白天混合层顶部夹卷层厚度的特征研究

本文首先对Deardorff的一阶模型给予解释，在此基础上分析对流边界层湍流动能方程，分析机械湍流和对流湍流对边界层发展的贡献，提出一个新的速度尺度，混合层顶速度尺度，定义了全理查森数，给出夹卷层厚度的参数化方案，并用Boers和Elotanta的雷达观测数据进行验证。参数化方案与实验数据符合得很好。当夹卷层厚度表示为夹卷速度或夹卷理查森数的函数时，该函数曲线随边界层发展通常表现为磁滞回线形状现象，利用本文的理论进行了解释。     

9406号台风登陆造成华南及长江中游暴雨过程的数值模拟试验

本文应用有限区域数值预报模式，并根据不同的积云参数化方案对１９９４年第６号台风登陆后低压的移动规律及其对应降水分布进行了数值模拟试验，结果表明积云对流参数化对于台风移动及其降水分布影响极大，是作出台风暴雨预报的关键过程。     

黑风暴的沙尘形成与输送参数化及中尺度数值试验

西北地区典型黑风暴和强沙尘暴都是在特定大尺度环流背景和中尺度系统相互作用下发生和发展的，而中、低空强锋区相伴的强冷锋移经沙源充足的大沙漠区是黑风暴和强沙尘暴形成和发展的必要条件。为了研究黑风暴和沙尘暴的沙尘形成、输送及沉降机制，本文提出了一种沙尘源、汇项的参数化方案和一个沙尘输送方程，进而引入已有的ＭＭ４中尺度数值模式模拟系统；应用这个改进和发展的模式模拟系统基本成功地模拟了“９３．５”黑风暴的天气系统演变及其沙尘浓度的近地层和垂直分布以及沙尘的沉降与输送。模拟结果分析表明，用包括沙尘输送方程及其沙尘源、汇项参数化方案的中尺度数值模式来研究黑风暴的沙尘形成、输送和沉降机制是一种具有应用前景的方法。     

Nonlocal Turbulent Mixing Based on Convective Adjustment Concepts (Ntac)

A nonlocal turbulent mixing parameterization is introduced in this study and denoted by the acronym NTAC, which stands for Nonlocal parameterization of Turbulent mixing using convective Adjustment Concepts. NTAC uses the average value of quantities in the turbulent domain in much the same way that local convective adjustment schemes use the average potential temperature. Averages are determined in the region with non-convective turbulence using information from the two end layers (denoted by TLA, Two Layer Average), while all layers contribute to the average in regions with convective turbulence (denoted by CLA, Convective Layer Average). The NTAC parameterization estimates the mixing percentage and uses this percentage as a mixing coefficient. These percentages are determined from a simplified turbulent kinetic energy equation. The scheme is versatile, conservative, and when programmed efficiently the proposed parameterization is a computationally acceptable nonlocal procedure that can be used in many existing numerical weather prediction forecast models.Numerical weather forecast model simulations using the NTAC parameterization and traditional K-theory are compared against radiosonde data. The accuracy of the proposed NTAC parameterization is found to be competitive with K theory. The greatest improvement of the NTAC over K-theory occurs during the daytime and early nighttime hours when (dry) convective activity is high. Also, areal cloud coverage is increased by the NTAC parameterization. Our findings show that the greatest nonlocal vertical mixing occurs between the layer nearest the earth's surface and the remaining layers making up the planetary boundary layer.     

大气对流边界层发展的模拟研究

室内水槽模拟是大气边界层研究的一种重要手段。利用室内模拟水槽对大气边界层的发展进行了模拟,通过处理平均温度廓线和光斑图像得到了对流边界层顶部位置h2和边界层高度zi。结果表明,不同测量方法得到的结果一致性很好,与实际大气的边界层发展情况也较为接近。同时,根据试验情况确定初始条件和边界条件,使用边界层参数化模型进行了数值模拟,其结果与室内模拟的结果也较吻合。     

根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响研究

根系吸水过程对地表能量平衡和水循环起着重要作用，目前不同的根系吸水过程参数化方案对青藏高原陆面过程模拟的影响尚不明确，探讨相关参数化方案的影响，可以为今后建立陆面过程模式根系参数化方案提供参考。本文利用2010年6月1日至9月30日青藏高原玛曲站的观测资料作为大气强迫资料，驱动BCC_AVIM模式（北京气候中心陆面模式）引入不同的根系吸水过程参数化方案，对玛曲站2010年6月1日至9月30日时段感热通量、潜热通量、土壤温度、土壤含水量等要素进行数值模拟，分析根系吸水过程参数化方案对青藏高原地区陆面过程的影响。模式中有关根系吸水过程的参数化方案主要分为根分布模型和土壤水分对根系有效性函数两类，根分布模型用Jackson方案、Schenk方案替换，土壤水分对根系有效性函数用Li方案、LSM1.0方案、CLM4.5方案替换。对比结果表明:不同的根系吸水过程参数化方案对土壤温度、土壤含水量的模拟影响较小，对感热通量、潜热通量模拟影响较大，尤其对冠层蒸腾量模拟差异显著，相关参数化方案的变动直接影响冠层蒸腾量。两类方案模拟的差异受降水的影响，在多雨期，根分布对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异；在少雨期，土壤水分对根系有效性函数对比方案与原模式方案模拟的感热、潜热通量间存在较大差异。     

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟 结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO₂和NO₂浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO₂和NO₂浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好.     

Numerical Simulation of Effect of Sea Spray on Typhoon ＇Morakot＇ Structure

将海洋飞沫参数化引入到高分辨率、非静力中尺度模式中,并对0908号台风＂Morakot＂进行了数值模拟,研究了海洋飞沫对台风＂Morakot＂结构和强度的影响。结果表明：（1）不论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出台风＂Morakot＂的移动路径,说明海洋飞沫对其移动路径影响不大;（2）引入海洋飞沫参数化后,台风眼墙区域的切向风速、径向风速、垂直速度、涡度、云水混合比、雨水混合比等物理量均增强,表明飞沫对台风结构变化的影响明显;（3）海洋飞沫对台风＂Morakot＂演变的直接影响是在对流层低层,低层风速明显增大,大风速区的影响尤为显著;（4）飞沫的蒸发使台风范围内的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,其大值区对应着台风中心附近的最大风速区。由于水汽和热量输送的增强,使台风眼壁附近的云水量与雨水量增多,因此降水强度明显增加。     

不同模式扰动方案在风暴尺度集合预报中的对比试验研究

由于适用于中长期集合预报的模式扰动技术在风暴尺度集合预报系统中的影响并不明确,为探究不同模式扰动方案在风暴尺度集合预报中的效果,基于WRF模式设计了3组模式扰动方案:多物理扰动（MP）方案、随机物理倾向扰动（Stochastically Perturbed Parameterization Tendencies,SPPT）方案以及由MP方案与SPPT方案组合构建的一种新混合扰动（SPMP）方案。对2013年7月5—6日发生在江淮流域的一次强对流天气过程进行了数值模拟。结果表明:MP方案在积分前期的降水概率评分较高,对高层大气的扰动效果更为合理;SPPT方案主要作用于积分中后期,对大气低层及近地面的扰动效果最为理想,尤其是对于地面水汽场的模拟;SPMP方案能显著提高大气中高层各预报变量的离散度,降低均方根误差,提升集合成员的可信度,有效弥补降水预报评分在单独使用MP方案和SPPT方案不同积分时段的不足。在扰动水平传播方向上,SPMP方案的扰动形态主要受MP方案主导;垂直方向上,SPMP方案在低层的扰动形态与SPPT方案一致,在高层受MP方案控制。波谱能量分析表明3组方案的扰动能量随积分时间均有向大尺度传播的趋势,SPMP方案能有效补偿两种方案能量在各尺度的耗散。      

海洋飞沫对台风“Morakot”结构影响的数值模拟研究

将海洋飞沫参数化引入到高分辨率、非静力中尺度模式中,并对0908号台风"Morakot"进行了数值模拟,研究了海洋飞沫对台风"Morakot"结构和强度的影响。结果表明:(1)不论是否考虑海洋飞沫作用,模式均能较好地模拟出台风"Morakot"的移动路径,说明海洋飞沫对其移动路径影响不大;(2)引入海洋飞沫参数化后,台风眼墙区域的切向风速、径向风速、垂直速度、涡度、云水混合比、雨水混合比等物理量均增强,表明飞沫对台风结构变化的影响明显;(3)海洋飞沫对台风"Morakot"演变的直接影响是在对流层低层,低层风速明显增大,大风速区的影响尤为显著;(4)飞沫的蒸发使台风范围内的潜热和感热通量明显增强,尤其是潜热通量,其大值区对应着台风中心附近的最大风速区。由于水汽和热量输送的增强,使台风眼壁附近的云水量与雨水量增多,因此降水强度明显增加。