陆面过程参数化对宁波地区雷暴过程模拟的影响

利用耦合复杂程度不同的陆面过程参数化方案(Noah、RUC)的新一代中尺度数值模式WRF,对2006年6月24日发生在宁波地区的一次典型的雷暴过程进行了数值模拟试验。结果表明:对于雷暴发生前期近地面热力、动力场的特征,Noah方案的模拟较为逼真,RUC方案没有反映出下垫面覆盖的多样性以及城市下垫面的影响,城乡之间差异不明显;Noah方案模拟的雷暴启动、发展过程与观测较为一致,RUC方案较好地描述出了演变过程中的关键阶段(3次合并过程);由于参数化所考虑的要素和物理过程存在一定差异,Noah方案在对降水的强度、降水中心位置的模拟方面具有一定优势;雷暴的持续时间对陆面过程参数化方案的选择比较敏感,两个方案所模拟的雷暴过程持续时间不同程度地长于实际雷暴持续时间;无论是哪种下垫面覆盖类型,白天Noah方案模拟的感热通量均大于RUC方案,而Noah方案模拟的潜热通量均小于RUC方案。     

两种参数化方案下冬小麦品种对发育期的影响

利用华北平原47个农业气象观测站1986—2010年冬小麦的品种、发育期观测资料和同期气象数据,基于常用的发育期模型,对两种参数化方案下品种变化对发育期影响的特征进行研究。其中参数化方案1采用固定的三基点温度,参数化方案2通过循环优化得到三基点温度。结果表明:在华北平原冬小麦品种变化频繁的情况下,两种参数化方案均能较好地对返青-抽穗期与抽穗-成熟期的模拟过程进行参数化;两种参数化方案均认为品种变化使返青-抽穗期和抽穗-成熟期日数有延长趋势,但不同参数化方案的趋势值存在较大差异,且参数化方案1模拟的趋势值总是高于参数化方案2。此外,不同的参数化方案也会使模拟的趋势值在区域上的分布规律发生变化。研究表明:不同参数化方案的使用会对模拟结果产生明显影响,因此,在量化品种变化对发育期影响时,需关注不同参数化方案对结果的影响,以及由此带来的不确定性。     

不同模式分辨率和物理过程方案对贵州降水影响的对比试验

利用MM5中尺度数值模式,在20,15和10 km模式分辨率下,采用相同的方案对贵州两次大暴雨过程进行数值模拟试验。然后选用KUO、GRELL、KAIN-FRITSCH和BETTS-MILLER(以下简称KU、GR、KF和BM)4种对流参数化方案,分别在MRF和Blackadar 2种边界层参数化方案下,对贵州汛期16个降水个例进行数值模拟试验,对模拟结果进行对比分析并与实况资料进行比较,结果表明:预报的降水落区对参数化方案敏感。随着分辨率的提高,降水分布与实况更接近。MM5模式的这4种积云参数化方案对环流的模拟较好,但模拟降水的效果有差别:对50 mm以下的降水,GR方案的预报效果较好,KF方案则较差;对50 mm以上的降水,BM、KF方案的预报效果一般较好;选择MRF或Blackadar的边界层参数化方案对降水预报效果区别不大。选择BM或KF积云对流参数化方案、混合相显式水汽方案、MRF边界层参数化方案和云辐射方案的组合,取得了优于其他组合的预报结果。     

修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究Ⅰ:方案介绍及对1991年洪涝过程的模拟

文中在综合比较各类积云对流参数化方案优缺点的基础上 ,主要参考陈伯民等修正的ECMWF质量通量积云参数化方案 ,对其进行简化和修改 ,发展了一个质量通量积云对流参数化方案 ,文中表示为 MFS(Mass Flux Scheme)。MFS是一种综合型的方案 ,既考虑了大尺度水汽辐合的重要性 ,又考虑了积云中的上升运动、下沉运动、环境中的补偿下沉运动 ,以及卷入、卷出和蒸发等 ,用总体云模式来描述积云与环境的相互作用 ,同时考虑了深对流和浅对流。将 MFS植入 NCAR区域气候模式 Reg CM2中 ,对 1 991年 5～ 7月江淮地区特大降水过程的夏季风气候特征和变化进行了模拟 ,并与 NCAR Reg CM2选用 Kuo方案 ,在同样初、边值条件和其它物理过程选择下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明 ,植入 MFS后的模式能够模拟这次极端的降水气候事件。在某些方面 ,如地表气温 ,降水的模拟上 ,植入 MFS后的模式的模拟结果要比原模式的结果更合理     

BDA方案对台风背景高温天气预报的改进

广州地Ⅸ的高温天气主要是受副热带高压和台风外围下沉气流的影响所致.文中采用BDA(Bogus Data Assimila-tion)方法,探讨BDA方案对广州地区台风背景条件下高温预报的改进能力.选取2005年7月中旬广州地区出现的高温天气进行研究.这是比较典型的受副热带高压和台风(海棠)共同影响造成高温的天气过程.分析有无采用BDA方案的模式初始场.结果表明:采用BDA方案同化Bogus模型可以调整台风中心位置和强度,使所得到的初始场中心位置与观测更为接近,台风强度(气压梯度力、风速)比末用Bogus的情况强,与观测值更为接近.数值模拟的结果表明,采用了BDA方案的敏感试验可以更好地预撤台风路径和台风中心强度变化,从而更好地预报高温天气,对高温区分布、日平均温度大小等的预报都有改进.文中对引起这种预报差异的原因进行了讨论,并探讨高温预报改进的可能机制.大气下沉运动的增强是高温预报改进的主要原因.敏感试验由于广州中低层大气的水汽减少,大气的下沉增强,致使天空的云量减少,对太阳短波辐射的阻挡减小,从而地面吸收热量增多,温度升高,输送给大气的感热增加,大气气温升高.采用BDA方案可以改进模式在台风"海棠"过程对广州高温的预报.     

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.     

漫谈Ｌｙａｐｕｎｏｖ稳定性的理论、方法和应用

给出了热带异常风场多年序列{V′（t）}的一个傅立叶分析方案。对热带（30°S～30°N）1月850 hPa等压面1948—2005年{V′（t）}的试分析表明：1）{V′（t）}总模方S′中定常波异常{V′^＊（t）}的模方S′^＊远大于信风异常{[V′（t）]}的模方[S′],这与气候风场V-模方-S以信风为主的谱结构有显著差异。2）{V′（t）}的谱结构具有低维、低阶的特征,｜m｜=^-0,6的13个低｜m｜分量共拟合了S′模方的87.2%。3）全域定常波异常的合成波模方S′^＊｜m｜随｜m｜增大递减,｜m｜=1、2的V′^＊｜m｜拟合了S′^＊的44.4%,是构成{V′^＊}的最主要的分量;φ纬定常波异常的累积模方拟合率P′^＊｜m｜（φ）存在纬际差异,赤道至10°S带是主要高值带,20°N及以北是另一个高值带。4）全域和φ纬度上t年定常波异常模方及｜m｜=1、2的分量模方和存在明显的年际变化,20世纪80年代以来它们的强异常与强ENSO事件密切相关。因此,傅立叶分析方法是研究热带异常风场时间序列时空结构的有效和有用的方法。     

双参数微物理方案的冰相过程模拟及冰核数浓度的影响试验

利用耦合Morrison 2-mon(MOR)双参数微物理方案的中尺度天气研究与预报模式(WRF)中的单气柱模式,对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比,检验MOR方案对热带对流云系的微物理特征的模拟能力。模拟结果显示:MOR方案能够较好地模拟出热带云系中液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征。地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级和时间演变趋势同观测也非常接近。对与冰晶和雪有关的云微物理特征分析之后发现:季风活跃期,冰晶主要的源汇项有凝华增长过程、沉降过程、冰晶向雪的自动转化以及冰晶被雪碰并的过程。由于冰晶主体位于温度低于―20℃的高空,因而它对雨水的形成主要是间接贡献。同时期雪的主要源汇项中,凝华增长和沉降过程占据着主导地位。雪的凝华过程消耗了大量的水汽,可能抑制了冰晶的增长。另外雪的融化过程非常强盛,是产生降水的重要因子。季风抑制期,冰相的微物理过程变得相对简单且整体削弱,以凝华升华和沉降过程为主。凝华凝冻核的数浓度(N_dep)的气溶胶敏感性试验表明:季风抑制期,高空的冰晶云的宏观和微观性质对凝华凝冻核数浓度的响应情况呈现显著的线性特征。冰晶的含量随着N_dep的增加而增加,反之降低。该时期微物理过程主要同冰晶有关,水分的分配较为简单,N_dep增加时,高空冰云中小冰晶粒子数目增多且云顶升高,使得大气顶部向外长波辐射(OLR)值减小,反之冰云主体中冰晶有效半径增加,高空的冰云更加透明,云顶更低,对 OLR值增加起促进作用。而季风活跃期,微物理过程复杂,冰晶云的宏微观特征对N_dep的响应表现出一定的不规律特征。     

六种非感应起电参数化方案对南京一次雷暴电荷结构的数值模拟分析

利用三维非静力中尺度数值模式Meso-NH中的六种非感应起电参数化方案,采用理想场模拟南京地区雷暴云不同阶段的电荷结构特征,重点分析了雷暴云发展期雪、霰电荷密度对电荷结构的影响,并将成熟期的电荷结构与观测资料比较。结果表明,在雷暴云发展期,电荷分布在上升气流内且高度较高,TAKAH方案为反偶极结构,GARDI方案为三极结构,SAUN、BSMP为反三极结构,SAP98方案为正偶极结构,HELFA方案呈多层结构。在成熟期,电荷分布高度降低,有正负电荷共存区产生。模拟结果中,雪与霰是主要的荷电载体,荷电量及极性与方案有关。雪的电荷密度对云顶的电荷密度影响较大,霰的电荷密度对中下层的电荷密度影响较大。成熟期的电荷结构与VHF宽带干涉仪和雷声联合定位结果对比,SAP98方案模拟结果更符合该次雷暴云电荷结构。     

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式, 并选取个例, 分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1~-7.6℃温区之间, 高于原方案所得的-50.1~-24.2℃温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中, 温度相对较高的过冷区产生大量冰晶, 其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外, 与原方案相比, 霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制, 导致生成的霰小于原方案, 且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案, 此外, 在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。