不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。     

WRF模式夏季气温和降水模拟对陆面方案敏感性的评估

利用NCEP 1°×1°再分析资料,采用WRF V3模式和不同的陆面参数化方案(SLAB、NOAH、RUC、PLEX)对中国2003年夏季气温和降水进行数值模拟试验,评估其对陆面方案的敏感性,并着重分析在干旱、半干旱的西北地区以及湿润的华东地区不同陆面方案对气温和降水模拟的影响。结果表明:1)模式整体上能较好地模拟出总区域的气温场和降水场,但不同陆面方案间模拟结果存在一些差异,其中NOAH(SLAB)方案模拟结果最好(最差)。2)对子区域而言,模拟气温和降水对陆面方案均较为敏感。受气候特征的影响,华东地区气温和降水模拟对陆面方案的敏感性存在较大的差异,其中降水模拟的敏感性很高。此外,模拟的气温和降水空间分布形势在西北地区均较好,但其对陆面方案的敏感性在华东地区较高。3)模拟降水对陆面方案的敏感性要高于气温模拟。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对“8.8”舟曲暴雨过程的模拟

利用NCEP每6 h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用不同的陆面参数化方案,对2010年8月7—8日发生在甘肃舟曲的一次西北地区特大暴雨天气过程进行数值模拟试验。结果表明,此次暴雨过程数值模拟的准确率对陆面参数化方案的选择比较敏感。在WRF模式中,耦合陆面方案比不耦合陆面方案对暴雨的模拟效果更好,耦合陆面方案所模拟的降水分布、地表通量以及地面气象要素都与实况更加接近。耦合不同的陆面方案模拟的降水以及感热通量、潜热通量都存在较大的差别,但是采用不同的陆面方案模拟的地表温度和水汽差别并不大。总体而言,采用PX陆面方案对降水的模拟效果比采用其他方案都合理,与实况最接近。     

耦合不同陆面方案的WRF模式对2007年7月江淮强降水过程的模拟

利用WRF模式, 分别选用不同陆面参数化方案 (SLAB、 RUC、 NOAH、 UCM) 对2007年7月7～8日的江淮暴雨进行数值模拟试验, 模拟结果的对比分析表明: 虽然主要雨带的基本位置和大致走向受陆面方案的影响并不大, 但是降水强度的分布对陆面物理过程是敏感的, 耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况; 不同陆面方案模拟的降水量均较实况偏小, 然而由于考虑的要素和物理过程存在一定差异, 它们对降水的中心落点、 雨量值、 降水日变化、 降水类型以及降水条件的模拟各有所长; 特别值得指出, TRMM资料与4种方案的模拟结果均反映出本次降水日变化过程中夜间的峰值特征, 这是短时降水 (1～3 h) 和持续性降水 (≥6 h) 的综合反映, 而凌晨后的降水则主要由持续性降水造成; 在各种试验的综合比较中, NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理, UCM方案针对城市下垫面的模拟有一定优越性。     

两次暴雨过程模拟对陆面参数化方案的敏感性研究

选取发生在江西和福建境内的两次暴雨个例,利用NCEP再分析资料在对暴雨发生前、后的环境场和物理量场进行诊断和对比分析的基础上,采用中尺度模式WRF V3.3,通过数值模拟探讨了陆面过程对两次暴雨过程的可能影响及其相关的物理过程。结果表明,2012年5月12日江西大暴雨主要受大尺度环流和中尺度天气系统影响,具有范围大、持续时间长等特点,属于大尺度降水为主的暴雨;而2011年8月23日福建暴雨发生在副热带高压控制下的午后,局地下垫面强烈的感热和潜热通量使低层大气不稳定性增强,触发了此次对流性降水为主的暴雨。通过资料诊断分析,可以判断陆面过程对福建暴雨个例的影响程度明显强于江西暴雨个例。通过关闭地表通量试验发现,陆面过程对暴雨模拟十分重要,尤其是对于该个例中对流性降水的发生起到关键性的作用。通过陆面参数化方案的敏感性试验发现,两次暴雨过程对陆面参数化方案均较为敏感。江西暴雨对陆面过程的敏感性主要体现在对流降水的模拟上,而福建暴雨则体现在大尺度降水的模拟方面,即福建暴雨对陆面参数化方案的敏感性强于江西暴雨。敏感性产生机制与降水类型关系紧密,大尺度降水对陆面过程的敏感性主要来源于不同参数化模拟的中高空对流系统的差异,而对流降水的敏感性则与不同参数化模拟的地表通量的差异有关。通过陆面参数的扰动试验进一步发现,相比于地表粗糙度和最小叶孔阻抗,土壤孔隙度和地表反照率则是影响对流降水对陆面过程敏感的关键因子,这在本质上与地表通量是否受到扰动有关。地表通量较风场而言,受扰动引起变化的空间范围广、时间响应快,变化具有明显规律性。所得结果可为深入理解陆面过程影响暴雨等天气过程和改进数值模式对暴雨的模拟能力提供一定的参考。     

不同初始场及陆面方案对青藏高原中东部积雪消融过程的模拟研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式,本研究使用更为准确的气象站点及卫星遥感积雪资料替换初始场中积雪深度、雪水当量等积雪数据,对2014年2月17-27日青藏高原中东部一次积雪消融过程进行模拟研究,评估WRF模式中CLM(Community Land Model)、Noah-LSM(Noah land surface model)和Noah-MP(Noah-Multiparameterization Land Surface Model)3种陆面过程方案对该次积雪消融过程的模拟性能。结果表明：3种陆面过程方案均能较好地再现2 m气温、积雪深度和反照率的日变化趋势,但各试验模拟效果有一定差异。气象站点及卫星遥感积雪资料作为初始场时,CLM陆面过程方案模拟的2 m气温平均误差最小,为0.002℃;Noah-LSM陆面过程方案中2 m气温均方根误差（4.01℃）和平均绝对误差（3.30℃）最小,但昼夜温差较观测显著偏小;同时CLM陆面过程方案模拟的积雪深度均方根误差、平均误差和平均绝对误差均最小,分别为4.70 cm、-1.25 cm和2.75 ...     

基于三种WRF陆面过程方案的东南亚毁林增温响应研究

选取东南亚中南半岛地区作为模拟区域,基于高分辨率的遥感观测森林变化数据和WRF数值模式,设计毁林前后的两种情景对旱季气候进行模拟,评估NoahMP、CLM和Noah mosaic三种陆面过程方案对热带毁林增温响应的模拟能力。结果表明,CLM方案在模拟历史气温中有着更好的表现,Noah mosaic方案的结果存在明显低估。然而,对比毁林前后两种情景的模拟结果,本文发现,只有采用了"次格网"方式的Noah mosaic方案较好地模拟出毁林增温响应特征。在格网尺度采用"主导类型"计算方式的NoahMP方案没有合理地呈现出森林损失对区域气候的影响。理论上,CLM模式在计算中同时考虑格网内所有植被类型,然而本文发现CLM方案在主导类型不变的格网对森林损失比例不敏感,而且对毁林反馈的模拟结果与NoahMP方案的结果更接近。据此推测,在WRF模式耦合CLM方案的过程中,格网内参数处理方式可能产生了错误,实际采用的是"主导类型"方式。在模拟土地覆盖类型变化对气候的影响时,本文推荐使用Noah mosaic方案。同时,建议在未来版本的WRF模型中修正目前耦合的CLM方案关于次格网方法的处理方式,提供更合理的水热通量模拟。     

两种陆面模式对中国区域土壤温度模拟的对比分析

为研究不同陆面模式对中国区域土壤温度的模拟效果,基于中国气象局陆面数据同化系统（CMA Land Data Assimilation System,CLDAS）大气驱动数据分别驱动Noah和Noah-MP陆面模式进行中国区域土壤温度的模拟（简称:CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验）,使用2010—2018年中国气象局2380个土壤温度观测站点10和40 cm观测数据以及美国全球陆面数据同化系统（The Global Land Data Assimilation System,GLDAS）驱动的Noah模式（GLDAS_Noah试验）模拟的土壤温度结果,从空间分布、季节、分区等角度进行了评估,实现了不同驱动数据相同陆面模式和相同驱动数据不同陆面模式的对比分析。结果表明: GLDAS_Noah、CLDAS_Noah和CLDAS_Noah-MP试验均能合理模拟出中国区域土壤温度空间分布,但在量级上有一定差异,主要表现在中国东北、新疆、青藏高原等积雪区。对于相同陆面模式不同驱动数据,均方根误差显示CLDAS_Noah试验在季节与分区上均优于GLDAS_Noah试验,间接表明CLDAS大气驱动数据优于GLDAS大气驱动数据,且大气驱动数据是提高土壤温度模拟精度的重要因素之一;对于相同驱动数据不同陆面模式,总体上CLDAS_Noah-MP试验棋拟效果优于CLDAS_Noah试验,其中CLDAS_Noah试验模拟的10和40 cm深度土壤温度在冬季积雪区误差明显大于CLDAS_Noah-MP试验,可能与Noah-MP模式改进了积雪方案有关,但10和40 cm深度下CLDAS_Noah-MP试验在东北、华北、青藏高原地区对春季土壤温度模拟误差明显大于CLDAS_Noah试验,可能与Noah-MP模式融雪方案有关。总之,本研究对于后续开展土壤温度多模式集成、土壤温度站点资料同化,最终研制中国区域高质量土壤温度数据集具有一定的参考意义。      

不同陆面方案对沪宁高速公路团雾的模拟

利用沪宁高速公路实时监测的气象数据分析了2007年11月24日发生在沪宁高速公路镇江段团雾过程的气象要素变化。通过WRF模式耦合三种不同陆面方案对此次过程进行了数值模拟,旨在检验WRF模式耦合陆面方案对镇江段团雾的模拟能力。结果表明:(1)WRF模式模拟出的团雾天气过程对陆面方案的选择比较敏感,耦合了不同陆面参数化方案后的试验结果更接近实况。(2)水汽参量模拟结果中,SLAB方案比NOAH方案和RUC方案效果好些,NOAH方案与RUC方案差异不大。(3)在地面感热通量变化率模拟上,三者有些区别;在长波辐射变化率模拟上,NOAH方案较优越。(4)在涡度场高值区模拟上,NOAH方案效果比SLAB、RUC方案更好。     

GRAPES模式中不同陆面方案对新疆一次强降水事件的模拟

本文采用中尺度数值预报模式GRAPES_Meso V3.3.2.5版本以及NECP的GFS资料,分别选用模式中不同陆面参数化方案(SLAB、LSM、NOAH)对2013年9月14-17日新疆强降水过程进行数值模拟试验,模拟的结果表明：陆面方案对主要雨带的落区和大致走向影响并不大,但对降强度的模拟还是敏感的,耦合陆面方案比不耦合陆面方案的模拟效果更接近实况;不同陆面方案模拟的降水量存在一定差异,它们对降水中心落点、强度以及类型方面各有所长;在各种试验的综合比较中,NOAH方案较其他方案的模拟结果显得更稳定与合理。     

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。     

陆面过程参数化对太湖地区雷暴过程模拟的影响

以2010年8月发生在太湖地区的一次雷暴过程为例,利用WRF模式进行48 h的短期天气模拟,分析两个陆面参数化方案(Noah方案和RUC方案)对雷暴过程模拟的影响。对比模式结果与实况降水以及太湖地区两个站点的近地面要素表明:雷暴过程对陆面参数化方案的选取较为敏感,不同陆面参数化方案可影响雷暴发生的时间、地点及强度,两种方案的降水中心值差达40 mm以上,其中Noah方案所模拟的降水与实况更为接近。通过对两个方案模拟的物理量场的对比分析发现,RUC方案中对流发展滞后于Noah方案2 h;这表明陆面过程对雷暴等中尺度对流过程有显著的反馈作用,不同陆面参数化方案的使用影响雷暴发生的动力和热力作用,并改变雷暴的时空分布特征。陆面过程通过改变地面热通量输送影响边界层结构,使得水平和垂直方向上的风和温度等发生变化并产生辐合辐散,进而影响对流的启动时间和对流发展强度。由于对不同植被的参数化处理的差异,Noah方案对下垫面特征的描述能力优于RUC方案,尤其是对城市下垫面的处理,这也使得之后该方案模拟的雷暴发生时间更加接近于实况且雷暴过程更加强烈。     

雾与能见度数值预报诊断SW方案和FSL方案改进的研究及评估

为了提高雾与能见度的预报水平,对业务上常用的两种能见度诊断方案,即Stoelinga and Warner（SW）方案与Forecast Systems Laboratory（FSL）方案的改进进行预报试验,SW方案基于Gultepe方案考虑了液态水粒子数浓度对能见度的影响,FSL改进方案中利用了递减平均法对公式中用到的温度与露点温度进行订正,并用其重新计算公式中的相对湿度。基于山东省气象科学研究所逐时更新循环（hourly update cycle,HUC）业务模式输出结果,从2015—2016年选取10次雾天气过程,并详细分析了2015年11月13—14日这次雾天气过程的预报结果,比较了改进前后各方案对雾与能见度的预报效果,结果显示：在模式预报的雨水含量占总液态含水量比例较大的预报时效,改进后的SW方案对雾与能见度预报效果优于原始方案,在模式预报液态含水量接近0的预报时效,改进前后的SW方案对雾与能见度的预报效果相当;利用订正的温度与露点温度重新计算相对湿度,其平均绝对误差（mean absolute error,MAE）降低明显的预报时段,改进后的FSL方案对雾与能见度的预报效果大大提升。将两种改进后的方案相融合并进行预报试验,结果显示,综合对能见度与雾的预报效果,Combined Visibility（CVIS）方案要优于其他两种改进方案。     

黄海海雾WRF数值模拟中垂直分辨率的敏感性研究

基于WRF模式探究不同垂直分辨率下模式对黄海海雾的模拟表现。将3种垂直分层方案（35η、44η与63η）和2种边界层方案（YSU、MYNN）组合,对10次海雾做模拟研究。统计分析了水平雾区与雾顶高度对垂直分辨率的敏感性,并利用1次典型个例剖析了雾顶长波辐射与雾体湍流的作用。统计结果显示,提高垂直分辨率能显著改进水平雾区的模拟效果,改善明显的个例在不同垂直分辨率试验下的雾顶高度差异也较大;YSU方案相比于MYNN方案更敏感,从35η层增至44η层其试验个例的击中率（POD）和公正预兆得分（ETS）的平均改进率分别提高了13.29%和10.22%。典型个例研究结果揭示,模式对雾顶长波辐射和雾体湍流作用的模拟程度强烈依赖垂直分辨率：粗垂直分辨率给出的湍流强度很弱,导致模拟失败;雾顶存在“云水含量增多→长波辐射增强→降温加大→云水含量增多”的正反馈过程,细垂直分辨率比粗垂直分辨率更容易维持与增强此反馈;只有细垂直分辨率才能模拟出雾顶长波辐射冷却产生的贯穿雾体直抵海面、强度不弱于近海面机械湍流的浮力湍流,它导致雾体降温而出现符合观测事实的海温高于气温的现象。     

厦门春季海雾天气分类及典型个例宏微观结构分析

利用2013年3月23日—4月22日外场观测得到8次海雾过程的能见度、雾滴谱、自动气象站资料及常规气象资料和NCEP全球分析资料,对厦门春季海雾宏微观过程进行了分析。结果表明,形成厦门海雾的天气形势主要为3类:冷锋型、低压倒槽型、高压入海型。厦门海雾对应区域存在0~1℃气海温差,这对海雾预报具有重要意义。对2013年4月17—18日典型海雾个例研究表明,西南气流强烈的增湿作用触发了海雾生成,为本次海雾发展提供了充沛的水汽条件。本次海雾平均雾滴谱拟合符合Junge分布;对其微物理量(数浓度、液态水含量、平均半径)演变特征分析表明,主导的微物理过程为核化凝结增长和可逆的蒸发过程。     

云微物理参数化方案对地面气温模拟性能的评估与改进

午后地面气温对对流的发生发展具有重要作用,对其准确预报一直是中尺度数值模式的基本要求。针对一次冷云过程,本文基于WRFv3.9.1模式评估了5种云微物理参数化方案对华东地区地面气温的模拟效果。结果表明,各方案模拟的午后及午夜地面气温都存在较大偏差。其中,WDM6方案对地面气温模拟的效果最佳,Thompson方案模拟的云冰含量过低,模拟效果最差。因此对WDM6方案进行进一步评估和改进,通过修改冰核浓度、初始云凝结核数、优化WDM6方案以及替换方案中云水向雨水自动转化过程的公式的方式设计了敏感性试验,以改进WDM6方案对地面气温的模拟。结果表明,使用Grabowski公式替换WDM6方案中的Berry公式,能提高云水含量,有效改善地面气温的模拟。并通过一次梅雨过程对改进方案进行了有效性验证。最后在此基础上将改进后的WDM6方案应用于江苏省精细化天气分析和预报系统PWAFS模式中,显著提高了PWAFS模式对午后地面气温的模拟效果,为模式的业务应用提供了技术支撑。     

宁波地区海-陆下垫面差异对雷暴过程影响的数值模拟

利用耦合Noah陆面过程的WRF模式对2009年6月5日傍晚发生在宁波地区的一次雷暴过程进行数值模拟,通过改变下垫面覆盖类型的敏感性试验,探讨了海洋和陆地下垫面对雷暴过程的影响。结果表明,WRF模式能够较合理地模拟出雷暴的发生、发展过程。雷暴发生前期,由于海-陆强烈的热力差异,海风特征明显,海风引起的抬升运动触发了雷暴,海风形成的强辐合区对应雷暴过程累积降水量的大值区。当研究区域全部被替换成陆地后,地表的粗糙度增大,在研究区域东部由于摩擦辐合加强,产生了强烈的上升运动,多个发展旺盛的对流单体在上升运动区生成,使雷暴产生的降水区域东扩、降水量增大、雷暴维持时间延长。当研究区域所有陆地被替换成水体后,白天地表通量减小,大气边界层中湍流运动减弱,边界层高度降低,大气层结变得稳定,不利于对流发展。     

Prediction of sea fog of Guangdong coastland using the variable factors output by GRAPES model

By analyzing the NCEP 1°×1° reanalysis (2004–2008), a number of predictors (factors of variables) are established with the output from the GRAPES model and with reference to the sea fog data from observational stations (2004–2008) and field observations (2006–2008). Based on the criteria and conditions for sea fog appearance at the stations of Zhanjiang, Zhuhai and Shantou, a Model Output Statistics (MOS) scheme for distinguishing and forecasting 24-h sea fog is established and put into use for three repres...     

东海区风场降尺度模拟影响因子研究

基于中尺度WRF模式,采用NCEP FNL最终分析资料作为初始场和侧边界条件,以2009年为例,对中国东海区风场进行了动力降尺度研究,旨在检验WRF模式长期积分的动力降尺度能力,并考察动力降尺度方法在东海区的适用情况,为东海区多年时间尺度的风场降尺度研究提供参考。结果表明,3种不同积分方式模拟的风场均能较好地描述东海区风场的季节变化,且整体在冬季的模拟,要优于夏季的模拟。5DAY试验模拟效果最优,其他两组试验稍差。说明每5 d更新一次初始场的积分方式能够最好地描述东海区风场。每10 d更新一次初始场比起1 a连续积分模拟效果并无优势,连续长期积分模拟虽会导致系统误差累积,但定期更新初始场的方法并不一定能有效改善东海区风场的模拟效果。对于加入谱逼近方案的3种积分方式模拟的风场,每10 d更新一次初始场的试验对加入谱逼近方案响应最为明显。但就总体试验效果,5DAYS试验模拟效果仍然是最好的。加入谱逼近方案使得1 a连续积分这种积分方式模拟效果变差。由此说明,加入谱逼近方案后,采用5 d更新一次初始场的方式驱动,每次积分时间较短,初始场的作用还较强,故其改善效果不如10 d更新一次初始场;对于1 a连续积分,谱逼近方案使得初始场的改变导致了连续积分的误差积累增大。     

基于FY-3B卫星资料的中国南海海区1—3月海雾时空分布特征研究

为全面了解中国南海海区海雾的分布特征,为南海海雾气象服务提供基础背景资料,利用2011—2016年1—3月FY-3B气象卫星资料的雾监测产品,分析了中国南海海区海雾的时空分布特征。结果表明：中国南海海雾具有特定的区域特征,中国南海海雾多出现在华南沿海、北部湾沿海、琼州海峡和海南岛东北部沿海海区,南海南部海域出现海雾概率低;南海出现高频次海雾的时间多发生在2月,1月次之,3月最少。该研究结果可为中国南海海雾研究提供背景资料。