夏玉米不同生育期附加阻尼的变化特征及参数化方案

目前关于附加阻尼(kB^(-1))的研究中,任何一种参数化方案都不适用于所有植被结构类型的下垫面,因此对于生长过程中结构差异显著的植被需要分阶段研究。[目的]本文旨在分析夏玉米4个生育期kB-1的日变化和月变化规律,探究各个生育期kB^(-1)最佳参数化方案。[方法]基于2012年6-9月US-Tw2站点的通量、气象数据以及MODIS数据,利用莫宁奥布霍夫相似理论推算kB^(-1),并将9种参数化方案在苗期、拔节期、穗期、成熟期估算的kB^(-1)和感热通量与观测值进行对比。[结果]4个生育期中的kB^(-1)均呈早晚小、中午大的日变化规律,且其月均值也随着粗糙度的增大呈递增趋势。对比9种参数化方案得出,苗期最接近kB^(-1)观测值的方案为K07,拔节期、穗期和成熟期为K89,均方根误差(RMSE)分别为1.34、2.41、2.79、1.55;苗期、拔节期、穗期、成熟期最接近感热通量观测值的方案分别为K07、S58、S01、K89,均方根误差(RMSE)分别为33.39、46.98、65.97、36.46 W/m^(2)。[结论]生育前期粗糙度雷诺数(Re*)的参数化方案更接近观测值,而在生育后期考虑植被结构、地气温差(Ts-Ta)的参数化方案更为准确。苗期、拔节期、穗期、成熟期估算感热通量的最佳参数化方案分别为K07、S58、S01、K89。

大气边界层参数化方案在核电厂址扩散参数计算中的应用研究

在核电厂环境污染影响评价、环境质量管理、应急等工作中,需对核电厂排放的放射性污染物在大气中迁移扩散特征进行评价,而扩散参数是核电厂环评、设计、应急相关评价软件中重要的参数。由边界层参数化方案计算扩散参数的方法应用较为普遍,文章对两种常用大气边界层参数化方案在核电厂址扩散参数计算中的效果进行了讨论。与核电厂址湍流观测数据的比较显示:Mellor-Yamada 2层方案模拟结果具有较好的相关性,但方差更大;Hanna方案模拟结果相关性相对较弱,但其方差也较小,在应用中可根据两种方案各自的特点选用具体的扩散参数计算方案。

WRF模式不同边界层参数化方案对沈阳地区近地面气象要素模拟差异评估

采用WRF(weather research forecast)模式中三种不同边界层参数化方案(YSU、MYJ、MYNN2)对2022年8月沈阳地区近地面逐时气象要素进行模拟研究,对比分析不同边界层参数化方案在模拟沈阳地区近地面气象要素时所表现出的差异。结果表明:三种边界层参数化方案均能较好地模拟沈阳地区近地面气象要素逐时变化趋势。在模拟近地面风速方面三种边界层参数化方案模拟结果整体偏大;MYJ方案平均偏差最小,相关系数最高,模拟效果最好。三种参数化方案在对近地面温度模拟整体偏低,平均偏差均为负值;YSU方案相关系数最高,可达0.94。在模拟近地面相对湿度方面三种参数化方案模拟结果整体偏低;从相关系数来看YSU方案和MYNN2方案差异性不大。

FLake模式摩擦速度参数化方案改进及其高原典型湖泊应用评估

目前一维淡水湖模式(Freshwater Lake Model,FLake)在全球各类气候模型和再分析资料算法中被广泛应用,但其在青藏高原典型湖泊鄂陵湖的湖温模拟中效果欠佳,主要是模式内计算感热和潜热通量的摩擦速度参数导致的,而将通用陆面模式(Community Land Model version 4.5,CLM4.5)湖模块计算的摩擦速度参数值替换进FLake后,能够提升FLake模拟效果。本文根据CLM4.5湖模式的摩擦速度参数化方案,从理查森数计算公式、层结稳定性条件、摩擦速度计算公式三个方面改进FLake摩擦速度参数化方案,以鄂陵湖观测站资料作为驱动场,利用MODIS地表温度数据和站点实际观测资料评估FLake改进后的模拟效果。结果显示:改进后FLake可以更好地模拟湖泊热力状况,特别是在每年湖温达到最大值后的降温阶段,模拟的湖表温度、湖泊内部不同深度处的温度和净辐射更加接近实际观测值。相比于升温期,降温期感热和潜热通量的模拟值增大,对应温度模拟值低于改进前,并更接近实际观测温度,降温期湖温和净辐射的模拟精度有明显改善。

不同物理过程参数化方案对江淮梅雨降水预报的影响分析

为研究不同物理过程参数化方案对江淮梅雨降水预报的影响,基于WRFv4.4.2,利用GFS预报数据、第六版MODIS土地覆盖类型产品和ERA5-Land观测数据集,使用均方根误差、相关系数、公平技巧评分和偏差评分等方法,模拟评估Ferrier、WSM6和Thompson这3种云微物理过程参数化方案,以及KF、BMJ和Tiedtke这3种积云对流参数化方案共9种组合,对2020年7月14日00:00—17日00:00江淮流域梅雨期一次降水过程的预报效果进行分析。结果表明,(1)积云对流参数化方案对江淮梅雨降水预报有更为明显的影响,使用BMJ可以获得较好的预报结果;(2)WRF模式在山地、城市等区域表现不佳,在平原、农田等区域表现尚可,适用性存在一定不足;(3)在江淮流域北部地区(32.7°N以上)使用WSM6和BMJ的实验组合综合表现较佳,可较为准确地预报降水过程变化趋势,对小雨和中雨量级的降水落区有较高的预报技巧。为今后江淮梅雨期降水预报提供参考。

基于三维参数化方案的二元分布式水文模拟

分布式水文模型通过参数化方案处理参数空间异质性对水文模拟的影响。针对目前参数化方案对山区流域参数垂向差异考虑不足的问题,开展了三维参数化方案研究,建立了基于垂直地带性的三维参数化方案,针对性地改进了WEP-L模型,并以密云水库上游流域为例对方案效果进行了分析。结果表明:(1)和以往二维参数化方案相比,三维参数化方案可大幅提升分布式水文模拟精度,流域内主要控制站近60年逐月实测径流过程模拟效果得到有效改善;(2)模拟精度提高的主要原因是改进后方案同时考虑了植被类型垂直地带性及海拔高度对参数空间分布的影响。

WRF模式不同参数化方案对长江上游降雨模拟的影响

WRF(Weather Research and Forecast)模式参数化方案众多,不同参数化方案对降雨模拟效果有较大的影响。为研究WRF模式中云微物理、陆面过程及积云对流参数化方案组合对长江上游地区降雨模拟效果的影响,以长江宜宾至宜昌干流区间为研究区域,选取5种云微物理参数化方案、2种陆面过程参数化方案和3种积云对流参数化方案共30种方案组合对该地区4场不同降雨中心落区的典型强降雨过程进行模拟,并以实测站点数据和GPM(Global Precipitation Measurement)降水数据产品为参考,采用TS评分、空报率、漏报率、准确率、平均绝对误差以及均方根误差作为评价指标,充分考虑各指标的不同影响,运用基于熵权的密切值法对降雨模拟结果进行综合评价。结果表明,WRF模式中云微物理WSM3(WRF Single-Moment 3-class)方案,陆面过程Noah(Noah Land Surface Model)方案和积云对流Grell-D(GrellDevenyi Ensemble)方案的参数化方案组合对长江上游地区降雨模拟效果较好,在该参数化方案组合下,WRF模拟的24 h日面雨量平均值的模拟结果与实测资料基本一致,模拟得到的四场典型降雨的24 h面降雨中心和降雨量级分布带均与实际降雨较为接近,大部分地区的模拟误差小于10 mm,且对小雨和中雨的模拟效果更好,此外WRF模拟降雨精度会受地形变化的影响,地形起伏加剧会降低降雨模拟精度,西南山区降雨模拟精度稍低于东北平原地区。研究结果可为流域水文预报提供重要参考。

不同边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段暴雨模拟的影响试验

边界层参数化方案是造成数值模式预报误差的重要来源之一,筛选适用于环渤海地区台风暴雨模拟的边界层参数化方案,可为该地后续业务应用及科研工作提供参考依据。应用WRFV4.3模式中的8种边界层参数化方案(ACM2、BouLac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU),对2021年第6号台风“烟花”北上阶段造成的暴雨过程进行数值模拟试验,对比分析不同边界层参数化方案对暴雨模拟结果的影响,并基于ERA5资料进行边界层热动力结构的模拟效果检验。结果表明:(1)各方案对台风北上阶段的降水(24 h累积降水量、累积降水极值和位置、降水ETS评分、小时最大降水量以及逐小时10.0、20.0 mm降水的落区分布)模拟结果表现出明显差异,对路径的模拟差异主要体现在模拟时段的中后期。(2)局地闭合的BouLac方案对于10.0 mm以上量级24 h累积降水量的ETS评分表现最优,而非局地ACM2方案所模拟的24 h累积降水量在25.0、50.0、100.0 mm以上量级降水的ETS评分均为最优,且累积降水极值、区域平均24 h累积降水量以及小时最大降水量均值等也与ERA5资料较为接近,在环渤海地区海陆共存的下垫面背景下,ACM2方案是最适合台风“烟花”暴雨过程模拟的参数化方案。(3)与其他方案相比,ACM2方案对于边界层高度、位温和水汽混合比垂直廓线的模拟与实况最接近,这是ACM2方案对大雨以上量级预报较为准确的原因。(4)各方案模拟的700 hPa垂直速度基本决定了小时最大降水量的变化趋势以及区域平均24 h累积降水量的相对大小。

基于数值模式评估细尺度参数化方案在南大洋背风波生成源地的适用性

验证基于GM(Garret-Munk)大洋内波普适谱的细尺度参数化方案在不同海域的适用性,对于湍流混合研究来说非常重要。包含背景GM内波场的高分辨率数值模式被用于评估细尺度参数化方案在背风波生成源地处的适用性。细尺度参数化方案主要包括基于剪切的G89 (Gregg 1989)方案、基于应变的W93 (Wijesekera 1993)方案、基于剪切和应变的GHP (Gregg-Henyey-Polzin)方案以及对GHP方案中的频率矫正项作出变换的IH (Ijichi-Hibiya)方案。计算结果显示,背风波的生成伴随着海底上方近惯性内波的增强,使得内波场的动能与势能的比值相较于GM内波场偏大。在这种情况下,基于剪切的G89方案会因为高估内波场的总能量而高估耗散率。反之,基于应变的W93方案会因为低估内波场的总能量而低估耗散率。计算结果还显示,已经考虑了内波谱变形的GHP方案仍然会高估耗散率,但IH方案能比较准确地估算耗散率。

WRF参数化方案与初始场对闽江流域 暴雨模拟的敏感性研究

数值模式作为目前最主要的天气预报手段之一,已经广泛应用于极端降雨等强天气过程的预警和预测。在实际预报业务中,数值模式受初始场、边界条件、参数化方案等影响,难以进行长时间精准预报。基于新一代中尺度数值天气预报模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model),交叉组合16套微物理过程和积云对流参数化方案,对闽江流域2021年5月17—24日的一场连续性暴雨过程进行敏感性对比模拟。结果表明,WRF模式基本可以再现本次降雨过程的时空分布特征,但明显高估了暴雨中心的强度和范围,EXP9(Lin-NT组合)整体表现较优。对于初始场质量敏感性试验,基于最优参数化方案组合的模拟结果表明,ERA5(The Fifth-generation Atmospheric Reanalysis of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts)对各个量级降雨模拟效果均相对较好,与观测数据的时空特征最吻合,其次为GDAS/FNL(Global Data Assimilation System/Final Operational Global Analysis),而CFS(Climate Forecast System Operational Analysis)表现最差。可为提高极端降雨模拟和预报精度提供方法借鉴。

边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段模拟影响的差异比较

利用中尺度数值预报模式(WRF)中的8种边界层参数化方案(ACM2、Boulac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU),采用高分辨率数值试验的方法研究不同边界层参数化方案对台风“烟花”(2021)北上影响环渤海区域阶段的路径、强度、降水及动热力结构等方面的模拟差异。结果表明:台风北上后的路径模拟对边界层参数化方案较敏感,其中Boulac方案模拟的路径误差最小,随着积分时间延长,各试验的路径差异也越来越显著;由于台风北上阶段强度较弱,模拟的最低气压绝对误差总体偏小,基本分布在2~6 hPa之间;各试验对累积降水极值大小和位置的模拟存在较大差异,通过分析24h累积降水的TS评分可知,Boulac方案在中雨以上量级的模拟中表现最优,而ACM2方案则在大雨及暴雨以上量级的模拟中表现最优;各试验对于台风动热力结构的模拟存在差异,其中动力结构的差异更加明显,并且低层大气比高层大气差异更显著。造成这种差异的原因可能是由于各方案对边界层热通量以及动热力结构的模拟存在差异,并通过边界层顶的夹卷过程将这种差异引入高层大气。

对流解析与对流参数化方案模拟青藏高原夏季降水对比研究

青藏高原被称为“亚洲水塔”,其水资源的变化对下游的天气气候有重要的影响。降水是水循环的关键环节,因此,准确模拟青藏高原降水对我国水资源安全有重大意义。近年来,一些研究发现对流解析模拟(即当网格尺度小于4 km时关闭对流参数化方案的模拟)能够提升青藏高原降水的模拟效果,然而,这些研究仅仅选取了1~3种对流参数化方案来进行对比研究,对流解析模拟是否优于任意对流参数化方案仍然未知。本文评估了WRF模式中9种积云对流参数化方案与不使用对流参数化方案的对流解析模拟(Convection-Permitting Modeling,CPM)对2009年夏季青藏高原地区降水的模拟能力。结果表明:模拟总体高估了青藏高原2009年夏季降水,存在0.4~2.0 mm·d^(-1)的误差,对青藏高原CAPE值和潜热通量的模拟过大可能是造成青藏高原降水模拟偏大的原因之一。在所有模拟中,G3积云对流参数化方案对平均降水和日变化的模拟效果最好,能更好地模拟出平均降水的降水强度、空间分布和降水落区以及降水日变化。CPM对降水整体的模拟效果次于G3积云对流参数化方案,不能有效地改善对降水日变化的模拟,但是可以改进对降水频率的模拟。在不同高原生态区内,所有模拟都不能合理地模拟出荒漠区和喜马拉雅南麓的降水,但相较于参数化方案,CPM可以大大地降低荒漠区的误差。在其他区域内,CPM和Tiedtke积云对流参数化方案的表现都较好。综合平均降水和降水频率,CPM、Tiedtke和G3积云对流参数化方案对不同区域、不同强度的降水模拟误差最小。因此我们建议:模拟青藏高原夏季降水时可优先考虑G3和Tiedtke积云对流参数化方案,在计算资源充足时,可以考虑采用高分辨率的对流解析来提高青藏高原降水频率的模拟。

WRF模式中不同物理参数化方案组合在中国近海风能资源评估中的适用性研究

基于中尺度气象数值模式WRF(Weather Research and Forecasting),分别对我国广东、浙江、山东这3个近海典型风能资源储备区域进行了45组物理参数化方案组合连续1 M的敏感性试验,对试验中多要素的模拟结果进行综合评估,分别确定了适用于3个风能资源储备区各自排名前3的物理参数化方案组合,并对其模拟性能较优的原因进行分析。为了测试3个风能资源储备区筛选得到的物理参数化方案组合的适用性,利用不同于敏感性试验时段的模拟结果,结合海上测风塔和海洋气象站的实测数据开展进一步评估。结果表明,优选得到的物理参数化方案组合具有较好的适用性,其对近海的风速模拟性能较优,具有实际业务应用价值。

WRF 4.0模式陆气耦合对不同物理参数化方案的敏感性初探

模式的不同参数化方案会对模拟的天气和气候产生影响,但如何影响陆气耦合还不是很清楚。利用WRF 4.0模式设计了一组16种不同参数化方案组合的集合试验,对华北地区2013年夏季气候进行模拟。结果表明,不同积云对流参数化方案对模拟的降水平均态影响较大,其次是短波辐射方案,而微物理方案影响较小。进一步利用潜热通量(LH,Latent Heat flux)和土壤湿度(SM,Soil Moisture)、抬升凝结高度(LCL,Lifting Condensation Level)的相关系数R(SM,LH)和R(LH,LCL)表征陆气耦合过程,评估了陆气耦合对不同参数化方案的敏感性。模式模拟的R(SM,LH)在不同区域随着平均降水、相对湿度的增加以及平均短波辐射的减少而减小,而R(LH,LCL)的变化正好相反。它们内在的物理机制类似,与气候态的干湿变化密切相关,即随着土壤湿度趋于饱和,蒸散发过程逐渐受太阳辐射的限制,陆面对大气的影响减弱。另外,陆气耦合强度受积云对流方案、微物理方案和短波辐射方案的影响而产生差别,这与不同参数化方案模拟的气候态的不同密切相关,因此本研究对于WRF 4.0模式中参数化方案特别是积云对流方案的选择同样有着重要的指导意义。

我国东南地区Noah-MP模式地表温度模拟参数化方案寻优研究

陆面模式Noah-MP(Noah land surface model with Multi-Parameterizations)为陆面物理过程提供了大量复杂的参数化方案,往往受限于计算量和计算能力,使得利用全组合方案实验,来确定适用的参数化方案难以实现,从而给模式模拟带来不确定性。为科学减少实验次数,本文引入正交试验法,选择了影响地表温度模拟较大的5个主要过程,包括动态植被、气孔阻抗过程、控制气孔阻抗的土壤湿度参数过程和表面热交换系数过程以及辐射传输过程等,设计了9次正交试验,利用CLDAS-V2.0(中国气象局陆面数据同化系统)驱动Noah-MP陆面模式对我国东南地区地表温度进行模拟,对参数化方案寻优,以确定其适用的参数化方案组合。结果表明,参数化方案的选择对林地区域的模拟,以及在7月和8月的模拟影响较大。物理过程的敏感性和最优参数化方案同时受到下垫面和季节的影响,多数情况中,动态植被与冠层气孔阻抗过程对模拟影响显著,是较敏感的物理过程。通过对不同下垫面不同季节的最优参数化方案组合的时空尺度分析,经模拟验证,东南地区地表温度模拟的较优方案组合为开启动态植被,Ball-Berry的冠层气孔阻抗方案,Noah的土壤湿度参数方案,M-O的地表热交换系数方案和GAPFVEG的辐射传输方案。

边界层参数化方案对文昌近地层风速模拟的影响

为了研究边界层参数化方案对文昌近地层风速模拟的影响,本文选用美国国家环境中心终分析资料FNL (Final Operational Global Analysis)作为模式的背景场资料,应用WRFV4.2.1模式10种边界层参数化方案(YSU, MYJ, QNSE, MYNN2, MYNN3, BouLac, UW, TEMF, Shin-Hong和GBM),对文昌近地层2015年每月前三天的风速进行数值模拟,检验评估了它们对不同高度层风速的预报能力。结果表明:MYNN2方案和MYNN3方案在低层的风速模拟效果较好,UW方案、GBM方案和BouLac方案在高层风速模拟效果较好,TEMF方案风速模拟效果最差,且总体来看10个方案在70 m和90 m高度层的风速模拟效果更好。

边界层参数化方案对文昌近地层湿度模拟的影响

本文基于WRF中尺度预报模式,采用10种边界层参数化方案(YSU、MYJ、QNSE、MYNN2、MYNN3、GBM、BouLac、UW、TEMF、Shin-Hong),对2015年12个个例的近地层湿度开展了数值模拟。通过浅层风塔观测数据进行对比,研究了不同边界层参数化方案对文昌近地层湿度模拟差异。结果表明:随着近地层高度的增加,三月到七月的观测相对湿度增加,模拟相对湿度变化不大;其余月份观测和模拟的相对湿度均会降低;模拟和观测的均方根误差随高度增加而增加,相关系数随高度增加则会减小。通过对均方根误差和相关系数的分析,MYJ方案模拟数据接近观测数据,并且可以模拟出每个月份的日变化趋势,是模拟结果最好的方案。TEMF方案的均方根误差最大且相关系数表现最差,是模拟效果最差的方案。

边界层参数化方案对文昌近地层气温模拟的影响

为了选取适用于我国海南文昌地区气温预报的最优边界层参数化方案,本文利用中尺度天气预报模式(WRF),采用美国国家环境预测中心分析资料(FNL)作为模式背景场,基于2015年1~12月的12个案例开展了近地层气温的边界层参数化敏感性实验。通过与文昌地面测风塔观测结果的对比,分析了10种边界层参数化方案在海南文昌的适用性。结果表明:1) WRF模式对海南文昌地区气温模拟存在较小的偏差,春夏季的模拟效果优于秋冬季。2) 一年中12月的模拟气温与实况偏差最大,模拟效果最差。3) 各高度24小时预报模拟效果最好的方案是BouLac方案。4) 通过对五种高度三种时效模拟结果进行分析,总体来说UW方案与实况偏差最小,模拟效果最好。TEMF方案偏差最大,模拟效果最差。

WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验

为了研究微物理参数化方案对珠江三角洲(简称珠三角)降水模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,在3 km模式分辨率下,在微物理方案为WSM6方案条件下,选用KF、BMJ、GD以及G3等四种积云参数化方案对2010年5月14日广东珠三角地区的一次暴雨过程进行了模拟试验。结果显示,KF方案对于降水带和降水量的模拟与实况较为一致。在积云参数化方案为KF条件下,分别选用Kessler、Lin et al、WSM 3、WSM5、Ferrier(New eta)和WSM6等6种微物理方案再次对这次暴雨过程进行模拟试验,模拟结果的对比分析表明:选用Lin et al微物理方案时,模式较好地模拟出了强降水雨带的位置和降水强度;而其他5种参数方案的模拟效果均不好,降水量明显偏小,雨带位置偏差较大;同时对低空急流、K指数和上升速度等物理量分析可知,Lin et al方案能较好地模拟出降水实况。

WRF模式不同云参数化方案的暴雨预报能力检验及集成试验

利用WRFV3. 6的8种微物理方案和6种积云参数化方案对湖北及其周边地区夏季12次暴雨过程进行回报,分析各种方案对暴雨预报的影响。结果显示,各种方案均能较好地预报出降水过程,但其降水强度和范围存在一定差异。当积云参数化方案为KF方案时,对Lin、WSM6、Thompson、Morrison 2-mom、CAM5. 1、WDM5、WDM6、NSSL 2-mom微物理方案做敏感性试验,发现CAM 5. 1方案优于其他7种微物理方案,M orrison 2-mom次之。当微物理方案为CAM 5. 1时,对KF、BM J、GD、SAS、G3D、Tiedtke积云参数化方案做敏感性试验,发现在不同量级降水预报中,6种积云参数化方案各有优劣。综合考虑,GD、SAS、Tiedtke积云参数化方案优于其他3种方案。在此基础上开展多方案集成试验,结果表明集合平均(ensemble mean,EMN)在一定程度上可以减少预报误差,降低单个成员预报的不确定性。