基于WRF/CALMET的近地面精细化风场的动力模拟试验研究

本文利用中尺度动力模式 WRF和诊断模式CALMET对琼州海峡的两次冷空气过程的近地层风场进行模拟和诊断,所用的资料是美国NCEP再分析FNL资料。WRF模式第一至第四层网格的水平距离分别是27、9、3和1 km,并用WRF-1 km场以单向嵌套模拟方式降至200 m,同时以 WRF-1 km 预报场作为 CALMET 初猜场降尺度诊断至200 m。分别用CALMET-200 m风场、WRF-1 km风场和 WRF-200 m风场,3个风场的风速、风向与沿琼海海峡分布的21个测站（其中6个测风塔）观测资料进行检验比较分析。主要结论是：（1）CALMET-200 m的风速RMSE明显小于另外两组试验,风向RMSE总体上差异不大;在60～80 m高度上也没有明显差异。（2）在0～8 m·s－1风速,10 m高度上CALMET-200 m风场诊断结果最好,风速平均偏差值从4～0 m·s－1,WRF的两组试验平均偏差值比CALMET-200 m结果大约2 m·s－1,风向上表现为偏差的分布更加集中;60～80 m高度上,CALMET-200 m 诊断效果与 WRF-1 km 模拟效果相当,但是冷空气时段内 WRF-200 m的风速要远远差于另外两组试验;而3组试验的风向并无大的差异。（3）WRF／CALMET模式系统在非冷空气活动时段内的风速风向模拟诊断偏差更小,说明其在层结相对较稳定时模拟诊断的准确度更高。     

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。     

WRF模式对福建沿海风电场风速预测的效果分析

在WRF模式中选取不同的边界层、近地面层以及陆面过程参数化方案,设计了4种不同物理过程参数化方案,组合模拟福建沿海某测风塔站2010年1月1—11日和7月1—11日的逐时风速,将数值模拟结果和同期测风塔观测数据进行对比,以寻求最佳参数化方案。经分析比较,采用MYJ边界层方案,Monin-Obukhov近地面层方案以及Noah陆面过程方案的方案2模拟效果最好。使用该方案对2010年1月和7月的风速进行模拟,按不同风速级别分别对数值模拟结果进行对比分析,结果表明:方案2对6~15m/s风速模拟的平均相对误差在20%左右,能够满足风电预测的精度需求;而对0~6m/s风速模拟的误差相对较大,这可能是由于模式地形分辨率不够精细以及风塔所处海陆交界处的特殊位置,使低风速容易受地面扰动以及海陆气流影响所致。     

一次典型高压型海雾过程中海上大气波导的数值模拟

2009年4月9—12日黄海海域发生了一次受高压系统影响的海雾过程。利用卫星观测与探空数据、WRF模式(Weather Research and Forecasting Model)对此次海雾过程及相伴的大气波导进行了观测分析与数值模拟。海雾与波导发展可分为3个阶段:(1)大气波导先于海雾存在于黄海海面;受高压下沉影响,黄海上空存在逆温层和较强的湿度梯度,表现为较强的贴海表面波导和非贴海表面波导。(2)海雾始于高压西部,并随高压系统逐渐东移减弱,向黄海北部扩展;辐射冷却虽然使雾顶附近逆温增强,但海雾的机械湍流使其顶部湿度梯度减小,雾顶附近对应弱悬空波导或波导消失。(3)高压系统影响使干空气下沉到雾区导致黄海海雾消散;雾顶附近逆温仍存在,同时湿度梯度增大,黄海上空逐渐变为非贴海表面波导。本研究结果表明:高压系统不仅极易为波导的发生提供有利条件,而且有利于海雾的生成,在海雾演变过程中主要是雾顶水汽梯度的变化导致了波导类型及强度的变化。     

背景场和物理过程对WRF模式在新疆区域预报性能的影响

为了优选考虑新疆气候和地形特征的背景场和物理过程,设计WRF模式的Lin、WSM6、Thompson微物理过程和KF、Grell 3D积云参数化敏感性试验方案,使用T639和GFS两种背景场,进行了回算和对比检验,确定了在新疆预报能力最优的物理过程和背景场方案,并对WRF模式在新疆的预报能力和不足之处有了较为清晰的认识。     

A multi-scale urban atmospheric dispersion model for emergency management

To assist emergency management planning and prevention in case of hazardous chemical release into the atmosphere,especially in densely built-up regions with large populations,a multi-scale urban atmospheric dispersion model was established.Three numerical dispersion experiments,at horizontal resolutions of 10 m,50 m and 3000 m,were performed to estimate the adverse effects of toxic chemical release in densely built-up areas.The multi-scale atmospheric dispersion model is composed of the Weather Forecasting and Research （WRF） model,the Open Source Field Operation and Manipulation software package,and a Lagrangian dispersion model.Quantification of the adverse health effects of these chemical release events are given by referring to the U.S.Environmental Protection Agency＇s Acute Exposure Guideline Levels.The wind fields of the urban-scale case,with 3 km horizontal resolution,were simulated by the Beijing Rapid Update Cycle system,which were utilized by the WRF model.The sub-domain-scale cases took advantage of the computational fluid dynamics method to explicitly consider the effects of buildings.It was found that the multi-scale atmospheric dispersion model is capable of simulating the flow pattern and concentration distribution on different scales,ranging from several meters to kilometers,and can therefore be used to improve the planning of prevention and response programs.     

High-Resolution Hindcast of Record-Breaking Rainfall in Beijing and Impact of Topography

In this paper,a hindcast study of the record-breaking rainfall event occurring in Beijing on 21July 2012,is conducted by using the Weather Research and Forecasting(WRF)model forced by National Centers for Environmental Prediction(NCEP)Global Forecasting System(GFS)outputs,paired with an investigation of the impact of topography in this region.The results indicate that WRF can reasonably predict the salient features of orographic precipitation;the 24-h rainfall amount and spatial distribution compare reasonably well with the observations.The hindcast simulation also indicates that rainfall events can be predicted approximately 36 h ahead.When the topography is removed,the spatial distribution of rainfall changes remarkably,suggesting the importance of the topography in determining rainfall structure.These results also indicate that prediction of such city-scale heavy rainfall events would benefit from a high-resolution prediction system.     

Observations and Modeling of Ice Water Content in a Mixed-Phase Cloud System

The ice water content(IWC) distribution in a mixed-phase cloud system was investigated using Cloud-Sat data,aircraft measurements,and the Weather Research and Forecasting(WRF) model.Simulated precipitation and IWC were in general agreement with rain gauge,sat-ellite,and aircraft observations.The cloud case was char-acterized by a predominant cold layer and high IWC throughout the cloud-development and precipitation stages.The CloudSat-retrieved products suggested that the IWC was distributed from 4.0 to 8.0 km,with the maximum values(up to 0.5 g m-3) at 5.0-6.0 km at the earlymature stage of cloud development.High IWC(up to 0.8 g m-3) was also detected by airborne probes at 4.2 and 3.6 km at the late-mature stage.The WRF model simulation re-vealed that the predominant riming facilitated rapid ac-cumulation of high IWC at 3.0-6.0 km.     

一例苏皖中尺度对流复合体模拟结果的诊断分析

利用2010年7月22日苏皖中尺度对流复合体（MCC）数值模拟输出结果,考察了模式对MCC的模拟能力,并对模拟结果做了动力和热力诊断分析,以揭示盛夏江淮下游MCC的特征。结果表明：1） 三重嵌套网格距为3.3 km的区域WRF模式的模拟效果较佳,结果与实况一致,并可利用模拟降水的范围及强度来确定MCC的位置及演变。2） 此MCC维持约10 h,其南北不对称,并随西太平洋副热带高压西伸北抬而随之北抬。MCC核心区对流层低层有水汽丰沛的入流,并有强辐合区,呈对流不稳定层结;中层有深厚的强上升运动,并因凝结潜热大量释放呈中性层结;高层则有出流;MCC核心区对流降水非常强。3） 在垂直剖面上,该核心区散度存在中低层辐合、高层辐散的柱状结构,此配置有利于强对流维持和加强,中低层以上有深厚的强上升气流柱,这些都是MCC核心区存在强对流的标志。该MCC的螺旋结构表明其中的强对流高度有组织。     

青藏高原大地形对华南持续性暴雨影响的数值试验

利用新一代中尺度数值预报模式WRF3.2及NCEP/NCAR 逐日4次1°×1°的FNL再分析资料,通过有、无青藏高原以及将高原高度降低到临界高度的数值试验,研究了青藏高原大地形对我国华南地区2010 年5 月一次持续性暴雨过程的影响。试验结果表明:高原大地形对降水的影响显著,随着高原高度的升高,降水增多,高原以东地区的雨带也由北向南移动;高原地形的机械阻挡作用使迎风坡一侧的近地面层附近为强上升运动,背风坡为下沉运动,并分别对应降水的峰值和谷值区;高原对西风气流的爬流、绕流作用明显,高原升高后爬坡作用减弱,以绕流作用为主;高原的加热作用使气流过高原时南支减弱,北支加强,并加强了高原及其东部地区低层的正涡度和高层的负涡度,使高原上空为强烈的上升运动;高原的热力作用使西太平洋副热带高压位置偏南、偏西并稳定维持;高原大地形对形成稳定的高原季风环流圈有重要作用;高原地形高度的作用有利于定常波的形成,波动中心对应强上升运动,形成降水的大值区,稳定维持的定常波使得降水持续集中在同一地区,造成持续性暴雨。