浙南山区小流域WRF模式参数化方案对比与优化组合

准确的降水预报对好溪流域防洪减灾具有重要意义。本研究选取好溪流域典型降水场次,基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式,开展云微物理过程参数化方案和积云对流参数化方案敏感性分析,优选适用于好溪流域的物理过程参数化组合方案,提高好溪流域降水预报精度。研究结果表明：云微物理过程和积云对流参数化过程的方案选择及组合对降水预报影响显著,然而没有某一种组合方案的模拟效果对于所有场次的降水都是最佳的;综合考虑所有的典型降水场次,当云微物理参数化方案选择Lin（Purdue Lin）方案、积云对流过程参数化方案选择KF（Kain-Fritsch）方案时,降水预报精度最高。     

WRF3.0参数化敏感性及集合预报试验

为了研究WRF模式中的参数化方案对暴雨数值模拟的影响及物理过程集合预报在WRF降水集合预报中的适用性,利用中尺度WRF3.0数值模式,将模式中的物理过程参数化方案进行组合,构造了20个集合预报成员,对2003年7月8、9日发生在江淮地区的一次降水过程进行了集合预报试验。得到:集合成员之间存在一定的不确定性,不确定性随降水量级增大而增大,最终维持在一个较高的水平;通过定量比较发现,对于0.1 mm量级降水和25 mm以上量级降水,积云对流参数化方案对降水的影响要大于行星边界层方案对降水的影响;而对于10 mm量级降水,行星边界层方案对降水的影响要大于积云参数化方案对降水的影响。对20个预报成员进行了集合平均及降水概率预报试验,结果表明,集合平均的结果要比各个成员的稳定、可靠;概率预报能够提供一些有利于降水预报的信息。     

北京大学大气环境模式PUMA的改进及其在沈阳地区的应用研究

为拓展北京大学大气环境模式(PUMA)的应用, 对其进行两方面的改进。首先, 用新一代中尺度气象模式WRF提供气象场驱动PUMA; 其次, 新增非局地湍流扩散系数Grisogono方案。 为验证改进后的模拟能力, 将PUMA运用于沈阳地区冬季大气SO₂污染研究。模拟结果和观测比对表明: WRF可以提供合理的气象场; PUMA可以模拟出SO₂浓度月尺度变化和日变化; Grisogono方案在中午对流边界层条件下对模拟结果有所改善。SO₂浓度有明显的日变化, 白天浓度低, 夜间浓度高, 模拟结果表明SO₂浓度和边界层高度的日变化成负相关。改进后的PUMA可以在大气环境预报预警中得到应用。     

bin和bulk微物理方案在我国飑线模拟中的敏感性研究

分别利用weather research and forecasting(WRF)中尺度模式中的bulk和bin微物理参数化方案,对2014年7月12日发生在华东地区的一次飑线过程进行了数值模拟。结果表明:bulk方案基本模拟出了飑线初生、发展、成熟和消亡的生命史,但与实况存在1~2 h的延迟,且强度偏弱;而bin方案模拟的雷达回波结构松散,组织化程度较低,更类似于现状对流。从模拟的地面降水看,bin方案模拟的雨带偏窄,且强降水区偏北;而bulk方案则基本模拟出了强降水区的位置。在此基础上进一步分析了两种方案模拟的各水凝物的垂直分布,结果表明bulk方案在高层产生了大量云冰,而bin方案中雪和霰粒子数量较多。     

临界理查森数对不稳定状态下边界层模拟的影响

在边界层参数化方案中,临界理查森数可以用来判断湍流状态和计算边界层高度。大部分模式会将临界理查森数设置为常数,但实际上它会发生改变。本文基于WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值预报模式和YSU（Yonsei University）边界层参数化方案（以下简称WRF/YSU）,以一次夏季的晴好天气过程为背景,研究了当临界理查森数发生变化,会对气象场和边界层湍流产生的影响。结果表明：（1）当临界理查森数增加时,大范围区域的边界层的高度会增加。在时空上能够体现出来。在空间上,边界层高度分布不均。从时间上看,在下午边界层高度受到的影响最大;（2）理查森数的临界值增加,湍流扩散系数也增大,水汽混合比增加,并且地面热通量总体增大,又会进一步使边界层高度增大;（3）YSU方案中湍流扩散方程由一个局部项、一个非局部项和一个夹卷项组成。对于热通量,夹卷项对总热通量的贡献与局部项和非局部项的贡献相当。对于水汽和动量通量,局地项及夹卷通量项在边界层中最大。     

应用WRF模型模拟分析风力发电场风速

风能的规划和设计中需要比较准确地确定所选厂址区域的风力资源分布,要有先进而准确的分析手段.论文选用美国WRF中尺度模式,分别选用4种不同的陆面过程方案（SLAB、Noah、RUC和Pleim-Xiu）,对2008年6月16日08：00至6月23日08：00（北京时间）贵州乌江源地区某风电场区域进行水平分辨率1,km的数值模拟,对比分析了近地面风场以及4种陆面过程对模拟结果的影响.结果发现：WRF模式较好地模拟出了该区域近地面风场的变化特征.Noah方案模拟的风速最大值与实际测站的风速最大值较接近;SLAB方案与Noah方案模拟的7,d的风功率密度更接近实际测站的风功率密度.可见,WRF模式能够较好地反映该区域的近地面风场情况,且模拟结果受到地形及地表粗糙度的影响较大.     

基于非线性密度流试验的平流差分方案

为考察平流差分方案对高分辨率非静力数值模式的影响,利用非线性密度流试验,对比分析了在不同分辨率情况下气候研究与预报模式中不同平流项差分方案对大气非静力运动的描述能力。结果表明:模式分辨率是影响试验结果的重要参数,提高模式的分辨率有利于提高模拟的结果;无论是水平平流项差分方案还是垂直平流项差分方案,当选取偶数(2,4,6)阶时,模拟结果在下边界都存在不同程度的小尺度扰动,与参考解偏差较大;选取奇数(3,5)阶时的效果明显优于偶数(2,4,6)阶;水平平流项差分方案取5阶,垂直平流项差分方案取3阶时都能得到最好的模拟效果。     

中尺度模式湍流参数化的比较研究

在中尺度区域模式MM4的基础上对其中的湍流参数化方法作了改进,尝试用非局地闭合方法代替局地 K 闭合处理湍流扩散问题,分别以原MM4中有云和无云的水份处理方案作为控制方案。比较的结果证明,非局地方法若要应用于实际预报,还需要作较大的改进,主要是针对决定过渡矩阵的非局地混合潜势。目前的过渡矩阵表达方式使物理量在空间的分布不合理地过于均匀,造成了降水量的减少。     

CALMET时空分辨率对CALPUFF模拟浓度场的影响

采用WRF输出的逐小时1 km分辨率预报风场作为CALMET诊断模式的输入, 生成不同时空分辨率的CALMET诊断风场, 耦合 CALPUFF得到逐分钟50 m分辨率浓度场, 在此基础上分析CALMET气象场时空分辨率对浓度场的影响, 并统计不同气象时空分辨率方案的计算耗时。结果表明, 当风向稳定且风速较大时, 较粗的时空分辨率亦能得到满意的风场和浓度场; 当风向转变且风速较小时, 时空分辨率对诊断风场和浓度场影响显著, 不同气象方案的浓度场差异可以高达40%; 风场转变期间, 当CALMET的时间步长大于30 min时, 加密气象网格会降低浓度场的模拟精度, 时间步长越长, 浓度场偏离越显著。综合考虑计算耗时和浓度场模拟准确性, 推荐在大气污染事故应急预警中采用10 min时间步长和400 m网格距的CALMET气象方案。     

CALPUFF在复杂地形条件下的近场大气扩散模拟研究

利用在湖南省丘陵河谷地区开展的高时空分辨率大气扩散综合实验资料, 研究美国国家环保局(USEPA)推荐的导则模式CALPUFF (California Puff Model)在复杂地形条件下近场应用的适用性。采用不同时间分辨率的诊断风场和不同扩散参数计算方案, 模拟不同气象条件下的近场地面浓度分布。通过与示踪实验实测采样浓度对比分析, 得到: 采用实测湍流廓线资料计算扩散参数能够较好地模拟近场浓度分布; 将实测湍流速度标准差与稳定度参数的拟合关系替代CALPUFF默认的湍流参数化方案, 能够改进默认相似性理论方案的模拟结果; 风速较大、风向稳定时, 模拟结果对风场的时间分辨率和扩散参数计算方案的敏感性较弱; 风速较小、风向多变时, 需采用逐10 min风场模拟地面浓度场分布, 且实测湍流方案模拟结果相较于相似性理论方案模拟值偏大, 并更接近实测值。总之, 采用逐时风场和实测湍流方案, 或逐10 min风场和修正后的相似性理论方案的CALPUFF模式能较好地模拟研究区域复杂地形的近场峰值浓度。     

重庆地区“5.30”暴雨过程的数值模拟及诊断分析

利用WRF(Weather Research Forecast)中尺度数值模式模拟了2004年5月29日20时至30日20时发生在重庆及周边地区的暴雨过程,使用模式输出的高分辨率资料从动力角度对这次暴雨过程进行了诊断分析.结果表明:WRF模式较成功地模拟出了本次大气降水的演变过程,可为暴雨预报和物理诊断提供参考;模拟诊断表明在预报业务中使用螺旋度、非地转湿Q矢量和等位温面图的流线分析等可能会提高预报效果.     

Characteristics of clouds,precipitation, and latent heat in midlatitude frontal system mixed with dust storm from GPM satellite observations and WRF simulations

A heavy dust storm originating in Mongolia and Inner Mongolia traveled to Northeast China and met a midlatitude frontal system on May 3, 2017. The potential ice nuclei (IN) effects of mineral dust aerosols on the vertical structure of clouds, precipitation, and latent heat (LH) were studied using Global Precipitation Mission (GPM) satellite observations and Weather Research and Forecasting (WRF) model simulations. The WRF simulations correctly captured the main features of the system, and the surface rain rate distribution was positively correlated with data retrieved from the GPM Microwave Imager. Moreover, the correlation coefficient increased from 0.31 to 0.54 with increasing moving average window size. The WRF-simulated rainfall vertical profiles are generally comparable to the GPM Dual-Frequency Precipitation Radar (DPR) observations, particularly in low layers. The joint probability distribution functions of the rain rate at different altitudes from the WRF simulation and GPM observations show high positive correlation coefficients of ~0.80, indicating that the assumptions regarding the raindrop size distribution in the WRF model and DPR retrieval were consistent. Atmospheric circulation analysis and aerosol optical depth observations from the Himawari-8 satellite indicated that the dust storm entered only a narrow strip of the northwest edge of the frontal precipitation system. The WRF simulations showed that in carefully selected areas of heavy dust, dust can enhance the heterogeneous ice nucleation process and increase the cloud ice, snowfall, high-altitude precipitation rate, and LH rate in the upper layers. This effect is significant at temperatures of ?15 °C to ?38 °C and requires dust number concentrations exceeding 106 m?3. It is important to accurately classify the dusty region in this type of case study. In the selected vertical cross section, the WRF-simulated and DPR-retrieved LH have comparable vertical shapes and amplitudes. Both results reflect the structure of the tilted frontal surface, with positive LH above it and negative LH below it. The simulated area-averaged LH profiles show positive heating in the entire column, which is a convective-dominated region, and this feature is not significantly affected by dust. DPR-based LH profiles show stratiform-dominated or convective-dominated shapes, depending on the DPR retrieval product.     

中尺度天气预报模式边界层参数化方案以及近地层方案对苏州东山冬季近地层气象要素模拟的影响

运用WRF3. 9模式并选取四种常用的边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYJ和BL)和两种近地层方案(Eta和MM5)模拟了2015年1月16～25日苏州东山的近地层气象要素,并与东山气象站观测实验数据进行对比,评估了四种边界层参数化方案对近地层气象要素的模拟能力。同时设置了边界层参数化方案与近地层方案耦合的敏感性试验,分析两类方案的耦合对近地层气象要素模拟的影响。结果表明:①白天四种边界层方案对2 m温度的模拟差异较小,两种近地层方案的模拟结果有差异,对流混合较弱时Eta方案模拟较好,对流混合较强时MM5方案较好;夜间四种边界层方案和近地层方案均有影响,但是整个观测期间四种方案的模拟结果统计量差异较小;②无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案模拟的2 m相对湿度均高于观测值,BL方案的模拟效果最佳,MYJ方案的模拟偏差最大;③无论白天还是夜间,四种边界层参数化方案对10 m风速的模拟均存在一定程度的高估,MYJ方案的模拟效果最好,四种方案对风向的模拟均优于对风速的模拟,白天的模拟效果整体优于夜间;④选择不同的近地层方案对风速和风向的模拟结果没有明显影响,对2 m气温模拟结果的影响小于对2 m相对湿度模拟结果的影响,BL边界层方案与MM5近地层方案耦合对近地层气象要素2 m气温和2 m相对湿度的模拟效果最好。     

层状云人工催化物理效应的数值模拟

对于自然云催化过程的数值模拟可以再现人工催化后云的宏微观物理响应特征,有助于提高对人工催化机理的科学认识、优化人工催化方案。本文在WRF（Weather Research and Forecasting Model）模式Thompson微物理方案中加入碘化银人工催化过程,对2018年河北省一次层状云催化过程开展数值研究。数值模拟结果表明,采用与实际催化过程相似的催化剂量,层状云降水个例催化后冰晶含水量、数浓度及地面降水显著增加。该次降水个例自然云中冰相粒子较少,自然云中冰相过程不活跃,数值模拟结果再现了降水个例催化后从过冷却到冰、雪晶含量明显增加的转变。相同催化剂量下,催化层厚度的减少提高了播撒率,进一步优化了催化效果,可见,应该在云中过冷水含量丰富的云区开展冷云催化作业。人工催化过程增加的冰晶通过凝华过程增长并自动转化为雪晶,雪晶增长下落过程中以凇附过冷云水增长为主。本次催化过程导致地面降雪显著增加。     

湍流动能闭合对区域气候模拟效果影响的机理研究

利用湍流动能(TKE)闭合改进了RegCM2中原高分辨的边界层参数化方案,并用1998年夏的NCEP/NCAR气候资料对TKE闭合方案影响区域气候模拟效果的机理作了探讨.研究表明,在区域气候模式中采用TKE闭合的边界层方案可以将垂直扩散直接与湍流变化联系起来,改善地表通量及各层垂直扩散项的计算,使地表通量和垂直扩散的日变化及各层分布更为合理,从而改进模式对各预报量及降水的模拟,提高模式的模拟能力     

模拟区域气候变化的模式系统的建立及其效能检验

建立了一个富有特色的模拟区域气候变化的模式系统．该模式系统对模式中陡峭地形的处理方法进行了改进，并且在云量参数化方案中考虑了大气的动力学结构．其中大气模式与海洋模式和土壤模式简单耦合，和ＧＣＭ单向嵌套以反映大气环流背景对区域气候的影响．通过对模拟结果的比较和检验，发现区域模式对侧边界条件的依赖性很强，客观真实的侧边界条件是模式能够正确模拟区域气候要素的最重要的条件之一．模式分辨率的提高，中尺度强迫如地形高度和下垫面类型的细致刻划，都有利于气候要素场特别是边界层和地表气候状况模拟效果的改善．     

用于层圈相互作用的冰冻圈参数化模型

给出了一个用于研究各层圈相互作用简化的冰冻圈模型.对其中两个重要分量:季节性雪盖和冻土内部复杂而相互作用的水、热传输和相变物理过程作出简化及改进,发展了相应定量描述的参数化方案;最后利用国内外多个观测站长年的观测数据,对所发展模型作了验证,发现模拟结果与实测数据吻合得很好,表明所发展雪盖和冻土参数化方案能适用于层圈相互作用研究的需要.     

On the parameterization scheme of gravity wave drag effect on the mean zonal flow of mesosphere

Based on McFarlane抯 parameterization scheme of gravity wave drag, a refined gravity-wave-drag scheme is presented. Both the drag effect of the momentum flux and the dissipation effect of gravity wave breaking on the mean zonal flow are included in the refined parameterization scheme. The dissipation effect can be formulated with the gravity wave numbers and the mean quantities. The refined parameterization scheme may represent a complete drag effect of stationary gravity wave breaking on the mean zonal flow.     

湍流动能参数化在中尺度模式中的应用研究

在中尺度区域模式MM4的基础上对其中的湍流参数化方法作了改进,用湍流动能参数化方法代替原有的总体边界层方案中的局地K闭合,以高精度边界层方案作为控制方案,重点对1997-07-17的徐州暴雨进行了模拟。对湍流场的计算表明,这种闭合得到了合理的湍流场,代入模式计算稳定,预报的各物理量空间分布和原来的预报场相似,24h降水预报的位置没有改进,但是降水量有所提高,表明用湍流动能闭合方法代替局地K闭合是一种有希望的研究方向。该方法得到了比原模式中的湍流闭合方案更加合理的湍流扩散参数,对中尺度模式的改进有所帮助。     

有云条件下WRF模式中5种边界层参数化方案的比较研究

利用中尺度气象模式WRF中五种边界层参数化方案,对中国安徽寿县地区进行高分辨率的数值模拟,评估有云条件下边界层参数化方案对不同气象要素以及边界层结构的模拟能力。结果表明:两种非局地方案(ACM2、YSU)在云层存在的时间、云底高度、云底厚度方面模拟效果较好,局地方案模拟结果较差;对于向下短波辐射模拟,ACM2方案更接近观测值;对2 m温度和比湿模拟ACM2方案最好,而局地方案在风速和风向上存在优势;垂直结构方面,白天弱不稳定条件下,非局地方案考虑大涡输送更能表征位温廓线和湿度廓线,而风速和风向廓线的模拟,除了MYJ方案外,其它方案均能成功模拟,在夜间弱稳定条件下,5种方案都能模拟出弱不稳定层结、逆湿结构、急流等。