不同积云对流参数化方案对中国东部降水模拟的对比分析

本文将目前国际上气候模式中应用比较广泛的三种积云对流参数化方案引入到P-σRCM9区域气候模式中,并考察了不同积云对流参数化方案对P-σRCM9区域气候模式模拟中国降水性能的影响.分析发现四种积云对流参数化方案(包括原方案)下模拟的积云对流加热率基本上都呈现出单峰特征,且加热峰值出现在对流层中低层.并发现积云对流参数化方案对冬季降水平均场和年际变率模拟的影响较小,而对夏季降水模拟的影响更加重要.同时注意到Kuo方案和Anthes-Kuo方案模拟的冬、夏季降水平均场和年际变率均较其他两个方案更接近观测.     

区域气候模式不同积云对流参数化方案对新疆气候模拟的影响研究

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7种积云对流参数化方案对新疆地区进行2006年10月1日至2008年3月1日的模拟积分试验,重点考察模式在水平分辨率为10 km下不同积云对流参数化方案对新疆地区气象要素模拟的敏感性。结果表明:1）采用7种积云对流参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量、平均温度的空间分布及大气的垂直结构。2）对于不同区域来说,采用各种积云对流参数化方案的模式都能模拟出候降水及候平均温度随时间演变,模式候降水与观测的相关系数在0.20~0.85之间,而候平均温度与观测的相关系数在0.98以上。对于整个新疆地区来说,采用各方案模式模拟的低层偏干偏冷,大气层结较稳定导致降水较观测偏少,而其中天山地区模式模拟的低层较观测偏湿偏暖,大气层结偏向不稳定导致降水偏多。3）采用新的Grell和Kain-Fritsch（new Eta）方案模式模拟的效果综合来看较好。因此利用WRF模式开展新疆地区数值模拟研究时应该考虑不同积云对流参数化方案适用范围。     

基于WRF的积云对流参数化方案对中国夏季降水预报的影响研究

为了研究WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度模式中积云对流参数化方案对夏季降水预报的影响,基于水平分辨率为9 km的WRF模式,采用Kain-Fritsch(KF)、尺度适应的KF、Tiedtke、new Tiedtke和尺度适应的new Tiedtke方案等5种积云对流参数...     

WRF中不同积云对流参数化方案对青岛降水预报影响的对比分析

1~10 km水平分辨率是中尺度模式是否采用积云对流参数化方案的"灰色带"。基于青岛市气象局9 km分辨率WRF模式,分别选择KF、GD和BMJ三种积云对流参数化方案对青岛5次大范围降雨过程进行预报试验,分析比较不同积云对流参数化方案对青岛地区降水预报效果的影响。结果表明,这三种积云对流参数化方案对不同量级的降雨具有不同的预报性能:BMJ对小雨预报性能最佳;没有考虑积云对流参数化过程的控制试验对中雨的预报效果最好,KF方案次之;GD方案对大雨和暴雨预报效果均较好。对稳定性降水,GD方案对沿海站点降雨量预报效果较好,KF方案则对内陆站点预报性能较好;对对流性降水,BMJ方案无论是在沿海站点还是在内陆站点都有比较好的预报效果。在降雨空间分布上,对稳定性降水过程,各试验方案均模拟出了小于50 mm的降雨区,对大于100 mm强降雨区,GD方案具有较好的预报效果;对对流性降水过程,BMJ方案预报效果整体较好。     

两种积云参数化方案对青藏高原夏季降水影响的模拟

利用区域气候模式RegCM4.0分析了Tiedtke和Emanuel两种积云对流参数化方案对青藏高原(下称高原)夏季降水模拟的影响,并利用JRA-25资料和NCEP资料作对比分析。结果表明,高原夏季降水呈南多北少分布,空间变化复杂;降水主要由对流产生,且有明显的逐日和逐月变化趋势;Tiedtke方案模拟的降水强度和分布范围较Emanuel方案和验证资料偏小,但对对流降水日变化模拟较好。对流层中下层大气的干湿状况对降水影响显著;垂直运动和水汽输送受地形影响大,高原中部、东部及西北部地区均有净的水汽输入;高原东南端的强上升运动区可伸至对流层中上层,其余地区垂直运动尺度较小;祁连山地区高层空气下沉、低层空气上升,是造成该地区降水较周边地区偏多的原因之一。本次试验还表明基于质量通量的积云对流参数化方案在高原地区虽具有一定适用性,但Tiedtke方案需很大改进,尤其是对小尺度对流活动的改进,从而提高其模拟能力。     

积云对流参数化方案对大气含水量及降水的影响

中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室所发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL, 自从发展成R42L26新版本之后, 显示出对全球气候基本态的模拟能力, 但模式对流层低层以及热带地区整层偏干, 且对热带地区的降水模拟存在“双赤道辐合带”这一普遍误差, 在赤道地区以及北半球中纬度降水偏少, 而在拉丁美洲降水偏多。敏感性试验表明这些误差是相互联系的。通过将700 hPa以下的相对湿度趋近于“观测资料”的试验显示模拟的降水误差减小了。据此, 对Tiedtke 积云对流参数化方案中的浅对流部分进行修改, 增加了浅对流的侧向混合的卷入以及卷出率, 并减小了对流方案中的云水[CD*2]雨水的转换率, 将其耦合到模式中。积分结果表明, 修改后的方案明显改进了湿度和温度场的模拟, 对降水的模拟能力有了很大的提高, 基本消除了“双赤道辐合带”现象。     

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.     

两种积云对流参数化方案对1998年区域气候季节变化模拟的影响研究

利用区域气候模式RegCM3,选择Kuo-Anthes积云对流参数化方案和基于FC80假设的Grell积云对流参数化方案,对1998年东亚气候分别进行年尺度模拟,模拟结果对比分析表明:在春、夏季转换时期, 两者模拟的降水形势差别较大, 对江淮、中南和华南地区的夏季降水量模拟差别最为明显。对流层上层模式变量和模式大气质量对积云对流参数化方案的选择不敏感, 而对流层中、下层模式变量对积云对流参数化方案比较敏感。不同积云对流参数化方案对8天时间尺度的天气系统模拟差别比较大。在积云对流比较活跃的夏季,不同参数化方案会导致模式大气出现不同的系统性偏差。由于模式在陡峭地形处动力过程计算方案存在缺陷,在高原与盆地的交界处,模式误差会产生明显的突变。     

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。     

Sensitivity of Precipitation over China to Different Cumulus Parameterization Schemes in RegCM4

The effect of different cumulus parameterization schemes(CPSs) on precipitation over China is investigated by using the International Centre for Theoretical Physics(ICTP) Regional Climate Model version 4.3(Reg CM-4.3) coupled with the land surface model BATS1e(Biosphere-Atmosphere Transfer Scheme version1e). The ERA-interim data are utilized to drive a group of simulations over a 31-yr period from September1982 to December 2012. Two typically sensitive regions, i.e., the eastern Tibetan Plateau(TP; 29°–38°N,90°–100°E) and eastern China(EC; 26°–32°N, 110°–120°E), are focused on. The results show that all the CPSs have well reproduced the spatial distribution of annual precipitation in China. The simulation with the Emanuel scheme shows an overall overestimation of precipitation in China, different from the other three CPSs which only overestimate over northern and northwestern China but underestimate over southern China. Seasonally, the Tiedtke scheme shows the smallest overestimation in winter and summer, and the best simulation of the annual variance of precipitation. Interannual variations of precipitation among the four CPSs are generally simulated better in summer than in winter, and better for entire China than in the subregions of TP and EC. The precipitation trend is simulated better over EC than over TP, and better in summer than in winter. An overestimate(underestimate) of the East Asian summer monsoon index(EASMI) exists in the simulations with the Grell and the Emanuel(the Kuo and the Tiedtke) schemes.The smallest EASMI bias in the Tiedtke simulation could explain its small precipitation bias. A negative correlation between the EASMI and summer precipitation over the middle and lower reaches of Yangtze River is found in the Grell and the Emanuel simulations, but was missed by the simulations using the Kuo and the Tiedtke schemes.     

Impacts of Cumulus Convective Parameterization Schemes on Summer Monsoon Precipitation Simulation over China

By using the Betts-Miller-Janjic, Grell-Devenyi, and Kain-Fritsch cumulus convective parameterization schemes in theWeather Research and Forecasting (WRF) model, long time simulations from 2000 to 2009 are conducted to investigate the impacts of different cumulus convective parameterization schemes on summer monsoon precipitation simulation over China. The results show that all the schemes have the capability to reasonably reproduce the spatial and temporal distributions of summer monsoon precipitation and the corresponding background circulation. The observed north-south shift of monsoon rain belt is also well simulated by the three schemes. Detailed comparison indicates that the Grell-Devenyi scheme gives a better performance than the others. Deficiency in simulated water vapor transport is one possible reason for the precipitation simulation bias.     

边界层参数化方案对降水预报的影响

利用新一代WRF模式模拟了2003年7月8—10日的江淮暴雨,就WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验。发现分辨率为20 km时,WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度。采用边界层方案显然比不采用边界层方案的模拟效果好,但是MYJ方案与MRF方案相比并没有明显的优越性。另外发现边界层物理过程对格点尺度降水影响很小,模式主要通过边界层物理过程和积云对流过程之间的耦合,来改善对流性降水的模拟。     

Sensitivity Study of the South China Sea Summer Monsoon in 1998 to Different Cumulus Parameterization Schemes

In this study, the improved high-resolution regional climate model of the China National Climate Center (RegCM_NCC) is used to examine the sensitivity of the simulated circulation and rainfall during the South China Sea summer monsoon (SCSSM) period during 1998 in an effort to compare to other cumulus parameterization schemes. The investigation has indicated that the model is capable of simulating the seasonal march of the SCSSM and that the results were very sensitive to the choice of cumulus parameterization schemes. It seems that the Kuo cumulus parameterization scheme simulates the process of the SCSSM onset reasonably well, which can reproduce the onset timing and dramatic changes before and after the onset, especially the upper- and lower-level wind-fields. However, there are still some discrepancies between the simulations and observations. For example, the model can not completely simulate the intensity of the rainfall or the location of the western Pacific subtropical high as well as the feature of the rapid northward propagation of seasonal rain belt.     

区域气候模式对不同的积云参数化方案在青藏高原地区气候模拟中的敏感性研究

本文使用MIROC3.2_hires模式输出资料作为RegCM3 (The ICTP Regional Climate Model,V3.0)初边界资料,对RegCM3中常用的3种积云参数化方案Anthes-Kuo (AK)、Grell-Fritsch&Chappell (GFC)和MIT-Emanuel (MIT)方...     

GRAPES中尺度模式中不同积云参数化方案预报性能对比研究

利用我国新一代中尺度数值模式GRAPES_Meso,采用KFeta和BMJ两种积云对流参数化方案,对我国2009年冬季(1月)和夏季(6—8月)天气进行批量回报试验。回报试验结果表明：在冬季,两种方案对GRAPES_Meso模式的预报性能影响差异较小。在夏季,两种方案对模式回报效果的影响表现明显。在低层BMJ方案对形势场的回报性能略优于KFeta方案,中层则是KFeta方案明显优于BMJ方案,而在高层KFeta方案略优于BMJ方案。TS评分检验表明KFeta方案对降水的预报总体上优于BMJ方案,特别是中雨到暴雨量级在华南地区KFeta方案有明显的优势。两个方案预报积云降水平均贡献率的空间分布差异主要表现在低纬度洋面上,BMJ方案的贡献率比KFeta方案大。两个方案积云降水贡献率的概率分布形态在小雨量级上都呈陡峭的“U”型分布。KFeta方案随着降水量级的增大逐渐向大贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是积云降水的贡献;而BMJ参数化方案则是随着降水量级的增大逐渐向小贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是格点降水的贡献。     

不同对流参数化方案对1991年江淮暴雨的模拟对比

采用最新发布的区域气候模式RegCM3．1,分别引入Grell-AS、Grell-FC、Kuo和MIT-Emanuel 4种积云对流参数化方案,对1991年5～7月江淮地区暴雨进行模拟试验。从各月降水量的模拟来看,Grell—AS方案较好地模拟出了江淮暴雨的强度,尤其是对7月降水的强度和位置的模拟与观测非常接近;Grell—FC方案能较好地反映7月江淮暴雨的强度和位置,但对华南地区降水模拟一直显著偏强;Kuo方案能模拟大尺度降水的情况,但对强对流性降水模拟偏弱;MIT-Emanuel方案较好地反映了5月降水的空间形势,但各月降水的模拟都比观测强。从各区月平均降水的对比发现,Grell-AS和Kuo方案的模拟要优于Grell-FC和MIT-Emanuel方案。从降水的南北变动来看,Grell-AS方案较好地刻画了江淮地区雨带的强度和南北变动。高低空环流形势和整层水汽通量的分析表明,造成MIT-Emanuel方案降水模拟偏强的主要原因与水汽输送偏强有关。对4种积云对流参数化方案进行集合,其结果表明,物理过程集合方法能有效地减小物理过程参数化的不确定性对模拟结果的影响。     

中尺度模式中各种积云参数化方案的对比试验

利用非静力中尺度MM5数值模式，选择Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller4种积云对流参数化方案，对2003年7月25-26日台风登陆减弱为中尺度低压系统后影响云南产生的强降水过程进行模拟试验，重点分析了4种参数化方案模拟的降水分布、降水强度和中尺度低压的流场特征。结果表明：4种积云参数化方案对这次强降水过程均有一定的模拟能力，能够很好地模拟过程强降水中心的位置，但Grell、Kain-Fritsch和Betts-Miller3种方案模拟的大雨范围比实况大雨范围明显偏小，Betts-Miller方案模拟的降水强度比实况偏大，Anthes-Kuo方案的模拟结果与实况比较接近，它不仅能够很好地模拟强降水过程的降水区范围、降水强度和降水中心位置，还能很好地再现低压环流系统的一些中尺度特征。