引入考虑凝结作用的连续性方程与积云对流参数化方案修正

文章研究了在热带海洋面上的水蒸发，发现水蒸发进入大气层将改变地面气压场，且蒸发潜热分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能)，蒸发内潜热立即成为大气热能的一部分，而蒸发外潜热直接对大气层作功，使得大气位能增加；研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对于环境气压场与位势高度场的直接影响。用郭晓岚积云对流参数化方案(已考虑凝结内潜热对大气的加热作用)，加入了考虑因大尺度凝结降水和积云对流参数化凝结降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化，后者应是凝结外潜热过程作用的结果。在上述研究过程中，必须引入考虑凝结作用的连续性方程，且最终可以改变有积云对流凝结降水发生的数值预报模式动力框架。     

郭型积云对流参数化方案的对比试验及潜热加热效应

本文利用复杂地形条件下的嵌套细网格预报模式和1979年FGGEⅢ_b级资料对郭型积云对流参数化方案中的垂直加热分布函数及增湿系数进行了对比试验,並讨论了潜热加热效应。 结果表明,在四种垂直加热分布函数中,θ_(se)差方案主要加热出现在对流层高层,这使气柱渐趋稳定,最后抑制积云对流发展,预报效果较好。在三种增湿系数方案中,以分段线性函数法为好,它计算的b值分布合理,预报效果也好。因水汽凝结潜热加热将使气柱平均温度升高,上升运动加强,对流层中低层降压辐合,使对流层高层加压辐散。     

积云对流参数化技术

文章从（１）积云对流参数化的基本问题；（２）积云对流参数化方案；（３）积云对流参数化技术的发展等３个方面进行概述。     

积云对流参数化方案对大气含水量及降水的影响

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所发展的高分辨率全球大气环流谱模式SAMIL, 自从发展成R42L26新版本之后, 显示出对全球气候基本态的模拟能力, 但模式对流层低层以及热带地区整层偏干, 且对热带地区的降水模拟存在“双赤道辐合带”这一普遍误差, 在赤道地区以及北半球中纬度降水偏少, 而在拉丁美洲降水偏多。敏感性试验表明这些误差是相互联系的。通过将700 hPa以下的相对湿度趋近于“观测资料”的试验显示模拟的降水误差减小了。据此, 对Tiedtke 积云对流参数化方案中的浅对流部分进行修改, 增加了浅对流的侧向混合的卷入以及卷出率, 并减小了对流方案中的云水[CD*2]雨水的转换率, 将其耦合到模式中。积分结果表明, 修改后的方案明显改进了湿度和温度场的模拟, 对降水的模拟能力有了很大的提高, 基本消除了“双赤道辐合带”现象。     

一个质量通量积云参数化方案的对流触发函数

提出了建立一个旨在提高国家环境预报中心区域谱模式降水预报技巧的降水物理过程库。库中包括一个网格尺度的降水预报方案和一个具有显式耦合于边界层和对流性降水过程的对流触发函数的对流参数化方案。针对１９９５年５月１５～１７日期间一次全美国花园内的暴雨个例，在格距约２５ｋｍ的网格上进行了综合的敏感性试验。该文讨论了在对流参数化方案中建立的对流触发函数及其对预报降水的影响，重点阐述了对流参数化方案中的云属性与     

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。     

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。     

RIEMS中积云对流参数化方案对我国降水的影响

利用区域环境集成系统模式RIEMS选择Kuo-anthes(KA)和Grell(GCC)积云对流参数化方案,进行1991年5～8月敏感性试验,重点考察了区域环境集成系统模式中两种积云对流参数化方案对1991年江淮流域持续性暴雨的模拟能力.结果表明:1)对于200 hPa西风急流的位置和强度来说,采用GCC积云对流参数化方案较采用KA对流参数化方案,RIEMS模式模拟的结果更加接近观测;2)不管模式采用哪种参数化方案,RIEMS模式都能模拟出850 hPa上的水汽输送和流场,但模式模拟的水汽输送都比观测强;3)不管是采用GCC方案还是KA方案RIEMS模式基本上能够模拟出平均气温的空间分布,但对于长江以南地区,模式模拟的温度较观测偏低,对长江以北地区模式模拟的温度偏高.而采用GCC方案模式模拟的温度更加接近观测,并且对大部分地区温度偏差在-1.65～1.5℃;4)对于降水来说,采用GCC方案模式能够较好地模拟降水的空间分布特征以及雨带季节性移动,但模拟的雨带较观测的偏北,大约为1～2纬度.尽管GCC积云对流参数化方案在RIEMS模式中模拟中国地区降水更加接近观测,但由于积云对流参数化在不同水平分辨率下影响模式模拟的效果,因此对利用RIEMS模式进行数值模拟应考虑不同水平分辨下积云对流参数化方案的适用范围.     

模式水平分辨率影响积云对流参数化效果的数值试验

利用一个有限区域嵌套细网格数据预模式，设计了３种不同分辨率的模式网格，通过对一次降水过程的预报，检验了模式水平分辨率对积云对流参数化效果的影响。结果表明：模水平分辨率的变化将直接影响积云对流参数化的效果，从而影响降水场和形势场。     

积云对流参数化方案对气候数值模拟的影响

利用一个“全球五层大气环流谱模式”,试验和比较了三种不同积云对流参数化方案,即Manabe方案、Kuo方案和Arakawa-Schubert（A-S）方案,对全球气候数值模拟的影响。数值模拟的结果表明了三种方案对全球降水的模拟差别较大,差别比较明显的区域是东亚、北美和北非,且夏季的差别比冬季大。与实况相比,采用Kuo方案对东亚季风降水的模拟结果较好,而采用A-S方案对热带西太平洋、热带印度洋与北美地区降水的模拟结果较好,但采用Manabe方案却模拟不出东亚地区夏季风降水特征;并且从环流数值模拟的结果看,采用这三种方案均模拟出北半球冬、夏季中、高纬地区的环流结构,但与实况相比,采用Kuo方案能较好地模拟出冬季极涡分裂过程,并能较好地模拟出中高纬地区和东亚地区的环流系统,而采用A-S方案能较好地模拟出冬、夏季北美环流系统和太平洋副热带高压;此外,这三种方案对加热场与水汽场的描述方面也有很大不同,A-S方案的结果呈现出不同于Kuo和Manabe方案结果的特征,表明了A-S方案能反映强对流特征,而Kuo方案和 Manabe方案所描述的加热场和水汽场虽有相似之处,但在30#+[o]N以南的副热带地区,Kuo方案所描述的对流系统加热要比Manabe方案强。     

论大气中凝结过程水汽内能与压力能的不同作用

通过计算可逆湿绝热过程与不可逆湿绝热过程,讨论了大气中凝结时的水汽内能(内潜热)与压力能(外潜热)作功过程的不同物理作用及其在不同(对流与非对流)降水天气系统中的影响。发现“可逆”与“不可逆”湿绝热过程中的凝结外潜热都对环境大气作负功,这是因为水汽相变为水而使得水汽压力能减少。最终环境大气通过凝结外潜热过程,对整个“系统”(如降水对流运动的飑、冰雹、龙卷、台风和非对流运动的锋面降水系统等)作功,其作功“热机”效率约为5％。     

1991年江淮特大暴雨的降水性质与对流活动

从计算大尺度热源和分析ＴＢＢ资料两个方面，阐述了１９９１年江淮梅雨期间降水性质与对流活动的季节性演变特征。结果表明：梅雨期间江淮上空３个强上升运动时段分别形成了３场暴雨，由暴雨释放的热量使江淮大气出现了３个时段的强加热；３场暴雨的降水性质呈显著的季节性演变，由第１场暴雨以锋面性降水为主发展到第３场暴雨异常强的对流性降水。文中详细分析了热源和水汽汇的时空分布特征，并从大气运动场和热力结构讨论了盛夏强对流降水期间积云对流以涡动形式对热量和水汽的强铅直输送作用。江淮地区ＴＢＢ值能很好地反映降水状况，雨期一致地对应于ＴＢＢ低于２５０Ｋ的时段。梅雨中后期东亚地区对流活动季节性地增强，带状对流区（特别是ＴＢＢ高负距平区）与雨带位置相符。对流带位置及对流活动强弱与西南暖湿气流活动密切相关，它很好地表征了东亚地区的低空急流（给积云输送热带对流大气）。梅雨期间对流带主要出现在江淮流域，但可在东亚范围内飘移，它落在江淮与否则决定了江淮暴雨的维持与中断     

MM4模式积云参数化方案的改进和检验Ⅰ：MM4模式积云参数化方案的改进

将MM4模式应用于梅雨锋暴雨的中－β尺度系统模拟时，模式的水平分辨率必须提高，这使得模式中原有的Kuo-Anthes方案变得不适应。根据Fritsch-Chappell方案的基本原理和特点，它可以合理取代Kuo-Anthes方案来适应中－β尺度系统的模拟；同时，结合近年来人们对积云属性研究的新成果，对Fritsch-Chappell方案作了改进，最终得到一个适用于梅雨锋暴雨中－β尺度系统模拟的改进MM4模式。     

THE LIMITATION OF CLOUD-BASE MASS FLUX IN CUMULUS PARAMETERIZATION AND ITS APPLICATION IN A HIGH-RESOLUTION MODEL

A large area of unrealized precipitation is produced with the standard convective parameterization scheme in a high-resolution model, while subgrid-scale convection that cannot be explicitly resolved is omitted without convective parameterization. A modified version of the convection scheme with limited mass flux at cloud base is introduced into a south-China regional high-resolution model to alleviate these problems. A strong convection case and a weak convection case are selected to analyze the influence of limited cloud-base mass flux on precipitation forecast. The sensitivity of different limitation on mass flux at cloud base is also discussed. It is found that using instability energy closure for Simplified Arakawa- Schubert Scheme will produce better precipitation forecast than the primary closure based on quasi-equilibrium assumption. The influence of the convection scheme is dependent on the upper limit of mass flux at cloud base. The total rain amount is not so sensitive to the limitation of mass flux in the strong convection case as in the weak one. From the comparison of two different methods for limiting the cloud-base mass flux, it is found that shutting down the cumulus parameterization scheme completely when the cloud-base mass flux exceeds a given limitation is more suitable for the forecast of precipitation.     

NATURE OF PRECIPITATION AND ACTIVITY OF CUMULUS CONVECTION DURING THE 1991 MEIYU SEASON OF CHANGJIANG-HUAIHE RIVER BASIN

Seasonal variability regarding the nature of precipitation and the activity of cumulus convectionduring the 1991 Meiyu season of Changjiang-Huaihe River Basin(Jianghuai)has been investigatedby calculating apparent heat source/apparent moisture sink and analyzing TBB(cloud-topblackbody radiation temperature)data.It is found that three periods of strong ascending motionduring the Meiyu season lead to three episodes of heavy rain,and the latent heat due to theprecipitation is of the sole heat source of the atmosphere.The nature of precipitation showsdistinct seasonal variability,from frontal precipitation of the first episode to the extremely strongconvective precipitation of the third episode.TBB field of East Asia may well reflect not only theintensity of convection and rainfall,but also the movement of rain belt and convection belt.In thewhole Meiyu season.convection belt mainly stays in Jianghuai.but may shift within the domain ofEast Asia.Its locating in Jianghuai or not determines the maintenance or break of Meiyu.In thethird episode,the narrow convection belt over Jianghuai is mainly caused by southwest monsoonwhich takes moist and convective atmosphere from tropical ocean.     

积云对流参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF高分辨率模式的模拟结果,探讨了8种积云对流参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的路径、频数及强度模拟的影响。结果发现:采用Kain-Fritsch方案模拟的热带气旋活动的空间分布与JTWC统计结果最接近。KF方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显高(强)于其他积云对流参数化方案,而BMJ方案模拟的热带气旋生成频数(强度)明显低(弱)于其他积云对流参数化方案。进一步分析发现,采用优化集合积云参数化方案(ECP)模拟热带气旋频数、ACE指数以及PDI指数的年际变化趋势较好,而采用KF积云对流参数化方案对热带气旋空间分布、频数及强度的模拟总体最优。     

爆发性气旋发展中斜压强迫与潜热释放作用的数值试验

本文利用一个六层原始方程模式对五例爆发性气旋的发展进行了数值试验,试验结果表明：斜压强迫是气旋爆发性发展的基本因子,而潜热释放的重要性则有较大差异。潜热释放的作用主要集中在两个方面：一是对低层的直接增暖,加强了上升运动;二是对局地斜压性的加强,促进了锋面、槽脊系统的发展,而这两者均有利于气旋的发展。     

副热带高压和对流潜热加热与南海台风的耗散及维持

利用自适应网格模式对９５０５号及９６１８号南海台风进行了数值模拟及试验,试验结果表明：南海台风的耗散主要与副热带高压加强有关,地形的影响较小。副高的活动对台风的加强与减弱十分敏感,当副高减弱时台风加强,副高加强时台风减弱。潜热释放是台风维持的主要因子。副高强度与潜热加热的大小成反比。分析发现,台风登陆后若与西风槽接近,则有利于台风维持。     

NATURE OF PRECIPITATION AND ACTIVITY OF CUMULUS CONVECTION DURING THE 1991 MEIYU SEASON OF CHANGJIANG-HUAIHE RIVER BASIN*

Seasonal variability regarding the nature of precipitation and the activity of cumulus convection during the 1991 Meiyu season of Changjiang-Huaihe River Basin(Jianghuai)has been investigated by calculating apparent heat source/apparent moisture sink and analyzing TBB(cloud-top blackody radiation temperature)data.It is found that three periods of strong ascending motion during the Meiyu season lead to three episodes of heavy rain,and the latent heat due to the precipitation is of the sole heat source of the atmosphere.The nature of precipitation shows distinct seasonal variability,from frontal precipitation of the first episode to the extremely strong convective precipitation of the third episode.TBB field of East Asia may well reflect not only the intensity of convection and rainfall,but also the movement of rain belt and convection belt.In the whole Meiyu season.convection belt mainly stays in Jianghuai.but may shift within the domain of East Asia.Its locating in Jianghuai or not determines the maintenance or break of Meiyu.In the third episode,the narrow convection belt over Jianghuai is mainly caused by southwest monsoon which takes moist and convective atmosphere from tropical ocean.     

SUBTROPICAL HIGH, LATENT HEATING BY CONVECTION AND ASSOCIATION WITH DISSIPATION AND MAINTENANCE OF SOUTH CHINA SEA TYPHOONSI

Numerical modeling and experiments are conducted for the South China Sea typhoons Helen (1995) and Willie (1996) with an auto-adaptive mesh model. It is shown that durating the stage of dissipation the typhoons are mainly related with the subtropical high rather than the topography. The high is sensitive to the intensity change of the typhoon so that the former weakens as the latter strengthens and vice versa. Maintaining the typhoon as a main factor, the release of latent heat is in reversed proportion with the subtropical high in terms of the intensity. It is found that the storm tends to be maintained if it moves close to the westerly trough after landfall.