一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5（V3.6）,选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析。研究结果表明：(1)具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案。（2）梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化。雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1—2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用。（3）除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500—700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速（剧）云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子。     

NUMERICAL SIMULATION OF MESOSCALE STRUCTURES OF TYPHOON AND OROGRAPHIC EFFECTS USING MM5*

The track,landfall,dynamic and thermodynamic and cloud-rain physical mesoscale structures and their evolution of typhoon HERB 1996 in 36 h from 0000 UTC 31 July to 1200 UTC 1 August 1996 were simulated by using the non-hydrostatic mesoscale model MM5.This period covered the process of typhoon HERB landfall at Taiwan and Fujian Provinces.Results show that the model successfully simulated the landfall process of typhoon HERB,revealed the most important characteristics of the mesoscale dynamic and thermodynamic and cloud-rain physical structure during its landfall.The simulated typhoon track was close to the observation.The center of cyclonic circulation simulated at 0000 UTC on 1 August 1996 (24 h integration) was located in shore near Fuqing,Fujian Province at which the typhoon was reported to landfall two hours later.It shows that strong upward motion formed by low level convergence existed in the eye-wall and subsidence at the eye.The wind field shows clear asymmetrical structure near the typhoon center.The cloud and rainband was screw-typed distributed around typhoon center,and consisted of meso-β scale rain cores.During the period of typhoon HERB staying near and passing over Taiwan,the lower cloud was developed in the eye region so that the previous clear typhoon eye on the satellite pictures became fuzzy.Observation shows that the typhoon center was "warm",but the model simulations with higher space resolution show that in the mid-troposphere the region of eye-wall with stronger upward motion and more cloud-and rain-water was warmer than the eye.During the period of typhoon passing over Taiwan and its following landfall at Fujian,the track of model typhoon deviated about 30 km northward (i.e.,rightward) because of the orographic effects of Taiwan Island,but the strength of the typhoon was not affected remarkably.The amount of rainfall on Taiwan in the 36 h simulations was enhanced more than six times by the orographic lifting of Taiwan Mountain.     

辽宁省热带气旋模式预报业务系统

介绍了在MM5模式基础上建立起来的辽宁省热带气旋模式预报业务系统及2005年的预报情况。系统以T213L31产品为背景场和侧边界,初始场中同化了常规探空报、地面报及一些卫星反演资料,模式的初值中还嵌入人造热带气旋进行模式运算。系统每日自动运行2次;模式输出结果经后处理后,编写到通用绘图软件GrADs中,以图形显示,并在沈阳区域气象中心局域网的中尺度数值预报网页上显示。2005年汛期热带气旋预报表明,系统对热带气旋的路径和暴雨的预报效果较好。     

辽宁中尺度数值模式产品和T213产品对比检验分析

利用国家级的气象预报产品质量客观检验评价系统,对辽宁中尺度模式预报MM5和T213数值预报的结果分别进行检验分析.检验类型分为历史资料检验和实时资料检验,检验要素包括地面降水、气温和高空500 hPa环流.检验结果显示,对于降水、气温的预报MM5模式预报检验结果优于T213数值预报,而对于500 hPa环流的检验结果T213更可信.     

BCC_CSM对全球海表温度和混合层深度的模拟评估

为了定量评估北京气候中心(BCC)发展的BCC_CSM对当代全球海表温度和混合层深度的模拟能力,以WOA09(World Ocean Atlas 2009)观测资料作为检验模式的气候态实况场,提取包括BCC_CSM在内的CMIP5中的17个海气耦合模式的模拟结果,评估BCC_CSM模拟的全球海表温度和混合层深度的气候平均态并分析造成偏差的可能原因。结果表明:BCC_CSM模拟的海表温度在北半球中高纬的误差较大,而在其余纬度的模拟性能较佳。偏差的产生主要归因于海洋环流偏差。BCC_CSM模拟的最深混合层在北半球中高纬和南半球高纬地区的误差较大,同时这些区域也是多模式模拟差异最大的区域;其模拟的最浅混合层在南半球中高纬的偏差较大。冬季大西洋经向翻转环流的模拟在北大西洋下沉的位置偏南导致北半球高纬地区海表温度偏冷。由此认为包括BCC_CSM在内的许多海气耦合模式需重点改进对南、北半球深对流海域物理过程的描述,以提高气候预测的可信度。     

“96·8”特大暴雨和中尺度系统发展结构的非静力数值模拟

1996年8月3～5日(“96     

基于CMIP5模拟的中国区域陆气耦合强度评估及未来情景预估

基于第五次国际耦合模式比较计划(CMIP5)11个模式历史情景的模拟结果计算得到了中国区域夏季的陆气耦合强度并进行集合平均,结果表明,位于半干旱区的华北和内蒙古地区陆气耦合强度相对较强,西部干旱区的陆气耦合强度相对较弱,位于湿润区的中国东北地区东部、长江中下游和西南地区陆气耦合强度最弱。利用上述模式集合平均结果与由NCEP再分析资料和欧洲中心的中期气象预报40年再分析资料(ERA40)计算得到的陆气耦合强度相比较,结果显示这些模式的集合平均与再分析资料NCEP和ERA40的计算结果有较好的一致性。利用历史情景模拟和不同的典型排放路径(RCP),即低排放情景RCP2.6、中排放情景RCP4.5和高排放情景RCP8.5下的模拟结果预估陆气耦合强度未来变化。结果显示:与历史情景相比较,位于湿润区的中国南方地区蒸散发的主要控制因子是温度,在3种排放情景下随着温度上升引起蒸散发增加所导致陆气耦合强度升高;位于青藏高原以及半干旱区的内蒙古大部分地区蒸散发在未来的年际变化幅度减弱导致陆气耦合指数降低;位于西北干旱区陆气耦合强度在RCP2.6和RCP4.5情景上升,然而在RCP8.5情景下陆气耦合强度下降,其原因是在高排放情景下,水汽平流输送明显增强,局地蒸散发异常对空气湿度变化的贡献减弱,导致了陆气耦合强度降低。未来预估结果在中国南方可信度相对较高,从全国来看,在RCP4.5情景下可信度相对较高。     

高分五号全谱段光谱成像仪地表温度与发射率反演

地表温度在全球能量平衡和气候变化研究中具有重要意义。中国新一代高分辨率卫星高分五号卫星(GF-5)搭载的全谱段成像光谱仪有4个40 m空间分辨率的热红外波段,可以提供高空间分辨率的地表温度信息。本文提出了适用于全谱段成像光谱仪的温度与发射率分离TES(Temperature and Emissivity Separation)算法同时反演地表温度和发射率,为了提高大气校正精度,算法加入了水汽缩放WVS(Water Vapor Scaling)大气校正方法。首先利用Seebor V5.0全球大气廓线库构建模拟数据对算法精度进行了评价;然后利用张掖地区11景ASTER影像作为替代数据和同步的地面实测数据对算法精度进行了验证。模拟数据结果表明加入WVS方法后TES算法反演地表温度的RMSE由2.59 K降低到1.54 K,4个波段地表发射率的RMSE分别从0.122、0.12、0.102和0.037降低到0.042、0.04、0.028和0.026;地表验证结果表明本文算法反演的地表温度与站点实测值具有更好的一致性,平均Bias由1.08 K降低到0.47 K,RMSE由2.17 K降低到1.7 K;反演的各波段地表发射率与地面实测结果误差均小于1%。因此,本文提出的温度与发射率分离算法具有较高精度,可以利用GF-5数据获取高精度高空间分辨率的地表温度和发射率数据,服务于其他相关研究。     

基于极化相干矩阵的河流水质污染监测初探

利用遥感手段监测水质污染具有监测范围广、实时性强的优点。本研究选择中国南方地区水质变化明显的河流区域作为研究对象,利用C波段星载极化合成孔径雷达（极化SAR）卫星RADARSAT-2提供的数据,对基于极化SAR的河流水质污染监测技术进行了初步研究。首先介绍了电磁波的极化现象以及极化SAR的基本原理;其次结合一次同步测量实验,提取河流区域,并对极化SAR数据与水质常见监测指标的监测数据进行对比分析,通过对10个采样点18组数据的分析发现,极化相干矩阵中的T22元素与部分水质指标（如五日生化需氧量BOD5等）具有较强的相关性,从而反映水质的污染状况;并通过实测数据和最小二乘法,拟合得到了利用[T]矩阵元素反演BOD5的经验公式,拟合系数达到0.82。最后通过对地表散射模型和菲涅尔系数的分析,从理论上探讨了极化相干矩阵中部分元素与水体物理性质存在相关性的原因。初步理论分析和实验数据表明,T22元素能够反映水体的污染状况。     

两步保形平流方案在高分辨率球面经纬网格下的跳点差分试验

尝试用一个基于有限差分的两步保形平流方案（TSPAS）替代美国国家大气研究中心第5版公用大气模式（NCAR-CAM5）欧拉-谱动力框架中的半拉格朗日传输（SLT）平流方案,并针对不同分辨率版本,计算水汽等物质的传输过程。通过设计保证守恒性的跳点差分法,解决了基于经纬网格的模式在高分辨率下由于极区纬向格距过小而造成的差分方案积分时间步长过短的问题,使得TSPAS在高分辨率下仍然可以使用较大的时间步长。理想试验表明：（1）跳点TSPAS在守恒性、数值精度（量级上）、保形性等方面均较好地保持了原TSPAS的特点,而积分步长可增大到与CAM5-SLT相同,比原TSPAS提高超过一个数量级;（2）较半拉格朗日传输方案,尽管TSPAS的耗散更大,但是在相同时间步长下更省时,且改进了半拉格朗日传输求解平流方程造成的不守恒问题。CAM5的比较试验表明：（1）采用跳点TSPAS的模式结果与非跳点计算结果相当,在高纬度跳点区域也并未出现模拟异常;（2）在高分辨率下,采用跳点TSPAS方案的CAM5模拟结果与原模式结果相近,并初步显示对东亚青藏高原南侧的虚假降水有所抑制。该工作确保了基于欧拉通量差分型的TSPAS在高分辨率模式下的大时间步长稳定积分,为解决有限差分方法在高分辨率模式发展中的相关计算问题提供了启示,为后续针对东亚地区的模式性能改进奠定了基础。