次网格地形坡度坡向参数化及其对区域气候模拟的影响

随着数值模式水平分辨率的提高，模式下垫面特征的描述更加仔细，针对东亚地区复杂的地形和植被特征，发展适合非均匀下垫面的地表通量参数化方案，对改进数值模式和刻画高原附近地区复杂地形动力和热力。效应的能力非常必要。本文通过计算次网格地形坡度、坡向参数及其对到达地面短波辐射通量的影响，提出次网格地形热力效应的参数化方案，改进数值模式中复杂地形区域地面热量平衡的计算。利用p—σ区域气候模式的数值试验结果表明，次网格地形热力效应参数化方案的引入，对东亚地区夏季气候尤其是降水的模拟有明显的改进。     

采用次网格地形方案对白鹤滩水电站坝区一次大风天气的数值模拟

基于中尺度气象模式,采用次网格地形方案模拟了2019年3月19~20日四川、云南交界处白鹤滩水电站的一次大风过程,对10 m风速、风向和2 m温度空间分布及日变化的模拟结果进行检验评估,并结合地形分析了坝区易产生大风的原因。结果表明：此次西南大风天气是由高低空一致的西南气流配合地面“东高西低”的环流形势共同造成的。午后热低压发展强盛,地面风速增大,坝区出现8级大风。采用次网格地形方案后,风速的平均绝对误差和均方根误差最高可分别减小17%和14%,同时该方案有效地缓解了模式对白天风速的低估和夜间风速的高估,在大风和小风时段均对风速有较好的模拟能力,从而能更好地刻画风速的日变化特征。综合来看,次网格地形方案能显著改善风场的模拟效果,其中Jiménez方案更适用于坝区大风的模拟,但次网格地形方案对温度模拟没有改善作用。白鹤滩水电站的大风受局地地形影响极大,南北向狭长河谷地形产生的狭管效应使气流增速显著,坝区主体高度区河谷风的放大系数超过3.0,使得白鹤滩水电站极易出现灾害性大风天气。     

次网格地形动力效应参数化及其对降水模拟效果的影响

地形对气流的动力抬升作用是地形降水的重要产生机制之一, 为了在模式中考虑地形对气流的动力抬升作用, 改进模式对复杂地形区域的降水模拟效果, 本文提出了一个次网格地形动力效应参数化方案.在模式中首先利用高分辨率的地形高度资料计算出次网格格点处的地形坡度、坡向, 这些微观地形参数可以较为精细地描述次网格尺度地形信息;然后再根据地面气压与地形对气流动力抬升作用的关系, 对地面气压倾向进行次网格修正;最后利用 p-σ区域气候模式进行了三个数值试验, 检验该方案对模式模拟降水能力的影响.结果表明, 次网格地形动力效应参数化方案的引入, 对中国区域的降水模拟有明显改进, 尤其对冬、春季的降水模拟, 无论是分布范围还是中心最大强度都与实况比较接近.     

WRF模式不同地形平滑方案对降水预报的影响

基于重庆市气象局中尺度数值预报业务系统,开展不同地形平滑方案对模式降水预报的影响研究,详细对比WRF模式中不使用地形平滑方案以及使用s-d-s和1-2-1两种平滑方案生成的静态地形高度场的差异,开展不同地形平滑方案批量平行试验并选取典型强降水个例进行对比分析,结果表明:不同地形平滑方案生成的静态地形高度场之间有明显的差异,特别是在地形较为陡峭的高原和山脉等地区,最大绝对偏差可达462.56m;s-d-s和1-2-1两种地形平滑方案主要平滑掉了模式地形中较小尺度的地形特征,且总体而言1-2-1方案的平滑效果比s-d-s方案明显。连续一个月批量平行试验降水预报检验结果表明,进行模式地形平滑对大雨及以上量级降水预报有正面影响,且使用1-2-1平滑方案的预报结果优于使用s-d-s平滑方案的预报结果;降水个例对比分析结果表明:采用不同的地形平滑方案会造成垂直速度和水汽通量散度预报的明显差异,这样的明显差异会进而影响强降水预报的落区和强度。     

复杂地形地区WRF模式四种边界层参数化方案的评估

为更加精确地模拟复杂地形地区大气边界层中气象要素,将NASA发布的SRTM3(约90 m分辨率)地形高度数据引入中尺度气象模式WRF(weather research and forecasting)中,结合四种边界层参数化方案(YSU、ACM2、MYN 2.5 level TKE(简称MYN)、Bougeault and Lacarrere TKE(简称BL))及模式自带地形数据GTOPO30(约1 km分辨率),模拟了2008年4月24－25日安徽黄山及周边地区大气边界层气象要素场变化特征,并对模式输出的2m气温、2m露点温度、10 m风速、湿度廓线与模拟区域内19个气象站及2个探空站数据进行比较.结果表明,无论采用哪种地形数据,四种边界层参数化方案中,YSU方案模拟的2m气温误差最小,ACM2方案模拟的2m露点温度和10m风速误差最小;采用SRTM3数据后,四种边界层参数化方案模拟的2 m气温平均均方根误差(root mean squared error,RMSE)分别降低了3.79％(YSU方案)、2.48％(ACM2方案)、3.8％(MYN方案)、0.87％(BL方案);对2 m露点温度模拟,除MYN方案模拟平均RMSE降低了0.59％外,其他三种方案模拟误差分别增加了1.39％(YSU方案)、0.49％(BL方案)、0.89％(ACM2方案);而对10m风速的模拟结果,除ACM2方案模拟平均RMSE降低了2.28％外,其他三种方案模拟误差分别增加了0.22％(YSU方案)、2.32％(MYN方案)、2.45％(BL方案);对2个探空站点湿度廓线的模拟显示,各边界层方案均能模拟出水汽的垂直变化趋势,但模拟效果总体表现为偏湿,采用SRTM3地形数据之后,ACM2方案模拟部分时刻的低层水汽廓线有所改善.     

复杂地形上气象场对空气质量数值模拟 结果影响的研究

利用WRF模式三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)产生的气象场分别驱动多尺度空气质量模式CMAQ,对兰州市西固区冬季2005年1月27日至2月2日期间SO₂和NO₂浓度进行了数值模拟,将模拟结果与同期监测的污染物浓度进行对比分析,结果表明:WRF模式不同边界层参数化方案模拟输出的气象场驱动CMAQ模式所模拟的SO₂和NO₂浓度均可以反映出污染物的时空变化特征,CMAQ模式具有模拟复杂下垫面高分辨率污染物输送特征的能力;WRF模式的边界层参数化方案选为局地与非局地闭合方案(ACM2)时,模拟的气象场驱动CMAQ模式得到的空气污染物浓度分布特征最优,这主要是由于ACM2的湍流输送机制较为合理,模拟的边界层低层气象场更接近实际,从而可以较好地模拟污染物的输送特征;当CMAQ模式的垂直混合方案与WRF模式的湍流输送方案一致时(均采用ACM2方案),模式间的兼容性好.     

WRF微物理方案对四川一次强降水模拟的影响

云物理过程是中尺度数值模式中最重要的非绝热加热物理过程之一,成云降雨过程发生以后通过感热、潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流,并在决定大气温度、湿度场的垂直结构中起着关键作用,也是人们最为关心的降水预报的关键所在。因此在中尺度数值天气预报模式当中,更加准确的描述云物理过程将能够很大程度上提高模式预报降水能力。本文利用WRF模式,对2010年7月14~18日四川一次强降水过程进行了3组数值模拟实验,每组实验采用了不同的微物理参数化方案。方案的选取上主要采用了WRF模式3.0版本后加入的几种新方案,包括(1) WDM6方案(2) New Thompson方案(3) SBU-YLIN方案,在其他参数设置均相同的情况下,首先详细分析了在整个降水过程的各个阶段,3种方案下模式模拟结果与实况的差异,以及3种方案结果之间的差异。认为在降水初期,WDM6方案的模拟结果对比实况来看盆地东部降水中心偏南,而New Thompson方案和SBU-YLin方案模拟的雅安地区降水中心强度和范围都过大,但对于盆地东部的降水中心模拟较好,New Thompson方案对广元地区的降水模拟较实况偏弱。总体看来,New Thompson方案和SBU-YLin效果相当,WDM6略差。在大范围降水产生的时期,3种方案模拟的效果与实况都非常接近,只是各方案对乐山宜宾一线雨带的模拟都有不同程度的加强,使得这一线成了整个区域的最强的中心,其中SBU-YLin方案加强最大,New Thompson方案次之,而实际过程中这一时期最强中心还是在川东北一带。WDM6方案模拟降水强度与实况最为接近,但中心偏东。其中7月16日18时~17日06时是各方案模拟效果最好的一个时段。3种方案给出的的模拟结果相差并不大,较难得出哪种方案的结果最好的结论,但可以初步看出,对于本次降水量级的模拟来讲,WDM6方案模拟降水的量级较好,较少出现模拟过强的现象,而SBU-YLin方案通常模拟的降水中心强度都要大过实际;从降水落区上来看,SBU-YLin方案的表现较好,WDM6方案则有一定偏差。在这两方面New Thompson方案都介于以上两方案之间。最后初步分析了各方案模拟所得的水相参量,主要包括水汽、云水、云冰、雨、雪和霰粒子的混合比,认为造成各方案之间降水差异的原因,主要是各方案处理云水粒子的差别造成。     

中国西部陆面过程次网格地形参数化的改进对区域气温和降水模拟的影响研究

地表作为大气模块的下垫面,为大气模块提供边界条件,地形对于模式结果的准确性起到至关重要的作用。现有的陆面过程模式在陆面同一网格内的次网格单元采用相同的大气强迫量,没有考虑次网格地形对网格内大气强迫量的影响,这关系到模式对气象要素和陆气交换量的模拟水平。本文在陆面模式NOAH处理次网格单元的同时,将输入的大气强迫量根据其与地形高度的关系进行修订,提出新的次网格地形的参数化方案,并引入到WRF（Weather Research and Forecasting）模式中进行数值试验,通过3组数值模拟试验,与未改进的方案和细网格方案分析比较,探讨新参数化方案对WRF 模式模拟结果的影响。结果表明:地形越复杂区域,次网格地形的影响越大。本文引入的新陆面次网格地形方案对天山山脉和昆仑山脉以及青藏高原南部的地表气温的模拟有较大改善,模拟的地表气温在大范围区域内都更贴近细网格方案。虽然新陆面次网格地形方案和细网格试验都对温度的模拟结果都有改善,但新陆面次网格地形方案对降水的模拟改善甚微,而细网格试验对降水模拟却有改进,这是由于细网格试验在陆面和大气网格都进行了细化,而新陆面次网格地形方案只考虑了陆面次网格的影响。具体来说,新陆面次网格地形方案对温度的模拟结果改进是通过改变地表向上长波和地表感热实现的。而细网格试验由于同时细化了大气和陆面的空间网格,对降水和温模拟的改进是通过综合改变地表能量平衡实现的。     

区域复杂地形大气污染扩散的模拟研究

围绕复杂地形区域尺度大气污染物的扩散问题,以贵州西部山区"西电东送"大型火电厂六枝电厂所在区域为例,采用局部嵌套的高分辨率复杂地形大气扩散模式系统,模拟了该区域大气边界层气象场和污染物散布的浓度场,给出二级空气质量标准下各级保证率的小时平均和日均浓度分布,进而得出其年均浓度分布,分析其时空分布及变化特征,研究了山区复杂地形上大气污染物的扩散特性和散布规律。     

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS（MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer）土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。     

多元回归法在复杂地形风资源微尺度模拟中的应用

随着风电事业的发展,复杂地形下的风资源模拟成为一项重要的课题。利用广东沿海某海岛南部9个测风塔共22个测风高度的完整一年的测风资料及该海岛高分辨率的数字地形资料,采用地理空间因子的多元回归法进行风资源的微尺度模拟并与WASP软件的计算结果进行了比较。结果表明：（1）年平均风速与地理空间因子存在显著的相关关系;（2）模拟的年平均风速平均相对误差为3.2%,年平均风功率密度的平均相对误差为3.5%;（3）经假设检验,对无测站的地点的年平均风速模拟效果良好;（4）该方法和WASP软件计算的风资源大值区分布基本一致。     

不同参数化方案对风预报效果影响个例研究

中尺度气象模式对风场的预报效果与参数化方案的适应性紧密相关.以内蒙古高原丘陵地形、江苏平缓的海陆交界地形2种典型下垫面试验风电场为模拟区域,分别用WRFV3.2 （Weather Research and Forecast Model）模式自带的6种物理过程参数化组合方案预报了2010年1月和7月两个风电场区域的风速和风向,对比分析了参数化组合方案差异对风场预报的影响.结果表明：①内蒙古试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;微物理方案WSM3在夏季的风速预报能力优于WSM6,而冬季相反;复杂地形区域的风场预报需考虑陆面过程参数化方案,尤其是夏季降水发生后,陆面过程对于边界层结构的影响增大,选用Noah优于无陆面过程.②江苏试验区,边界层MRF方案描述的边界层结构较MYJ方案合理;1月陆面过程RUC方案优于陆面热量扩散和Noah;7月陆面热量扩散方案优于RUC和Noah.③风向预报6个方案的预报风向统计与实际记录风向统计有较好的一致性,风向概率分布相似,盛行风向一致且稳定.     

区域气候模式不同积云对流参数化方案对新疆气候模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中7种积云对流参数化方案对新疆地区进行2006年10月1日至2008年3月1日的模拟积分试验,重点考察模式在水平分辨率为10 km下不同积云对流参数化方案对新疆地区气象要素模拟的敏感性。结果表明:1）采用7种积云对流参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量、平均温度的空间分布及大气的垂直结构。2）对于不同区域来说,采用各种积云对流参数化方案的模式都能模拟出候降水及候平均温度随时间演变,模式候降水与观测的相关系数在0.20~0.85之间,而候平均温度与观测的相关系数在0.98以上。对于整个新疆地区来说,采用各方案模式模拟的低层偏干偏冷,大气层结较稳定导致降水较观测偏少,而其中天山地区模式模拟的低层较观测偏湿偏暖,大气层结偏向不稳定导致降水偏多。3）采用新的Grell和Kain-Fritsch（new Eta）方案模式模拟的效果综合来看较好。因此利用WRF模式开展新疆地区数值模拟研究时应该考虑不同积云对流参数化方案适用范围。     

Impact of Horizontal Resolution and Cumulus Parameterization Scheme on the Simulation of Heavy Rainfall Events over the Korean Peninsula

In this paper, we present the results from high-resolution numerical simulations of three heavy rainfall events over the Korean Peninsula. The numerical results show that the prediction accuracy for heavy rainfall events improved as horizontal resolution increased. The fine-grid precipitation fields were much closer to the real precipitation fields in the case of large synoptic forcing over the Korean Peninsula. In the case of large convective available potential energy and weak synoptic forcing, it seems that even when using a high resolution, the models still showed poor performance in reproducing the observed high precipitation amounts. However, activation of the cumulus parameterization scheme in the intermediate resolution of 9 km, even at a grid spacing of 3 km, had a positive impact on the simulation of the heavy rainfall event.     

复杂地形下山谷风的数值模拟

利用中尺度数值模式MM5,选用NCEP全球客观分析资料(1°×1°)和国内高空地面资料为初始场,采用张驰逼近边界条件和单一冰相水汽方案,模拟了河南省西部山区的复杂地形对2006年6月19日局地环流的影响,结果表明:太行山的南麓和熊耳山的东侧都有因地形热力作用而形成的山谷风存在。     

不同边界层参数化方案在中国西南地区东部高分辨率气候模拟中的敏感性研究

为了进一步评估和提高区域模式对西南地区东部高分辨率气候的模拟能力,利用 WRF模式,采用 多种边界层参数化方案（下称“不同方案”）对西南地区东部 1998—2019年夏季降水和气温进行双重嵌套模拟 （外层为D01,内层为D02）。对比不同方案模拟结果表明：多年平均降水量在D01中基本为湿偏差;D02中在四 川盆地和重庆低海拔地区为干偏差,湿偏差主要位于贵州和重庆的城口、石柱和武隆一带的地形复杂区;总体 上D01中ACM2方案误差最小,D02中MYJ方案误差最小。对多年平均气温的模拟在D01中除了四川盆地一 带为暖偏差外其余大部地区基本为冷偏差,D02 中大部地区为暖偏差;总体上 D01 和 D02 中 MYJ方案误差最 小,YSU方案最大。对于降水量和平均气温年际变化的模拟技巧在D01和D02中相对较高的地区均集中在重 庆中西部和湖北大部地区;降水量总体为 YSU 方案最高,MYJ 方案最低;平均气温总体为 MYJ 方案最高, ACM2方案最低。因此,提升模式分辨率至对流尺度后对不同气象要素模拟技巧最优的方案存在差异,需根据 业务情况选择适合本地的参数化方案。     

Improved Wind and Precipitation Forecasts over South China Using a Modified Orographic Drag Parameterization Scheme

To improve the wind and precipitation forecasts over South China, a modified orographic drag parameterization(OP) scheme that considers both the gravity wave drag(GWD) and the mountain blocking drag(MBD) effects was implemented in the Global/Regional Assimilation and Prediction System Tropical Mesoscale Model(GRAPES-TMM). Simulations were performed over one month starting from 1200 UTC19 June 2013. The initial and lateral boundary conditions were obtained from the NCEP global forecast system output. The simulation results were compared among a control(CTL) experiment without the OP scheme, a GWDO experiment with the OP scheme that considers only the GWD effect, and an MBD experiment with the modified OP scheme(including both GWD and MBD). The simulation with the modified OP scheme successfully captured the main features of precipitation, including its distribution and intensity,and improved the wind circulation forecast in the lower troposphere. The modified OP scheme appears to improve the wind forecast by accelerating the ascending air motion and reinforcing the convergence in the rainfall area. Overall, the modified OP scheme exerts positive impacts on the forecast of large-scale atmospheric fields in South China.     

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。     

基于云分析的数值模拟在复杂地形中的应用试验

利用区域中尺度模式ARPS(Advanced Regional Prediction System)模拟了华北西部复杂地形条件下发生在2010年9月18-22日的降水过程,并针对云分析方法对降水和温度预报的影响开展了敏感性试验.结果表明:①模式在复杂地形下有很好的适用性.24 h和48 h模拟结果,降水的起止时间、落区以及强降水中心的位置均和实况一致.24 h模拟降水的量级和实况接近,48 h的比实况偏大;②模式能准确模拟温度的变化,插值得到的5天内6个台站温度预报的平均绝对误差只有2.69℃;③云分析能显著提高模式初值的质量,特别是其中水物质的含量,从而可显著改善48 h强降水中心降水量偏大的状况,使模拟的降水场更接近于实况.但云分析对温度模拟结果的影响不明显.     

古尔班通古特沙漠大气边界层参数化方案的模拟评估[1]

为准确描述我国最大的固定/半固定沙漠-古尔班通古特沙漠区域的大气边界层结构,本文利用该沙漠腹地2017年的梯度铁塔和通量观测数据,基于中尺度气象模式WRF (Weather Research and Forecast v3.7.1),分析了5种边界层参数化方案在古尔班通古特沙漠的适用性。结果表明：1）采用WRF模拟沙漠腹地近地层内的边界层特征时,2m气温的模拟存在冷偏差,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节2m气温的日变化特征,其中非局地方案ACM2(Asymmetric Convective Model version 2)对2m气温效果最好,局地方案BL方案的模拟偏差最大;2）5种边界层参数化方案均能够模拟出10m风速的日变化特征,其中局地方案BL(Bougeault-Lacarrere)对10m风速效果最佳;3）采用WRF模拟沙漠近地层内的地表通量特征时,感热通量存在高估现象,潜热通量存在低估现象,5种边界层参数化方案均能较好地模拟出四个季节模拟时间段内地表净辐射通量的日变化特征,其中局地方案MYJ(Mellor-Yamada-Janjie)的模拟精度最高。