青藏高原一次对流降水模拟中边界层参数化和云微物理的影响研究

利用WRF模式模拟青藏高原那曲地区一次对流降水过程。将模拟结果与实测资料进行对比分析,以了解不同微物理和边界层参数化方案组合对降水过程的模拟差异。结果表明,WRF模式能够模拟此次对流降水的发生,但对降水中心位置的模拟存在一定偏差,因此模拟结果与站点实测资料存在一定的差异。将模拟结果与TRMM卫星降水资料进行对比发现,两者的对流发生时间较为吻合。另外,使用不同的初边界条件对本次对流过程的模拟也存在一定差异,总体来说,ERA-Interim资料为初边界场时模拟的降水分布与TRMM降水观测资料的较吻合。通过对不同微物理和边界层参数化方案模拟的水汽通量、水汽通量散度和垂直运动分析,模式对本次降水过程的模拟对边界层参数化方案的敏感性超过微物理参数化方案。     

不同物理过程组合对台风“尼格”的降水预报试验

以2011年第19号台风"尼格"造成的海南岛强降水为研究对象,选取WRF3.0版本中多种不同积云参数化、微物理过程,边界层和陆面过程方案等多种组合进行敏感试验,采用TS和RMS评分检验,通过分析得到结论:积云对流化参数方案的选择对于海南岛的降水模拟影响最敏感,当积云参数化方案固定时与其他各种方案组合,选取WS3,WS5,WS6微物理过程方案时,相对效果较好,陆面过程和边界层方案的选取对降水模拟效果的影响相对较小。     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

微物理过程和积云参数化方案对海南岛秋季暴雨模拟的影响

利用WRF(ARW)V3.6模式模拟了2010年10月5—6日发生在海南的一次秋季大暴雨过程,从降水、风场、反射率和云结构等方面分析WRF模式中3个积云参数化方案(KF,BMJ,Tied Tke)和4个微物理参数化方案(Lin et al,WSM5,WSM6,Thompson)对海南岛秋季暴雨模拟的影响。结果表明:此次秋季暴雨过程模拟对不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合是比较敏感的,不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合通过调整温湿场结构,从而影响模拟降水的时间、强度和落区。对比发现,Thompson微物理方案的组合对于降水量级的模拟更为敏感,能较合理的描述暴雨发生发展过程中的水汽输送、热力和动力条件,并通过影响雨水混合比和云水混合比的高度和大小从而影响降水。其中Thompson微物理方案和Tied Tke积云方案的组合能较好的模拟出本次暴雨过程的特征,与实测最为接近,该组合模拟的最大垂直速度和反射率区与最大云水混合比对应。另外,积云方案和微物理方案的选择不影响水汽混合比的模拟。     

WRF模式不同参数化方案组合对青海气温、降水及风速模拟的影响

利用50个气象站观测资料,对比讨论WRF模式不同微物理过程、积云对流和边界层参数化方案组合对青海省气温、降水及风速的模拟效果。结果表明:(1)微物理过程和积云对流参数化方案分别选用Eta(Ferrier)和KF时,气温模拟效果较好;Thompson方案、KF方案和ACM2方案的组合对降水模拟普遍较好;边界层方案的选取对风速的模拟较为重要。(2)对比不同季节的模拟效果可以看出,夏季气温、降水模拟效果均较好。(3)最低气温模拟效果均好于最高气温,最高气温偏低明显。(4)小雨预报普遍偏多,中雨预报略偏少,大雨整体预报偏少。     

边界层参数化方案对降水预报的影响

利用新一代WRF模式模拟了2003年7月8—10日的江淮暴雨,就WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验。发现分辨率为20 km时,WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度。采用边界层方案显然比不采用边界层方案的模拟效果好,但是MYJ方案与MRF方案相比并没有明显的优越性。另外发现边界层物理过程对格点尺度降水影响很小,模式主要通过边界层物理过程和积云对流过程之间的耦合,来改善对流性降水的模拟。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

Intercomparison of different physics schemes in the WRF model over the Asian summer monsoon region

WRF模式对包含西太平洋、东印度洋和中国大陆的大区域气候模拟能力的提高对东亚夏季风气候的预测非常重要。本文的研究目的是找出合理的物理方案组合来模拟中国大陆、东印度洋和西太平洋这一特大区域的降水和温度。通过模拟2008年夏季气候并与观测进行对比分析,主要比较了Mellor–Yamada–Janjic(MYJ)和Yonsei University(YSU)边界层方案、WSM3和WSM5微物理过程方案、Betts–Miller–Janjic(BMJ)和Tiedtke积云参数化方案对这一区域的气候模拟结果。研究表明:各种物理方案的组合对于温度空间分布的模拟与观测类似;边界层方案的选择对降水影响较大,MYJ方案比YSU方案对降水的模拟效果要好;积云方案Tiedtke对雨带分布,特别是赤道辐合带(ITCZ)降水模拟更加合理。     

公里尺度分辨率WRF模拟梅雨暴雨对积云对流参数化的敏感性试验研究

本文利用中尺度模式WRF V4.0.2(Weather Research and Forecasting Model,Version 4.0.2)对浙江省两次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,分别选用WSM6和Thompson云微物理方案、YSU和MYJ边界层方案、以及11种对流参数化方案进行试验,探究不同积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨的1 km高分辨率预报的影响,结果表明：（1）在对各试验的降水预报评估过程中,使用传统点对点方法和邻域法都能客观表现出各试验的预报水平,而邻域检验法能更客观地评估模式对小范围强降水的预报水平。（2）三类积云对流方案（包括：无积云对流方案、传统积云对流方案和尺度自适应积云对流方案）都能较好地模拟出小雨降水的发生情况,但随着降水强度增强至暴雨、大暴雨量级时,尺度自适应的积云对流方案对降水的预报结果有明显改善。（3）在不同微物理和边界层组合方案下,尺度自适应积云对流方案的模拟结果差异更显著,而传统积云对流方案的模拟结果的效果差异不明显。（4）在1～10 km的“灰色区域”范围内,当网格分辨率逐渐提高到1 km时,尺度自适应积云对流方案较传统积云对流方案对模式的预报结...     

不同云微物理方案对一次飑线过程模拟的影响

本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式的不同云微物理方案对2009年6月14日发生在华东地区的一次飑线过程进行1 km的高分辨率模拟,探讨不同云微物理方案对飑线模拟的影响。结果表明:双参数方案的模拟效果总体上优于单参数方案,其中WDM6方案模拟效果最佳,能够较好的模拟出强对流回波区、层云区的主要特征。在单参数方案中以WSM6方案最优。Kessler和LIN方案模拟飑线的回波范围偏小,强度偏弱。进一步对比热力和动力场发现,WDM6方案模拟的冷池的面积最大,强度最强,气压最高,飑线前部的入流处风速最大。不同云微物理方案对微物理场的影响较明显,相比单参数方案,双参数方案模拟的水凝物混合比更高,且能够模拟粒子数浓度,更准确地描述了云中的各类粒子特征。     

雾与能见度数值预报诊断SW方案和FSL方案改进的研究及评估

为了提高雾与能见度的预报水平,对业务上常用的两种能见度诊断方案,即Stoelinga and Warner（SW）方案与Forecast Systems Laboratory（FSL）方案的改进进行预报试验,SW方案基于Gultepe方案考虑了液态水粒子数浓度对能见度的影响,FSL改进方案中利用了递减平均法对公式中用到的温度与露点温度进行订正,并用其重新计算公式中的相对湿度。基于山东省气象科学研究所逐时更新循环（hourly update cycle,HUC）业务模式输出结果,从2015—2016年选取10次雾天气过程,并详细分析了2015年11月13—14日这次雾天气过程的预报结果,比较了改进前后各方案对雾与能见度的预报效果,结果显示：在模式预报的雨水含量占总液态含水量比例较大的预报时效,改进后的SW方案对雾与能见度预报效果优于原始方案,在模式预报液态含水量接近0的预报时效,改进前后的SW方案对雾与能见度的预报效果相当;利用订正的温度与露点温度重新计算相对湿度,其平均绝对误差（mean absolute error,MAE）降低明显的预报时段,改进后的FSL方案对雾与能见度的预报效果大大提升。将两种改进后的方案相融合并进行预报试验,结果显示,综合对能见度与雾的预报效果,Combined Visibility（CVIS）方案要优于其他两种改进方案。     

半隐式半拉格朗日平方守恒计算格式的构造

在显式半拉格朗日完全平方守恒格式基础上, 构造出半隐式半拉格朗日完全平方守恒计算格式, 它继承了显式半拉格朗日完全平方守恒格式的优点, 并突破计算不稳定柯朗条件对时间步长的约束, 使时间步长大为增长.此外, 还给出这种新的计算格式在一维原始方程上的应用.     

一次长江流域梅雨降水中三种云量计算方案的对比研究

采用NCEP分析场,选取2010年梅雨期长江流域的一次降水过程,分别基于Slingo方案、NCAR方案和钱氏方案,利用相对湿度计算云量,并以LAPS(Local Analysis and Prediction System)系统输出的云量分析场作为观测值,分别在高层(400 h Pa)与低层(850 h Pa),从宏观比较与统计分析的角度,与计算结果进行云量大小与区域分布的对比分析。结果表明,三个云量计算方案对云量中心位置的把握均较为准确,但对云量值的计算存在大小不等的误差。NCAR方案计算结果和LAPS输出场最为吻合,能够体现出云量大值区,但区域一般偏大;Slingo方案相较NCAR方案来说略差,但也能较好地描述云带分布;此外,钱氏方案计算出的云量值始终偏小,但其能够较好地描述云带轮廓与云量的分布特征。综合对比结果,NCAR云量计算方案比其余两者更优,且在低层(850 h Pa)表现尤为明显。     

不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟

利用美国最新发展的新一代中尺度数值预报模式(WRF),研究了不同云降水方案对一次登陆台风的降水模拟问题,结果表明,在网格距适当小的情况下,同时采用积云对流参数化方案和云微物理方案(Kessler方案)时,其降水预报优于只使用积云对流参数化方案时的预报;在台风降水模拟的初期,Kain-Fritsch方案比Betts-Miller方案产生降水更快,更接近实况降水;在台风登陆后随时间的延长,对流降水重要性逐步下降,网格尺度降水逐渐增强。     

A FINITE VOLUME SEMI-IMPLICIT SEMI-LAGRANGIAN SCHEME ON THE YIN-YANG MESH

Designed for grid point systems, the traditional semi-Lagrangian semi-implicit scheme is not mass-conserving and can lead to significant solution errors. In the present study, a finite-volume semi-Lagrangian semi-implicit scheme (hereafter “FVSLSI”) is designed for the Yin-Yang mesh and tested in a barotropic shallow water model in the spherical coordinate system. Three test cases, i.e. the advection of a solid body, a steady state nonlinear zonal geostrophic flow and the deformation flow, are simulated to compare the performance of the FVSLSI with that of the traditional semi-Lagrangian scheme (hereafter “SL”) from perspectives of shape preservation, mass conservation, normalized bias, and convergence rate. Results indicate that the FVSLSI performs better than the SL in mass conservation and shape preservation. The bias by the FVSLSI is smaller than that by the SL, while the rate of convergence by the FVSLSI is larger than that by the SL. The FVSLSI also allows large time step. Therefore, the FVSLSI is suggested to be distributed to communities that are developing atmospheric/oceanic models.     

A High-Order Spatiotemporal Precision-Matching Taylor–Li Scheme for Time-Dependent Problems

Based on the Taylor series method and Li's spatial differential method, a high-order hybrid Taylor–Li scheme is proposed.The results of a linear advection equation indicate that, using the initial values of the square-wave type, a result with thirdorder accuracy occurs. However, using initial values associated with the Gaussian function type, a result with very high precision appears. The study demonstrates that, when the order of the time integral is more than three, the corresponding optimal spatial difference order could be higher than six. The results indicate that the reason for why there is no improvement related to an order of spatial difference above six is the use of a time integral scheme that is not high enough. The author also proposes a recursive differential method to improve the Taylor–Li scheme's computation speed. A more rapid and highprecision program than direct computation of the high-order space differential item is employed, and the computation speed is dramatically boosted. Based on a multiple-precision library, the ultrahigh-order Taylor–Li scheme can be used to solve the advection equation and Burgers' equation.     

消去分析台风方法的对比研究

详细分析了GFDL飓风模式和MM5模式消去分析台风的原理, 通过10个台风个例的对比分析指出, GFDL方案从平均意义上求取分析台风中心位置和半径的方法, 优于MM5方案采用涡度极值来确定分析台风中心以及将分析台风中心半径定为常数的方法。而MM5方案考虑要素场之间的协调, 较GFDL方案更为合理。试验结果表明:通过将两者优点相结合对MM5方案进行修正, 能够更加合理、彻底地消去分析台风。     

高阶Runge-Kutta-Li算法对二维线性平流方程的计算检验

利用高阶Li空间微分方案(Li, 2005),实现了时间积分为3～6阶Runge-Kutta-Li(RKL)格式的求解算法。二维线性平流方程的试验结果表明:在计算稳定的条件下,各阶算法的计算误差随时间的推移基本上是线性增加的。非转动背景场的平流算例中（高斯型的初值）,高阶RKL算法可以取得较好的计算效果。与3、4、5、6阶RK算法配合的Li空间差分方案有效阶数可以达到5、7、9、10阶。RK 算法的阶数为5（6）阶时,总误差控制在10-7（10-8）以内。随RK阶数增加Li微分的有效阶数有增加趋势,且总误差逐渐减小。定常转速的背景场算例中（偏心的高斯型初值）,当RK阶数为3时,最优空间差分阶数为10;相应的阶数为4、5、6时对应的空间最优阶为16,22,22,总计算误差可以控制在10-15～10-16。随着精度的提高,误差的绝对值减小很迅速,说明算法是非常有效的。对于圆锥型初值（定常转速的背景场）,4、5、6阶RK算法和3阶算法的效果差不多。高阶算法对此类具有导数不连续点的算例,效果不如高斯初始场好,结果不能保持正定,有些地方误差出现下冲和上翘。随着空间差分精度的提高,非正定的解数量和数值减小,误差的绝对值减小,说明了算法在一定程度上是有效的,但并不适合追求极高的算法阶数。这与谱方法中的导数不连续问题有些相似,误差的产生主要源于导数的不连续性,差分类方法仅能获得与导数连续性阶数相当的算法精度。各种算例中,采用恰当的边界条件是必要的,例如旋转背景场算例,比较适合使用无穷远边界条件,否则会出现计算不稳定或无法将计算误差控制到较小的范围内。     

浅水波模式半拉格朗日方法的并行研究

该文研究的问题是分布式并行计算机消息传递方式下半拉格朗日并行算法, 重点研究二维浅水波并行模式中有关子区域过渡带(HALO)的问题和有关求解赫姆霍兹方程的并行算法。进行了一系列的对比试验, 研究在不同分辨率下模式的并行效率的问题。结果表明:采用分区域并行计算的方法, 可得到较好的并行效率。模式中使用半拉格朗日方法处理平流项是有利的, 在分辨率高时, 可有效地提高计算速度。