不同水平分辨率BCC_CSM模式对中亚地面气温模拟能力评估

本研究基于IPCC AR5(Intergovernmental Panel on Climate Change:Fifth Assessment Report)中BCC_CSM1.1(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1)和BCC_CSM1.1(m)(Beijing Climate Center Climate System Model version 1.1 with a Moderate Resolution)气候模式的历史试验结果和CRU(Climatic Research Unit)资料, 采用趋势分析和滑动平均等方法检验了两个版本BCC_CSM模式对中亚地区1948～2011年平均地表气温、各热通量及其趋势的模拟性能, 并讨论了不同模式水平分辨率的影响, 结果显示:BCC_CSM1.1和BCC_CSM1.1(m)两个模式均能够模拟出中亚地区显著增温以及感热通量、长/短波净辐射等要素由南向北递减的总体趋势。其中, BCC_CSM1.1(m) 在对中亚地面年平均气温、感热通量和长/短波净辐射空间分布的模拟结果好于BCC_CSM1.1, 但对于气温标准差的模拟, BCC-CSM1.1模式略好于BCC-CSM1.1(m)。模式分辨率的提高, 能够更好地表现出地形的影响, 对气温和各热通量模拟性能改善较大, 在中亚地区年平均气温的模拟中表现出了一定的优势。     

大气数值模式空间分辨率的确定方法

集中讨论了如何决定大气数值模式空间分辨率的问题。首先, 给出模式分辨率的定义和模式各方程都应满足的不等式，并在此基础上，用尺度分析和单波的方法推出模式水平和垂直分辨率的预估公式。还给出针对一般模式，以预估公式作基础，选择一系列分辨率，用比较试验，结合大气结构特点，最终确定模式分辨率的方法。并用浅水模式进行了水平分辨率的试验。     

四川地形谱特征及中尺度模式水平网格分辨率选取

四川地形复杂多样,暴雨频发,常诱发山洪、泥石流等灾害。在利用中尺度模式对复杂地形区域的暴雨进行研究时,模式水平分辨率的选取缺乏定量依据。为了揭示四川地形的复杂特征和给中尺度模式水平网格分辨率的选取提供定量依据,利用二维离散余弦变换,对四川地形高度场和暴雨分布场进行谱分解,根据暴雨分布特征分区讨论了四川盆地地形特征,同时利用地形谱方差和数值试验定量讨论了数值模式水平分辨率的选取问题,得到主要结论有:(1)二维离散余弦变换能较好地表现出研究区域各向异性的复杂特征;(2)雅安地区和四川盆地西北部的地形谱与降水谱有较好的同相关系,盆地东北部和盆地中部的地形谱与降水谱在波长较大处出现反相关系;(3)针对某个区域的地形特征,可以通过计算模式能分辨的地形方差与总地形方差的比值来确定合适的中尺度模式水平网格分辨率。     

不同分辨率CCSM4对东亚和中国气候模拟能力分析

本文利用通用气候系统模式CCSM4在三种水平分辨率下的工业化革命前期气候模拟试验,结合观测和再分析资料,比较了各分辨率下模式对中国温度和降水、东亚海平面气压和850 hPa风场的模拟能力,综合评价了模式分辨率对东亚和中国气候模拟的影响.结果表明,三种分辨率对中国温度均具有很好的模拟能力,除春季外,低分辨率(T31,约3.75°×3.75°)对全年温度的模拟能力均要稍好于中(f19,约1.9°×2.5°)、高(f09,约0.9°×1.25°)分辨率;各分辨率对中国降水的模拟能力远不如温度,除冬季外全年都出现的中部地区虚假降水并未因为模式分辨率提高而得到本质改善;对于东亚海平面气压场,低分辨率在冬季模拟能力相对最好,中等分辨率在夏季相对较好,而高分辨率的模拟能力均表现最差;低分辨率对850 hPa东亚冬季风和夏季风的模拟能力均要好于中、高分辨率,而两种较高分辨率的模拟能力则比较接近.总的来说,低分辨率CCSM4在东亚和中国气候模拟中表现出了较大优势,加之其计算代价小,适合进行需要较长时间积分的气候模拟研究.     

WRF模式不同分辨率模拟分析

利用WRF中尺度模式对内蒙古地区2011年降水天气过程进行模拟分析,主要研究模式不同水平分辨率对温度和降水的影响。结果表明:水平分辨率为27km时,模式可以较好的模拟我区的降水落区和强度;不同分辨率下模拟单站降水结果存在差异,分辨率提高,模式空报率下降,但是漏报率却明显增加,TS评分降低;分辨率提高与温度预报准确率无明显的正相关,模式前12h预报准确率明显高于后12h,模式分辨率提高对后12h温度预报准确率结果有明显改善。     

RIEMS2.0模式提高分辨率对中国气温模拟能力的影响

利用区域环境集成系统模式(RIEMS2.0)在60 km和30 km两种分辨率下进行中国区域的长期模拟试验(1991~2000年),开展不同分辨率下中国气温平均气候态和年际变率的模拟能力分析研究。结果表明:(1)RIEMS2.0能较好模拟出多数分区多年平均气温的空间分布,与观测空间分布较接近。随着水平分辨率的提高,模式模拟的气温空间分布模拟更精细,使得平均气温的模拟冷偏差减小,模拟结果更趋于实测。对年均温和冬季气温来说,中国及多数分区模拟与观测的偏差减少,且通过显著性检验(P0.01);对夏季气温来说,中国及多数分区的偏差增加,气温的模拟能力没有明显提高。(2)对年际变率来说,随着水平分辨率的提高,大部分区域模拟能力有一定程度的提高。特别是年均温和冬季气温的年际变率,多数地区模拟改进效果较好;而夏季气温年际变率的模拟在中国大部分地区没有明显改善。     

小波分析在大气边界层结构研究中的应用实例

将小波分析的方法应用于大气边界层风、温场结构的研究,表明了这种方法应用于大气边界层研究的优越性。小波分析方法与谱分析方法,多尺度分析方法可以互补。当研究不同尺度湍流的串级过程和突变气象场的位置时,小波方法更为优越。     

大气边界层湍流多尺度分形特征的研究

运用离散正交小波变换将湍流信号分解为不同尺度，计算其分数维。考察其分数维的变化得出：随着分解层次得增加，提取湍流信号得低频部分趋于简单光滑，分数维不断减小，高频部分呈现复杂，分数维趋于定值，平均为1．70左右。说明大气边界层湍流信号在某些尺度上，存在明显的自相似性特征。     

不同观测分辨率强台风云系的遥感特征

静止气象卫星的快速区域扫描是监测不同天气过程的有利手段。以获取的风云静止气象卫星快速区域扫描数据为基础,选取2011年台风梅花(1109)及2012年台风海葵(1211)的观测数据,采用Hovm(o|¨)ller分析图、变异系数等参数,研究不同时空分辨率观测数据对台风云系结构特征参数监测的敏感性影响。分析结果表明:可见光通道10 min观测时间间隔配以1.25 km空间分辨率可以很好地反映云系演变特征,在相同观测时间分辨率条件下,降低空间分辨率会对云系结构特征的提取有较大影响;在相同空间分辨率条件下,观测时间分辨率的降低对云系结构及演变特征的分析影响较小;基于变异系数的分析说明云像元特性在60 min的观测时间间隔下发生了较大变化,如果以60 min为观测时间间隔将会失去较多的云像元变化特征。水汽通道不同观测时间的变异系数差值小于红外通道1,说明云像元在红外通道1的特性演变对观测时间的敏感性高于水汽通道,提高观测频率可获取更多的云像元红外通道1的辐射特性。     

千米尺度分辨率下GRAPES-Meso4.0模式定量降水预报性能评估

应用覆盖中国东南部的3 km分辨率GRAPES-Meso4.0模式（GRAPES-Meso4.0_3 km）2015年夏季实时预报试验结果、同区域1600多个中国国家地面气象观测站每日08：00-08：00 BT的24 h累积降水量和逐时降水量观测资料,从降水累积量、降水频率、降水强度、日循环特征等多个角度,对千米尺度分辨率下GRAPES-Meso4.0模式的降水预报性能进行细致评估,并与同版本10 km分辨率业务模式（GRAPES-Meso4.0_10 km）同期结果在相同区域进行类同对比分析和讨论。结果表明：（1） GRAPES-Meso4.0_3 km很好地捕捉到了2015年夏季观测的日均降水量和降水频率的大小及地域分布特征,其一般性降水（中雨及以下）频率平均低于实况约3个百分点,强降水（大雨及以上量级）频率与实况近乎吻合,纠正了GRAPES-Meso4.0_10 km在这两方面存在的显著预报正偏差,均方根误差（RMSE）减小了40%-50%;（2） GRAPES-Meso4.0_3 km在降水强度预报上的优势主要表现为：对降水强度的地域分布细致特征和对短时强降水（雨强 ≥ 10 mm/h）的频数和分布等把握比较准确,但对强降水（一般性降水）的强度预报偏强（偏弱）;（3） GRAPES-Meso4.0_3 km小时降水量和降水频率的日循环预报可反映出研究区域观测的双峰总体特征以及雨量和频率在日循环中的紧密联系,明显优于GRAPES-Meso4.0_10 km的表现,尽管下午（16时,北京时）峰的预报还存在偏弱现象;（4）模式分辨率提高到千米尺度和模式显式描述云和降水过程,是GRAPES-Meso4.0_3 km降水预报性能较GRAPES-Meso4.0_10 km提高的关键原因,模式初值差异也是不可忽视的影响因素。     

基于云分析的数值模拟在复杂地形中的应用试验

利用区域中尺度模式ARPS(Advanced Regional Prediction System)模拟了华北西部复杂地形条件下发生在2010年9月18-22日的降水过程,并针对云分析方法对降水和温度预报的影响开展了敏感性试验.结果表明:①模式在复杂地形下有很好的适用性.24 h和48 h模拟结果,降水的起止时间、落区以及强降水中心的位置均和实况一致.24 h模拟降水的量级和实况接近,48 h的比实况偏大;②模式能准确模拟温度的变化,插值得到的5天内6个台站温度预报的平均绝对误差只有2.69℃;③云分析能显著提高模式初值的质量,特别是其中水物质的含量,从而可显著改善48 h强降水中心降水量偏大的状况,使模拟的降水场更接近于实况.但云分析对温度模拟结果的影响不明显.     

模式水平分辨率对祁连山区降水模拟影响的初步分析

利用中尺度模式MM5V3．6，针对祁连山地区2002年7月14～17日的一次降水过程，设计了一组不同水平分辨率的试验进行数值模拟。并将模式结果与实测资料进行对比，结果表明：高水平分辨率对降水中心位置的模拟较好，但同时会产生虚假降水中心，且模拟的降水中心量值一般都大于实测值。而低水平分辨率对降水量值的模拟较好，但对降水中心位置的模拟没有高水平分辨率的好。     

暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究

本文总结了近年来我们在暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断研究领域的主要成果。从广义位涡理论、梅雨锋及变形锋生、暴雨中尺度系统的不稳定性、有限区域风场分解技术对暴雨中尺度系统的识别、中尺度波流相互作用理论以及数值模拟研究等方面进行了分类概括。对暴雨中尺度系统数值模拟与动力诊断的研究回顾表明,雷达资料同化进入模式有效地改进了对中尺度系统发生、发展的模拟结果;一些新的物理量,如非均匀饱和位涡、对流涡度矢量、变形场锋生以及有限区域风场分解方法等在暴雨中尺度系统及热带对流发展诊断分析中得到了广泛应用。同时,波流相互作用理论也被应用到了中尺度系统发展的动力分析研究中。     

贵州一次大暴雨过程的中尺度数值模拟与诊断分析

利用三重嵌套的非静力中尺度数值模式MM5V3.5,对2005年5月31日至6月1日贵州省发生的一次大暴雨天气过程进行数值模拟,并利用模拟结果对该过程进行诊断分析。结果表明:模式较好地模拟这次大暴雨过程,并对与暴雨过程相关的中尺度系统的发生发展做出了较成功的模拟,此次过程中,西南涡是造成大暴雨的主要影响系统。对中尺度系统的模拟表明:强降水与强上升运动区及正涡度区有很好的对应关系,低层辐合、高层辐散、西南低空急流、垂直运动增强等是此次暴雨维持和发展的重要机制之一。强降水与水汽辐合的大值密切相关,降水的强弱与辐合的强弱变化一致。     

干旱区绿洲诱发的中尺度运动的模拟及其关键因子的敏感性实验

利用一个非静力平衡的、高分辨的、二维中尺度大气数值模式，并在仅考虑简单过程的情况下，模拟了干旱区中绿洲所诱发的中尺度运动，并进行了这种中尺度大气运动的强度对绿洲水平尺度、绿洲与周围环境的水平热力差异、大尺度背景场水平风速和大尺度地表加热率等一些重要物理参数关系的敏感性实验研究。研究发现：中尺度大气运动强度随水平热力差异的增大而加强，随背景场水平风速和大尺度地表加热率增强而分别减弱。但随绿洲水平尺度的变化并不像前三个因子一样为单调函数，而是在绿洲水平尺度为20km时中尺度大气运动最强，绿洲水平尺度更大或更小时中尺度大气运动强度均会减弱。通过统计甘肃省河西地区的绿洲水平尺度分布规律，发现绿洲分布最集中的尺度在15－25km，与模拟所得到的能源发最强中尺度运动的绿洲水平尺度基本一致。     

基于不同分辨率和参数化方案的新疆区域数值模式性能初步评估

基于中尺度数值模式WRF,选取新疆两次强降水过程,设计3个试验方案,其中试验1为控制试验,试验2提高分辨率,试验3提高分辨率并调整物理参数化方案,初步评估不同分辨率和参数化方案对新疆区域2m温度、10m风速、降水预报的影响。结果表明:(1)提高分辨率对2m温度、10m风速模拟精度均有提高,2m温度预报精度提高约0.5℃,降低了日间温度模拟冷偏差;10m风速预报精度提高约0.5m/s,降低了风速模拟正偏差;但提高分辨率后,模式出现虚假降水预报的情况。(2)提高分辨率并调整物理参数化方案后,2m温度模拟误差略有减小,模拟偏差减小约0.2℃;10m风速模拟误差增大约0.5m/s,模拟偏差增大超过0.5m/s;对降水落区、量级的模拟精度显著提高,减小了降水中心的模拟强度,对虚假降水预报有一定修正。     

冷涡背景下MCS的统计分析

文章首先给出冷涡的定义,根据冷涡的定义识别出冷涡,2005—2011年4—9月7年共识别出60个冷涡,主要形成在蒙古和我国的东北地区。然后根据中尺度对流系统(MCS)的标准按尺度大小将MCS分类为α中尺度对流系统（MαCS）和β中尺度对流系统（MβCS）,又按MCS的形状将MαCS分类为中尺度对流复合体（MCC）和持续拉长状对流系统（PECS）,MβCS分类为β中尺度对流复合体（MβCC）和β中尺度持续拉长状对流系统（MβECS）。利用FY 2C(2005—2009年)和FY 2E（2010—2011年）的TBB资料对60个冷涡背景下的MCS进行识别并对其时空分布特征及其与冷涡的关系进行统计分析。结果表明：(1) 60个冷涡过程识别出61个MCS,MCS通常产生在我国东北和华北,MCC和PECS生成较分散;MβCC主要集中在华北和东北地区;MβECS主要集中在东北地区。(2) 6月生成的MCS最多,有16个,9月最少。MCS大多形成于当地的下午和晚上,此时对流发展旺盛,有利于中尺度对流系统的产生,到了夜间MCS发展成熟,至凌晨—日出时分消散。(3) 冷涡背景下的MCS的移动路径多数是从西向东偏北的,其生成后主要向东移动,这和我国中纬度西风带天气系统的移动路径基本一致,但由于受冷涡等天气系统的影响,会出现不同的移动方向。位于冷涡东侧且距离冷涡中心距离较近的MCS有向东偏北方向移动的趋势;位于冷涡南侧且距离中心较远的MCS有向东偏南方向移动的趋势。(4) 冷涡背景下的MCS主要产生在冷涡的发展阶段,成熟和消散阶段相对较少。(5) 冷涡背景下的MCS主要形成在冷涡的东南部,西南部也有一小部分。(6) MβCS系统发展较MαCS系统快,持续的时间也较MαCS短。     

中国西北大气沙尘光学特性的数值试验

利用 1991年 2月下旬～ 5月中旬HEIFE张掖和沙漠站的大气浑浊度观测、地面辐射观测及同期卫星资料 ,借助NCARCCM 3中的辐射模式CRM ,模拟估算了我国西北大气沙尘气溶胶的部分光学参数 ,单次散射反照率 (ω0 )和光学厚度比 [k(τλ=8～ 14 /τλ=0 .55) ]。计算结果表明 ,清洁天ω0 和k(τλ =8～ 14 /(τλ =0 .55)在沙漠和绿洲均为 0 .94和 0 .1;浑浊天ω0 在绿洲为 0 .90 ,沙漠为 0 .84 ;k(τλ=8～ 14 /τλ =0 .55)在绿洲为 0 .3 ,沙漠为 0 .4。在气候模式中 ,可将我国西部沙尘源区大气沙尘的ω0 和k(τλ =8～ 14 /τλ=0 .55)分别取为 0 .88和 0 .3。     

乌鲁木齐市低层大气稳定度分布特征的统计分析

利用乌鲁木齐市4座100 m梯度气象塔2013年6月至2014年4月10 min气象资料,对比分析了温差法、温差-风速法、风速比法、理查森数法和总体理查森数法计算的A~F类大气稳定度的适用性,表明温差-风速法更适合乌鲁木齐市大气稳定度的分类,运用该方法计算出的A~F类稳定度进而统计分析乌鲁木齐市城区和郊区稳定度的频率分布特征。结果表明:郊区稳定类所占比例高于城区,城区中性类高于郊区,南郊和城区不稳定类高于北郊。中性类在冬季较大,春季和秋季较低;不稳定类在6月最高、9和1月最低;稳定类在10和1月最高、6和7月最低。白天以不稳定为主(占全天88.3%~96.3%)、夜间以稳定为主(占全天51.3%~60%),夏季最明显。不稳定与中性、稳定的日变化相反,郊区日出时和城区日出后2 h左右稳定类频率最大。中性(D类)在日出和日落后1~3 h分别出现两个峰值。寒潮天气稳定性比高温天气强,静风天气郊区稳定类比大风天气强,扬沙发生前以中性和稳定类稳定度为主、发生时和发生后以不稳定为主,降雨天气不稳定类比暴雪天气强。春季和夏季重污染天气B、C和F类为主,夏季南郊和近北郊C和F类约45%,秋季B和E类为主,约40%~50%;冬季城区D类频率最大,南郊、北郊和近北郊F类频率最大。     

福建惠安沿海大气扩散特性的数值分析与模拟

用福建惠安地区的实测气象资料,结合风场诊断、轨迹分析和随机游走模拟方法,分析惠安核电厂所在地小尺度(40 km×40 km)范围内的大气扩散特性,并与现场扩散示踪实验数据比较.结果表明,该地区的扩散输送总体受天气系统和海陆风环流二因子影响.研究范围内的风场,在水平方向的空间变化不大,扩散烟流基本平直.海陆风环流因子所致的风场时间变化和风向摆动对当地扩散有重要意义.随机游走模拟方法较好地反映出当地大气扩散的定量特征,但复杂地形与海岸气象条件的联合作用,仍使模拟结果与示踪实验结果的统计比较显得离散.