对于台风路径和强度的模拟均有一定程度改善,减小了采用不同参数化方案产生的路径不确定性,使其在台风“启德”的路径模拟上与实况更为接近,可为提升台风预报能力提供科学参考。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

运用神经网络方法对WRF数值模拟结果的初步释用

针对WRF模式的数值模拟结果中的各种输出变量,运用BP神经网络方法,对大连站点的气温、风速等变量进行了初步的释用,与实况进行比较后发现,释用后的结果较模式直接输出结果有了很大的改进;同时,运用中低层云水混合比、气压、海平面高度层上的温度露点差等变量,对能见度进行了诊断释用,获得令人满意的结果.     

两种陆面方案对陆雾与海雾模拟效果的对比研究

利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式,针对1次陆雾与1次同时包含近海雾区与开阔海域雾区的海雾个例,开展了2种陆面方案——SLAB(five-layer thermal diffusion scheme)方案与Noah(Noah land surface scheme)方案—...     

南极中山站夏季下降风数值模拟个例研究

南极内陆地面辐射冷却产生的近表层冷空气,沿高原斜坡向下流动而形成下降风,其分布形态决定了南极大陆近表层风场的主要特征。我国南极中山站全年均受下降风的强烈影响。夏季晴天时,中山站的下降风一般在傍晚开始出现,风速在午夜达到极值,在次日中午之前逐渐减弱,风速有显著的日循环特征。本文选取南极中山站2010年1月的夏季下降风个例,使用常规地面气象观测资料和Polar WRF极地大气数值模式进行了分析研究。结果表明:中山站夏季夜间晴天出现偏东向的下降风时,近地面风速变化趋势与地面气温呈负相关,相关系数为-0.91。数值模拟发现,中山站下降风在距地面高度约100~150 m之间时风速最大,约为15~21 m/s。在下降风发生时,近地层大气存在逆温现象。下降风较强时,近地层逆温也较强,逆温层厚度约为200~300 m,逆温强度约为4~6℃。在地面摩擦的作用下,中山站近地面下降风风向为东南,随着高度的增加,风向逆时针偏转,最终趋于与地形等高线平行。没有太阳直接辐射时,南极大陆地区存在持续的逆温层,逆温层的出现加强了下降风气流,随着逆温的增强,大风区逐渐西移,且面积不断增加。在夏季太阳辐射造成的逆温消失的短暂时间内,逆温时产生的下降风尚不能完全消失,由此形成了较稳定的风向空间分布特征。     

海雾过程中海洋气象条件影响数值研究

利用二维数值模式，研究了在海雾过程中海温场、气温场、湿度场、风场等海洋气象条件的影响。结论如下：（１）海温主要影响海雾的生成过程，当海雾生成后，它的作用就逐步减小了；（２）气温梯度（暖平流）较大，不利于海雾生成，逆温不是海雾生成的一个充要条件；（３）相对湿度大小及其分布是海雾能否生成的物理基础；（４）风速大不利于海雾生成，但海雾一旦生成，则有利于其发展     

基于WRF模式的青岛近海能见度算法比较研究

采用GFS背景场资料和ADAS资料同化系统,使用WRF模式对2014—2016年青岛近海17个海雾个例进行了模拟,分析了3种能见度算法的预报效果。结果表明,FSL(Forecast Systems Laboratory)算法对于沿海站、岸基站雾的预报较SW99(Steolinga and Warner 1999)算法有优势;对于海岛站而言,SW99算法则优于FSL算法。混合算法CVIS(Combined Visibility)较单一算法预报雾准确率有所提高。3种能见度算法基本上是高估能见度的,SW99算法能见度预报均方根误差最大。另外,SW99算法对沿海站、岸基站雾开始时间预报较实况多偏晚,结束时间预报较实况多偏早,持续时间预报较实况多偏短。     

一次江淮气旋垂直速度场的个例分析

江淮气旋是影响我国东部沿海地区的重要天气系统,为了弄清其发生发展机制,以便服务于预报,对其垂直速度场进行合理的诊断分析是其中的关键问题之一。但是对天气尺度系统的垂直速度场的计算也是当前天气研究的难点之一。计算垂直速度的方法有很多种,对诊断分析言,目前倾向于运动学方法,但采用这一方法的主要困难是如何处理测风不精确所带来的计算误差,最近不少人采用o’brien(1970)提议的方法对用实测风计算的垂直速度进行订正,它的基本思路是把最后的累积误差“均匀”分摊到各等压面层上去。本文根据Pearce(1974)的启示,从产生误差的气象原因着手,建立Spline方程,进行了垂直速度场的计算和订正,作为个例,本文用上述方法对一次江淮气旋的垂直速度场进行了分析,对照卫星云图和降水实况,结果还是令人鼓舞的。