WRF模式中土壤湿度对位势高度模拟影响的敏感性分析

利用WRFV3.6中尺度预报模式对我国东部地区2003年5、6、7月下旬天气过程进行模拟,研究分析了土壤湿度对位势高度的影响。结果表明:(1)对流层中低层位势高度对土壤湿度有较强的敏感性,且各月的位势高度随土壤湿度的改变都有一致的变化规律,但相对于5、6月,7月高温过程中位势高度对土壤湿度更为敏感。土壤湿度的增加(减少)会导致750~500 h Pa位势高度减小(增大)、850 h Pa以下气压层位势高度增大(减小);(2)不同土壤湿度试验模拟的不同地表热通量可直接影响气温变化,在静力平衡和质量守恒条件下可进一步影响不同高度的气压,并最终导致位势高度的差异;(3)位势高度白天受土壤湿度的影响程度最大。白天热通量传输旺盛,在干(湿)的土壤湿度条件下,地表温度增温(降温)幅度大,850 h Pa位势高度减小(增大)、500 h Pa位势高度增大(减小)更为明显;夜间情况相反。     

一次连续异常高温天气诊断分析

利用常规资料及数值预报产品,分析2010年6月24-27日牡丹江地区的连续高温天气过程的天气形势演变,总结出现高温天气主要是受高空稳定的大陆暖高压、辐射增温、下沉绝热增温、850 hPa有24℃以上的暖中心、高温出现前一天14：00气温偏高等因素的影响。     

MM5模式中不同对流参数化方案的比较试验

应用MM5中尺度模式, 在60、20和10 km模式分辨率下, 分别选用4种不同对流参数化方案 (KUO方案、GRELL方案、KAIN-FRITSCH方案和BETTS-MILLER方案, 以下简称KU、GR、KF和BM方案) 对1996年8月3~4日石家庄暴雨过程进行数值模拟试验.模拟结果的对比分析及其与观测的比较表明:主要雨带位置对参数化方案并不是十分敏感, 但随分辨率提高, 雨带分布特征的模拟更接近实况; 当分辨率提高到10 km时, 虚假的降水中心也明显增加; 模拟的暴雨中心强度随分辨率的提高而增强并随参数化方案的不同有所变化, 但均比实况偏弱.分析还发现, MM5模式的GR、KF及BM方案的次网格降水对总降水的贡献率随分辨率的提高而减小, 而KU方案的情况则呈现出不合理的缓慢增加态势.虽然4种方案下模拟的水平环流特征有较好的一致性, 但模拟的云物理特征和垂直运动特征还是存在一定差别的, 这种差别对定点、定量降水和天空状况、地面气温、湿度等要素的准确预报都会产生影响.因此, 在预报和模拟中应考虑预报和研究对象的特点来选择对流参数化方案.     

青藏高原土壤湿度对一例高原涡影响的数值模拟

采用NCEP-FNL再分析资料、FY-2E气象卫星的黑体亮温TBB(Temperature of Black Body)数据以及中国自动站与CMORPH(Climate Prediction Center Morphing)卫星的融合降水产品,通过中尺度天气模式WRFV3.8.1对2014年8月16 17日一次高原涡过程进行了控制试验和4组针对高原土壤湿度的敏感性试验,研究了土壤湿度通过地面加热对高原涡影响的物理机制。结果表明,控制试验能较好地模拟出此次高原涡的位置、强度及降水。土壤湿度对高原涡的强度和降水有重要的作用,而对高原涡的性质和移动路径影响不显著。同时,主要考虑土壤湿度通过地表潜、感热通量的变化来影响高原涡。当土壤湿度增大时,地表潜热通量增大,中低层大气不稳定性增强,对流系统活动所需能量得到积累,使得对流降水增加,最终通过增加凝结潜热的释放来加强高原涡强度;反之高原涡强度和降水都减弱。而本文中地表感热通量的变化对高原涡的生成并没有多大影响,因此只考虑其对对流性降水的影响。当土壤湿度增大时,地面温度减小,地表感热通量减小,行星边界层高度PBLH(Planetary Boundary Layer Height)降低,边界层气团的湿静力能增大,使得对流降水增加;反之对流降水减小。     

2006年春季宝鸡高温天气分析

2006年4月29日—5月1日宝鸡市出现了连续3 d最高气温大于35oC的高温天气过程。对大尺度环流背景、地面天气形势以及涡度场和垂直速度场进行分析,结果表明:新疆到我国东部沿海的强盛暖脊,地面上西高东低形势产生的偏西流场是这次高温天气出现的有利条件;中、低层深厚的负涡度系统对应的反气旋所伴随的晴空区辐射增温及整层持续的下沉气流产生的绝热增温是这次高温天气形成的重要因素;参考数值预报产品对这次高温天气过程可作出较为准确的预报。     

基于对流尺度集合模拟的长江中下游暖区对流过程的可预报性研究

弱天气尺度强迫背景下的暖区暴雨发生发展机制复杂且难以准确预报。为深入探讨长江中下游暖区对流过程的实际和内在可预报性,本文通过同化模式模拟的探空、雷达等仿真资料的集合资料同化,构建了基于WRF-EnSRF的对流尺度集合预报系统,针对2013年7月21日一次典型暖区对流过程进行了初值扰动集合试验。试验结果表明,不同成员降水预报的发生时间和落区存在两个有显著差异的分岔时段,其一在对流触发阶段,源于扰动风场与地形的相互作用;其二在发展阶段,源于初值扰动导致对流系统强度出现差异,对流强（弱）,冷池出流强（弱）,导致降水落区偏南（北）。进一步的可预报性定量分析可见,由于初值的扰动,在分岔时段,模式的实际可预报性受到严重限制,表现为集合成员降水场的差异和扰动的偏差能量均快速增大。同时,在减小扰动振幅的“等同孪生子”对比试验中,扰动偏差能量随时间变化的曲线在对流触发阶段表现出的非线性特征表明,内在可预报性在这一分岔时段也显著受限。由以上结果可进一步得出结论：由于初值扰动导致分岔时段模式的实际可预报性受限时,准确的初值可有效改进预报效果。而当系统受到由混沌非线性动力学所导致的内在可预报性限制时,改善初值...     

中尺度对流雨带飞机观测资料分析和数值模拟研究

本文使用MM5中尺度数值模式,采用不同分辨率(90、45、30和15Km)相同的Reisner混合相微物理显示方案,及Betts—Miller和Grell的对流参数化方案,对2003年7月8日吉林省境内中尺度对流雨带天气过程进行了数值模拟试验。结果表明：不同尺度的天气系统,需要不同分辨率、不同参数化方案的中尺度模式进行模拟,提高模式的分辨率可以增强对含有对流的中小尺度天气系统的模拟和预报能力;模式的水平分辨率和对流参数化方案对模拟强降水中心有重要影响;当MM5模式分辨率提高时,模拟的细化给降水分布、降水强度带来一些改进,但主要雨区内也出现了一些虚假预报中心水平扩散;低层正涡度区,高层负涡度区的配合,对低层辐合上升运动有利、能促进对流发展;从散度场的分布特征看。低层850hPa的水平辐合区域强弱与降水的大小有密切关系,强水平辐合区与强降水区有很好的对应关系。因此,在MM5模式业务化时应该根据天气特点来选择模式分辨率和对流参数化方案,以使模拟结果更接近实况。     

RegCM3 CORDEX东亚试验模拟和预估的中国夏季温度变化

按照CORDEX (COordinated Regional Downscaling Experiment) 计划试验设计要求,利用中国科学院大气物理研究所全球模式FGOALS-g2的数据驱动区域气候模式RegCM3,针对1986~2005年历史气候和2010~2065年RCP8.5排放情景下气候预估,对东亚地区进行了50 km动力降尺度模拟。首先评估了RegCM3模式及驱动模式FGOALS-g2对1986~2005年夏季中国地表气温和极端高温事件的模拟能力,然后比较了两个模式在RCP8.5排放情景下对中国夏季地表气温和极端高温事件预估的变化,重点分析了动力降尺度结果的优势。结果表明,两个模式均能合理再现夏季中国地表气温和极端高温事件的大尺度气候态特征。相对于全球模式,区域模式由于水平分辨率较高,能在刻画地表气温分布的细节上体现出优势。在RCP8.5排放情景下,两个模式预估的三个地表气温指标均显著升高,到21世纪中期 (2046~2065年),两个模式预估的全国平均地表气温增幅相当,气温日较差变化均较小。在FGOALS-g2模式预估中,到21世纪中期,三个地表气温指标的增幅相当,气温日较差没有明显变化,东北和青藏高原的地表气温增幅最大。在RegCM3模式预估中,到21世纪中期,中国大部分地区日最高气温 (Tmax) 增幅大于日最低气温 (Tmin) 增幅,气温日较差增加;而在青藏高原西部,Tmax的增幅较Tmin偏低,气温日较差减小。在RCP8.5排放情景下,两个模式预估的极端高温事件到21世纪中期也显著增加,RegCM3模式预估的极端高温事件全国平均增幅略高于FGOALS-g2模式的预估。在两个模式的预估中,日最高气温最大值 (TXx)、暖昼指数 (TX90p) 和持续暖期指数 (WSDI) 变化的空间分布特征与Tmax相似;和当代相比TX90p增加了60%以上,而WSDI增加了一倍以上。     

分辨率对区域气候极端事件模拟的影响

利用NCAR MM5V3对1999年6月长江流域的极端异常降水事件进行了模拟,主要研究不同水平和垂直分辨率对极端区域气候事件模拟的影响。数值模拟试验表明:模式能够模拟出极端强降水的主要分布特征;水平分辨率的提高降低了模式模拟的强降水偏差,对逐日降水变化的模拟更加合理,而垂直分辨率的提高基本上也都减小了模拟的强降水过程的偏差,改善对强降水的模拟能力;模式水平、垂直分辨率的提高在一定程度上增强了对强降水过程的模拟能力。水平分辨率的提高能够改善模式对海平面气压的模拟,而垂直分辨率的提高可以改善模式模拟的地面气温和低层环流。分辨率对中层大气环流的影响不是很敏感。不同积云对流参数化方案模拟的对流降水比率随水平分辨率的变化是不同的,Grell方案对流降水比例随分辨率的提高而增加,而Kain-Fritsch方案的结果相反。     

中国区域夏季地表气温与陆面过程耦合强度的分布特征

鉴于陆气相互作用对极端高温事件的重要作用,利用ERA5-Land陆面再分析资料,分析了基于敏感度的中国区域夏季地表气温与土壤湿度、土壤温度耦合强度的多时间尺度分布特征。研究结果表明,基于不同耦合过程指标定义的陆气耦合强度在中国区域呈不同的空间分布特征,其中基于潜热通量的陆面变量—地表气温耦合的“热点”区域主要分布在中国的西北地区和长江流域,基于感热通量的陆面变量—地表气温耦合的“热点”区域则主要分布在河套—内蒙古地区、新疆西南部地区,以及长江以南部分区域。这说明夏季地表气温对陆面变量异常的敏感度的区域差异,与不同区域陆面异常影响地表气温的主导过程密切相关。此外,陆气耦合强度的强弱还随时间尺度而变化,其中月—季节尺度的陆气耦合强度要明显弱于日、候及旬尺度的耦合强度;就日、候及旬时间尺度而言,基于潜热交换过程的陆面变量—地表气温的耦合强度在全国大部分地区随时间尺度的增加而减弱,基于感热通量的陆气耦合强度在南方大部分地区也随时间尺度的增加逐渐减弱,但在北方大部分地区则表现为随时间尺度增加逐渐增强。相比较于表层土壤湿度与地表气温的耦合强度,次表层土壤湿度与地表气温的耦合强度在中国西北地区明显减弱。     

Soil moisture-temperature feedbacks at meso-scale during summer heat waves over Western Europe

This paper investigates the impact of soil moisture-temperature feedback during heatwaves occurring over France between 1989 and 2008. Two simulations of the weather research and forecasting regional model have been analysed, with two different land-surface models. One resolves the hydrology and is able to simulate summer dryness, while the other prescribes constant and high soil moisture and hence no soil moisture deficit. The sensitivity analysis conducted for all heatwave episodes highlights different soil moisture-temperature responses (1) over low-elevation plains, (2) over mountains and (3) over coastal regions. In the plains, soil moisture deficit induces less evapotranspiration and higher sensible heat flux. This has the effect of heating the planetary boundary layer and at the same time of creating a general condition of higher convective instability and a slight increase of shallow cloud cover. A positive feedback is created which increases the temperature anomaly during the heatwaves. In mountainous regions, enhanced heat fluxes over dry soil reinforce upslope winds producing strong vertical motion over the mountain slope, first triggered by thermal convection. This, jointly to the instability conditions, favors convection triggering and produces clouds and precipitation over the mountains, reducing the temperature anomaly. In coastal regions, dry soil enhances land/sea thermal contrast, strengthening sea-breeze circulation and moist cold marine air advection. This damps the magnitude of the heatwave temperature anomaly in coastal areas, expecially near the Mediterranean coast. Hence, along with heating in the plains, soil dryness can also have a significant cooling effect over mountains and coastal regions due to meso-scale circulations.     

华南前汛期一次大暴雨过程的扰动位涡反演与数值研究

利用NCEP 1°×1° 6h再分析资料、位涡反演和数值试验方法,分离与不同物理过程有关的扰动位涡进行反演诊断．在此基础上移除模式初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡反演的平衡场进行敏感性试验．对2006年5月21—22日一次热带扰动系统北上在广东珠江三角洲地区引发的大暴雨天气过程进行了探讨。结果发现：对流层中低层与潜热释放有关的正扰动位涡是影响热带扰动形成、维持及发展的主要因子之一;与潜热释放无关的扰动位涡对副热带高压的形成和维持有重要作用,影响热带扰动系统的移动路径;边界层内的扰动位涡有利于南海热带洋面北上气旋性扰动的发生、发展与维持;中高层扰动位涡对气旋性扰动系统的直接影响很小;下边界扰动位温不利于气旋性扰动系统的形成、维持与发展。数值敏感性试验表明,初始场中包含的与不同物理过程有关的扰动位涡在暴雨数值模拟中有重要作用,它们不同程度地影响热带扰动的强度、活动路径的模拟．并影响暴雨强度和落区;与非绝热物理过程有关的扰动位涡很大程度上影响暴雨强度,而与非绝热物理过程无关的扰动位涡很大程度上决定暴雨落区。     

Sensitivity of MJO simulations to diabatic heating profiles

The difficulty for global atmospheric models to reproduce the Madden–Julian oscillation (MJO) is a long-lasting problem. In an attempt to understand this difficulty, simple numerical experiments are conducted using a global climate model. This model, in its full paramterization package (control run), is capable of producing the gross features of the MJO, namely, its planetary-scale, intraseasonal, eastward slow propagation. When latent heating profiles in the model are artificially modified, the characteristics of the simulated MJO changed drastically. Intraseasonal perturbations are dominated by stationary component over the Indian and western Pacific Oceans when heating profiles are top heavy (maximum in the upper troposphere). In contrast, when diabatic heating is bottom heavy (maximum in the lower troposphere), planetary-scale, intraseasonal, eastward propagating perturbations are reproduced with a phase speed similar to that of the MJO. The difference appears to come from surface and low-level moisture convergence, which is much stronger and more coherent in space when the heating profile is bottom heavy than when it is top heavy. These sensitivity experiments, along with other theoretical, numerical, and observational results, have led to a hypothesis that the difficulty for global models to produce the MJO partially is rooted in a lack of sufficient diabatic heating in the lower troposphere, presumably from shallow convection.     

大气非绝热加热作用的研究进展与展望

大气非绝热加热与天气系统的发生发展有密切联系,与降水等天气过程密不可分,非绝热加热在大气运动中有着至关重要的作用。对非绝热加热的研究和理解,有助于改进数值预报模式,增强数值天气预报模式的预报能力。本文系统梳理了大气非绝热加热的基本内容,近几十年非绝热加热及其作用的研究成果,主要包括非绝热加热的概念及其表征、非绝热加热的时空分布特征、非绝热加热与季风、天气系统(如西太平洋副热带高压、热带气旋、温带气旋和急流)和降水之间的关系,以及非绝热加热在数值模式中的表征,进而指出有待于进一步研究的方面。     

Mechanisms of diurnal precipitation over the US Great Plains: a cloud resolving model perspective

The mechanisms of summertime diurnal precipitation in the US Great Plains were examined with the two-dimensional (2D) Goddard Cumulus Ensemble (GCE) cloud-resolving model (CRM). The model was constrained by the observed large-scale background state and surface flux derived from the Department of Energy (DOE) Atmospheric Radiation Measurement (ARM) Program’s Intensive Observing Period (IOP) data at the Southern Great Plains (SGP). The model, when continuously-forced by realistic surface flux and large-scale advection, simulates reasonably well the temporal evolution of the observed rainfall episodes, particularly for the strongly forced precipitation events. However, the model exhibits a deficiency for the weakly forced events driven by diurnal convection. Additional tests were run with the GCE model in order to discriminate between the mechanisms that determine daytime and nighttime convection. In these tests, the model was constrained with the same repeating diurnal variation in the large-scale advection and/or surface flux. The results indicate that it is primarily the surface heat and moisture flux that is responsible for the development of deep convection in the afternoon, whereas the large-scale upward motion and associated moisture advection play an important role in preconditioning nocturnal convection. In the nighttime, high clouds are continuously built up through their interaction and feedback with long-wave radiation, eventually initiating deep convection from the boundary layer. Without these upper-level destabilization processes, the model tends to produce only daytime convection in response to boundary layer heating. This study suggests that the correct simulation of the diurnal variation in precipitation requires that the free-atmospheric destabilization mechanisms resolved in the CRM simulation must be adequately parameterized in current general circulation models (GCMs) many of which are overly sensitive to the parameterized boundary layer heating.     

An event-by-event assessment of tropical intraseasonal perturbations for general circulation models

We detect and characterize each large-scale intraseasonal perturbation in observations (1979–2009) and in coupled general circulation models of Institut Pierre Simon Laplace (IPSL) and of Centre National de Recherches Météorologiques (CNRM). These ensembles of intraseasonal perturbations are used to assess the skill of the two models in an event-by-event approach. This assessment addresses: (1) the planetary-scale (i.e. the whole Indo-Pacific area) extent of wind and rainfall perturbations and the reproducibility of the perturbation patterns for a given season; (2) the size and amplitude of rainfall and wind anomalies at basin-scale (i.e. for a particular phase of the perturbation) and; (3) the evolution of the vertical structure of the perturbations (U, T and RH) for selected events. The planetary-scale extent of rainfall perturbations is generally too small for both models. This extent is also small for the wind perturbation in the IPSL model, but is correct, or even too large in boreal winter, for the CNRM model. The reproducibility of the planetary-scale patterns is exaggerated for wind perturbations in the CNRM model and is very poor for all parameters in the IPSL model. Over the Indian Ocean during boreal winter, rainfall and wind anomalies at basin-scale are too large for the CNRM model and too small for the IPSL model. The CNRM model gives a realistic baroclinic perturbations structure for wind, moisture and temperature, but with too large amplitude due in part to a zonally extended rainfall anomaly over the eastern Indian Ocean and the Maritime Continent. The IPSL model gives a realistic response for low-level wind only. Temperature and moisture perturbations are barotropic with a wrong warm anomaly at rainfall maximum and there is no gradual increase in low-level moisture prior to this rainfall maximum. These results suggest that this version of the IPSL model is unable to initiate the coupling between the convection and the dynamic necessary to develop the perturbation. It is difficult to say if this is due to, or is at the origin of the lack of basin-scale organization of the convection. We discuss the likely role of the convective schemes in the differences found between these two versions of the CNRM and IPSL models.     

沙尘暴辐射强迫的锋生过程分析

本文利用锋面方程结合数值模式结果讨论了在沙尘辐射强迫下,影响锋生过程的物理机制,计算了不同的沙尘分布对这种锋生过程的影响。计算和分析结果表明:白天锋生主要是由非绝热加热和水平速度变形场共同产生的,垂直速度场对锋生的影响较弱,主要起锋消作用。水平温度梯度的平流对锋生(消)的影响都很小。晚上影响低层锋消的主要因子是非绝热加热项。 当沙尘降低时,沙尘辐射强迫的锋面强度和坡度都相应地减小。沙尘暴区中心上空的等熵混合层厚度也随之减少。     

2013年盛夏中国中东部高温天气的成因分析

为了研究2013年盛夏中国中东部地区异常高温天气的成因,根据中国191个站地面观测资料和NCEP/NCAR再分析资料,利用热力学方程进行了诊断分析。结果表明,非绝热加热(主要是长波净辐散)是夏季中国中东部地区升温最为主要的因子,但2013年盛夏中国中东部地区温度异常偏高(距平)主要是由中低层异常偏强(相对常年平均)的下沉运动造成的,偏强的非绝热加热也有一定的贡献,而异常的温度平流(冷平流)则起着负贡献。结合天气形势分析发现,500 hPa西太平洋副热带高压(西太副高)偏强、偏西、偏北和200 hPa南亚高压偏强、偏东、偏北是造成2013年盛夏中国中东部地区中低层下沉运动偏强的主要原因,偏强的下沉运动又会使空中云雨减少,地表吸收的太阳短波辐射偏强,地表温度偏高,地表向上的感热通量和长波辐射也随之增大。结合海表温度的分析发现,2013年盛夏西太副高偏强、偏西、偏北主要是由赤道西太平洋地区、黑潮地区和北半球西风漂流区海面温度异常偏高造成的。     

中国东部气溶胶在天气尺度上的辐射强迫和对地面气温的影响

本文应用WRF-Chem(Weather Research and Forecasting—Chemistry)模式研究中国东部地区气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)在天气尺度下的辐射强迫和对地面气温的影响。5个无明显降水时间段(2006年8月23～25日、2008年11月10～12日、2008年12月16～18日、2009年1月15～17日和2009年4月27～29日)的模拟显示,气溶胶浓度呈现显著的白天低,夜间高的日变化特征,且北方区域(29.8°～42.6°N,110.2°～120.3°E)平均PM_2.5近地面浓度(40～80 μg m-3)高于南方区域(22.3°～29.9°N,109.7°～120.2°E,30～47 μg m-3)。气溶胶对地面2 m温度(地面气温)有明显的降温效果,在早上08:00(北京时,下同)和下午17:00左右最为显著,最高可降低约0.2～1 K,同时气溶胶的参与改善了模式对地面气温的模拟。本文还通过对2006年8月23～25日一次个例的模拟,定量分析了气溶胶及其部分组分(硫酸盐、硝酸盐和黑碳气溶胶)的总天气效应(直接效应+间接效应)、直接效应和间接效应分别对到达地面的短波辐射和地面气温的影响。北方区域平均气溶胶直接效应所造成的短波辐射强迫要高于南方区域,分别为-11.3 W m-2和-5.8 W m-2,导致地面气温分别降低了0.074 K和0.039 K。南方区域平均气溶胶间接效应所产的短波辐射强迫高于北方区域,分别为-14.4 W m-2和-12.4 W m-2,引起的地面气温的改变分别为-0.094 K和-0.035 K。对于气溶胶组分,硫酸盐气溶胶的直接效应和间接效应的作用相当,其总效应在北方和南方区域平均短波辐射强迫分别为-7.0 W m-2和-10.5 W m-2,对地面气温的影响为-0.062 K和-0.074 K,而硝酸盐气溶胶的作用略小。黑碳气溶胶使得北方和南方区域平均到达地表的太阳短波辐射分别减少了6.5 W m-2和5.8 W m-2,而地表气温则分别增加了0.053 K和0.017 K,相比于间接效应,黑碳气溶胶的直接效应的影响更加显著。     

冷锋雨带中湿物理过程与非绝热锋生的相互作用

利用包含冰相微物理过程参数化方案的三维非静力中尺度／云模式（ARPS）模拟了与冷锋有关的冷锋雨带（NCFR）结构，着重分析了锋面云系发展演变的主要特征。模拟结果表明，锋面云系是由位于锋面前沿处的锋面次级环流的上升运动激发的；锋面强度与冷锋云（雨）带中的潜热释放之间的正反馈引起的持续非绝热锋生是锋面以及冷锋雨带得以长时间维持的主要物理机制。进一步分析表明，锋区两侧位温梯度的增加是与沿着冷锋表面的倾斜上升运动引起的云水及水汽的再分布密切相关的，即在冷气团中由云水蒸发发冷却形成冷池，而在暖气团中由水汽凝结以及雨滴冻结等形成暖池，这种冷／暖池在冷／暖气团上的叠加是引起非绝热锋生的关键。