一粗细网格模式“三维嵌套”方案的设计及试验结果分析

该文简要地分析了水平侧边界嵌套技术中存在的问题，提出了“三维嵌套”的设想，并就不同范围对水平侧边界嵌套及三维嵌套方案进行了对比试验。试验结果表明：（１）三维嵌套方案对区域模式的降水及中、下层形势场的预报均有所改进；（２）嵌套区域越小，三维嵌套方案对预报的改进效果越明显；（３）三维嵌套方案对预报的改进随积分时间的增长而愈加显著     

一种减少有限区气候模式嵌套误差积累的方法

介绍了一种用于减少有限区气候模式中嵌套误差积累的新方法——三维嵌套方法 ,详细阐述了这种方法提出的原因、必要性和它的理论基础。在有限区气候模式上进行三维嵌套与二维嵌套的对比试验 ,试验结果表明三维嵌套方案可减少嵌套预报误差的积累 ,并且对于降水的预报也有很大的改善。     

一种减少有限区气象模式嵌套误差积累的方法

介绍了一种减少有限区气候模式中嵌套误差积累的新方法－三维嵌套方法，详细阐述了这种方法提出的原因，必要性和它的理论基础，在有限区气候模式上进行三维嵌套二维嵌套的对比试验，试验结果表明三维嵌套方案可减少嵌套预报误差的积累，并且对于降水的预报也有很大的改善。     

MOMS中尺度模式两维和三维嵌套方法的研究

对MOMS模式实施了两维和三维嵌套。探讨了物理量松驰方案的边界条件。对一次快速发展的蒙古气旋进行了模拟对比试验。结果表明：三维磁最能体现大尺度环境场对有限区域天气系统的强迫作用,模拟结果更加逼近实况,并指出这次气旋发展的能量主要来源于大尺度平均运动动能的转换。     

利用有限区域模式对1979年1月东亚平均环流和寒潮过程的初步模拟试验

利用不同分辨率的有限区域数值模式, 由FGGE III b分析场提供模式的初始条件和随时间变化的侧边界条件,通过长时间连续积分对东亚地区5.625～63.75oN、61.375～138.75oE范围内,1979年1月的平均环流和寒潮过程进行了模拟和试验研究。文中首先考察了在研究时段内长时间积分后,模式的计算性能及其稳定性。结果表明,由于强加于模式的侧边界条件的作用,可以使得误差增长控制在一定范围之内。在此基础上进一步分析了误差的时空分布特征及其成因。通过对24小时变高、24小时变温负中心值和逐日温压场的分     

区域气候模拟中侧边界嵌套误差的研究

在复杂地形条件下嵌套细网格模式的基础上，建立了与球圈模式相嵌套的区域模式系统，对几种不同条件下的嵌套误差进行了比较分析，研究了区域模式嵌套误差的特征分布及时空演变特征。初步分析表明:区域模式嵌套造成的误差在不同区域的分布不同，且不同的物理量在时空的分布也不同；动能场的误差主要在边界区上层的流入区，感热场的误差在边界区上层，水汽的误差在边界区上层的流入区；侧边界输入时间间隔对模式嵌套误差有一定的影响。有限区细网格模式在上层长波误差大于粗网格环圈模式上层误差，在下层短波模拟的误差比粗网格环圈模式的下层误差要小。相速误差对侧边界嵌套误差的影响在下层很严重，嵌套误差的大小与大小模式的网格距之比有关；在大小模式物理参数化过程一致的条件下，无日变化的区域模式其嵌套误差远大于有日变化的区域模式嵌套误差。     

利用GCM模式对全球雷电活动的模拟分析

将修正的参数化方案嵌套入美国马里兰大学海-陆-气研究中心的全球大气环流谱模式(COLAGCM),建立了可用于全球雷电活动模拟与估测的模式系统.通过对模式输出与实况资料的对比,检验其气候模拟性能.虽然模式的分辨率较低但经过较长时间积分,仍可再现实况资料的主要特征.性能良好,计算稳定,且因时间步长较大可大大节省机时.耦合模式系统经长时间的积分后,模拟的多年平均的全球雷电频次时空分布及变化与观测分析较一致.全球范围内每秒钟平均有79次的雷电发生,陆海比为12.2.多发生在北半球夏季且具明显的季节变化特征.     

中尺度业务模式系统侧边界嵌套方法的研究

为提高预报准确率，在对多种嵌套方案试验对比的基础上，选用了一种计算效果较好，方法也不甚复杂的Ｄａｖｉｅｓ物理量松弛方案，对中尺度业务模式系统进行了预报试验。其网格边界值采用Ｔ４２Ｌ９谱模式的预报值。嵌套模式与原模式用同一个例进行了预报对比试验。结果表明，嵌套方案考虑了大尺度环流背景场在边界附近对中尺度系统的强迫作用，提高了有限区域模式的实际预报能力。     

区域和全球模式的嵌套技术 及其长期积分试验

将区域模式嵌入澳大利亚CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organization）的全球模式中,并将其应用于区域模式的长期气候积分试验。模拟结果表明,当区域与全球模式嵌套时,边界吸收问题十分重要,由区域模式得到的高分辨率大尺度环流形式在边界上必须与全球模式提供的强迫一致,同时区域模式必须给出基于模式内部物理过程产生的高分辨信息。因此,在嵌套过程中,必须仔细考虑缓冲区的设置,使大尺度强迫与中尺度特征充分混合,既保持区域模式内外的一致性,又使区域内部中尺度强迫物理过程得到充分发展。将区域模式与澳大利亚CSIRO的9层21波三角形截断谱模式嵌套后,完成了连续3年的区域气候模式积分。模拟结果表明,由于区域模式较好地刻划了区域尺度的地形、下垫面和海岸线分布等的细节特征,模拟的区域气候特征比全球模式有较大的改进,尤其是对季风降水的模拟,区域模式明显改进了全球模式的模拟结果。     

阴阳网格上通量型非静力模式动力框架的理想试验

为改善球面经纬度网格在高分辨率应用的苛刻限制,提高全球大气动力模式的时间积分效率,选取以阴阳网格为基础构建通量型非静力大气模式动力框架,采用有限体积法和通量型平流显式算法积分方案,保证模式的守恒计算性能。该动力框架在标准三维大气理想试验中进行了中期积分试验,对动力框架的计算效果、性能进行检验。在三维平衡流试验,罗斯贝-豪威茨波试验和山脉罗斯贝波试验中均表现出很好的稳定性和三维计算效果,其中水平2.5°分辨率模式的平衡流垂直速度误差为10-5量级,而经向速度误差在10-2量级,罗斯贝-豪威茨波保持基本波形稳定传播,而地形罗斯贝波试验则给出背风坡激发低槽在发展过程中不断向下游和南半球传播。      

地气耦合非定常距平模式的准业务预报试验

本文用地气耦合非定常距平模式对1988年1—12月北半球100 hPa、500 hPa、海平面气压和地面温度的月距平场进行了为期一年的逐月30天预报准业务试验。结果表明,模式对月距平场距平符号的趋势预报以100 hPa效果最好,海平面气压较差;模式对500 hPa、地面温度的月距平场预报优于持续性预报,表明该模式对距平场形势有一定的预报能力。试验结果还表明,模式预报在中低纬优于中高纬;但对不同层次、不同月份的预报效果不够稳定,而且对低值系统预报能力较差。模式的一个突出问题是预报场空间过份平滑,尚须作进一步试验、改进。     

不同初始场资料对台风“桑美”数值模拟的影响

以2006年超强台风"桑美"为个例,分别以GFS(全球预报系统)再分析资料和JMA(日本气象厅)区域客观再分析资料为初始场,利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对台风"桑美"进行高分辨率数值模拟,分析不同初始场资料对台风内部结构和移动路径的影响。结果表明:对于500hPa高度场和850hPa水汽、风场等预报,GFS再分析资料和JMA区域客观再分析资料均能较好地把握台风整体的流场形势。从700hPa风场、近地面风速、降水、雷达反射率、最小海平面气压和最大风速等模拟效果来看,JMA区域客观再分析资料均优于GFS再分析资料。对于台风路径的预报,前15h内JMA区域客观再分析资料较GFS再分析资料要好,而15h之后,以这两种资料作为初始场的台风预报路径与实况均有较大偏差。     

定量降水预报技术进展

采用ECMWF interim再分析资料、ECMWF集合预报资料、自动站降水资料,运用“集合异常预报法”和“EFI（Extreme Forecast Index）阈值法”对浙江东部一次台风远距离极端降水的成因和可预报性进行探讨,结果表明：（1）台风倒槽长期存在,在北侧冷空气入侵作用下在浙江沿海地区引起锋生,并在倒槽顶端诱生低压环流,是造成浙江东北部大暴雨的主要原因。（2）36 h时效的集合预报显示,大气可降水量、850 hPa南风分量、925 hPa水汽通量和200 hPa辐散都超过气候平均值3~4个标准差,且超过3个标准差的概率也达到了70%~90%,表明浙江沿海有优越的动力和充沛的水汽条件,异常强烈的天气信号,预示发生极端降水为高概率事件。（3）随着预报时效的延长,各物理量异常概率会明显减小,因此在判断极端天气发生可能性时应降低预警的概率阈值。（4）不同时效降水的EFI对95%和99%百分位事件的预报效果均很好,可以比确定性预报提前3~4 d提供极端降水信号。EFI指数所反映的极端降水信息较确定性模式更加可靠且稳定,在决策服务中具有更高的参考价值。（5）“集合异常预报法”可以获得与极端天气相关的形势场和物理量的异常概率,而EFI在长时效的预报更具优势,两者结合、优势互补,可以为预报员提供更全面的极端天气信号。

     

滇西北高原一次突发性特大暴雨过程水汽输送特征分析

针对滇西北高原华坪县一次突发性特大暴雨天气过程,采用常规计算及数值模拟方法,分析其水汽输送特征。结果表明:中南半岛热带低压及孟加拉湾低压稳定维持为暴雨区水汽输送通道建立提供较好的大尺度环境场;暴雨区存在两条水汽输送通道,孟加拉湾低压东侧偏南气流转向后形成的西南水汽输送与副热带高压南侧偏东气流转向后形成的西南水汽输送,其源地可追溯至南海、西太平洋、孟加拉湾、阿拉伯海等地;水汽输送及水汽辐合主要来自700hPa以下层,其中700hPa与850hPa水汽输送特征与整层水汽输送特征表现一致;数值模拟结果可较好再现暴雨区水汽输送特征,同时发现后向追踪时段内,暴雨区中低层水汽输送起始于该高度层之上,随暴雨发生时间临近水汽输送高度逐渐降低。     

长波辐射对大气变化的敏感性和在WRF模式中的应用检验

用RRTM长波辐射 (LWR)参数化方案测试了LWR对大气变化的敏感性。结果表明 :高云对向外长波辐射(OLR)、30 0和 5 0 0hPa净LWR通量的减弱作用较中、低云大 ;低云对 85 0hPa和地表净LWR通量的减弱作用较中、高云大。在云层中 ,LWR冷却率受云影响最大 ;在云层下方 ,云对LWR的影响迅速减小 ;而在云层上方 ,冷却率几乎不受云的影响。当水汽含量减少或增加时 ,地表向下LWR受到相应减弱或增强 ,而净LWR则在一定程度上受到相应增强或减弱 ,并且越接近地面 ,受到水汽变化的影响就越大。O3 对LWR的影响相对云和水汽来说是比较小的。文中介绍了在WRF模式中应用RRTM方案预报LWR不同季节的 2个个例 ,给出了应用NCEP/AVN分析资料预报和验证中国范围 2d之内LWR通量的模拟结果。试验表明 ,OLR和 5 0 0hPa净LWR通量与高度形势场有较好的对应关系 ,而地表净LWR很大程度上还受到地形的影响。     

上对流层/下平流层水物质分布与输送特征

基于Aura卫星微波临边探测仪（MLS）探测的水汽、冰水含量和温度等资料,对比分析了夏季亚洲季风区与北美季风区、暖池区以及伊朗高原上对流层/下平流层水汽、冰水含量以及水物质总含量（水汽和冰水含量之和）的分布特征,并探讨了不同区域水汽的输送过程。结果表明：在215-83 hPa高度上水物质总含量在亚洲季风区均出现了高值中心,且亚洲季风区水物质总含量明显大于北美季风区;在215 hPa高度水汽对水物质总含量起主要的贡献,而到了147-83 hPa高度,冰水含量与水汽对水物质总含量的贡献大致相当,亚洲季风区上对流层/下平流层水汽的高值中心揭示了反气旋对水汽的隔离作用。水汽混合比在147 hPa和100 hPa高度不同的概率密度分布反映出不同高度影响水汽输送的不同因素。北半球冬季暖池区100 hPa上空温度极低,水汽混合比峰值概率仅为2 ppmv;而在147 hPa高度上,亚洲季风区频繁的深对流使得大量水汽被输送到对流层上层,这是亚洲季风区水汽概率“长尾”分布的主要原因。在100 hPa和147 hPa高度,冰水含量主要集中在小值,可能是由冰晶粒子消耗水汽而增长到一定尺度后沉降造成的。     

秦岭大巴山地形对陕南强降水的影响研究

2021年4月23日陕西东南部出现了大范围暴雨天气,共有18站日降雨量超过4月日雨量极值,较为罕见。利用常规高空、地面观测资料及ERA5再分析资料(0.25°×0.25°)对该暴雨过程成因及极端性进行诊断,结果表明：500 hPa高原槽前强西南气流带来的正涡度平流有利于低空急流的增强以及低涡的发展和维持。该过程有两支强水汽输送带,一支为偏南风水汽输送带,另一支为热带气旋外围的偏东风水汽输送带,700 hPa切变线以及850 hPa西南低涡给陕南带来显著的水汽辐合,持续充沛的水汽供应及辐合使得强降雨维持较长时间,从而形成暴雨。探空上有明显锋面逆温,锋区由南向北呈倾斜结构,锋生主要由辐合项和水平变形项贡献,其中水平变形项以伸缩变性项为主。西南暖湿气流沿着层冷垫爬升,中低层大气的风速、风向切变以及锋生造成强烈水汽辐合上升,同时偏南急流沿着秦岭和大巴山迎风坡的强迫抬升进一步增强了降水。标准化异常(SD)诊断显示,700 hPa、850 hPa超过3σ的异常偏强偏南风水汽输送以及850 hPa超过3σ异常偏强的偏东风水汽输送,造成陕西整层水汽含量异常偏大,同时由于中层辐合加上锋生造成的垂直环流,使得陕西东南部上升运动较气候态异常偏强3σ,造成4月份陕西极端暴雨过程。

     

基于多源资料的一次暖区暴雨水汽特征分析

利用常规气象观测资料、NCEP逐6 h再分析资料(1°×1°)、微波辐射计资料以及HYSPLIT模式等,对2021年7月5日冀中平原一次暖区暴雨过程的水汽输送特征进行对比分析。结果表明：应用HYSPLIT模式模拟分析后发现,本次过程中925和850 hPa降水开始前比湿在12 g/kg以上,是暴雨区的主要水汽贡献者,其主要水汽通道为西南路径,水汽贡献率分别占57.57%和63.64%。源自黄海或途径黄海、渤海等地的气块在东南转西南气流的引导下为暴雨区低层带来丰富的水汽,同时源自亚欧大陆中高层的气块,随着西风带长波槽脊的运动,为暴雨区上空500 hPa带来干空气,构成上干下湿的不稳定层结。降水开始前,925和850 hPa在相应引导气流的作用下,水汽不断向冀中平原输送,使得优良的水汽条件主要集中于低层大气,与HYSPLIT模式模拟结果一致。通过微波辐射计对降雨过程的水汽特征进行分析,结果表明在降雨开始前,700 hPa以下高度的水汽含量有明显增加,水汽密度最大达到14 g/m³。分析3种不同资料得到相似结论,但HYSPLIT模式和微波辐射计两种高时空分辨率资料的应用...     

2022 年初冬伊犁河谷一次极端暴雪过程诊断分析

为了更全面地伊犁河谷极端暴雪发生发展的机制,利用常规探空和地面观测资料、FY-2H长波辐射资料(Outgoing Long-wave Radiation,OLR)和NCEP/NCAR１°×１°再分析资料,采用天气动力学分析方法对2022年11月22日-24日出现在伊犁河谷极端暴雪过程的成因和动力结构演变特征进行分析,结果表明:(1)此次降雪为强锋区降雪,锋区内不断有短波东移,是暴雪发生的大尺度环流背景;300hPa极锋急流、500hPa强锋区、700hPa强偏西急流的流场配置起至关重要作用。(2)低层冷空气入侵,迫使暖湿空气抬升、气温下降,形成了下冷上暖的强逆温层结,而导致降水相态转变。降雪持续时间长,导致强降雪发生。(3)低层偏西急流把水汽输送到暴雪区,并在暴雪区上方产生强的水汽辐合中心,为本次暴雪提供了有利的水汽条件。散度场对大暴雪的发生有较好的先兆意义,双辐合-辐散结构的散度场特征可以作为预报降雪加大的指标。(4)暴雪过程发生时大气处于对流稳定状态,但存在对称不稳定能量的释放。(5)OLR特征分析表明OLR３ｈ平均值与３ｈ降雪量存在明显的负相关关系。     

辽宁两类降雪过程的对比及定量降雪预报指标

利用常规气象观测资料和NCEP1°×1°资料,普查辽宁省最近10 a来区域性暴雪、大雪、中雪天气过程,大致可分为北上水汽型和东北上水汽型两类。从环流背景、水汽和动力条件方面对比分析了2004年12月19日和2002年12月16日两次不同类型的降雪过程,发现北上水汽型降雪过程850 hPa比湿和水汽通量大,水汽条件强,动力条件相对弱;而东北上水汽型的降雪过程850 hPa比湿和水汽通量相对小,但动力抬升和辐合作用强。通过分析10 a来辽宁不同类型5场区域性暴雪、8场区域性大雪、9场区域性中雪的水汽条件和动力条件物理量阈值区间,发现北上水汽型降雪过程850 hPa比湿和水汽通量大于东北上水汽型同级别降雪过程,在降大雪量级时的850 hPa比湿和东北上水汽型暴雪过程相当;东北上水汽型降雪过程的最大螺旋度、850 hPa散度、最大垂直速度和850 hPa急流要强于北上水汽型,而且降雪级别越高差距越明显,其中暴雪量级最大垂直速度、850 hPa急流已经达到产生暴雨的动力条件。