WRF模式对夏季黑河流域气温和降水的模拟及检验北大核心CSCD

利用NCEP/DOE再分析资料驱动中尺度区域模式WRF对1999 2008年夏季(6 8月)黑河流域及周边地区气温和降水进行了模拟,并检验了区域气候模式在山区复杂地形条件下的模拟性能,客观评估了复杂地形条件下气候模拟的性能。气温和降水空间分布的对比分析表明,高分辨率WRF模式较粗分辨率的再分析资料能更精细地模拟出复杂地形条件下山区气温和降水的分布特征,充分体现了高海拔山区复杂地形对气温和降水空间分布的影响。通过BSS指标对气温、降水模拟的定量评估表明,在复杂地形条件下,WRF模式可以在几乎所有观测站点提高气温模拟的准确性,也可以为复杂山区没有观测站点地区气温的空间分布和量值提供数据支持。对降水量模拟的准确性低于气温模拟,半数的站点模拟值较再分析资料更接近观测值,位于祁连山东南侧站点降水量模拟值偏大,可能与WRF模式中地形对水汽输送的抬升作用有关,也可能与观测站点对该区域的代表性有关。     

WRF模式对夏季黑河流域气温和降水的模拟及检验

利用NCEP/DOE再分析资料驱动中尺度区域模式WRF对1999 2008年夏季(6 8月)黑河流域及周边地区气温和降水进行了模拟,并检验了区域气候模式在山区复杂地形条件下的模拟性能,客观评估了复杂地形条件下气候模拟的性能。气温和降水空间分布的对比分析表明,高分辨率WRF模式较粗分辨率的再分析资料能更精细地模拟出复杂地形条件下山区气温和降水的分布特征,充分体现了高海拔山区复杂地形对气温和降水空间分布的影响。通过BSS指标对气温、降水模拟的定量评估表明,在复杂地形条件下,WRF模式可以在几乎所有观测站点提高气温模拟的准确性,也可以为复杂山区没有观测站点地区气温的空间分布和量值提供数据支持。对降水量模拟的准确性低于气温模拟,半数的站点模拟值较再分析资料更接近观测值,位于祁连山东南侧站点降水量模拟值偏大,可能与WRF模式中地形对水汽输送的抬升作用有关,也可能与观测站点对该区域的代表性有关。     

2003年夏季长江三角洲甚高分辨率区域气候模拟

利用区域气候模式WRF对2003年夏季长江三角洲极端区域气候进行高分辨率模拟,通过与站点观测降水、TRMM反演降水的对比分析表明,模式较合理地模拟出2003年夏季长江三角洲降水的主要特征,模拟的夏季各月平均降水量和强降水中心位置及降水强度都与实况较接近;模拟和观测的江淮流域、长江流域及浙江南部的区域平均逐日降水序列的相关系数较高;模拟出小雨、中雨和暴雨三类不同等级的降水概率特征,对暴雨概率分布的模拟结果最好;还模拟出长江三角洲梅雨期的多次中尺度强暴雨事件,模拟的暴雨发生时间和发生区域及雨带南移、北跳与实况都很接近,但降水量略有偏差。模式合理模拟出2003年夏季高温天气较多以及受多次强降水冷却效应引起长江以南、以北地区温差较大的区域气候特征,模拟的最低、最高气温的空间分布及极大值中心与观测都较接近,最低气温模拟结果更好;还非常好地模拟出了区域平均的逐日最高、最低气温的时间演变特征,比降水更接近观测,并具有更高的时间相关系数。      

云南小时降水的时空分布变化研究

利用2005—2018年125个国家级台站小时降水观测数据研究云南小时降水时空分布特征。结果表明:云南年总降水量、不同持续时间降水量、极端强降水量及降水日变化空间分布差异很大。年降水量自西北向南增加,雨强自北向南增强,降水时长西部大于东部、南部略大于北部,年降水量受降水时长和雨强共同影响,降水时长影响最强,雨强影响较弱,这种特征在滇西北最突出,但滇东北的降水量与雨强相关更好。云南大部夜雨量多于昼雨量,滇东北和北部边缘夜雨特征最显著;降水日变化特征在云南北部为夜间单峰,西部边缘为清晨单峰,中部为夜间与午后峰值相当的双峰,南部也为夜间和午后双峰,但南部不同区域间主峰和次峰出现时间不同。云南南部降水贡献以短、中历时降水为主,北部则以长、超长历时降水为主。云南短时强降水发生次数的空间分布表现为自西北向东南增加;年发生站次数具有增加趋势,日变化特征为显著单峰,多在傍晚至入夜出现,且极端短时强降水更易在凌晨出现。这些小时降水时空分布特征很大程度上代表了低纬高原地区的降水特征。由于低值天气系统多影响低纬高原中北部,热带天气系统多影响南部,且低纬高原地形复杂,局地热力条件差异明显,这些因素造成该区域小时降水时空分布特征差异显著。     

青藏高原夏季降水日变化特征分析

利用2008—2014年逐小时空间分辨率为0.1°的全国自动站观测降水资料和CMORPH卫星反演降水融合资料,研究了青藏高原(下称高原)夏季降水日变化特征,并探讨了不同持续时间和等级降水对降水量日变化的影响。结果表明,整个高原地区夏季降水量和降水频率的日变化表现出明显的凌晨和傍晚的双峰结构,而降水强度的双峰结构却不太明显。进一步对各分区降水日变化特征的分析发现,高原中西部降水日变化特征与整个高原地区的一致,而高原北部(东部)地区降水量和频率的日峰值出现在傍晚(午夜-凌晨)。降水持续时间对降水量日变化有显著的影响,高原夏季降水量日变化的双峰特征是由短时(1~3 h)和长持续性(6 h以上)降水共同作用造成的,午夜-凌晨(傍晚)的降水日峰值主要是由于长持续性(短时)降水所引起。分析不同等级降水量日变化特征发现,高原北部地区小-大雨(暴雨)的降水量日峰值基本出现在下午(午夜),而高原中西部不同等级降水量的日变化基本都呈现出傍晚和午夜-凌晨的双峰结构,高原东部地区不同等级降水量的日变化形式较一致,日峰值出现在午夜-凌晨。     

夏季青藏高原地区水汽收支的初步模拟分析

采用中尺度模式WRF对夏季青藏高原地区降水进行了长达37天的积云可分辨模拟试验,在模式较好再现了夏季青藏高原降水的空间分布和日变化特征的基础上,利用高时空分辨率模拟结果进行了该地区水汽收支分析。结果表明:夏季青藏高原的降水主要来自水汽的辐合,辐合集中在低层,与青藏高原南部的夜间低空急流密切相关,具有显著的日变化特征;水汽收支方程中的垂直输送项起着将水汽从低层向中高层输送的重要作用,水汽局部变化项则很小,可以忽略;夏季青藏高原的蒸发主要集中在正午前后的6 h内,且蒸发量约为降水量的1/2,表明区域水汽再循环的重要性。     

基于TRMM卫星探测的夏季青藏高原降水和潜热分析

青藏高原对东亚大气环流、气候变化及灾害性天气的形成和发展都有重要的影响。本文利用热带测雨卫星（TRMM）探测结果、GPCP降水资料,研究了夏季青藏高原降水和潜热特点。GPCP资料分析结果表明,夏季青藏高原降水主要集中在它的东南部,7月和8月雅鲁藏布河谷及其以东的横断山脉地区降水显著,平均最大雨强达7mm／h;而TRMM测雨雷达（PR）探测结果指出念青唐古拉山北侧存在一降水大值区,强度近3mm／h;GPCP给出的地表降水率较TRMM测雨雷达探测结果高出一倍以上;夏季高原西部的平均降水率小于4mm／h（GPCP）／2mm／h（TRMM PR）。TRMMPR探测的统计结果分析表明,高原降水云“雨顶”（Storm Top）较周边地区高出2km～4km,如同“塔”状分布。研究结果还指出因地表海拔高,TRMM PR的降水类型分类方法不适用于青藏高原地区;根据降水廓线的特征,文中定义了青藏高原三种降水类型：深厚强对流、深厚降水和浅薄对流,并通过标准化廓线方法,指出了不同类型降水廓线之间的差异及其与周边地区降水廓线的差异。文中还给出了高原夏季总潜热分布及平均廓线,指出了高原潜热平均廓线与周边地区的差异;研究结果表明夏季高原降水具有强烈的日变化,降水峰值出现在午后地方时16点左右,这些降水多以零散块状水平分布,而在垂直剖面上呈“馒头”状分布。统计结果还发现青藏高原上对流活动较周边地区活跃,高耸的对流活动所形成的“云塔”如同“天梯”,使得低层大气中的高水汽含量和低臭氧含量空气向高空输送,进而造成对流层上部和平流层低层水汽大值区和臭氧低值区。     

基于动力降尺度方法预估的青藏高原降水变化

当前的全球气候模式分辨率较低,难以合理再现青藏高原降水的时空分布特征,动力降尺度方法成为一种有效的手段。本文利用全球气候模式CCSM4的输出结果驱动区域气候模式WRF进行动力降尺度模拟,评估了动力降尺度对青藏高原湿季总降水率和对流降水比例的模拟能力,对比了CCSM4和WRF模式预估的青藏高原湿季总降水、层云降水和对流降水变化差异。结果表明,相比于驱动数据,动力降尺度模拟能更好地再现1998-2005年青藏高原湿季总降水率和对流降水比例空间分布及随海拔分布的特征;WRF模式预估的高原未来(2070-2099年)湿季总降水增加,但空间上呈"北增南减"的变化特征,对流降水的增加导致高原北部总降水增加,而层云降水的减少导致高原南部总降水减少。整体而言,对流降水的增加大于层云降水的减少,且主要发生在海拔4000 m以下。     

重庆地区卫星及再分析降水资料评估

利用1998-2012年重庆市34个站点逐时降水观测资料,分析了重庆地区高时空分辨率卫星产品(Tropical Rainfall Measuring Mission,TRMM;Climate Prediction Center morphing technique,CMORPH)和再分析资料(ECMWF Re-Analysis Interim,ERAIN;Modern-Era Retrospective Analysis for Research and Applications,MERRA;Climate Forecast System Reanalysis,CFSR;Japanese 55-year Reanalysis,JRA55)的可靠性,并进一步对卫星和再分析资料降水日变化的准确性进行了评估。结果表明,再分析数据总体上高估了重庆的日降水量。在重庆西南和东南部,TRMM比较接近观测数据。CMORPH在东北部表现最好,低估了其他地区的降水量。就降水量而言,卫星资料的结果好于再分析资料。对于日平均降水强度和降水频率,卫星资料的分布形态与观测资料差异较大,再分析资料与观测则较为一致。观测资料中降水峰值多出现在午夜,沿着西南至东北方向有滞后现象。卫星资料各降水要素(PA,PI和PF)也表现出由西南至东北方向峰值时间滞后的现象。对于不同地形特征上的降水日变化,卫星和再分析资料的表现有明显差距,尤其是在夏季山地地区,再分析资料高估了12:00-17:00(北京时)的降水。     

TRMM和CMORPH卫星资料对三峡库区降水的评估分析

利用1998—2016年TRMM和CMORPH两种遥感卫星资料降水和同期三峡库区气象观测站数据,通过比较干、支流和远、近库区气象站点的降水变化和蓄水前后降水量、雨日、降水强度和频率等变化特征,分析评估了基于两种卫星遥感降水和测站降水的三峡库区局地降水变化。结果表明:库区TRMM和CMORPH卫星降水年际变化特征总体上与气象观测站相符,反演效果在日尺度TRMM略逊于CMORPH,在季尺度CMORPH略逊于TRMM;两种卫星资料对冬季降水反演效果都偏弱。三峡库区干流和支流站点的降水变化总体一致,干、支流各站点降水量均具有较强的年际变化特征。TRMM相比CMORPH更能重现干、支流测站降水的年际变化特征,CMORPH降水年际波动振幅总体上比测站偏大。蓄水前后时段(1998—2003年与2004—2016年)对比,从不同等级降水的强度和雨日、季节降水频率和总量等变化反演效果来看,CMORPH资料分布相比TRMM更接近测站的变化趋势,反演效果略优于TRMM;但两种卫星资料的降水频率和降水量分布与测站的误差在蓄水前后变化都不明显。此外,气象测站、TRMM、CMORPH资料都表现出蓄水后三峡远、近库区年降水量的比值呈平稳波动状态,表明三峡水库蓄水后附近地区降水没有明显变化。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。     

1991-2020年新疆降水的时空变化特征

利用新疆35个观测站1991—2020年逐日降水量资料,采用降水变差系数、线性趋势分析、Morlet小波分析等方法研究了新疆天山南、北坡与山区的降水时空变化特征。结果表明:新疆降水量空间分布差异大,从北向南减少的梯度明显且西部多于东部。夏季降水量占全年降水量45%,山区降水量相对稳定,北坡降水四季分布更均衡,南坡降水量主要在夏、春两季。近30年降水量总体呈显著增加趋势,而且秋季降水量增加更明显,降水量具有准10和准20年的周期。     

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。     

WRF模式对江西2006—2015年夏季气候模拟的性能分析

基于NCEP/FNL再分析资料,利用中尺度天气预报模式（WRF）对2006—2015年1月1日—8月31日的天气形势进行模拟,分析探讨了模式对江西省夏季(6—8月)气温和降水的模拟能力。结果表明：WRF模式能准确模拟出江西省气温和降水的空间分布气候特征,模拟结果与中国区域高时空分辨率地面气象要素驱动数据集（CMFD）接近。其中,降水的模拟精度低于气温模拟;模拟的气温在鄱阳湖地区出现低值,与CMFD的偏差最大。WRF模式模拟的地面反照率偏大导致气温模拟结果偏低。     

CMIP5气候模式对东亚地区对流和层云降水量和降水发生频率的模拟评估

利用融合降水数据和TRMM卫星3A25月平均降水数据,评估了参与第五次耦合模式比较计划(CMIP5)的19个海气耦合模式模拟的东亚地区降水总量、对流和层云降水量和降水发生频率的结果。结果表明:(1)各模式都能较好地模拟东亚地区降水的气候态,高分辨率和中等分辨率模式能够模拟出喜马拉雅山南坡、中国南方以及洋面上的强降水中心,但低分辨率模式模拟结果较差;各模式对秋季和冬季降水量模拟结果较好,与观测值的空间平均相关系数均0.7,而春季和夏季的模拟结果相对较差,相关系数分别为0.50和0.61。(2)TRMM卫星数据表明,对流降水中心主要分布在菲律宾岛、孟加拉湾和青藏高原南部,而层云降水中心主要分布在青藏高原南部、长江下游地区、中国东海以及孟加拉湾。对于二者的模拟,对流降水的模拟较好,层云降水的模拟存在热带地区降水量偏小的问题,高、中分辨率模式的模拟能力要高于低分辨模式。(3)对于东亚地区总降水发生频率的模拟,有13个模式模拟的降水频率60%;对于不同降水强度发生频率的模拟,强度在0.001~1 mm·h-1之间绝大多数模式模拟的发生频率最高,而超过1.0 mm·h-1的降水事件都相当少;(4)对于层云降水发生频率的模拟,高、中分辨率模式的结果与多模式平均结果更为接近,但对于对流降水,高分辨率模式和中等分辨率模式模拟能力并没有明显优于低分辨模式。总体而言,高、中分辨率模式对于东亚地区降水模拟效果更好,因而提高模式水平分辨率成为改善气候模式模拟东亚地区降水能力的重要途径。     

长江三角洲城市群对夏季日降水特征

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,探讨了长江三角洲地区城市化对夏季日降水特征的影响。结果表明,WRF模式能较好地再现长三角地区2003—2007年夏季降水的空间分布, 比较成功地模拟出了降水中心的位置及强度。城市化使得长三角地区夏季降水日数减少了1～5 d,这种降水日数的减少主要是由于城市化使小雨日数减少引起。城市化增强了长三角大部分地区的日降水强度。进一步对长三角地区4个典型城市群宁镇扬、苏锡常、上海和杭州湾城市群进行了夏季降水日变化分析,得出城市化对降水日变化的影响存在一定的区域差异。对于长三角整个大城市群,城市化对降水量、降水强度日峰值出现时刻以及降水强度日峰值大小无明显影响,而使得降水量日峰值减少。城市化使得苏锡常地区降水量日峰值略有增加,宁镇扬和上海地区降水量日峰值都减小,而杭州湾城市群区降水量日峰值出现时刻延后。城市化使得4个典型城市群降水强度日变化曲线形态发生改变,使得上海地区降水强度日峰值出现时刻延后,使得杭州湾城市群区夜雨增强。     

长江三角洲城市群对夏季日降水特征影响的模拟研究

利用耦合了单层城市冠层模型UCM的中尺度模式WRF,探讨了长江三角洲地区城市化对夏季日降水特征的影响。结果表明,WRF模式能较好地再现长三角地区2003—2007年夏季降水的空间分布,比较成功地模拟出了降水中心的位置及强度。城市化使得长三角地区夏季降水日数减少了1～5 d,这种降水日数的减少主要是由于城市化使小雨日数减少引起。城市化增强了长三角大部分地区的日降水强度。进一步对长三角地区4个典型城市群宁镇扬、苏锡常、上海和杭州湾城市群进行了夏季降水日变化分析,得出城市化对降水日变化的影响存在一定的区域差异。对于长三角整个大城市群,城市化对降水量、降水强度日峰值出现时刻以及降水强度日峰值大小无明显影响,而使得降水量日峰值减少。城市化使得苏锡常地区降水量日峰值略有增加,宁镇扬和上海地区降水量日峰值都减小,而杭州湾城市群区降水量日峰值出现时刻延后。城市化使得4个典型城市群降水强度日变化曲线形态发生改变,使得上海地区降水强度日峰值出现时刻延后,使得杭州湾城市群区夜雨增强。     

华北地区夏季降水模拟研究:区域气候模式性能评估

利用高分辨率区域气候模式Reg CM3对华北地区1991—2002年夏季气候进行了数值模拟,对照中国台站的实测资料,对模拟的华北地区夏季降水、温度进行了较为全面的比较,以检验模式的模拟性能。对平均场的模拟结果检验认为,该区域气候模式对华北地区夏季降水的空间分布模拟存在一定的误差,河套地区及黄河以南地区降水量接近实况,沿着太行山脉及东部沿海地区降水量明显偏多。模式对温度的模拟误差较小,较好地再现了气温的空间分布特征,但山西及以北地区模拟的温度略偏低。模式能够较好地模拟出华北地区夏季降水和气温的年际变化,成功再现了该区域降水和气温的异常变化。模式能够成功模拟出该区域降水和气温日变化特征,特别是对于逐年夏季的降水日变化过程的峰值和谷值均有成功表现,对于典型年份华北地区较强降水过程中降水发生的时间、落区、强度等也有再现能力,不足的是模拟的降水量比观测偏大。对于模式误差是否与地形或模式积云对流参数化方案等有关,需要进一步探讨。     

一次高原切变线过程的数值模拟与阶段性结构特征北大核心CSCD

利用非静力中尺度数值模式WRF并结合NCEP-FNL分析资料、常规气象观测资料、FY-2F卫星TBB数据以及CM ORPH降水资料,对2014年6月29日至7月1日的一次高原横切变线过程进行了数值模拟并分析了其演变过程中降水、热力、水汽和动力的结构特征。结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次高原切变线过程的降水量和落区。在高原切变线活动期间,不同阶段结构特征存在明显差异。切变线附近通常对应TBB<-20℃的云区;随着切变线的发展,TBB值降低,在云区内有多个TBB<-60℃的对流活动中心,对应主要降水期;在切变线减弱阶段,TBB值升高,降水趋于结束。高原切变线存在"南暖北冷"的热力结构,在切变线发展维持阶段呈现高层稳定、低层不稳定的垂直分布特征;高原切变线也是水汽的聚集带,水汽通量散度的转变对高原切变线的发展具有一定指示作用。在切变线初生阶段和维持、发展阶段,垂直方向上存在正涡度中心和辐合中心,呈现对流层低层正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构;气旋式切变有利于高原切变线上正涡度的维持;散度场上的低层辐合、高层辐散的结构特征有利于切变线上垂直上升运动的发展;高原切变线上的辐合带先于正涡度带开始减弱、消失是高原切变线减弱的一种特征信号。     

一次高原切变线过程的数值模拟与阶段性结构特征

利用非静力中尺度数值模式WRF并结合NCEP-FNL分析资料、常规气象观测资料、FY-2F卫星TBB数据以及CM ORPH降水资料,对2014年6月29日至7月1日的一次高原横切变线过程进行了数值模拟并分析了其演变过程中降水、热力、水汽和动力的结构特征。结果表明,WRF模式较成功地模拟了此次高原切变线过程的降水量和落区。在高原切变线活动期间,不同阶段结构特征存在明显差异。切变线附近通常对应TBB-20℃的云区;随着切变线的发展,TBB值降低,在云区内有多个TBB-60℃的对流活动中心,对应主要降水期;在切变线减弱阶段,TBB值升高,降水趋于结束。高原切变线存在"南暖北冷"的热力结构,在切变线发展维持阶段呈现高层稳定、低层不稳定的垂直分布特征;高原切变线也是水汽的聚集带,水汽通量散度的转变对高原切变线的发展具有一定指示作用。在切变线初生阶段和维持、发展阶段,垂直方向上存在正涡度中心和辐合中心,呈现对流层低层正涡度和高位涡中心相耦合的动力结构;气旋式切变有利于高原切变线上正涡度的维持;散度场上的低层辐合、高层辐散的结构特征有利于切变线上垂直上升运动的发展;高原切变线上的辐合带先于正涡度带开始减弱、消失是高原切变线减弱的一种特征信号。