物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式     

重庆市"5·29"暴雨天气过程诊断分析与数值模拟

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值预报模式MM5和双向二重嵌套网格技术,对2004年5月29~30日重庆市暴雨天气过程进行数值模拟。诊断分析表明,高空低槽产生的冷锋云系发展东移是产生此次暴雨天气过程的主要大尺度天气系统,由高空槽诱发产生的中尺度涡旋是产生此次暴雨天气的主要中尺度系统。模拟结果与观测结果的对比显示表明,MM5中尺度数值预报模式能够成功模拟四川盆地东部的暴雨天气过程,同时揭示了高空槽东移过程中在重庆地区范围内产生的较强中尺度气旋性辐合和强烈上升运动促使了暴雨的产生。     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

中尺度业务数值预报试验模式系统原理和应用（二）模式物理过程

中尺度业务数值预报试验模式系统原理和应用（二）模式物理过程陈伟民，王强（兰州中心气象台７３００２０）物理过程是中尺度模式的重要组成部分，主要涉及到行星边界层物理过程、地面能量平衡、水汽循环等问题。中尺度业务数值预报试验模式系统（简称ＭＯＮＦＥＭＳ）的...     

数值天气预报业务模式现状与展望

20 0 4年是数值天气预报理论提出 10 0周年 ,同时也是数值天气预报业务化应用 5 0周年。经过百年的发展历程 ,数值天气预报学科有了飞跃的发展。特别是最近 10多年来 ,大气科学以及地球科学的研究进展 ,高速度、大容量的巨型计算机及网络系统的快速发展 ,更加快了数值天气预报的发展步伐。文中从模式动力框架、物理过程参数化、模式程序软件等方面对数值天气预报业务模式现状进行了简要综述 ,对存在的问题进行了探讨 ,并对数值天气预报业务模式的未来发展作了展望。当前数值天气预报业务模式发展的特点有 :(1) 2 0世纪 90年代中期以来 ,各国的全球和区域模式水平和垂直分辨率都有明显提高 ,且模式物理过程也同步进行改进 ;数值预报业务模式已进入了大规模并行计算的阶段 ;(2 )主要发达国家和中国都正在致力于研发各自的新业务数值预报模式———非静力 (多尺度 )一体化模式或非静力中尺度模式 ,部分国家的新一代天气 气候一体化数值模式已业务运行 ;(3)业务数值预报模式正在朝着不断完善的方向发展。随着模式分辨率的提高 ,云物理过程、陆面过程和湍流过程、考虑坡度 -坡向因子的辐射过程等在模式中的参数化方案 ,以及模式垂直坐标的选择越来越受重视 ,这些物理过程的描述成为业务数值模式改进的重点和     

一次强梅雨暴雨过程的数值模拟和伴随的中尺度系统分析

利用PSU／NCAR的中尺度非静力数值预报模式MM5，采用高分辨率套网格方案和适当的物理过程，对2002年7月22日08时到23日08时的一次强梅雨暴雨过程和伴随的中-β尺度系统进行了数值模拟，模拟结果很好地描述了本次暴雨降水的时空分布及相伴随的中-β尺度系统的发生发展过程。试验结果表明，梅雨切变线上出现的一串中-β尺度系统是此次暴雨的直接影响系统；高空中尺度辐散系统的存在和变化方式对中-β系统的发展有重要的影响；中低层中尺度涡旋的形成会导致尺度更小的强冷暖平流的出现，从而进一步激励中尺度系统自身的斜压发展；降水潜热对暴雨的发展和维持也有重要的反馈作用。     

梅雨锋两类中尺度低压(扰动)及其暴雨的数值研究

对1999年6月梅雨锋频发型中尺度低压(扰动)及其暴雨代表个例,利用区域中尺度数值模式MM5进行了数值研究.基准试验成功复制出中尺度低压(扰动)和暴雨的发生发展过程,系统和降水的演变与强度结果比较合理.借助于高时空分辨率的模式输出,在一定程度上可以揭示中尺度低压(扰动)发生发展较详细的演变过程,同时也可描述出发展演变中某些更加细微的特征和反映对流层高低空气流的特征以及它们之间的相互作用.在基准试验基础上设计的一组数值试验,探讨了同中尺度低压(扰动)暴雨相关的物理过程,包括降水的显、隐式参数化方案,凝结潜热释放,行星边界层过程,局地地形对中尺度低压(扰动)及其所伴暴雨发生发展的影响.这些结果能在更加深入理解梅雨锋上两类中尺度低压(扰动)及其暴雨过程的具体物理图象方面提供一些有益的帮助.     

季风槽环境中暴雨中尺度对流系统的分析与数值预报试验

应用地面降水观测资料、卫星云图、雷达回波以及NCEP再分析资料,对华南沿海受季风槽影响下发生的一次持续性暴雨的中尺度对流系统（MCS）进行分析,并探讨采用数值模式对中尺度对流系统降水进行预报的可能性。分析表明,暴雨由多个相继发展的中尺度对流系统造成。在相似环境中,不同中尺度对流系统发展形态和水平尺度有较大差异,最大可组织发展成α中尺度对流复合体（MCC）,但一般为β中尺度线状或带状对流系统。对其中发展形态分别表现为椭圆形中尺度对流复合体（MCS-2）和带状β中尺度对流系统（MCS-4）的对比分析发现,对流的起始发展均发生在夜间,与季风槽中低空急流的南风脉动有良好对应关系。基于临近探空资料的诊断发现,被认为对中尺度对流系统组织发展有指示作用的关键物理量如对流有效位能（CAPE）和风垂直切变难以区分不同中尺度对流系统的发展形态和趋势,探空资料的代表性将影响诸如“配料法”等暴雨客观预报方法的建立和应用。利用华南区域中心GRAPES（GRAPES_GZ）数值模式对两个中尺度对流系统进行的模拟预报结果表明,采用数值模式对中尺度对流系统降水进行显式预报已成为可能。比较而言,3 km水平分辨率模式可以更好地预报出暴雨的发生,但结果对是否调用对流参数化（CP）方案敏感。尽管不依靠对流参数化方案模式能够较好地预报出中尺度对流系统初始降水的发生,但会过度预报发展成熟后的降水。模式中如何描述中尺度对流系统对流的组织发展机制、如何处理对流参数化方案的“灰色区分辨率”问题需要仔细考虑。      

华南暴雨中云物理过程的数值研究

利用“海峡两岸及临近地区暴雨试验”(HU AM EX)取得的观测资料, 使用高分辨非静力平衡中尺度数值模式 M M 5 湿物理显式方案, 模拟研究了 1998 年 5 月 23～ 24 日自粤北移向南海海岸的冷锋及锋前对流云团造成的华南暴雨中的云物理过程。 结果表明, 由于对流形成的具有冰相参加的冷云过程是华南暴雨形成发展的主要云物理过程, 当对流较弱因而只有水相而无冰相的暖云过程只造成范围虽大但强度较弱的降水。     

利用非常规观测资料对上海特大暴雨过程的模拟研究

2001年8月5～6日,上海市区出现了建国以来破记录的一次特大暴雨.天气形势分析表明,停滞在上海的热带低压和主体位于海上的西太平洋副热带高压为此次特大暴雨的发生提供了有利的环流背景,而低压内部特有的动力、热力结构及在其内发生发展的一系列中尺度对流云团与此次暴雨的发生有直接的关系.作者利用非静力中尺度数值模式MM5V3对此次暴雨过程进行了数值模拟研究,结果表明:在非静力中尺度模式全物理过程的模拟中,采用牛顿张弛逼近法的四维资料同化方案来同化分析场和云顶亮温及上海地面气象自动站等非常规观测资料,模拟结果不仅基本上再现出大尺度及天气尺度系统的发展演变过程,而且还较好地模拟出了此次城市强暴雨过程的雨量空间分布及时序变化.因此,将较高时空密度的非常规观测资料用于高分辨率MM5中尺度数值模式,对于有效地预报城市灾害性暴雨是必要和有意义的.研究还揭示:与热带低压相伴随的偏南暖湿气流不仅是此次暴雨过程的强水汽及热量输送带,而且也是热带低压和其内中尺度对流系统维持发展的必要条件;造成暴雨的中尺度对流系统垂直向上是一具有相对暖心、高湿且低空湿对流不稳定结构的气旋性涡旋,其内强上升运动与涡柱内低空辐合、高空强辐散密切联系.     

“2004．7．21”广西柳江流域致洪暴雨的中尺度数值模拟及几种数值预报产品分析

利用非静力中尺度数值模式MM5736对2004年7月21日广西柳江流域致洪暴雨过程进行数值模拟并对几种数值预报产品进行分析，结果表明，MM5736模式对这次过程具有较强的模拟能力，数值预报产品能为防汛抗洪决策服务提供有力的参考依据。     

"2004.7.21"广西柳江流域致洪暴雨的中尺度数值模拟及几种数值预报产品分析

利用非静力中尺度数值模式MM5V36对2004年7月21日广西柳江流域致洪暴雨过程进行数值模拟并对几种数值预报产品进行分析,结果表明,MM5V36模式对这次过程具有较强的模拟能力,数值预报产品能为防汛抗洪决策服务提供有力的参考依据.     

在数值预报中应用卫星反演资料的质量控制研究

资料变分同化作为提高数值预报准确率的有效手段之一，受到了越来越多的关注。如何将分辨率较高的卫星资料应用到数值预报中，弥补常规观测网时空分辨率的不足，成为数值天气预报的重要课题。以1996年6月28-29日发生在江淮流域的暴雨过程为例，依据其中尺度场和能量场特征，分别以低云量、急流、湿静力能为标准设计了三套质量控制方案。将质量控制后的反演湿度场变分同化并应用到中尺度MM5模式中，结果表明：经质量控制后，可以明显地改善降水区域及降水量的预报；对降水预报，特别是强降水天气过程的预报，该质量控制方案具有普遍意义。     

网格嵌套技术对一次中尺度对流系统降水过程模拟的影响

利用非静力中尺度模式MM5对2002年7月22日12:00~23日12:00(世界时,下同)长江流域的一次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟试验,主要讨论了网格嵌套技术对降水和中尺度对流系统的影响。结果表明:三重嵌套在D1,D2域选用积云参数化方案后,模拟的雨区收缩,虚假降水中心相对减少,降水强度及分布更接近观测值。在模式非线性动力、热力及湿物理过程共同驱动下,通过嵌套网格的双向相互作用,使可分辨云尺度的细网格域D3将其信息通过嵌套边界向次细网格域D2传递,然后再通过D2域边界向粗网格域D1域传递。同样,动力、热力反馈也会反向进行。结果将有助于改进各网格域的预报效果。但对D1网格域系统位置及其发展演变过程的影响相对小些;另外,通过双向多重嵌套,可提高模式预报区域的分辨率,特别是提高模式关键预报区域的分辨率,这也就有可能改进预报的中尺度物理场,使其能够较真实地描写大气实况。     

三维弹性套网格中尺度(β-γ)大气模式

本文建立了一个双向相互作用套网格非静力平衡中尺度(β-γ)大气模式。模式采用Gal-Chen地形坐标系中的全方程作为基本动力框架,采用Klemp分裂时步法计算声波,并考虑了准弹近似。模式引入和改进了Deardorff整体边界层参数化和三种显式湿过程处理方案:暖云、雹云和雪云双参数微物理参数化。地面温度由地面薄层土壤的能量收支方程预报,并考虑了云和山坡走向对短波辐射的影响。该模式不仅为将来发展成能充分应用常规和高时空分辨率的非常规观测资料的中小尺度灾害性天气数值预报系统提供了基本模式框架,也可作为数百公里范围内大气现象和污染输送的模拟研究工具。     

MM5中尺度模式及其微物理过程

非静力平衡模式MM5，除掉了静力平衡假定，可以将模式格距减小到10km以下。由于在物理过程参数化、网格嵌套、资料四维同化等方面也有许多改进，大大改善了模式性能，扩展了其应用范围。应用MM5对我国中尺度天气系统的大量个例模拟研究及业务预报试验表明，MM5可以较好地模拟预报我国的中小尺度天气系统，适合制作乡镇短期天气要素预报。     

2003-08-28致洪暴雨过程的数值模拟分析

利用较高分辨率的非静力中尺度数值模式MM 5和NECP资料,对2003-08-28西北东部致洪暴雨天气过程进行数值模拟,重点研究α、β中尺度系统的发生发展和演变过程,对影响暴雨的物理量诊断分析。结果表明:α中尺度低涡越山后迅速生成发展,在有利背景条件下生成多个β中尺度系统,不同尺度系统共同作用形成本次区域性暴雨。强降水主要出现在低涡系统的发展阶段。暴雨区南侧600 hPa附近存在干冷层,上部大气层结稳定,抑制垂直扩散,有利于水汽和能量沿着低空向雨区集中输送。暴雨区上空水汽和能量以垂直输送为主,同时伴有大量潜能释放。位涡、散度、垂直速度等物理量的空间分布,有利于强对流天气发生。     

一次辽宁大暴雨过程的数值预报和分析

利用天气学方法和中尺度数值预报模式 (MM5)对1999年8月9～10日辽宁大暴雨天气过程进行预报结果分析 ,并将中尺度数值模式从SGI工作站上移植到安装Linux操作系统的微机上 ,对此个例进行数值预报。     

华南暴雨试验研究进展

‘”海峡两岸及邻近地区暴雨试验研究”已于1997年8月批准立项为国家”九五”攀登计划专项,其研究目标是通过外场试验获取暴雨发生发展全过程的中尺度观测资料,应用天气动力学理论。物理量的诊断分析、资料同化。以及中尺度数值模拟。研究华南暴雨发生发展的机制和规律以及中尺度预报理论和方法‘具体设置7个研究课题：（1）暴雨综合观测试验问）雷达、卫星等遥感资料的分析与应用问）暴雨综合观测试验资料库（4）资料集成和中尺度论断分析预报（5）非静力暴雨中尺度数值模式与变分同化（6）中尺度对流系统天气动力学研究门）台风系统中尺…     

中国暴雨中尺度系统发生与发展的诊断分析和数值模拟(Ⅱ)数值模拟

通过改进的MM4中尺度数值模式，对我国三次典型大暴雨过程的模拟，来探讨暴雨中尺度系统发生与发展的问题。主要结果指出:气旋性涡柱在不稳定暖湿气柱内生成和发展，以及与整个涡柱共存的上升运动的持续加强，对暴雨中尺度系统的发展具有重要的作用；地面热通量，凝结潜热释放对暴雨中尺度系统的发展有决定性的作用；各种不同的物理过程和参数化、青藏高原的构形造成的外强迫影响，以及模式空间分辨率等，对暴雨中尺度系统结构与演变以及降雨量的模拟结果均有重要的作用。