Development of an integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme and its associated numerical experiments

An integrated vertical-slantwise convective parameterization scheme, based on the vertical Kuo-Anthes and the slantwise Nordeng convective parameterization schemes, is introduced into the MM5 model. By employing the MM5 model with the proposed scheme, numerical simulations of a snowstorm event that occurred over southern China on 28-29 January 2008 and of Typhoon Haitang (2005) are conducted. The results indicate that during the snowstorm event, the atmosphere was convectively stable in the vertical directi...     

垂直-倾斜对流一体化参数化方案的实现及数值试验

在Kuo-Anthes垂直对流参数化方案和Nordeng倾斜对流参数化方案基础上,提出了垂直-倾斜对流一体化参数化方案,并引入MM5模式中.利用该方案对2008年1月28-29日发生在中国南方的一次暴雪过程和2005年"海棠"台风过程进行了数值模拟,模拟结果表明,此次暴雪过程在垂直方向主要表现对流稳定状态,但在对流层低层始终存在条件件对称不稳定层,并且当条件性对称不稳定区向高层发展时,伴随着强上升运动作为触发机制,引发条件性对称不稳定能量的释放,产生更多的对流降水,使模拟的总降水量与实况更加一致.条件性对称不稳定的发展加强与降雪强度、辐合辐散和上升运动变化一致,条件性对称不稳定是造成暴雪发展加强的主要机制之一.通过对"海棠"台风72 h的模拟表明,条件性对称不稳定主要发生在台风的低层,且其水平分布呈螺旋状结构.条件性对称不稳定效应对台风路径影响较小,但对台风强度影响较大,在模式中考虑垂直-倾斜对流一体化参数化方案后,与仅考虑垂直积云对流参数化方案相比,72 h模拟的平均台风中心最低气压降低了3 hPa,最大达8 hPa.在模式中考虑条件性对称不稳定的影响,可使模式台风中上层的暖心结构更加明显,上升运动和对流性降水增强,对流释放的更多凝结潜热使台风得到进一步加强.     

区域气候模拟中Betts-Miller对流参数化方案的敏感性试验

利用NCAR RegCM2气候模式,对Betts-Miller对流参数化方案中影响参考态的几个关键性参数:稳定度参数α、云底和冻结层参考态的饱和气压Δp*和对流调整时间τ进行了敏感性试验,分析这些参数的不同取值对区域气候模拟的影响及意义,并由此提出适合我国东部地区汛期区域气候模拟的Betts-Miller对流参数化方案中较优的关键性参数取值.     

一次华北锋面带状降水过程中的对流-对称不稳定诊断分析

本文用GRAPES_Meso中尺度区域模式模拟了2015年8月2—4日的一次华北锋面带状降水过程,在模拟结果与实况比较吻合的情况下,用高分辨率模式输出资料对降水过程中的对流稳定度、惯性稳定度和条件性对称不稳定(CSI)进行了分析,并诊断出降水过程中的条件性对称不稳定区域。个例分析的结果表明:(1)带状降水过程中CSI的发展伴随着对流不稳定的减弱和惯性不稳定的增强。(2)根据不稳定量的变化情况,把降水过程分为3个阶段:在第一个阶段,降水区域上空-?θ_e/?p0,降水主要受对流不稳定的影响;在第二个阶段,对流不稳定、惯性不稳定与CSI发展增强,此阶段的降水受3种不稳定量的影响;在第三个阶段,3种不稳定能量均逐渐减弱,但仍然影响着降水的持续。(3)发展旺盛阶段的CSI在平面上呈带状分布,与雨带、对流不稳定区域平行,在剖面上CSI主要活跃在对流层低层。(4)用湿位涡结合对流稳定度与惯性稳定度诊断CSI区域的方法比M-θ_e剖面图方法更准确有效。     

一次高原强降雪过程三维对称不稳定数值模拟研究

利用一次较成功地模拟了"95.1"青藏高原暴雪过程的MM5中尺度模式输出资料,用非纬向非平行基流中的对称不稳定模式,对"95.1"暴雪发生发展过程的动力学机制进行了三维基流中二维非线性对称不稳定数值模拟试验,结果表明:ψ场和w场的三维配置在降雪发生初期和发展过程中与暴雪带基本一致,说明非线性对称不稳定是这次高原暴雪启动的一种动力学机制。     

贵州地区一次暴雨的数值模拟及不稳定性诊断分析

利用MM5V3.6模式对2004年5月29~30日发生在贵州地区的一次暴雨过程进行了模拟,模拟结果与实况基本一致。在此基础上,用模拟结果对强降水的流场以及不稳定机制等进行了诊断分析,以解释强降水发生的物理机制。结果表明,这次降水是由多种尺度系统相互作用,高、低层环流配置以及高空急流位置的变化等共同作用产生的;高层辐散区发展、低层辐合加强,形成"抽气机"效应,低层正涡度和高层负涡度加强,垂直涡度发展,激发出次级环流;对不稳定性的分析表明,降水开始为对流不稳定能量触发,降水加强后对流不稳定层次降低,对流不稳定能量减弱;中层锋区附近θe面陡立,有倾斜涡度发展,继而中层锋区条件性对称不稳定能量发展,降水加强。     

华南暴雨中尺度对流系统的形成及湿位涡分析

利用MM5模式对发生在1998年5月23～24日华南暴雨和中尺度对流系统(Mesoscale Convective System,简称MCS)模拟的模式输出资料,根据湿位涡守恒原理和倾斜涡度发展理论分析了暴雨和MCS形成和发展的原因.结果表明,暴雨和MCS发生在倾斜湿等熵面具有弱对流稳定性的下陷区,沿湿等熵面下滑的冷空气与倾斜上升并具有较强对流有效位能的暖湿空气在下陷区会合的过程中经历了对流稳定性减小的过程,导致暴雨和MCS发生发展区域有气旋性的涡旋发展.对流发展区域的上空满足条件对称不稳定发生的条件,MCS中上升气流呈倾斜状态.由于湿等熵面倾斜,在暴雨和MCS的发展过程中,水平风垂直切变和湿斜压度的增大也有利于涡旋的发展,使暴雨和MCS得以维持.最后,给出了华南地区湿等熵面上暴雨和MCS发生发展的一个物理概念模型.     

中国地区对流参数化加热廓线的分析研究和数值试验

为了使MM4模式在我国范围内得到很好的应用,需用我国的气候资料对MM4模式中的对流加热参数进行统计分析,以适应我国各地区气候状态。为此,本文选取了1990～1993年6～8月的常规探空资料,采用郭氏的对流参数化方案,放宽假设后直接计算求得各站点各时次的对流加热率参数,再按气象站的站区分区进行统计。结果表明：黄河以南地区,对流云上、下部的垂直加热率比较均匀,加热廓线峰值偏低,为σ=0.65～0.80,对流云顶也比较高。黄河以北地区,对流云中的垂直加热率分布不均,加热集中在某一层上,加热廓线峰值出现在σ=0.     

The Sensitivity of Numerical Simulation of the East Asian Monsoon to Different Cumulus Parameterization Schemes

In this paper, a 5-level spectral AGCM is used to examine the sensitivity of simulated East Asian summer mon-soon circulation and rainfall to cumulus parameterization schemes. From the simulated results of East Asian mon-soon circulations and rainfalls during the summers of 1987 and 1995, it is shown that the Kuo’s convective parameterization scheme is more suitable for the numerical simulation of East Asian summer monsoon rainfall and circulation. This may be due to that the cumulus in the rainfall system is not strong in the East Asian monsoon region.     

北京\

使用常规观测资料、卫星云图、雷达回波资料、自动气象站降水量以及0.25°×0.25°的NCEP/NCAR再分析资料,对2017年8月1日发生在黑龙江南部的暖区暴雨过程的中尺度特征及成因进行了分析。结果表明：暴雨发生在副高加强西伸北抬及有台风活动的背景下,副高外围的水汽输送为暴雨提供了充沛的水汽条件;低层西南风的增大导致暖锋锋生,暖锋的辐合抬升作用加强,造成较大范围的暴雨天气;锋生区附近存在CSI,锋生作用及CSI的释放,加强了沿着锋面倾斜向上的斜升气流及锋面次级环流,CSI导致的斜升气流的发展进一步触发对流不稳定,导致大范围的垂直上升运动,降水显著加强;暖锋云带内部探空分析显示大气处于不稳定状态,有利于以短时强降水为主的对流发展。暴雨是由云团的后向传播造成的,强降水以暖云降水为主,降水效率高,雨强大,暖锋稳定少动,由暖锋锋生所致的对流单体在同一区域重复新生,并沿暖锋自西向东传播,形成列车效应,暴雨中心一直有最大反射率因子超过45 dBz且降水效率高的强回波活动,持续时间超过4 h,导致强降水持续时间长,降水累积量大。

     

对流温度的数值计算及热力对流云预报应用

对流温度(Tc)可用于估计局地热对流发展的可能性,但在实际业务中囿于有限的探空时次和诸多前提假设,其实用性受到限制.针对此问题,首先给出Tc的一种数值计算方案,进而提出基于模式探空制作热力对流云预报的思路,即:利用数值预报输出的2 m露点温度、地表气压和等压面温度计算各预报时刻的Tc,结合2 m高度气温(T2 m),构...     

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。     

二维非静力平衡深厚湿倾斜对流数值模式设计与条件性对称不稳定数值试验

设计了一个宜于研究深厚湿倾斜对流运动的二维非弹性非静力平衡数值模式.模式采用非静力平衡条件、非常值湍流扩散系数,并具有最优协调分辨率,弥补了以往条件性对称不稳定数值研究中的诸多缺陷.数值试验表明:模式运行稳定可信且对深厚湿倾斜对流运动有较强的描述能力.在条件性对称不稳定条件下,扰动发展呈现为强倾斜环流特征,垂直速度场有狭窄的强倾斜上升运动,与倾斜上升运动相伴有倾斜云带发展.诊断分析表明:在扰动发展演化过程中,条件性对称不稳定演化为一种混合不稳定的形式存在.     

GRAPES的积云对流参数化方案性能评估及其改进试验

利用GRAPES(Global/Regional Assimilation and Prediction System)单柱模式(Single Column Model,SCM),采用GCSS WG4第三次个例资料,对BMJ、SAS和KFeta三种积云参数化方案进行了数值试验和诊断分析,得到如下结论:BMJ和KFeta方案都能较好地模拟出与观测相符的降水,而SAS则相对较差;BMJ方案在对流层中高层位温误差较小,低层偏冷严重,同时该方案具有较强的水汽向上输送能力,易造成低层偏干,中高层偏湿,因此其调整的大气层结过于稳定;KFeta方案倾向于造成低层偏冷偏湿,但低层偏冷幅度相对于其他方案较小,在对流层高层则由于对流穿透过强导致严重偏冷.针对KFeta方案对流穿透过强的问题,本文提出了一种新的对其垂直速度方程进行修改的方案,并且考察了Anderson等提出的修改流出层方案.数值试验表明,这两种修改都能有效地减小高层冷误差;综合来看,本文提出的修改方案的预报效果更令人满意.     

GAMIL模式海气湍流通量参数化方案的改进及其对大气环流年际变率模拟效果的影响

通过引人中尺度对流运动对海表湍流通量的贡献,改进了大气环流模式GAMIL1.0的海气湍流通量参数化方案.利用1979年1月至2000年12月的观测海温资料驱动GAMIL1.0模式,研究了海气湍流通量参数化改进对大气环流年际变化模拟效果的影响.结果表明:采用改进的海气湍流通量参数化方案,模拟的热带海表湍流热通量得到增强,...     

双多普勒雷达反演强风暴三维风场的数值试验

两部雷达测得的径向速度再加上质量连续方程可以求解大气风场，利用这一原理，以1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界处的一次强风暴过程为例，用模式反演出风暴体的三维风场结构，误差分析表明和实况基本一致。利用模式输出的三维风场，先模拟两部多普勒雷达扫描的数据，在此基础上，进行三维风场反演，结果表明，反演得到的流场和模拟的流场总体趋势完全一致，风暴的中心位置吻合较好，上升气流和下沉气流的分布也很接近，水平速度分量反演的误差很小，基本上可以反映三维风场的真实情况。垂直速度的平均离差在各个高度上都较小，反演结果较好。     

黄海对流云街数值模拟与敏感性试验

2015年11月25日黄海上空冷空气爆发,中国北部发生暴雪,西北东南向云街在黄海上空大面积密集分布。为研究垂直热输运的网格大小依赖性是否会对黄海对流云街数值模拟产生影响,本文利用WRF模式,分别采用考虑网格大小依赖性的边界层（PBL）参数化方案和基于非局部K理论闭合的YSU PBL方案对该个例进行数值模拟。结果表明两方案均能较好地再现云街出现区域和盛行风向。由于考虑网格大小依赖性的PBL方案模拟水平滚涡对流和次级环流的能力更强,所模拟的水平垂直速度强度更大,云水混合比更高,促进更多的云得以发展;同时其稳定性参数ζ更小,模拟的水平滚涡对流强度更大。     

Interaction Between Typhoon and Western Pacific Subtropical Anticyclone:Data Analyses and Numerical Experiments

Three kinds of typhoons with distinct tracks are sorted based on a set of typhoon data from 1958 to 1998. The results of composite analyses confirm that different typhoon tracks correspond to different patterns of the subtropical anticyclone over the western Pacific （SAWP）. When the tracks are westward, the SAWP is strong, with a zonal form, and stretches westward; when the tracks are recurving, the main body of the SAWP shifts eastward and breaks near 160~E; and when the tracks are northward, the SAWP is located far east of its normal position. Based on the above result, two different initial fields are configured, one has a zonal and strong SAWP, and the other has a meridional and weak SAWP. By using the GOALS R42L9 climate model, a temperature disturbance is added into these two different initial fields to force the formation of a typhoon. Westward and northward tracked typhoons are well simulated, thus verifying that different patterns of the SAWP have different effects on typhoon tracks. Results also show that typhoons can induce barotropic Rossby waves propagating to the mid and high latitudes. Under different background zonal flows, the wave trains triggered by the typhoons of westward and northward tracks are also different, and their effects on the mid and high latitude circulations and the SAWP are different. Compared to a n.orthward tracked typhoon, a westward tracked typhoon is able to induce positive geopotential height anomaly to its north and northwest, resulting in the SAWP strengthening and developing westward.     

Impact of Horizontal Resolution and Cumulus Parameterization Scheme on the Simulation of Heavy Rainfall Events over the Korean Peninsula

In this paper, we present the results from high-resolution numerical simulations of three heavy rainfall events over the Korean Peninsula. The numerical results show that the prediction accuracy for heavy rainfall events improved as horizontal resolution increased. The fine-grid precipitation fields were much closer to the real precipitation fields in the case of large synoptic forcing over the Korean Peninsula. In the case of large convective available potential energy and weak synoptic forcing, it seems that even when using a high resolution, the models still showed poor performance in reproducing the observed high precipitation amounts. However, activation of the cumulus parameterization scheme in the intermediate resolution of 9 km, even at a grid spacing of 3 km, had a positive impact on the simulation of the heavy rainfall event.     

热带深对流云砧数值模拟及云凝结核数浓度对其影响的初步试验

利用中国科学院大气物理研究所发展的三维强风暴模式,对Egrett Microphysics Experiment with Radiation Lidar and Dynamics（EMERALD）试验期间的一次长寿命热带深对流个例进行对流产生、发展、消亡过程以及云砧的数值模拟,并与实测资料［包括C波段双线偏振雷达图像资料、机载云粒子成像仪（CPI）探测的云砧卷云微物理特性以及激光雷达探测的云砧宏观特性资料］进行了细致的对比,然后通过改变模式中最大云滴数浓度进行有关云凝结核数浓度影响云砧卷云冰晶含水量和数浓度的敏感性试验。模式较好地模拟出系统的一些重要宏观特征,如爆发性增长阶段、各高度雷达水平反射率因子的最大值、对流云主体移动方向、云砧底部和顶部高度。对云砧冰相粒子含水量、数浓度以及平均直径等微观特征的模拟结果与实测也比较接近。对于本文个例而言,异质核化为冰晶形成的最主要方式,其次为过冷云滴的均质核化。敏感性试验结果表明:当云凝结核数浓度增加时,爆发性增长阶段的垂直速度减小,使得对流云从中低层向高层的水物质输送量减少,从而使云砧卷云冰晶的数量减少。