用变分法修正边界层资料的数值试验

文中用变分方法修正边界层资料及模误差 ,目标函数相对于控制变量的梯度用扰动法计算 ,对利用小扰动求取梯度的方法进行了理论推导和试验分析。利用模式资料所作的数值试验表明 ,该方法能有效地修正模式自身误差 ,使模式能精确描述边界层物理过程 ,从而使调整后的初始场最好地拟合“观测资料”     

位涡趋势诊断方法在高分辨率模式资料中的应用

位涡趋势（Potential Vorticity Tendency,PVT）诊断方法已经在台风移动研究中得到较多的应用,但是多用于水平分辨率几千米的模式输出资料。发现用位涡趋势方法诊断台风移动时,模式资料输出时间间隔必须与模式空间分辨率匹配,这是因为位涡趋势方法需要同时用时间和空间差分方法计算位涡的趋势和分布。当模式水平分辨率高于1 km时,模式可以模拟小尺度系统,相应的模式输出时间间隔必须缩短,使得模式输出资料能够代表小尺度系统的变化趋势。由于小尺度系统导致的位涡变化不能直接影响台风移动,建议应用两种方法解决位涡趋势方法中的时、空匹配问题:（1）当空间分辨率增加时,相应缩短模式输出资料的间隔;（2）不改变模式输出时间间隔,对计算位涡的物理量进行空间平滑,滤去小尺度系统的影响。      

用变分法修正黑河试验数据的初步研究

为了对黑河试验观测资料进行订正,利用一个一维边界层垂直扩散模式和以拟牛顿极小化算法为基础的最优化方法建立了一个变分同化系统,其中,目标函数相对于控制变量的梯度用扰动法求取.并利用模式资料和黑河试验若干时刻的观测资料进行了一些数值试验.试验证明,将初始场变量与模式误差系数同时作为控制变量加以调整,能够有效调整初始场观测资料.并且,用变分同化方法能够较线性插值(时间、空间)方法更有效、合理的修正黑河试验观测资料场的种种缺陷.     

伴随模式同化系统在修正模式误差中的应用研究

资料误差和模式误差都是制约数值预报结果准确性提高的关键因素,传统四维资料同化都是假设模式完全正确仅对初始资料进行修正,忽略了模式误差本身造成的预报误差。伴随模式同化系统不仅具有修正资料误差的能力,也可应用于修正模式误差方面的研究。本文将卫星中心导风系统提供的GMS5卫星风场与非常规温度资料用于MM5伴随同化系统修正模式地形误差进行试验性研究表明,该方法能够反演出一个既与初始气象要素场相匹配,又与模式更协调的地形场,得到比一般包络地形更好的效果,改善模式对强降水中心及降水区域的预报;数值试验结果还揭示模式误差对模式预报造成一定的影响,用伴随方法对观测资料进行修正的同时也对模式误差进行修正的方法是可行的。     

中尺度数值模式的资料同化系统——(一)伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码的方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

青海省草地资源卫星遥感监测方法

文章介绍了青海省草地资源卫星遥感监测的方法,该方法主要包括利用AVHRR资料,结合地面实测青草产量资料,用相关法建立青草产量监测模式,以评价青海省草地资源状况等内容。该方法业务运行效果较好。     

对降水资料的四维变分同化

用常规资料（Ｔ、ｐ、ｕ、ｖ、ｑ的分析值）和降水资料（２４ｈ降水量的分析值）进行四维变分（４ＤＶＡＲ）资料同化试验。试验中用了全物理过程的ＮＭＣη模式和带有充过程的伴模式。４ＤＶＡＲ试验的结果 资料同化期间和同化以后，用了积云对流修改方案和降水资料后，最小化过程迭代十次便收敛，降水预报了，特别是４ＤＶＡＲ方法比最优内插方法在改善降水预报方面更优越。     

天气预报的相似-动力方法

本文将预报对象分解为参考态和扰动态两部分,参考态根据与预报对象初始场相似的原则从历史观测资料中选定,其演变过程是已知的;扰动态的演变则用动力方法预报。用准地转正压模式作了若干模拟实验,结果表明,该方法能利用历史资料提供的信息部分弥补预报模式的缺陷,不要求参考态与预报对象有很高的相似性,其预报结果就明显优于现行的数值预报方法。     

HUBEX区域资料同化系统

介绍HUBEX区域资料同化系统。这个系统采用6 h周期的间歇资料同化方法, 利用全球粗网格分析场资料, 形成冷启动的初估场和同化模式的边界条件。系统还包括资料质量控制、σ面最优插值客观分析、张弛逼近 (Nudging) 初值化、中尺度同化模式预报和后处理等部分, 对来自全球通讯系统、HUBEX加密观测的资料和国家卫星气象中心的导风资料进行同化。最后, 用1998年6月24~28日长江流域的暴雨过程对这个资料同化系统进行测试。     

中尺度数值模式的资料同化系统：（一）伴随模式的设计

以一个有限区域的中尺度模式为基础,采用伴随模式技术进行有限区域气象资料的同化。伴随模式的方法是以数值天气预报的动力模式作为约束条件的变分方法,比传统的变分方法有了很大的改进。本文初步探讨了伴随模式系统的设计方法,特别是伴随模式的构造问题;用共轭码地方法导出伴随模式;初步试验表明该系统有较强的同化能力。     

The wind in the baroclinic boundary layer with three sublayers incorporating the weak non-linear effect

In considering the weak non-linear effect, and using the small parameter expansion method, the analyt-ical expressions of the wind distribution within PBL (planetary boundary layer) and the vertical velocity at the top of the PBL are obtained when the PBL is divided into three layers and different eddy transfer coefficients K are adopted for the three layers. The conditions of barotropy and neutrality for the PBL are extended to that of baroclinity and non-neutral stratification. An example of a steady circular vortex is used to display the characteristics of the horizontal wind within the PBL and the vertical velocity at the top of the PBL. Some new results have been obtained, indicating that the magnitude of the speed in the lower height calculated by the present model is larger than that by the model in which k is a constant within the whole boundary layer, for example, in the classical Ekman boundary layer model and the model by Wu (1984). The angle between the wind at the top of the PBL and the wind near the surface calculated by the present model is less than that calculated by the single K model. These results are in agreement with the observations.     

Data Assimilation Strategies in the Planetary Boundary Layer

We investigate the effect of the assimilation of surface and boundary-layer mass-field observations on the planetary boundary layer (PBL) within a one-dimensional (1D) version of the non-hydrostatic Fifth-Generation Pennsylvania State University/National Center for Atmospheric Research Mesoscale Model (MM5). We focus on the vertical extent and effects of mass-field nudging within the PBL based on surface observations, and the added value of assimilating column mass observations within the PBL. Model experiments for dynamic initialization and dynamic analysis are conducted and composited for 29 May, 6 June, and 7 June 2002 during the International H₂O Project (IHOP) over the Southern Great Plains, U.S.A. Advantages are found when the data assimilation uses the innovation (the difference between the modelled value and the observed value) calculated by comparing the surface mass-field observation to the model value at the 2-m observation height rather than at the lowest model level. It is shown that this innovation can be applied throughout the model-diagnosed PBL via nudging during free-convective conditions because of the well-mixed nature of the PBL. However, in stable conditions, due to decreased vertical mixing the surface innovation may be best applied only in a shallow layer adjacent to the surface. Surface air-temperature innovations were also applied to the top soil-layer temperature to minimize disruption to the surface energy balance. In combination with the surface observations, the use of within-PBL mass-field data assimilation improves the simulated PBL structure.     

Evidence of a Mixed-Layer Dynamics Contribution to the Entrainment Process

The internal thermal boundary layer developing over the Mediterranean during a cold-air outbreak associated with a Tramontane event has been studied by means of airborne lidar, in situ sensors, and a modelling approach that consisted of nesting the University of Washington (UW) planetary boundary-layer (PBL) model in an advective zero-order jump model. This approach bypasses some of the deficiencies associated with each model: the absence of the dynamics in the mixed layer for the zero-order jump model and the lack of an inversion at the PBL top for the UW PBL model. Particular attention is given to the parameterization of the entrainment flux at the PBL top. Values of the entrainment closure parameter derived with the model when matching PBL structure observations are much lower than those derived with standard zero-order jump models. They also are in good agreement with values measured in different meteorological situations by other studies. This improvement is a result of the introduction of turbulent kinetic energy production in the mixed layer.     

激光雷达反演边界层高度方法评估及在北京的应用

边界层高度是影响大气边界层发展和空气污染程度的重要因子,是环境和气候研究的重要参数。本文利用激光雷达对北京地区2011年5月至2012年4月的边界层高度进行探测分析,采用小波协方差方法反演边界层高度,评估了该方法的适用性。得到基于小波协方差方法自动判断边界层高度的最优参数组合,激光雷达与飞机探测结果对比一致性较好;与探空结果相关系数0.88,激光雷达反演的边界层高度略偏高。当激光雷达的垂直分辨率为30 m时,更加适合北京地区的步长和阈值分别为210 m和0.05;当激光雷达的垂直分辨率为15 m时,步长和阈值分别为135 m和0.05。分析期间,不同季节边界层高度日变化有明显的不同,夏季14:00（北京时）左右达到最高,较高的边界层高度可维持3~4 h,平均可达1.30 km;冬季较高边界层高度只能维持2 h左右,平均为1.08 km。有云与无云天气边界层日变化特征以及边界层高度存在显著的差异,云的存在减少了到达地面的直接辐射,抑制了湍流的发展,进一步抑制了边界层的发展;本文也将激光雷达反演边界层高度结果应用于观测时期边界层高度与地面污染的关系研究中,统计得到边界层高度与PM2.5浓度的相关系数为－0.340。     

BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估

以北京市观象台2010年8月、2011年8月每日3次 (08:00, 14:00, 20:00,北京时,下同) L波段探空秒间隔数据为实况,对BJ-RUC系统 (rapid updated cycle system for the Beijing area) 分析和预报边界层性能进行了初步评估。结果表明:BJ-RUC系统对北京地区夏季白天边界层的细致特征具有较好的预报能力,但也存在明显的系统性误差。08:00边界层偏冷; 14:00和20:00 1 km以下的边界层则显著偏暖, 边界层内明显偏湿。整体上模式对边界层内温度、湿度的预报误差均高于自由大气。该系统对北京地区边界层内早晨 (08:00) 从夜间山风向白天谷风环流过渡、午后 (14:00) 到日落后 (20:00)1500 m以下盛行西南偏南气流的日变化特征具有较强的预报能力。系统预报的14:00边界层顶高度与评估时段内实际对流边界层高度的变化趋势一致。但预报的对流边界层顶偏高,这与BJ-RUC系统采用YSU边界层参数化方案的垂直混合更强有关。     

北京地区夏季边界层结构日变化的高分辨模拟对比

使用WRF中尺度数值模式, 分别选用两种不同的边界层参数化方案 (MYJ, YSU) 和3种陆面参数化方案 (SLAB, Noah, RUC), 对2004年7月1日08:00—7月4日20:00 (北京时) 北京地区夏季边界层结构进行1 km的高分辨模拟。对比分析了近地面层风场、温度场以及边界层的日变化特征, 结果发现:WRF模式基本模拟出了北京夏季边界层的日变化特征; 在边界层方案中, MYJ方案描述的边界层结构较YSU方案合理; Noah陆面模式较好地反映了城市的热岛效应; 无降水时, 风速及边界层高度对于陆面过程不敏感, 而降水发生后, 陆面过程对于边界层结构的影响增大; 各方案模拟的城区风速明显偏大, 这是因为没有充分考虑城市建筑物的阻力作用。     

一维地气耦合模式及其在内蒙草原的应用

本文以内蒙草原大气边界层观测资料为基础，利用一个一维土壤一植被一大气模式对大气和地表进行耦合模拟。其中，地面过程采用ＮＰ８９模式进行模拟，大气湍流参数化采用二阶闭合。运用观测与前人的研究成果对模拟结果的合理性进行验证，对比表明模式较好地解决了地表与大气的耦合，成功地对地表平坦的草原下垫面大气边界层进行模拟。分析表明，在半干旱内蒙草原草的生长季后期雨季８月，潜热通量占主导地位，最大可超过感热２５０Ｗ／ｍ２；在内蒙高原云的作用比较明显，影响不可忽略，模式对云的作用比较敏感。     

Evaluation of the Weather Research and Forecasting Mesoscale Model for GABLS3: Impact of Boundary-Layer Schemes,Boundary Conditions and Spin-Up

We evaluated the performance of the three-dimensional Weather Research and Forecasting (WRF) mesoscale model, specifically the performance of the planetary boundary-layer (PBL) parametrizations. For this purpose, Cabauw tower observations were used, with the study extending beyond the third GEWEX Atmospheric Boundary-Layer Study (GABLS3) one-dimensional model intercomparison. The WRF model (version 3.4.1) contains 12 different PBL parametrizations, most of which have been only partially evaluated. The GABLS3 case offers a clear opportunity to evaluate model performance, focusing on time series of near-surface weather variables, radiation and surface flux budgets, vertical structure and the nighttime inertial oscillation. The model results revealed substantial differences between the PBL schemes. Generally, non-local schemes tend to produce higher temperatures and higher wind speeds than local schemes, in particular, for nighttime. The WRF model underestimates the 2-m temperature during daytime (about \(2\) K) and substantially underestimates it at night (about \(4\) K), in contrast to the previous studies where modelled 2-m temperature was overestimated. Considering the 10-m wind speed, during the night turbulent kinetic energy based schemes tend to produce lower wind speeds than other schemes. In all simulations the sensible and latent heat fluxes were well reproduced. For the net radiation and the soil heat flux we found good agreement with daytime observations but underestimations at night. Concerning the vertical profiles, the selected non-local PBL schemes underestimate the PBL depth and the low-level jet altitude at night by about 50 m, although with the correct wind speed. The latter contradicts most previous studies and can be attributed to the revised stability function in the Yonsei University PBL scheme. The local, turbulent kinetic energy based PBL schemes estimated the low-level jet altitude and strength more accurately. Compared to the observations, all model simulations show a similar structure for the potential temperature, with a consistent cold bias ( \(\approx \) 2 K) in the upper PBL. In addition to the sensitivity to the PBL schemes, we studied the sensitivity to technical features such as horizontal resolution and domain size. We found a substantial difference in the model performance for a range of 12, 18 and 24 h spin-up times, longer spin-up time decreased the modelled wind speed bias, but it strengthened the negative temperature bias. The sensitivity of the model to the vertical resolution of the input and boundary conditions on the model performance is confirmed, and its influence appeared most significant for the non-local PBL parametrizations.     

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。     

WRF模式边界层参数化方案对川渝盆地西南涡降水模拟的影响

应用WRF v4.0模式五种边界层参数化方案（YSU、MYJ、MYNN2、ACM2和SH）,对2016 年汛期（5～9月）在川渝盆地东部造成暴雨的所有西南涡过程进行了数值模拟,检验评估了它们对各量级降水的预报能力,并基于加密的L波段秒级探空资料对比分析了模拟与实况边界层结构的差异,结合各方案对湍流运动的算法特点探讨了其差异的原因,最后对ACM2方案进行了湍流强度调整,由此改善其对于川渝盆地边界层与西南涡降水的模拟能力。结果表明:ACM2和YSU方案TS评分表现较好,相对其它方案ACM2空报较少,这种可以根据周围环境的稳定性切换局地或非局地算法的方案更适合于盆地西南涡降水模拟,但边界层方案对西南涡降水的空报都较普遍,尤以大量级降水更明显;精细的探空资料进一步表明,所有方案模拟的白天边界层高度都偏高,湍流混合强度都偏强。通过参数调整而降低混合强度的ACM2方案,模拟的边界层温湿结构则更符合实际观测,其边界层下部温度更低、湿度更高,减少了大量级降水的空报,使盆地西南涡降水模拟有一定改善;边界层参数化方案对西南涡模拟的差别主要体现为不同的西南涡位置与降水强度,但归根到底都源于方案的局地或非局地特性、不同的混合强度这两方面原因。因此,根据不同特定区域下垫面环境与气候状况合理选择方案的特性和混合强度是准确模拟边界层结构及其降水过程的关键。