中尺度非均—边界层气候的数值研究——(Ⅱ)夏季的数值试验

用修改的 Nickerson 等提出的中尺度模式,对我国北方夏季非均一下垫面上的边界层气候特征进行了研究。结果表明,在晴朗、静风和无扰动系统的条件下,下垫面的非均一性对边界层气候起着决定性的影响。边界层气候特征和低空急流强度与局地环流关系密切。干燥裸地上边界层内出现的逆湿现象,是由下垫面非均一的湿度场和中尺度平流共同引起的。     

晴天及阴天条件下WRF模式中几种边界层参数化方案的对比分析研究

利用WRF模式中5种常用边界层参数化方案（ACM2、YSU、BouLac、MYJ和MYNN2.5）及美国能源部大气辐射观测试验（ARM）寿县综合观测数据（2008年8-12月）,对比分析了晴天及阴天条件下,不同参数化方案对典型农田下垫面气象要素及边界层结构的模拟效果,结果表明：（1）模式对于云层状况的模拟,非局地方案ACM2和YSU方案优于局地方案.（2）对于近地层气象要素,晴天和阴天条件下均是ACM2方案对于2 m温度和比湿的模拟效果最好,MYJ方案对于风向风速的模拟效果最好.（3）对于位温及比湿垂直廓线的模拟,晴天和阴天条件下均是非局地方案（ACM2和YSU）对白天的模拟效果优于局地方案;ACM2方案对夜间弱稳定层结和逆湿结构的模拟最优;（4）对于风速垂直廓线的模拟,白天不稳定条件下,晴天条件MYJ方案最优,阴天MYNN2.5方案的模拟效果最好;夜间弱稳定条件下,晴天条件ACM2方案与观测值之间的偏差最小,阴天YSU方案模拟效果最好;（5）总体而言,在对典型农田下垫面进行模拟时,晴天和阴天条件下均是ACM2方案更具优势.

     

赤道带边界层结构的数值研究

在气压随纬度的不同分布条件下,数值求解了二维赤道带大气边界层非线性运动方程组,得到了不同气压分布下赤道带边界层运动特征,显示了平流的重要作用。在赤道带存在低压槽或气压单调随纬度增加而减少的情况下,都得出在赤道附近某纬度有一相应于赤道辐合带(ITCZ)的垂直运动大值集中区域存在,克服了前人用临界纬度机制解释边界层大抽吸速度时略去重要的非线性项的处理上的困难。     

CWRF边界层参数化对东亚近海热带气旋模拟的影响评估

基于CWRF模式结果,探讨了6种边界层参数化方案对30 a东亚近海热带气旋的强度、频数及路径模拟的可能影响。结果发现：CWRF模式中各边界层参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,模拟强度相比观测也均偏弱。热带气旋的强度、频数及出现频次的空间分布对模式边界层方案的选取较为敏感。CAM3方案模拟强热带气旋的能力较其他方案偏好,ACM方案在多数年份模拟的热带气旋个数偏多,且在不同月份模拟的热带气旋生成频率与观测最接近,CAM3方案模拟的热带气旋出现频次与观测的偏差在大部分地区偏小。综合来看,CWRF模式中边界层参数化选用CAM3方案模拟热带气旋活动的性能较好。     

Sensitivity Analysis of Ensemble Simulations on a Torrential Rainfall Case over South China Using Multiple PBL and SL Parameterizations

A good representation of the interaction between the planetary boundary layer(PBL) and the surface layer(SL) in numerical models is of great importance for the prediction of the initiation and development of convection. This study examined an ensemble that consists of the available suites of PBL and SL parameterizations based on a torrential rainfall event over south China. The sensitivity of the simulations was investigated against objective measurements using multiple PBL and SL parameterization schemes. The main causes of the bias from different parameterization schemes were further analysed by comparing the good and bad ensemble members. The results showed that good members tended to underestimate the rainfall amount but presented a decent evolution of mesoscale convective systems that were responsible for the torrential rainfall. Using the total energy mass flux(TEMF) scheme, the bad members overestimated the amount and spatial coverage of rainfall. The failure of the bad member was due to a spurious convection initiation(CI) resulting from the overestimated high-θe elevated air. The spurious CI developed and expanded rapidly, causing intensive and extensive rainfall over south China. Consistent with previous studies, the TEMF scheme tends to produce a warmer and moister PBL environment. The detailed sensitivity analysis of this case may provide reference for the operational forecast of rainfall over south China using multiple PBL and SL parameterizations.     

边界层参数化和湿过程对切变线低涡发展影响的中尺度模拟

1981年8月14至22日,在青藏高原东侧陕、甘、川毗邻区,出现了一次持续暴雨过程.对其主过程的涡度诊断表明,切变线低涡初生於青藏高原东侧低空,其后,不仅出现了高、低空涡度中心的叠加和耦合过程,而且在行星边界层(PBL)内发生了迅速加强过程.这种过程与切变低涡的持续发展相伴. 一系列48和72小时中尺度数值模拟结果揭示:只有高分辨PBL参数化的湿物理过程,才能较好地模拟出切变低涡在PBL内的突然加强及其涡度演变和垂直结构;而总体PBL参数化,虽然其涡度演变和垂直结构也能基本模拟出来,但不能模拟出切变线低涡在PBL内的迅速加强;总体PBL参数化干过程的模拟结果指出,该方案较前两种湿过程方案均差,特别是被模拟系统的强度明显减弱,位置偏离. 模拟与诊断和观测之间的比较揭示,尽可能仔细地改进PBL参数化和湿物理过程,才有可能改进对这类中尺度系统发生和发展的模拟.     

关于边界层阻力定律在非定常均匀条件下的推广

用自由大气实际风速取代地转风,得到了非定常均匀条件下阻力定律和边界层内参数的一些性质及相似性函数Ａ、Ｂ的特性。该方法和结果可应用于大气模式中的边界层参数化以及与相似性函数有关的一些研究。     

边界层辐合线发展成飑线的数值试验

利用高分辨率η坐标模式，以一个实际飑线个例的常规资料为初值，通过嵌入一定强度的边界中层尺度辐合线，进行了边界层辐合线型飑线激发的数值试验，结果表明，飑线实例的大尺度环境场提供了累积的有效浮力能，小尺度积云对流则通过对流翻腾提供高层水汽凝结潜热加热和低层降温冷却，而中尺度幅合线通过提供带状辐合上升运动，起着胚胎和组织积云对流的作用，这样大、中、小三种尺度相互作用导致了边界层中尺度辐合线发展成为飑线。