中高层大气环流模式的初步评估与敏感性分析

提高大气环流模式的模式顶层高度对中高层大气(如平流层准两年振荡)的准确模拟至关重要.本研究将IAP大气环流模型(IAP-AGCM)延伸至中层大气顶(～0.01 hPa,～80 km)并提高垂直方向分辨率(91层),发展了一个中高层大气环流模型(IAP-AGCML91).结果表明,与低层模式相比,该中高层大气模式在整体上显著减小了平流层尤其是上平流层的冷偏差.研究发现这种改善与两种机制有关:与低层模式相比,高层模式模拟的短波加热更大,极区平流层附近的经向涡动热通量更大.上述结果表明,垂直分辨率和模式顶层高度对IAP-AGCML91的气候模拟有重要影响.     

中高层大气环流模式的初步评估与敏感性分析（英文）

提高大气环流模式的模式顶层高度对中高层大气(如平流层准两年振荡)的准确模拟至关重要.本研究将IAP大气环流模型(IAP-AGCM)延伸至中层大气顶(～0.01 hPa,～80 km)并提高垂直方向分辨率(91层),发展了一个中高层大气环流模型(IAP-AGCML91).结果表明,与低层模式相比,该中高层大气模式在整体上显著减小了平流层尤其是上平流层的冷偏差.研究发现这种改善与两种机制有关:与低层模式相比,高层模式模拟的短波加热更大,极区平流层附近的经向涡动热通量更大.上述结果表明,垂直分辨率和模式顶层高度对IAP-AGCML91的气候模拟有重要影响.     

海洋环流与海浪模式的发展及其应用

通过对海洋环流模式、海浪模式、风暴潮模式研究现状和世界海洋强国当前运行业务模式系统的调研,发现无论是全球模式还是区域模式,海洋环流模式和海浪模式的分辨率越来越高,全球海洋模式空间分辨率小于10 km,达到涡可分辨程度,海浪模式水平和波谱空间的分辨率都在提高。通过调研,发现随着海洋各类观测资料的同化和数值模式分辨率的提高,近年来加强了远海、近海及海岸带各种物理过程精细化研究,海洋环流模式垂向采用混合坐标提升了模式对不同海域海洋内部物理过程的解释能力,海洋模式、海浪模式、风暴潮模式中无结构网格的应用提高了模式对近海浅水区和岸界地形描述的能力,加深对海岸带海洋物理过程的认识。文中提出海洋环流-海浪-潮汐耦合模式系统建立是近年来风暴潮模式发展的趋势,将来大气-海洋-海浪-潮汐模式的耦合可细化对海洋各种物理过程的解释,是业务模式系统发展的主要方向。     

p－σ混合坐标原始方程模式的改进和试验

在五层ｐ－σ混合坐标原始方程模式的基础上，改进成了一个九层ｐ－σ混合坐标原始方程模式。模式为１７×３９个格点，分辨率为５°×５°，其物理过程与五层模式相同。该模式性能稳定，用该模式对１９９４年冬的一次寒潮过程进行了模拟，温压场的主要特征符合实况。由于该模式的垂直分辨率高于五层模式，所以模拟结果优于后者，试验表明模式可应用于业务预报。     

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。      

一种改进的平缓-混合地形追随坐标在GRAPES中尺度模式中的应用研究

平缓-混合地形追随坐标（T-F坐标）可以减小坐标面上的地形影响带来的各种计算误差。以余弦三角函数为基函数的平缓-混合坐标（COS坐标）高层坐标面水平,计算误差较小,但是低层坐标面之间的厚度较薄,增大了计算误差,给模式稳定性及模拟效果带来较大的影响。设计一种改进的COS坐标,使低层坐标面垂直分布更加均匀,应用于GRAPES-Meso模式进行理想试验和实际模拟试验。结果表明,改进的COS坐标相对COS坐标,中高层计算误差相当,低层地形作用衰减的垂直变化更加均匀,减小了计算误差,提高了计算稳定性;地形重力波试验结果显示,改进的COS坐标重力波破碎相对COS坐标有一定缓解,更接近解析值;批量模拟试验结果显示,改进的COS坐标各个层次上的月平均模拟偏差比单尺度双曲函数平缓-混合坐标（简称SLEVE1坐标）更小,均方根误差减小,距平相关系数增大。改进的COS坐标有效地解决了COS坐标的计算问题,提高了模式预报效果。      

一个用阶梯山脉坐标表示的大气环流模式：模式的描述及其对中期预报的有效性

阶梯山脉或η垂直坐标已成为消除在沿陡坡面计算气压梯度力时出现的数值误差而建议的一种解决方法。这篇文章的主要目的是描述采用η坐标而设计的全球大气环流模式的发展，并检验该模式对中期预报的能力。首先，给出极地边界和极地滤波的处理。为了检验极地处理，给出了用浅水波方程得到的数值结果；其次，还把各种物理过程参数化引入多层η坐标模式。为了证实该模式有效，给出了几个１月份个例的数值积分。η坐标所列方程与随地形起伏的σ坐标所列方程很相似，允许用其中一种垂直坐标试验模式。于是，在同样的物理过程参数化下，我们用η坐标大气环流模式和σ坐标的大气环流模式进行了比较。另外，还与σ坐标的谱模式作了比较。还就模式的有效性，用几种不同的水平分辨率，４种观测的初始状态作了１０天积分。对相对低的分辨率的模式，预报结果稍微有利于谱模式和σ坐标模式。然而，采用较高分辨率，η坐标模式预报技巧评分与σ坐标模式结果不再有明显的差别。给出的其它结果还证实了η坐标在陡峭地形附近的优势以及与地表边界层处理有关的η坐标的潜在缺陷。     

分辨率对区域气候极端事件模拟的影响

利用NCAR MM5V3对1999年6月长江流域的极端异常降水事件进行了模拟,主要研究不同水平和垂直分辨率对极端区域气候事件模拟的影响。数值模拟试验表明:模式能够模拟出极端强降水的主要分布特征;水平分辨率的提高降低了模式模拟的强降水偏差,对逐日降水变化的模拟更加合理,而垂直分辨率的提高基本上也都减小了模拟的强降水过程的偏差,改善对强降水的模拟能力;模式水平、垂直分辨率的提高在一定程度上增强了对强降水过程的模拟能力。水平分辨率的提高能够改善模式对海平面气压的模拟,而垂直分辨率的提高可以改善模式模拟的地面气温和低层环流。分辨率对中层大气环流的影响不是很敏感。不同积云对流参数化方案模拟的对流降水比率随水平分辨率的变化是不同的,Grell方案对流降水比例随分辨率的提高而增加,而Kain-Fritsch方案的结果相反。     

二维全球气候模式的发展——由对流层向平流层的扩展

采用Arakawa的σ-p混合坐标，将李维亮等人发展的一个二维全球原始方程模式由对流层扩展到平流层中层(10 hPa)。垂直分层采用等lnp方案。发展后的模式不仅在计算上具有很好的稳定性，而且能较好地模拟平均温度场、平均纬向风场和平均经向风场及其季节性变化。同时，在模式对流层之上加上平流层后改善了对流层上层环流的模拟。     

模式的水平分辨率和垂直坐标对GCM气候模拟的影响

文章着重介绍了近年来国外有关ＧＣＭ水平分辨率和垂直坐标影响谱模式模拟降水的某些结果。具体说明了使用不同水平分辨率的ＥＣＭＷＦＧＣＭ（Ｔ２１、Ｔ４２、Ｔ６３和Ｔ１０６）对中国季风降水的模拟情况；也对ＧＣＭ垂直方向分别使用混合σ－ｐ坐标和混合σ－θ坐标的降水模拟结果做了分析对比。     

分块地形坐标大气环流模式的动力框架及其整体性质

介绍了分块地形坐标大气环流模式的动力框架及该框架微、差分方程组的整体性质.目前该框架水平分辨率为4°× 5°,垂直分辨率有9层和21层两个版本.给出了该框架的控制方程组及其差分形式、边界条件、时间积分方案等.该框架的微、差分控制方程组均满足总质量守恒、平流项二次守恒、科里奥利力不作功和总有效能量守恒;且未引入虚假的源和汇,保持了该框架计算过程中的物理真实性.该模式框架在主流微机上能长时间稳定积分,并可作有关地形的数值试验.     

模式分辨率对台风“天鸽”（2017）模拟效果的影响

利用WRF模式,研究了模式水平和垂直网格分辨率对台风“天鸽”（2017）模拟的影响。结果表明:水平分辨率的改变会对台风路径造成一定的影响,这种影响与改变水平分辨率以后所引起的台风强度和结构的变化有关。使用更高的水平分辨率时模拟的台风强度往往更强。此外,改变垂直分辨率对台风的路径模拟也有一定的影响。采用双曲正切的垂直分层方法,提高垂直层数,模式大气的垂直分辨率都有增加,但是在低层和高层垂直分辨率的增加更大。低层和高层垂直分辨率增加,模拟的台风强度增强。模式的水平分辨率和垂直分辨率之间匹配才能比较好地模拟台风,双向嵌套模式在提高嵌套层数的同时也要增加模式的垂直分辨率。台风强度和结构变化密切相关,台风强度增强的重要原因是台风云墙随着分辨率的增加更加陡峭,垂直风速随着水平分辨率的提高逐渐增强。      

积云参数化和分辨率对MJO数值模拟的影响

用中国科学院大气物理研究所发展的一个大气环流模式,使用不同的积云参数化方案和分辨率进行了6个模拟试验,考察了积云参数化方案和模式分辨率对热带大气季节内振荡（MJO）模拟的影响。结果显示：积云参数化方案和分辨率都会影响MJO的模拟。但积云参数化方案决定了模式对MJO模拟的基本能力,决定了模拟的MJO的基本特征。分辨率的变化并不能使模拟的MJO发生本质的改变,分辨率的作用更多的是对MJO的模拟起一定的调制作用,而这种调制作用又受到积云参数化方案的制约。在改进积云参数化方案的基础上提高模式的分辨率会在某些方面改善MJO的模拟。但是分辨率的提高需要同时提高水平分辨率和垂直分辨率,单独提高水平分辨率会降低模式模拟MJO的能力,引入更多的小尺度的高频扰动。非绝热加热垂直廓线对模式模拟MJO有重要的影响,而非绝热加热廓线很大程度上取决于所使用的积云参数化方案。模式水平分辨率的变化不会对加热廓线的结构产生明显的影响,而垂直分辨率的变化会对加热廓线的垂直结构产生一定的调制作用,进而对模拟的MJO起到调制作用。     

地基微波辐射计资料的等值线自动绘制方法

利用美国国家大气研究中心（National Center for Atmospheric Research,NCAR）中尺度模式（WRF-ARW）以及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）三维变分同化系统GSI（Gridpoint StatisticalInterpolation）,对2005年6月20-21日发生在广东省中部的一场致洪暴雨进行了模拟。与雨量计观测的和卫星反演的降水混合资料相比,模式能够成功地模拟出降水的位置和强度。但数值模拟的效果很大程度上取决于3个条件：模式分辨率;物理过程方案;初始条件。在此次暴雨的模拟中,采用Eta Ferrier微物理方案、内层区域4km细分辨率与外层区域12km粗分辨率组成双层嵌套网格和卫星辐射资料同化的初始化方案是非常合适的。     

海洋环流模式对平流方案与分辨率的敏感性

文中将中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG)发展的准全球海洋环流模式(LICOM),从水平分辨率、垂直分辨率、平流方案3个方面分别采用不同的方案,进行组合试验,研究这些因素对于海洋环流(特别是热带海洋)的重要影响.8组试验表明,水平分辨率的提高,对于流场的改进有显著作用,能够使流场达到与实际非常接近的强度;调整的垂直分辨率,上层海洋的加密,能够使热带太平洋上层海洋的模拟改进;引入的两步保形平流方案,能够使得热带太平洋海温的模拟有所改进,这种改进的效果在低分辨率的情况下,尤为明显.同时,8组试验也一致地表现出等温线的密集程度比实际情况稀疏,这反映了模式在物理过程,特别是混合过程的描述方面,还有值得改进的地方.     

模式垂直分辨率对梅雨锋暴雨数值模拟的影响

利用中尺度数值模式MM5(V3),对2003年7月7日~8日发生在武汉地区的一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。采用经过简化处理的基于矢量模的双参数最优化处理方法,对模式大气进行了垂直分层。在水平分辨率不变的情况下,数值模式的垂直分层分别采用25层和36层进行了对比模拟试验。模拟结果表明,水平分辨率达到较高的精度后,粗的垂直分辨率会放大模式中地形的作用,造成数值模拟雨带落区的偏差;要得到比较好的模拟结果,需要相应的提高数值模式的垂直分辨率。水平分辨率与垂直分辨率的不协调,会在水平方向上产生虚假的重力波,影响数值模式的模拟结果。     

对流层与下平流层大气重力波的气候及差异特征研究——以太原为例

大气重力波对全球大气的动力、热力结构具有重要影响,研究重力波参数气候特征是研制全球大气模式中重力波参数化的一个重要环节,通过引入重力波的影响,有利于提高大气模式的预报能力。本文利用2014-2017年太原地区(112.55°E,37.78°N)高垂直分辨率探空资料,对其对流层(2～9 km)、下平流层(17～24 km)大气重力波参数的气候特征及其之间差异特征进行研究。结果表明:(1)在1-12月,相对于对流层,下平流层的平均重力波水平波长、周期、固有相速、能量上传百分比均偏大,垂直波长均偏小,但群速在2月、5-9月偏大,其他月份偏小;(2)对流层与下平流层之间的重力波参数偏差、绝对差较大,相关性弱;(3)对流层、下平流层的重力波参数及其之间的偏差,在不同区间范围内的占有率分布特征存在明显差异;通过研究太原地区上空对流层、下平流层大气重力波参数的气候及其之间差异特征,进一步补充了中国区域的大气重力波参数气候特征,有利于研制更适合中国区域数值预报模式的重力波参数化方案。     

BCC_AGCM2.1模式对平流层环流变化特征的数值模拟及其模式评估

使用国家气候中心大气环流模式BCC_AGCM2.1的30年模拟试验资料,对平流层纬向环流场、高空急流、极涡及爆发性增温过程进行了数值模拟研究,并使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国国家环境预报中心（NCEP）的再分析资料对模式输出结果进行了对比、分析。结果表明：（1） 在观测海温、二氧化碳、气溶胶等外强迫地驱动下,BCC模式能够很好地再现出与再分析资料一致的平流层纬向平均风场、温度场的分布特征和季节变化过程;模拟得到的温度廓线和高空急流与再分析资料的主要差别出现在南、北半球冬季的中高纬度地区;模拟得到的平流层温度普遍偏低,主要的差异位于对流层顶区域和平流层高层。（2） 模拟的对流层上层的副热带急流位置偏南、强度也偏弱,而平流层中的绕极极夜急流则位置偏北、强度更大。这样的急流分布特征使模拟的行星波向赤道的波导更强,向极的波导偏弱;同时由于模式中本身可以形成的行星波就比再分析资料弱,因此导致模拟结果中北半球冬季的平流层极涡更加稳定、极区温度更低。（3） BCC模式对于平流层极涡的季节变化特征模拟得较好,但对强极涡扰动过程,即北半球冬季的平流层爆发性增温（SSW）事件则模拟效果不佳,不论是增温事件出现的频率,还是增温的时间、强度,模拟结果和再分析资料都还存在一定偏差,需要在今后的工作中逐步改善。     

P—σ混合坐标原始方程模式的改进和试验

在五层Ｐ－σ混合坐标原始方程模式的基础上，改进成了一个九层Ｐ－σ混合坐标原始方程模式。模为１７×３９个格点，分辨率为５°×５°，其物理过程与五层模式相同。该模式性能稳定，用该模式对１９９４年冬的一次寒潮过程进行了模拟，温压场的主要特征符合实况。     

提高模式分辨率后热带气旋生成迟缓的原因分析

利用目前国际上最先进的中尺度WRF模式模拟热带气旋生成,网格分辨率从9 km增加到3 km,3 km网格中积云参数化方案不起作用,依靠微物理方案来模拟对流尺度系统特征,模式中热带气旋的生成过程变得迟缓。当低压扰动发展到一定程度后再加入3 km网格,生成过程有加快趋势。本研究针对该现象进行分析。结果表明:只用微物理方案使低层(950～700 hPa)风速的垂直切变减小,不利于对流发展;切变减小主要是由于动量垂直输送项的差异所致。在加入细网格的6 h内,低层对流尺度(减去区域平均)的动量垂直输送量平均增加了一倍,某些时刻达到了5倍以上;动量混合增加是由于微物理方案模拟的垂直速度增加所致。此外,只用微物理方案导致对流有效位能迅速被消耗。低层垂直切变和对流有效位能的减小都不利于对流发展,从而导致热带气旋生成发展过程迟缓。本研究表明,目前WRF中的微物理方案在模拟热带气旋生成过程中的对流发展时仍然存在问题。