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。     

Influences of Different PBL Schemes on Secondary Eyewall Formation and Eyewall Replacement Cycle in Simulated Typhoon Sinlaku (2008)

The effects of different planetary boundary layer (PBL) processes on the secondary eyewall formation (SEF) and eyewall replacement cycle (ERC) in Typhoon Sinlaku (2008) are investigated by using the Weather Research and Forecasting (WRF) model with six different PBL schemes. The SEF and ERC have been successfully simulated with all the six PBL schemes and the mechanism for the SEF and ERC proposed in our previous study has been reconfirmed. It is demonstrated that both the intensification of the storm and the inward-moving outer spiral rainband contribute to the SEF. After the SEF, the associated diabatic heating enhances the secondary eyewall further, and the transfer of moist air from outer region to the primary eyewall is cut off by the secondary eyewall. In such a way, the primary eyewall dies and an ERC completes. It is found that some simulated features of the SEF and ERC, such as the time and location of the SEF and duration of the ERC, do vary from one simulation to another. In order to describe the features of the SEF and ERC quantitatively, a concentric eyewall index (CEI) is defined and a threshold of the CEI is suggested to determine the onset of the secondary eyewall. The differences in the simulated SEF and ERC are discussed and some possible causes are suggested. In addition, based on the CEI threshold and the conservation law of angular momentum, a formula to predict the location of SEF is also proposed and applied to all the six simulations. The success and failure of the formula are then discussed.     

MM5和ETA相似理论近地层方案对农田下垫面通量模拟比较研究

近地层湍流通量计算对于中尺度数值模式有重要意义,湍流通量的参数化是当前大气边界层研究的重要课题之一.选择青藏高原东缘大理观象台边界层通量观测系统,离线测试了WRF区域模式中的两种常用的近地层参数化方案(MM5相似理论非迭代方案A和ETA相似理论迭代方案B),并将参数化方案计算结果与边界层铁塔涡动相关法的观测值进行对比分析.在大理观象台观测场不同植被随季节交替的状况下,根据边界层铁塔4层高度风速拟合,发现近地层空气动力学粗糙度随季节变化特征明显.将拟合的空气动力学粗糙度输入模式参数化方案进行通量计算.结果表明:稳定度是影响近地层参数化方案精度的重要因素,在不稳定条件下方案B低估了动量通量,方案A优于方案B,而在稳定条件下方案A低估了动量通量,方案B优于方案A,两种方案总体来看误差不大.对于大理边界层通量观测场农田植被交替的环境条件,不同季节下垫面植被类型的差异,以及植被的稀疏对近地层参数化方案湍流通量计算结果的精度有显着影响.方案B考虑了空气动力学粗糙度z₀和热量粗糙度z_0h的差异,不稳定条件下感热通量计算结果在裸土或稀少植被条件下明显优于方案A.针对方案B不稳定条件下感热通量计算结果在裸土下垫面仍出现高估的现象,使用了Zeng等1998年提出的用辐射地表温度订正裸土下垫面感热能量方法后,计算结果也有明显改善.     

热带气旋边界层关键结构研究进展

边界层的动热力结构在很大程度上决定了热带气旋(TC)的发生发展,首先,TC边界层是触发TC对流的源地,并作为海-陆-气能量交换的主要中介,提供TC发生发展的重要能源;其次,边界层是TC对流发展所需水汽的主要输送通道;第三,TC登陆时,陆地下垫面摩擦直接作用于边界层,加强辐合、对流和湍流输送.对这些特征的了解有利于从根本上掌握TC发展变化的规律,为提高登陆TC分析和预报水平奠定基础,具有重要的科学价值和实际意义.本文在前期TC边界层研究工作的基础上,从热力学和动力学的角度,介绍了近年来国际上关于TC边界层风场、湍流交换、卷涡、能量和水汽输送等关键结构特征研究的主要进展.阐述了边界层入流对于TC能量平衡、水汽输送的重要作用,揭示了边界层超梯度风现象存在的机制和成因,以及边界层卷涡与边界层动量输送和TC强度发展的关系.这些认识有助于加强TC边界层关键结构对TC发展作用的理论认识.在此基础上,指出了目前TC边界层研究中存在的核心难点问题,并建议将TC边界层研究与数值预报方法相结合:除了将边界层观测通过资料同化应用于TC数值模式初始化,还可研究优化与TC涡旋结构相关的边界层参数化方法,实现TC数值模式初始化与边界层物理过程的衔接,探索可切实改进TC预报的有效途径.     

Improvement of the K-profile Model for the Planetary Boundary Layer based on Large Eddy Simulation Data

Modifications of the widely used K-profile model of the planetary boundary layer (PBL), reported by Troen and Mahrt (TM) in 1986, are proposed and their effects examined by comparison with large eddy simulation (LES) data. The modifications involve three parts. First, the heat flux from the entrainment at the inversion layer is incorporated into the heat and momentum profiles, and it is used to predict the growth of the PBL directly. Second, profiles of the velocity scale and the Prandtl number in the PBL are proposed, in contrast to the constant values used in the TM model. Finally, non-local mixing of momentum was included. The results from the new PBL model and the original TM model are compared with LES data. The TM model was found to give too high PBL heights in the PBL with strong shear, and too low heights for the convection-dominated PBL, which causes unrealistic heat flux profiles. The new PBL model improves the predictability of the PBL height and produces profiles that are more realistic. Moreover, the new PBL model produces more realistic profiles of potential temperature and velocity. We also investigated how each of these three modifications affects the results, and found that explicit representation of the entrainment rate is the most critical.     

基于WRF模式对青藏高原一次强降水的模拟

为了了解新一代中尺度数值预报模式WRF中各参数化方案组合、嵌套技术的使用对青藏高原降水模拟结果的影响,利用WRF模式对2004年10月5—6日青藏高原一次强降水过程进行了模拟试验;对各微物理方案和积云参数化方案组合进行了模拟和对比评分,对嵌套技术的使用进行了对比分析,主要分析了不同行星边界层方案选择对降水模拟的影响。结果表明,WRF模式基本能够重建此次强降水过程的中心、强度及降水范围,Eta-Ferrier云微物理方案和Betts-Miller-Janjic积云参数化方案的组合在此次模拟降水过程中是最优的,采用嵌套技术的模拟结果要优于不采用嵌套技术的结果;行星边界层方案的合理选择能够明显提高降水模拟的效果。     

黑河地区行星边界层大气的气候分析

分析指出:气温和比湿的季节变化基本上呈峰谷相当波型;各月气温和比湿的直减率分别小于和略大于自由大气的直减率。整层各月为准无辐散和弱有旋的西北气流,风速的季节变化在近地层也呈谷峰相当波型,其振幅随高度迅速增强,但位相恰与温、湿波型相反。张掖单站分时次的月平均资料分析表明,风向、风速和层结稳定度都有明显的气候日变化;当考虑湿度层结时,夏季7月19时的平均层结是真潜不稳定,其余季节和时次仍为稳定层结。扩展域边界层月平均温、湿、风场的分析指出,黑河地区近地层在1、4、10月基本上位在平浅温度槽区,而7月却处在纬向水平温度梯度矢端;该区比湿7月相对最高,而其余各月很低;全域近地层流场仅7月稍复杂点,黑河试验区位于弱辐合流场中,其余月份黑河地区边界层平均基本上为平直西北气流所控制。     

不同边界层和陆面过程参数化方案对比分析

利用WRF模式选用不同的边界层参数化方案 (YSU、MRF) 结合三种陆面过程方案 (RUC、SLAB、Noah) , 模拟了2011年5月1~3日的四川东部暴雨过程, 对不同参数化方案结合不同陆面过程结果进行对比试验基础上发现, 模式对24h降水落区及强度有较强预报能力, 但对单站小时降水分布的预报能力还需改进;不同边界层方案与陆面过程的对比试验说明降水对于边界层物理过程有一定敏感性, 各试验的差异主要体现在对暴雨中心雨强以及降水峰值强度和峰值出现时段的预报上;WRF模式基本上能够模拟出边界层要素日变化特征。      

北京交通环境污染诊断模拟初步研究

建立了能够用于评估大型城市交通环境污染与气象条件关系的数值模拟技术,即三维边界层光化学数值模式.其中,高分辨率的精细城市边界层气象场、细致的城市地理与环境参数、空气污染物输送扩散与大气化学模拟以及交通废气污染源的分布等诸多因子是实施模拟研究的几个重要环节.从模拟结果看出,各污染物在地面附近浓度相对高值区位于排放源附近和下风方.在边界层顶附近,污染物浓度分布较均匀,分布趋势和气流一致.虽然仅仅考虑了城区污染物本底浓度和主要交通干道机动车的排放,但交通排放对城区污染物浓度的贡献是较大的.