不同积云对流参数化方案对“7·21”北京特大暴雨模拟的影响

针对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程,比较WRF V3.5.1版本中KF、BMJ、GD、SAS四种积云对流参数化方案对降水的模拟效果,研究对流激发在时空分布上的特征以及预报降水量的影响因子。结果表明,KF方案整体效果较好,BMJ方案夸大了强降水区的范围和强度,GD和SAS方案模拟效果较差。各方案在初始对流激发的状态和时间上存在差异,使得演变过程显著不同。总体上,KF方案很好地模拟了对流的触发,在发生强降水时段,上升运动强,水汽条件充足。同时,KF和BMJ方案模拟的深对流区域降水效率高,SAS方案基本均为层云区域,无法模拟出强降水中心。     

暴雨模拟中积云对流参数化方案的对比试验

利用WRF中尺度数值预报模式,选用七种微物理方案及网格嵌套技术分别与Kain-Fritsch(new Eta)、Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi（简称KF、BMJ、GD方案）三种积云对流参数方案匹配,对2007年6月1—2日湖南南部的暴雨过程进行了模拟试验。模拟结果表明：选用Lin等微物理方案和三种积云方案,采用20 km的格点分辨率,基本上可以模拟这场暴雨的范围,且采用网格嵌套技术的模拟结果优于未采用嵌套的模拟结果;其中KF方案模拟的强降水位置、强度与实况比较接近;BMJ方案模拟的强降水范围偏大、强度偏强,位置偏南,上述两种方案都不同程度地存在着虚假的暴雨中心;GD方案模拟的强降水范围、强度均偏小。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统（RUC）中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍,并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明,总体预报效果以KF和GD方案较好,具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度,对流降水对总降水贡献,在中低层流场高低值系统分布,以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置,KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况,TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。     

GRAPES中尺度模式中不同积云参数化方案预报性能对比研究

利用我国新一代中尺度数值模式GRAPES_Meso,采用KFeta和BMJ两种积云对流参数化方案,对我国2009年冬季(1月)和夏季(6—8月)天气进行批量回报试验。回报试验结果表明：在冬季,两种方案对GRAPES_Meso模式的预报性能影响差异较小。在夏季,两种方案对模式回报效果的影响表现明显。在低层BMJ方案对形势场的回报性能略优于KFeta方案,中层则是KFeta方案明显优于BMJ方案,而在高层KFeta方案略优于BMJ方案。TS评分检验表明KFeta方案对降水的预报总体上优于BMJ方案,特别是中雨到暴雨量级在华南地区KFeta方案有明显的优势。两个方案预报积云降水平均贡献率的空间分布差异主要表现在低纬度洋面上,BMJ方案的贡献率比KFeta方案大。两个方案积云降水贡献率的概率分布形态在小雨量级上都呈陡峭的“U”型分布。KFeta方案随着降水量级的增大逐渐向大贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是积云降水的贡献;而BMJ参数化方案则是随着降水量级的增大逐渐向小贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是格点降水的贡献。     

WRF中不同湿过程对青岛一次暴雨过程的预报性能检验

基于9 km分辨率的中尺度数值模式WRF,通过TS评分、降水空间分布和降水强度检验评估3种积云对流和7种云微物理参数化方案对2014年5月10日青岛地区的一次暴雨天气的预报性能。结果表明:在分辨率为9 km的模式中考虑KF、GD和BMJ积云对流参数化方案时,能够不同程度提高大雨和暴雨的TS评分,且GD方案模拟的降雨落区和强度更接近实况。7种云微物理方案对暴雨模拟效果相差不大,平均TS评分达到0.64,其中KESSLER方案预报性能最好,TS评分达到0.73,其次是WSM6、LIN和WSM5方案,但也大都表现出暴雨范围偏大、雨量偏强的特点。对于此次降雨过程,积云对流参数化方案的预报性能优于云微物理过程方案的表现。     

WRF模式中不同积云对流参数化方案对比试验

本文主要对基于WRF模式的快速同化系统 (RUC) 中使用的积云对流参数化方案进行简单介绍, 并对不同积云对流参数化方案进行了典型个例降水预报的对比试验和检验。结果表明, 总体预报效果以KF和GD方案较好, 具体表现在雨区分布及大暴雨中心强度, 对流降水对总降水贡献, 在中低层流场高低值系统分布, 以及冷空气活动引起的变温正负中心强度及位置, KF和GD方案模拟结果可以较好地反映观测实况, TS评分结果也表明KF和GD方案在小级别降水预报中占有优势。      

不同云微物理参数化方案对冰雹模拟的影响

在利用WRF模式模拟2015年7月29日内蒙古中部地区一次典型冷涡天气系统影响下的冰雹过程基础上,初步探讨积云(KF、BMJ、GD、G3)和微物理(Lin、WSM6、GM、NT、MYDM7)参数化方案对冰雹模拟结果的影响。液态和固态降水粒子质量浓度时间变化受微物理与积云参数化方案共同影响,水汽、能量以及动力条件主要受积云参数化方案影响。综合考虑不同等级降水的TS评分和呼和浩特市两次对流过程的模拟效果,4种积云参数化方案中,KF表现最优,其次是G3和GD方案,BMJ的模拟效果较差。5种微物理方案中Lin和WSM6模拟效果较好,其中WSM6-KF模拟的降水粒子质量浓度的时间变化、水汽和能量条件以及动力条件的效果最优。     

不同参数化方案对安徽一次暴雨过程模拟的影响分析

使用WRF v3.4模式对2012年7月12—14日安徽的一次暴雨进行模拟。保持其他参数如辐射、陆面过程等不变, 将不同微物理过程(Eta、Kessler、Lin方案)与积云参数方案(KF、BMJ、GD方案)进行组合成9个试验。将试验模拟结果与实况进行对比分析, 发现:微物理方案的选取对于降水的雨强、位置、雨区范围的模拟都有一定的影响。积云参数化方案对于降水的范围, 雨带的位置模拟也都有影响, 但对于雨强的影响不大。将各试验模拟的逐小时降水与实况进行比较, 发现试验Eta-GD和Lin-GD模拟降水日变化与实况更接近。通过TS评分、ETS评分和系统偏差分析, 表明试验Eta-GD在此次暴雨过程的降水模拟中表现最好。     

WRF中不同积云对流参数化方案对青岛降水预报影响的对比分析

1~10 km水平分辨率是中尺度模式是否采用积云对流参数化方案的"灰色带"。基于青岛市气象局9 km分辨率WRF模式,分别选择KF、GD和BMJ三种积云对流参数化方案对青岛5次大范围降雨过程进行预报试验,分析比较不同积云对流参数化方案对青岛地区降水预报效果的影响。结果表明,这三种积云对流参数化方案对不同量级的降雨具有不同的预报性能:BMJ对小雨预报性能最佳;没有考虑积云对流参数化过程的控制试验对中雨的预报效果最好,KF方案次之;GD方案对大雨和暴雨预报效果均较好。对稳定性降水,GD方案对沿海站点降雨量预报效果较好,KF方案则对内陆站点预报性能较好;对对流性降水,BMJ方案无论是在沿海站点还是在内陆站点都有比较好的预报效果。在降雨空间分布上,对稳定性降水过程,各试验方案均模拟出了小于50 mm的降雨区,对大于100 mm强降雨区,GD方案具有较好的预报效果;对对流性降水过程,BMJ方案预报效果整体较好。     

积云对流参数化方案对东亚夏季环流和降水模拟的影响

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式对东亚夏季区域气候模拟中最常选用的两种积云对流参数化方案进行对比分析,研究积云对流参数化方案选用对大尺度环流模拟的影响。结果表明:Kain-Fritsch（KF）方案对西太平洋副热带高压（简称副高）及环流的模拟效果较好,虽然KF方案模拟降水偏多,但是时空分布与TRMM降水分布接近;Grell-Freitas（GF）方案对流加热率过大,从而模拟的南海—菲律宾区域对流异常增强,在南海—菲律宾洋面上的垂直输送异常增大,非绝热加热的范围偏大,导致副高南侧下沉区辐散减弱,抑制了副高北抬西伸,进而影响到水汽输送和季风环流,最终对东亚夏季降水的模拟产生不利影响。修改GF方案对流加热率和干燥率的敏感性试验表明,减小对流加热率和干燥率参数能有效抑制南海—菲律宾区域过强的对流,东亚大尺度环流的模拟得到明显改进。     

High-resolution Simulation of an Extreme Heavy Rainfall Event in Shanghai Using the Weather Research and Forecasting Model: Sensitivity to Planetary Boundary Layer Parameterization

In this study,an extreme rainfall event that occurred on 25 May 2018 over Shanghai and its nearby area was simulated using the Weather Research and Forecasting model,with a focus on the effects of planetary boundary layer(PBL)physics using double nesting with large grid ratios(15:1 and 9:1).The sensitivity of the precipitation forecast was examined through three PBL schemes:the Yonsei University Scheme,the Mellor?Yamada?Nakanishi Niino Level 2.5(MYNN)scheme,and the Mellor?Yamada?Janjic scheme.The PBL effects on boundary layer structures,convective thermodynamic and large-scale forcings were investigated to explain the model differences in extreme rainfall distributions and hourly variations.The results indicated that in single coarser grids(15 km and 9 km),the extreme rainfall amount was largely underestimated with all three PBL schemes.In the inner 1-km grid,the underestimated intensity was improved;however,using the MYNN scheme for the 1-km grid domain with explicitly resolved convection and nested within the 9-km grid using the Kain?Fritsch cumulus scheme,significant advantages over the other PBL schemes are revealed in predicting the extreme rainfall distribution and the time of primary peak rainfall.MYNN,with the weakest vertical mixing,produced the shallowest and most humid inversion layer with the lowest lifting condensation level,but stronger wind fields and upward motions from the top of the boundary layer to upper levels.These factors all facilitate the development of deep convection and moisture transport for intense precipitation,and result in its most realistic prediction of the primary rainfall peak.     

基于WRF模式的清江流域降雨-径流模拟研究

基于WRF模式,采用4层嵌套方案,选取3种积云参数化方案和7种微物理方案组成21种组合,对清江流域2016—2018年6—10月6次典型降雨事件进行数值预报,结合CMORPH卫星-地面自动站-雷达三源融合降水产品,采用TS评分和FSS评分,分析不同分辨率和云微物理方案的降雨预报效果;基于较优组合方案的WRF模式与WRF-Hydro水文模式耦合进行径流模拟,分析WRF模式在水文模拟中的应用效果。结果表明:3 km和1 km分辨率对降雨中心位置及强度预报的差别不大,对降雨落区都有较好的预报能力;在积云参数化方案中,KF方案和BMJ方案的降雨预报效果优于GF方案;在微物理方案中,WSM3、WSM5、WSM6、Thompson方案的预报结果与融合数据有较好的一致性;基于较优组合方案BMJ_WSM3,将WRF模式与WRF-Hydro模式耦合,耦合模式能较好地模拟洪水过程,径流模拟相关系数都在0.67以上,且NSE最高可达0.79。      

WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验

为了研究微物理参数化方案对珠江三角洲(简称珠三角)降水模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,在3 km模式分辨率下,在微物理方案为WSM6方案条件下,选用KF、BMJ、GD以及G3等四种积云参数化方案对2010年5月14日广东珠三角地区的一次暴雨过程进行了模拟试验。结果显示,KF方案对于降水带和降水量的模拟与实况较为一致。在积云参数化方案为KF条件下,分别选用Kessler、Lin et al、WSM 3、WSM5、Ferrier(New eta)和WSM6等6种微物理方案再次对这次暴雨过程进行模拟试验,模拟结果的对比分析表明:选用Lin et al微物理方案时,模式较好地模拟出了强降水雨带的位置和降水强度;而其他5种参数方案的模拟效果均不好,降水量明显偏小,雨带位置偏差较大;同时对低空急流、K指数和上升速度等物理量分析可知,Lin et al方案能较好地模拟出降水实况。     

不同降水方案对"03.7"一次暴雨过程模拟的影响

观测和数值模拟研究已经表明,潜热释放对中国东部夏季梅雨锋系统及其锋面降水的维持和发展发挥着非常重要的作用.然而,目前对于梅雨锋降水模拟中各种降水方案的相互协调和系统评估方面的工作仍不多见,为了增进对梅雨锋暴雨模拟中降水过程的认识,作者针对2003年7月4～5日一次梅雨锋暴雨过程,构造了四组试验,利用MM5模式考察了两种分辨率(36 km、12 km),各种隐/显式方案搭配下,对所生成的雨带、雨量和降水类型的配置进行了仔细的研究,得到了一些有意义的结论,为今后更好地使用模式、利用数值模式来认识中尺度降水过程中的气象问题打下基础.主要结论包括:模拟总降水的水平分布和强度,以及显式降水和隐式降水的划分对积云参数化方案的选择非常敏感.但对特定积云参数化方案而言,降水的模拟对36 km、12 km水平分辨率不敏感(除Betts-Miller方案外);在中尺度网格分辨率10～50 km范围内,不同积云参数化方案对梅雨锋降水分布和降水量模拟的影响比不同显式方案带来的变化大得多.     

不同云微物理方案对上海特大暴雨模拟影响的分析

利用中尺度数值预报模式WRF3.5,采用36、12和4 km三重嵌套,在积云参数化方案为BMJ条件下,选用WSM5、WSM6和Lin三种云微物理参数化方案,对发生在上海地区的两次典型特大暴雨（简称“0913”和“0825”）进行模拟试验和对比分析,探讨不同云微物理参数化方案对上海暴雨模拟的影响。结果表明:三种方案总体上都较好地模拟出两次特大暴雨过程,但在降水落区、降水中心、降水强度等方面仍存在差异。再利用地面自动站、观测站的实测雨量以及自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据,结合K指数、相对湿度、垂直速度和涡度散度等物理诊断量,从降水落区、降水中心和降水强度等方面对三种云微物理参数化方案的模拟结果进行对比分析。此外,通过对三种方案主要参数的比较以及三种方案模拟的冰、雪、霰粒子混合比的垂直廓线对相应的模拟结果进行解释。结果显示:WSM5微物理方案能更好地模拟出强降水的范围,其模拟的降水量较实测偏大;WSM6方案模拟的降水落区略有偏移,降水量偏小;Lin方案模拟的降水落区偏移较大。      

GRAPES中尺度模式中Kain-Fritcsh方案的改进及应用试验

本文对GRAPES_Meso中Kain-Fritcsh eta积云参数化方案进行了三种改进:(1)将原触发机制中的温度扰动分解成由水汽决定的垂直向和水平向温度扰动(KF1方案),(2)在原温度扰动中直接增加一项由相对湿度计算的水汽平流项(KF2方案),(3)在KF1方案中增加用相对湿度计算的水汽平流项(KF3方案)。利用GFS预报场资料对上述改进方案进行模拟试验和批量回报试验,结果表明:“5·23”暴雨个例中,(1)改进方案均可以减少原方案模拟的部分虚假降水,KF1方案模拟降水范围较好,KF2方案模拟强降水中心较好,KF3方案同时具备二者优点。(2)三种改进方案对于强降水站点均存在模拟降水偏弱,KF1方案降水趋势与实况接近,但存在对流激发较快,后期降水略为不足,KF2方案则相反,KF3方案表现介于二者之间;KF2、KF3方案均会在对流激发最强和最弱时刻使其向有利方向调整。台风个例中,KF1方案模拟中心气压较好,KF2方案模拟台风路径较好,KF3方案则在两者上均有较好表现。TS评分检验表明KF1方案在各个降水量级上的评分都较低,KF2、KF3方案评分相对较高;误差检验(高度、风)时,KF1方案在中层误差较大,高、低层误差最小,其他两种方案表现则相反。      

基于MET检验的青海大范围降水个例参数化方案优选

利用WRF模式不同积云对流和微物理过程参数化方案对2015年8月1—3日青海省大范围降水过程进行了模拟,并利用MET(数值模式评估系统)对本次模拟结果进行了检验,结果表明:(1)此次过程,模式存在"早报"现象,尽管大部分方案预报降水量均偏多,但从降水过程中心位置和强度来看,BMJ(积云对流)/Thompson(微物理)组合方案模拟效果较为理想,Grell/WSM5和KF/Kessler次之;Grell/WSM5从降水极值点的空间分布特征和降水量级上模拟结果较为理想。(2)就空报率和漏报率的空间分布而言,空报率远高于漏报率,空报率高值区主要分布在玉树南部和海西东北部,模式对玉树地区的预报存在较大的误差。(3)用SEDS(对称极值依赖评分)评估极端降水,Grell/WSM5对极端降水的预报效果较好。(4)主观判断降水空间分布特征无法量化预报的质量,且单一的评分指数因侧重点不同无法综合评价模式的预报能力,故选用8种评分或指标进行定量评估,其结果表明,WSM5方案(微物理)的R(相关系数)较大且RMSE(均方根误差)较小,Grell/WSM5对此次降水预报效果最好,Grell/Kessler次之。综合来看,对此次降水个例Grell/WSM5组合方案为最优组合方案,参数化方案的优选有利于客观把握模式的预报能力与预报技巧,有利于提高区域数值模式在青海高原的适用性。