数值模式地形处理方法与地形降水影响模拟研究回顾

本文从数值模式出发,回顾了数值模式中考虑地形影响的处理方法和模式地形构造方法,数值模拟地形对降水影响的一些研究成果,从而获得数值模式中地形处理方法及数值模拟地形降水特征及机理的认识。在数值模式中合理地考虑地形影响,提供更为真实的模式地形,将有助于提高数值模式的预报能力,从而提升天气预报的业务水平。      

山谷地形对盛行气流影响的数值模拟

本文考虑的地形为理想的南北向长谷。建立了地形坐标下的二维非静力模式，详细研究了谷地中的风速和风向随盛行气流和谷轴的交角β、谷地的宽度、谷地的深度、谷地的相对深度以及温度层结的变化规律。模式计算的结果与三峡实际观测的统计结果相当一致。     

乌鲁木齐机场东南大风数值预报及地形敏感性试验

利用WRF模式和GFS资料对乌鲁木齐机场一次东南大风天气进行了预报和地形敏感性试验。模式预报的结果表明:WRF模式对东南大风的起风时间、持续时间、风速大小等方面有较强的预报能力。地形敏感性试验表明:1乌鲁木齐市区与机场300m左右的高度差对机场风速的影响很大;2机场上空下沉运动的强弱与东南大风的强弱有很好的对应关系;3机场东南大风的风速变化并不总是与峡谷两端气压梯度力的变化同步。此次东南大风天气的产生是低空动量下传、狭管效应和下坡风共同作用的结果。动量下传主要出现在海拔2000m以下的高度,下坡风主要出现在海拔935m以下的高度。     

二层模式中小地形对于气压跳跃形成的初步研究

应用地面观测站、ERA5再分析资料和高分辨率的WRF模式分析了一次美国博尔德（Boulder）的强下坡风事件, 此次强下坡风暴爆发的机制是高空急流带断裂导致动量下传到背风坡山脚处。进一步分析表明,强下坡风的爆发与天气尺度系统高压脊过境及局地的背风坡重力波有关。在焚风的作用下,背风坡持续变暖导致重力波加强并转竖,侵蚀对流层顶的急流带,最终导致急流带断裂,高空动量下传至地面,强下坡风暴在背风坡爆发。

     

三层模式中地形对背风波振幅的影响

利用一个三层模式和钟形山脉研究了中尺度地形参数对背风波振幅的影响。理论分析表明,若保持地形高度不变,变化地形宽度时,当山脉半宽为背风波频率的倒数,波动的振幅可以达到最大;若地形高度和半宽按不同比例变化时,波动振幅的变化是不确定的;若高度和半宽按相同比例变化时,即保持山脉形状不变的情况下,半宽为频率的倒数的2倍时,振幅达到最大。最后利用ARPS模式对地形参数的变化进行了敏感性试验,模拟结果与理论结果相吻合。     

复杂地形下冰雹预报的数值试验研究

根据威宁地区的地形、气候特征，建立三维冰雹云数值模式，对冰雹研究有一定参考价值。     

小尺度深凹地形边界层影响因子的数值试验研究

建立了一个针对小尺度深凹地形的、高分辨的、三维非静力的边界层试验模式,通过求解非定常的方程组获得边界层的定常解。有选择地对影响深凹地形边界层结构的不同因子进行了数值试验研究。结果表明,深凹地形的深度Ｈ、坡度α以及初始地面风速ｕ０的大小和初始风速的垂直切变（Ｐ）等因子对边界层的结构有较大的影响,且模式具有较好的稳定性。     

地形效应影响数值预报结果的试验研究

本文利用P-σ混合坐标系的有限区域嵌套细网格原始方程模式，选取Wayne台风天气形势演变过程为个例，试验讨论了地形效应对数值预报结果的影响。 试验方案分三类，一是真实地形，二是部分真实地形，三是均匀地形。文中着重比较了不同地形方案对Wayne台风天气形势演变过程的影响。结果指出，对西太平洋副热带高压进退及高空西风槽的活动，地形的影响极为显著，真实的地形有助于改善预报质量，使得形势预报结果更为接近实际。地形对温度场的影响局地性较强，模式地形过矮和过于平滑将使得地面温度的预报偏高。对降水场的预报，数值模式普遍存在的降水区域过于分散的问题，可能是由于模式地形影响的缘故。但对大范围雨带的分布来说，地形不具有决定性的因素。模式地形对降水的影响，主要表现在其增幅效应和降水区分布的结构上，即模式地形增高，降水量将适度增大，雨区结构将更为复杂。地形的影响在风场环流预报中体现得也极为明显。最后作者指出，在数值模式中引入合理的模式地形，是改善预报质量的有效途径之一。     

深圳海岸复杂地形气流与湍流特征的数值模拟

利用三维非静力能量闭合（Ｅ－ε）的边界层模式，以深圳海岸复杂地形进行了实际模拟。结果给出了该地区海陆风情形下气流和湍流孤变化特征。在海风发展盛期，气流方向由大面积的水域和内陆的位置决定，不规则海岸线对局地气流影响不大，夜间陆风时，不规则海岸线对局地气流影响较大，湍流能量高值颁在陆地上空的不稳定层内，水面上湍能很小。模拟结果与实测结果上比较吻合。     

南极地区的大气环流流体物理实验

通过流体物理实验，研究南极地形及冷源对大气环流的影响。正压流体实验表明，由于地形动力强迫，在南极大陆沿岸及以北地区生成气旋性涡旋带，有３个低压中心。在地形上空生成巨大的反气旋。斜压流体实验表明，东移“行星波”的波数及波形有准周期低频振荡，其振荡周期相当于地球大气系统中的２１ｄ。东移的槽在１１０°Ｅ以东逐渐发展，在１６０°Ｗ的罗斯海附近发展得最深，再往东则逐渐减弱     

一个描述小尺度深凹地形大气边界层的数值模式及数值模拟试验

文中针对小尺度深凹地形（深凹露天矿）的特点,建立了一个高分辨率的、三维非静力的大气边界层数值模式,模式中采用能量（E-ε）闭合方案。利用该模式对小尺度深凹地形边界层的三维结构进行了较充分的研究,并且有选择地对影响边界层结构的因子进行了数值试验。     

台风移速突变的数值研究

用准地转正压模式，在无环境气流的情况下，实施了８组时间积分大于５个模式日的试验。在模式大气台风移动的过程中，清楚地显示了移速突然变化的现象。台风移速突然变化与前期台风环流的非对称结构之间存在着密切的联系。最后分析了台风环流非规则结构对路径的影响。     

冰核浓度变化对云辐射的模拟试验

文中利用中国气象科学研究院 2 0 0 0年版三维对流云模式 ,假设冰核浓度比现在模式中通常用来计算实际降水量的Fletcher给出的冰核浓度增大了 5倍 ,对北京地区 1996年 6～ 9月 18次降水过程作了模拟的对比分析。结果发现 ,80 %的模拟云在冰核浓度增大后都出现降水减小 ,云顶卷云毡面积扩大 ,云顶升高 ;95%的模拟云出现冰晶尺度变小 ,数量增多的现象。说明冰核浓度增大后 ,云的物理特性会有一些改变 ,并可能通过直接和间接作用改变辐射过程从而产生一定的气候效应     

北极海冰的厚度和面积变化对大气环流影响的数值模拟

文中利用中国科学院大气物理研究所设计的两层大气环流模式 ,模拟研究了北极海冰厚度和面积变化对大气环流的影响 ,尤其是对东亚区域气候变化的影响。模式中海冰厚度处理趋于合理分布 ,导致东亚冬、夏季风偏强 ,使冬季西伯利亚高压和冰岛低压的模拟结果更趋合理 ;另一方面 ,海冰厚度变化可以激发出跨越欧亚大陆的行星波传播 ,在低纬度地区 ,该行星波由西太平洋向东太平洋地区传播 ;海冰厚度变化对低纬度地区的对流活动也有影响。冬季北极巴伦支海海冰变化对后期大气环流也有显著的影响。数值模拟结果表明 :冬季巴伦支海海冰偏多 (少 )时 ,春季 (4～ 6月 )北太平洋中部海平面气压升高 (降低 ) ,阿留申低压减弱 (加深 ) ,有利于春季白令海海冰偏少 (多 ) ;而夏季 ,亚洲大陆热低压加深 (减弱 ) ,5 0 0 h Pa西太平洋副热带高压位置偏北 (南 )、强度偏强 (弱 ) ,东亚夏季风易偏强 (弱 )。     

极冰气候效应的数值试验

利用一个大气环流模式（ＡＧＣＭ）和一个全球耦合海气模式（ＣＯＡＧＣＭ）,模拟了北极海冰边界范围的变化对月平均气候的影响。结果表明,极冰边缘的异常完全可以改变中高纬度某些地区的局地气候。受冷源的影响,北半球中高纬度冷高压加强,低纬度暖高压减弱。同时利用一个全球三维大气环流模式,作了海冰反照率参数化的数值试验,用两种不同的海冰反照率参数化方案,检验对地表面温度、海平面气压、极地表面对太阳辐射吸收的影响。模拟试验表明了冰雪圈反照率的反馈作用,对气候变化的影响十分重要。     

理想基流中大气波动多折射的数值试验

利用含非绝热加热的准地转正压涡度方程全球谱模式,采用４种热带海表温度异常作为热源和１６种理想基流,进行了理想基流中大气波动多折射的数值试验,积分时间为３０ｄ。得到：热源所激发的扰动通常能产生二支或三支波列,并由第一支波列分支出第二,三支波列,或第二支分支出第三支波列;对于有些基流,第一支波列维持两周或更长时间后消失,而留下其他波列;第二支波列往往最强,对于某些基流,两支流列有汇合聚集的趋势。     

土壤温湿异常对短期气候影响的数值模拟试验

本文介绍了用IAP气候模式进行关于土壤温度异常和土壤湿度异常的敏感性试验研究,异常区域都取在中国范围内。其中关于土壤温度异常的影响,我们进行了初值异常和固定异常两种试验,而对土壤湿度异常的影响则进行了初始异常的试验。结果表明,土壤温度的初始异常一天以后基本消失,而固定的土壤温度异常和土壤湿度的初始异常对短期(一个月左右)气候有明显影响。土壤温度的影响主要在异常区内及其南部相邻区域,土壤湿度异常的影响则可以以长波波列形式向外传播到很远距离处。