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。     

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     

用中尺度模式输出污染气象的拉格朗日湍流统计量

大气对污染物的稀释和扩散能力随气象条件的改变而发生巨大的变化，而各种湍流特征参数能反映出大气对污染物的扩散能力，因而计算这些参数对污染物浓度的预报有很大的帮助．以往，各种湍流特征参数都是通过局地测量获得的，而要获得较大尺度的扩散背景场，单靠单点测量是做不到的．试图利用MM5模式中的中尺度模式输出量来计算一些湍流特征参数，这些参数可以代表网格上的平均值．选择了MM5中的Mellor-Yamada level 2.5的边界层参数化方案，用输出的q^2-(湍流动能的两倍)，再通过解一个代数方程组，求得另外的各种二阶湍流矩量u^2-、v^2-、w^2-。然后利用这些二阶矩量来计算拉格朗日积分时间尺度、自相关系数，尝试用中尺度模式来输出这些量．经计算结果的分析表明，模式输出的这些拉格朗日湍流统计量是合理的，因而利用这种方法来计算拉格朗日湍流统计量是可行的，进一步，这种方法可应用于空气污染扩散的预报中．     

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。     

对流边界层高度预报方案的改进

基于对流边界层“一阶模型”,并考虑机械湍流和夹卷过程对对流边界层发展的贡献,提出了对流边界层顶部夹卷速度参数化的改进方案.理论分析表明,在对流边界层受热力湍流和机械湍流共同驱动的情况下,夹卷速度的参数化方案中应该包括机械湍流、热力湍流、夹卷过程和边界层顶上自由大气的逆温强度.用1979年7月美国CIRCE试验的边界层观测资料对改进后的参数化方案进行了对比验证,结果表明新方案能很好地预报对流边界层高度的演变过程.这一改进不仅使物理意义更加合理,也使夹卷速度参数化方案与实际大气状况符合得更好.     

城市建筑物对城市边界层三维结构影响的数值模拟

设计了一个考虑城市建筑物动力作用和人为热量影响的城市边界层参数化方案(UBP),并将之耦合到新一代中尺度模式WRF中。利用WRF/UBP模式对北京地区夏季晴空下边界层结构进行了数值模拟分析,并与不考虑建筑物及人为热源影响的MYJ方案的模拟结果进行对比。结果表明, UBP方案模拟的边界层结构反映了城市下垫面作用下的边界层结构特征,近地面层风场和温度场的模拟与自动气象站的观测结果更为接近。人为热源使得城市热岛效应增强,诊断分析显示由于夜间为稳定边界层,而白天边界层发展,湍流输送加强,热岛效应的日变化与人为热源的日变化有明显的反相关。另外,对湍流动能和边界层高度也进行了对比分析,发现城市建筑物使得湍流动能增加,夜间边界层高度有明显升高。研究表明,考虑了建筑物影响的UBP方案大大改善了模式对于城市近地面要素的模拟能力,对城市边界层的描述更为合理。     

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。     

由中尺度风温场模拟湍流属性特征量

主要讨论了由中尺度模式中输出的风、温场用完全的二阶闭合方法,求取湍流二阶矩量,进而求得方差、湍流强度等湍流特征量,研究这些湍流特征量的时空分布规律,利用中尺度模式输出的风、温场,对不同下垫面上的湍流量的性质进行分析研究,以便 进一步了解中尺度系统中湍流结构的物理特征,对研究大范围的污染物的扩散很有帮助,研究结果表明模拟的湍流特征量符合已知规律;湍流强度有明显的日变化,湍流强度与下垫面的粗糙度有关,粗糙度大的地区,湍流强度也大;平坦地区,湍流强度小;湍流强度与稳定度有关,不稳定情况下的湍流强度比稳定情况下的湍流强度来得大,并进一步分析了不同稳定度下的归一化湍流速度标准差的廊线,也符合已知的观测及边界层模式的湍流量的模拟结果,方法为用中尺度模式预报风、温场诊断湍流场提供了一个有效的方法。     

大涡模拟与大气边界层研究--30年回顾与展望

对大涡模拟(LES)技术应用于大气边界层(PBL)研究30年来的发展历程、应用前景及发展趋势作了简要评述,内容包括:LES网格体积平均方程组,次网格闭合方案(K闭合、湍能(TKE)闭合、二阶闭合、动力学闭合、随机闭合、各向异性TKE闭合和非线性闭合);均匀、非均匀下垫面对流边界层(CBL)的大涡模拟,稳定边界层(SBL)、实际PBL的大涡模拟,森林下垫面流场和建筑物周围流场的大涡模拟,污染扩散的大涡模拟,LES-化学模式,对流层大涡模拟,大涡模拟对模拟域、网格及大涡时间尺度的敏感性,适用于LES和中尺度模拟的湍流方案研究等.提出了LES需要进一步研究的问题,如次网格(SGS)闭合方案,物理过程参数化方案,高分辨卫星和Doppler雷达资料的使用,与中尺度模式的连接与嵌套等;以及可能的应用领域,如大气湍流发展及湍涡相互作用,复杂地形流场及城市边界层模拟,污染扩散模拟,LES-大气化学模拟,中尺度气象模拟,数值天气预报及大气环流模式中高分辨边界层方案(大涡机制)的引入.希望能为大气边界层研究与应用中发挥LES模拟效能的成功实施起到一定的推动作用.     

模式湿物理过程的组合对一次南京大暴雨降水模拟的影响分析

以第五代中尺度模式（MM5）为基础,本文对一次南京大暴雨个例进行了三组数值模拟试验,研究了模式湿物理过程参数化方案的组合对梅雨暴雨降水预报的影响.试验结果表明：模式的积云对流参数化方案的选用对南京大暴雨的预报至关重要,积云对流参数化方案的选用比边界层参数化对暴雨数值预报的影响大;对20km模式分辨率而言,采用单一的积云...     

一次特大暴雨天气的数值模拟试验研究

目的检验各非绝热物理过程参数化方案对模式输出结果的影响,进一步了解和认识MM5模式中不同积云对流参数化方案的性能、特点和适用范围,为合理选择使用模式中的物理过程参数化方案提供依据,提高模式对类似暴雨天气过程的预报能力。方法运用相互比较和试验分析的方法在不同模式分辨率下,对MM5V3模式中的不同物理过程参数化方案设计18种组合方案,进行比较试验和分析。结果主要雨带位置对参数化方案并不是十分敏感,但模拟的暴雨中心强度、范围、雨带走向随参数化方案的不同有较大变化,甚至出现虚假的强降水中心。各组合方案模拟的天气尺度系统水平环流结构差别较小,模拟的中尺度系统结构存在着较大差别,这种差别对定点、定量降水的准确预报产生影响。结论在实际预报中可根据初始气象场的分型特点选择较合适的组合方案启动数值预报模式,从而达到提高模式对类似暴雨天气过程的预报能力。     

同化QuikSCAT资料对台风Vongfong(2002)数值模拟的影响

利用四维同化技术和中尺度数值模式MM5相结合对南海台风Vongfong(2002)的登陆过程进行了模拟,分析表明:同化Qu ikScat资料主要能使模拟的台风移动路径与实况更为接近。而台风的强度变化、降水量和降水分布的模拟与对流参数化方案有密切的关系,其中以Betts-M iller湿对流调整型方案最为合适。HFT试验模拟的台风路径、强度变化、暴雨分布和降水强度与实况一致。且试验结果较好地重现了Vongfong的一些异常特征,如路径突然折向北、移速先慢后快、近海强度加强、降雨量大、强暴雨中心落在台风西北侧等。利用非常规资料改善模式初始场,有逼真的物理过程,可以提高对台风登陆过程的预报。     

A new Planetary Boundary Layer model and its application to heavy rain modeling

A new Planetary Boundary Layer （PBL） model （namely MY-4 in this paper） was developed with reference to Mellor-Yamada＇s Level 4 turbulent closure concept. Having been coupled with a meso-scale model MM5, MY-4 was utilized to simulate a heavy-rain process, which took place over South China during June 8-9, 1998. Its model outputs indicated that the rainfall process was well captured in terms of its intensity and geographical distribution. More importantly, in comparison with MM5＇s original boundary layer models, MY-4 made the following improvements： （1） MY-4 not only simulated the major weather systems like low vortexes and low-level jets more accurately, thus improving the general weather pattern of the rainfall process, but it was also capable of restraining the occurrence of false rainfall centers with maximum precipitation amounts exceeding 160 mm. （2） Having been compared with the wind profile observed at Hong Kong, it revealed that MY-4 could reproduce the wind speed fluctuations in a short time scale reasonably well, which was not yet achieved in the original PBL models in MM5. Furthermore, a more detailed comparative study was made on the results simulated by MY-4 and a PBL model （which is based on Mellor-Yamada＇s Level 2.5 concept） respectively. It showed that the contributions of turbulences generated by the two categories of PBL models to the wind fields at a lower atmosphere were increasingly different even in the first 1-2 hours of integrations. As the analysis demonstrated, under the nonlinear interactions within the meso-seale MM5 model, it was the turbulences in the boundary layer that had the most important impacts on the final model outputs and MY-4 seemed to better reflect this turbulent process, hence leading to the aforementioned improvements.     

中尺度暴雨模式MRM1简介及预报效果检验

介绍了近年来我们所研制的中尺度暴雨模式MRM1的基本情况及特点，以及对1998年，1999年和2001年6月、7月的降水集中时段进行的逐日降水预报试验及效果检验，并和美国著名中尺度模式MM5进行了同一时段降水预报检验的比较。结果表明，它是目前国内较好的中尺度暴雨预报模式，在暴雨预报方面较MM5也有一定的优越性。     

用一维变分方法同化GMS-5反演湿度场及其在降水预报中的应用分析

在应用一维变分方法对GMS-5卫星资料反演的相对湿度场进行了同化分析试验的基础上,进一步分析了通过一维变分方法在MM5模式初始湿度场中融入GMS-5反演湿度场后,对降水预报的影响.分析试验结果表明,应用一维变分方法同化GMS-5反演相对湿度场后所得到的分析场,其均方根误差(rm se)在7个标准等压面上都比背景场要明显减小.均方根误差值在250 hPa下降幅度最大,达到7.1,这相当于12-h预报场rm se下降了48%;下降幅度最小的等压面高度是925 hPa,也达到了1.2,相当于12-h预报场rm se下降了15%.背景湿度场高湿区通常呈带状分布,普遍平滑了中尺度信息.运用一维变分方法融入了卫星信息后,分析场不仅明显改善了背景场湿区偏湿、干区偏干的现象,同时也很好地揭示出了三维湿度场的中尺度细微结构.个例分析表明,将一维变分同化后的GMS-5反演湿度场作为MM5模式的初始湿度场,与直接用NCEP资料的预报结果相比,MM5模式预报的降水强度、降水范围和降水强中心位置均有较明显的改善,更接近于实况观测.     

Numerical simulation of topography effects on the “00.7” severe rainfall in Beijing

In an effort to study the severe rainfall event of 4?5th July 2000 in Beijing (with 24h accumulated precipitation of 240 mm), we perform numerical simulations to investigate this event using the MM5v3.6 model. The model is initialized with the MM5/WRF 3DVAR analysis, which incorporates the ground-based GPS precipitable water vapor, automatic and conventional meteorological observations in its assimilation step. For 24 h accumulated precipitation forecast, the threat scores are 0.72, 0.76, 0.67 and 0.63, for thresholds of 1, 5, 10, and 20 mm, respectively. Holding other factors unchanged, sensitivity experiments were conducted with different topographic resolutions of 110, 50 and 3.7 km to investigate the topographic effects on precipitation over the Beijing area. In these sensitivity experiments, we attempt to preserve the realistic orographic distribution in the model topography under the condition of keeping the dynamic-thermodynamic consistency of the initial model atmosphere to the extent possible. Results indicate that the unique topographic distribution and variations in the Beijing area play an important role in determining the location, distribution and intensity of heavy precipitation.     

Numerical simulation of topography effects on the "00.7" severe rainfall in Beijing

In an effort to study the severe rainfall event of 4-5th July 2000 in Beijing (with 24h accumulated precipitation of 240 mm), we perform numerical simulations to investigate this event using the MM5v3.6 model. The model is initialized with the MM5/WRF 3DVAR analysis, which incorporates the ground-based GPS precipitable water vapor, automatic and conventional meteorological observations in its assimilation step. For 24 h accumulated precipitation forecast, the threat scores are 0.72, 0.76, 0.67 and 0.63, for thresholds of 1, 5, 10, and 20 mm, respectively. Holding other factors unchanged, sensitivity experiments were conducted with different topographic resolutions of 110, 50 and 3.7 km to investigate the topographic effects on precipitation over the Beijing area. In these sensitivity experiments, we attempt to preserve the realistic orographic distribution in the model topography under the condition of keeping the dynamic-thermodynamic consistency of the initial model atmosphere to the extent possible. Results indicate that the unique topographic distribution and variations in the Beijing area play an important role in determining the location, distribution and intensity of heavy precipitation.