中尺度WRF模式在资源环境评估领域的应用进展研究

中尺度WRF模式是由美国国家自然科学基金和NOAA共同支持的新一代中尺度预报模式和同化系统。它采用高度模块化、并行化和分层设计技术,具有更为合理的模式动力框架、先进的三维变分资料同化系统、更丰富的内部参数化方案。介绍了WRF模式的动力学框架、WRF模式的各种参数化方案、近15年来WRF模式在气候资源预报领域的应用。最后,对WRF数值模拟存在的问题进行了阐述,并展望了WRF数值模拟今后的发展趋势。

基于中尺度WRF模式的海上风电场尾流影响评估

海上风电场群基地的规划设计需要准确、科学地评估风场间的尾流效应。以我国江苏省某300MW海上风电场为研究对象,采用耦合风电场参数化模型的中尺度天气研究与预报(weather research and forecasting,WRF)模式对海上风电场尾流效应影响进行模拟研究。结果表明:WRF模式的计算结果与测风数据吻合较好,准确度满足海上风电前期风资源评估要求;进一步与海上风电场运行数据进行对比,分析了耦合风电场参数化模型的WRF模式计算结果偏高的原因;受上游风电场尾流的影响,下游风电场中心处的风速下降19.3%、尾流长度由14km增加至45km,且总功率下降13.7%。若将海上风电场内额定功率为4.2MW的风力机替换为20MW,一定程度上可减轻上游风场的尾流影响。

中尺度数值模式WRF在黄河上游的降尺度技术应用

全球气候模式能很好地预估未来全球气候变化,但目前它输出的空间分辨率(通常为300千米左右)较低,缺少详细的区域气候信息,难以对区域气候做出合理的预测。降尺度可以弥补全球气候模式预测区域气候变化的局限,它可以把全球气候模式提供的大尺度气候信息转化为区域尺度的气候信息(如气温、降水等),从而实现对区域气候预测。

基于WRF的雷州半岛中尺度降水数值模拟初步试验

基于WRF的ARW动力框架下,利用T639和GFS两种不同的大尺度数值预报产品做初始场和侧边界条件,对2011年5月13日雷州半岛一次锋面低槽暴雨天气过程进行一次模拟预报试验,为今后中尺度模式产品在城镇精细化预报业务中的应用积累经验。

基于WRF模式的暴雨天气过程的数值模拟及诊断分析

利用新一代中尺度数值预报模式WRF2.2和1°×1°的NCEP气象再分析资料,对2009年9月17日发生在江苏南部地区覆盖沪宁高速公路的一次大暴雨天气过程进行了数值模拟。经AWMS(the automatic weather monitoring system)实测数据验证,此次天气过程的模拟效果较为理想。对模式输出的物理量进行诊断分析后发现:长江中下游地区的β中尺度低涡的发展、移动对暴雨过程中降水的加强和维持起着重要的作用;水汽辐合带在500hPa以下非常显著,在暴雨区形成了深厚的高湿环境,为暴雨的产生、加强和维系提供了重要的水汽条件;暴雨区内前期及降水过程中都存在较为强烈的垂直运动,且涡度场与散度场在垂直结构配置上一致,使得大气层结不稳定能量释放,形成了旺盛的对流天气;对流层中上层大气为中性层结,低层为位势不稳定,所以整层大气有对流发展,有利于暴雨的形成。

江西一次特大暴雨中尺度对流系统特征对比分析

利用FY-2E云顶亮温(TBB)资料,雷达回波资料以及非静力中尺度数值预报模式WRF的模拟结果,对比分析了2010年6月19日江西特大暴雨过程中TBB低值接近但地面降水量差异显著的两个中尺度对流系统(MCS)。结果表明:MCS1为新生对流在有利的水汽、动力和热力条件下迅速发展形成的强盛中尺度对流系统,中低层辐合高层辐散、气旋性涡旋发展旺盛,对流云柱内强上升运动将辐合的大量低层水汽输送至中高层,云水、云冰含量增加,两者重叠层加厚,水物质总量增加,造成地面出现强降水;MCS2尾随层云区的弱辐合仅出现在中层,水汽辐合量和液态水物质含量显著偏小,对应地面弱降水,但是由于高层云冰含量与MCS1对流云区相当,高层雷达回波强度相当,导致卫星云图上TBB出现与MCS1相同的低值。

大别山区地形对春季冷锋附近中尺度对流系统影响的数值模拟研究

安徽省地处亚热带气候和温带气候的过渡带,从副热带高压边缘和孟加拉湾汇合而来的西南暖湿空气与北方南下的干冷空气经常在江淮流域相遇,带来丰沛降水.其中,当大别山受暖湿西南气流影响时,其北部易触发对流,出现中小尺度对流系统;当有冷锋等系统影响时,山区北部易出现对流旺盛的中尺度对流系统(MCS).选取2005年3月10日的冷锋过程用天气研究预报模式(WRF)分析研究了大别山地形对冷锋附近MCS发生发展的影响.研究表明:由于大别山地形的作用,山区北部的温度和湿度明显高于平原地区,这一方面产生平原和山区之间的水平气压梯度,形成局地中尺度力管环流,具有触发对流的作用;另一方面,又使山区北部的大气层有大的对流有效位能(CAPE),一旦对流发生,容易剧烈发展.此外,当冷锋移近时,由于大别山的影响,锋后东北风在山区北侧发生堆积和偏转,形成了额外水平风场辐合,使MCS更易形成和维持.

2003年淮河汛期一次中尺度强暴雨过程的诊断分析和数值模拟研究

2003年7月4—5日淮河流域发生了一次中尺度强暴雨过程,致使淮河洪水泛滥。这次暴雨过程由中尺度对流系统(MCS)以及因其发展而产生的低涡造成。通过对此次过程的诊断分析和新一代细网格WRF中尺度预报模式的数值模拟,研究了这次过程发生发展的机制。模拟结果较好地描述了本次暴雨及中尺度系统发生、发展的时空演变过程。分析结果表明:此次移动性暴雨过程的前期由不断向东移动发展的MCS造成,后期降水则由低涡切变线产生的中尺度低涡引起。同时,副热带高压明显偏西偏北,并维持较长时间,造成雨带一直维持在淮河流域。高层辐合中心的加强使低空急流不断增强,低空急流的增强进而引起低层辐合的加强,而低层辐合的加强以及上升运动的潜热释放导致低涡的发生,低涡形成及形成后移动缓慢,造成了淮河流域的大暴雨。高层中尺度辐散区的抽吸对低层中尺度涡旋的发生发展起到了促进和加强的作用。低层的中尺度辐合场和高层的中尺度辐散场的发展与耦合对中尺度系统的发展有很好的预示作用。低层中尺度辐合区的减弱预示着系统的衰减,西南偏西的中层相对干冷空气侵入并在梅雨锋前缘下沉促进了系统的衰减。

基于SMS的华中区域中尺度数值天气预报系统设计和实现

为满足华中区域对高分辨率数值预报的业务需求,华中区域中尺度数值天气预报系统于2014年4月1日业务运行。该系统以命令行方式提交和运行,存在监控管理不直观、故障难定位和处理复杂、运行效率低等问题。针对存在的问题,运用SMS(Supervisor Monitor Scheduler,监控管理调度系统)技术进行了流程化调度开发,构建了客户端/服务器结构的华中区域中尺度数值天气预报系统。新系统充分考虑各流程间的关联,将整个业务系统的运行过程串联为一个整体。相比原系统,其具有以下特点:可提供友好的图形化维护界面,整个运行流程结构清晰,能方便、快捷地定位和解决故障,大幅度提升业务系统的运行效率,较原系统整体运行时间缩短约35.4%,节约时间主要集中在数据获取、后处理与产品制作上。

2007年3月3-5日辽宁省暴雪和大风天气的中尺度分析

使用中尺度数值模式WRFV2.2.1对辽宁省2007年3月3—5日的暴雪和大风天气过程进行了数值模拟,结合10min一次的地面自动观测站资料和数字化多普勒天气雷达探测资料,研究了中尺度重力波的结构及其环境场特征,探讨了波动的激发机制。对流层上层中尺度重力波生成在350—250hPa(约9—11km),周期为2—3h,水平波长30—40km,波动沿水平方向传播约9h。地面气压扰动振幅约为2hPa,周期为2—3h,波动由西南向东北方向传播,方向与地面风向相反。沿波的传播方向,地面观测的逐时降水量呈波动特征,周期约为2h。对流层上层中尺度重力波减弱后,雷达降水回波强度出现显著的波动特征。对流层上层中尺度重力波生成在朝向脊区传播的高空急流出口区下方,300hPa环境场具有显著的切变不稳定特征。波动生成在理查逊数小于0.25的地区,在中尺度重力波生成的高度上,暖平流强,风速低,风切变大。中尺度重力波生成地区出现显著的不平衡气流,拉格朗日罗斯贝数大于0.7,水平散度倾向出现明显的大值,其中-▽w·V/z的量级明显大于其他各项,表明对流层上层重力波的生成及发展与环境场的显著风切变有关。

美国WRF模式的进展和应用前景

RF(WeatherResearchForecast)模式系统是美国气象界联合开发的新一代中尺度预报模式和同化系统 ,2 0 0 4年 6月对外发布了第二版和三维变分同化系统。这个模式采用高度模块化、并行化和分层设计技术 ,集成了迄今为止在中尺度方面的研究成果。模拟和实时预报试验表明 ,WRF模式系统在预报各种天气中都具有较好的性能 ,同时实现在线完全嵌套大气化学模式 ,不仅具有较好的天气预报水平 ,而且具有预报空气质量的能力 ,具有广阔的应用前景。

新一代天气研究预报模式WRF简介

本文介绍了美国新一代研究预报模式WRF系统的开发背景及主要功能；简要说明了WRF模式系统结构、动力框架和物理过程等特点，对系统运行环境及在PC机上安装的要点作了必要补充。

“0812”关中盛夏突发性暴雨中尺度特征分析

基于WRF模式多普勒雷达同化预报、1°×1°的NCEP再分析资料、云图TBB和本地加密观测资料,对2014年8月12日关中地区突发性暴雨过程("0812"暴雨)进行诊断分析。结果表明:同化C波段雷达资料能有效提升WRF对此次突发性暴雨的预报能力。受中高层北部冷空气侵入和低层冷式切变南压的影响,在"0812"暴雨期间,关中的北部和东部的地面切变辐合线附近先后出现了南北向和东西向的中β尺度重力波,波动持续约4 h、波长约60 km。当北部波动向南传播发展与东部波动合并之后,重力波快速消散,强降水结束。暴雨发生前,波动区的垂直上升速度、雨水含量中心强度和发展高度均迅速达到最大,陕北地区对流层中上部的正湿位涡显著向南下滑至关中上空,出现了有利于中尺度波动发展的湿位涡波列结构,暴雨中心近地层的正湿位涡和垂直梯度异常增大。200 hPa高空急流区南侧、关中西部垂直风切变显著增大及其东移南压为中尺度波动快速发展、传播提供了能量。500 hPa内蒙古中部天气尺度横槽发展东移、引导中低层偏北路冷空气南压,是突发性暴雨的直接影响系统。850 hPa的比湿突增为暴雨提供了热力、水汽条件。近地层显著东南风、不稳定扰动增大和地面切变线是暴雨的有利动力、触发条件;在地面切变线西端附近,3 h变压场出现显著中尺度波动特征。"0812"暴雨与典型盛夏暴雨差异明显:西太平洋副热带高压远离大陆、东南沿海无台风活动,关中低层出现西北路水汽输送,强降雨区周边700 hPa以上深厚位势稳定层结、近地层不稳定层结垂直叠置有利于重力波动发展传播,中尺度对流云团高度低,雷达强降水回波主要位于低层西北风和东北风之间的冷式切变区。

西安致灾短时暴雨中尺度与动力指数特征

基于同化多普勒雷达资料的WRF模式、地面加密观测、卫星云图和NCEP再分析资料等,分析总结2015年8月3日、2016年7月24日西安两次致灾短时暴雨过程环境条件、中尺度系统及动力因子指数特征。结果表明:关中处于稳定少动的西太平洋副热带高压西北边缘,上干下湿、午后低层大气超绝热状态,为短时暴雨提供了热力条件。西风槽与近地层切变线是暴雨直接影响系统。伴随冷锋过境,午后西北方向咸阳、铜川一带地面偏北风跃增是短时暴雨有利触发因子,强降水位于地面3 h正变压中心至东侧大梯度区附近。短时暴雨对流云团距离北部高空急流相对较远,无斜压叶状云系特征,降水对上升气流拖曳作用明显,云团TBB中心降至-65℃以下后,周边出现最大雨强。暴雨云团内部,霰粒子含量最大,冰粒子比其他粒子偏少一个量级以上,最强上升运动在霰粒子中心上方-30℃层附近、接近雪粒子中心;伴随整层雨水、霰和雪粒子含量5倍以上突增出现短时暴雨,雪粒子比雨水、霰粒子开始增多时段偏晚约1 h,其含量峰值与最大雨强同步。两次短时暴雨环境条件和中尺度特征差异明显。“0803”过程为切变线冷区暴雨,高空西风急流范围大、位置偏南,西太平洋副热带高压较弱,西风槽后偏北冷空气活跃,偏南水汽输送弱,关中地区中下层存在明显能量锋区和对称不稳定;云团内部冰相粒子明显偏多,雪粒子相对霰粒子占比偏高,冷空气入侵有利于冰相粒子快速生长;暴雨位于能量锋区和对流云团边缘、TBB最大梯度区附近。“0724”过程为切变线暖区暴雨,高空急流范围小、位置偏北,西太平洋副热带高压强盛,偏北冷空气弱,偏南水汽输送明显,关中地区中下层为位势不稳定;云团内部冰粒子偏少,雪粒子相对霰粒子占比低;暴雨位于对流云团内部、TBB中心附近。定义的垂直螺旋度指数VHI和散度垂直通量指数DVFI对暴雨落区预报具有较好的参考价值:大暴雨位于动力指数异常大值中心趋于集中且稳定少动的区域附近,动力指数小于200、中心分散且大值持续时间短的区域,降水不明显。

WRF模式对浙江2011年夏季降水和温度预报评估及其湿过程敏感性分析

检验评估是数值天气预报的一个重要组成部分,评估结果是模式改进及其产品解释应用的重要依据。利用全省1500多个包括区域自动站在内的站点观测资料,采用要素的空间分布、时间演变和统计检验3种方法评价了WRF模式对浙江省2011年夏季(6—8月)降水和温度的整体预报性能;在此基础上,进一步对比分析了不同湿过程参数化方案对梅雨典型过程的预报效果,探讨了不同微物理参数化方案和积云参数化方案对模式预报降水的影响。结果表明,WRF模式能基本预报出降水和气温的细致空间分布形态及整体演变趋势,对于主要降水落区、高温区具有较好的指示性;就浙江省区域平均而言,在实况出现较大降水期间模式预报误差较小,而在实况出现小到中雨期间误差较大,主要表现为降水量的高估和气温的低估;模式湿过程中积云参数化方案对降水影响明显,它可以导致整体雨带偏移,采用Betts-Miller-Janjic积云对流参数化方案的预报降水更接近实况。这些信息对改进模式的精细化预报能力和高分辨率数值产品的解释应用具有一定的参考作用。

WRF模式中的微物理过程及其预报对比试验

WRF(Weather Research Forecast)模式系统是由许多美国研究部门及大学的科学家共同参与进行开发研究的新一代中尺度同化预报系统。本文主要对公开发布的WRF模式V2.0版本中使用的微物理过程方案进行简单介绍,并在国家气象中心建立的与T213中期预报模式相嵌套的预报系统的基础上,对不同微物理过程方案进行了降水预报对比试验和检验,对各方案的降水预报性能进行初步评估。试验结果表明,总体预报效果LIN方案较好,而对流参数化方案从降水落区预报和对流降水对总降水的贡献两方面看则是KF和NKF方案的预报效果较好。

WRF模式对贵州地区一次冻雨过程的数值模拟研究

为探讨贵州地区冬季冻雨常见发生发展机制,本文基于中尺度数值预报模式WRF v4.0对2018年1月初发生在贵州地区的一次冻雨过程进行了高时空分辨率数值模拟,并利用全球预报系统输出的GFS分析场进行对比,通过对此次过程的动力结构及微物理过程的研究,结果表明,WRF中尺度数值模式输出的模拟结果可信度高,此次冻雨天气主要是在阻塞高压的大尺度背景场形势下,高空急流的动力机制触发贵州地区低压气旋发展,且北方冷空气的强盛入侵与南方暖湿气流在贵州区域结合形成准静止锋,产生了较强且稳定维持的对流活动,且由于贵州地区具有海拔高的复杂地形分布,进而造成了此次冬季大范围、长时间的冻雨天气过程,此次个例符合冻雨的经典“冷-暖-冷”温度层结机制。

2016年6月19日星子大暴雨过程的中尺度数值模拟分析及服务

利用NCEP再分析资料对2016年6月19日星子大暴雨过程进行了诊断分析，同时使用WRF模式对本次过程进行了数值模拟。结果表明：西太平洋副热带高压脊线稳定维持在21°N附近，副高北侧强盛西南气流将水汽向江南北部输送是暴雨产生和稳定维持的主要原因；强烈的上升运动和持续的水汽辐合为本次暴雨过程提供了动力、水汽条件。WRF模式能较好地模拟出暴雨的区域、中心、强度，超低空偏南急流的建立、发展和维持是这次连续暴雨过程产生的一个重要因素；整层水汽通量密集区的南北界位置和暴雨区南北界位置基本吻合，整层水汽的大值中心的范围和大暴雨中心的范围具有明显的正相关；水汽通量散度最大辐合中心为暴雨的产生输送了大量的水汽，水汽辐合中心与暴雨的落区有很好的一致性；WRF模式输出的θse结果表明强降水落区与假相当位温最大值区相对应。

基于WRF中国境内土壤湿度-降水耦合强度的诊断

借助中尺度模式WRF,以粗分辨率GLDAS资料统计出的强耦合2000年和弱耦合2005年夏季为代表时段进行高时空分辨率的模拟.结果表明,在周时间尺度内,土壤湿度-降水耦合强度在时间尺度为6 h时最强,除部分区域外,耦合强度随着时间的增加逐渐减弱.较强耦合区基本位于半干旱和半湿润区,包括山东、山西、河北、天津、北京、内蒙古中南部等,与统计结果一致.2000年夏季耦合强于2005年,但强耦合出现的月份以及空间分布均不固定,内蒙古中南部地区始终为中国夏季土壤湿度-降水共同强耦合区.由于时空分辨率的增加,发现一些零星分布的较强耦合区,而GLDAS统计结果中并没有出现.

城市热岛与海风锋叠加作用对一次局地强降水的影响

利用常规观测资料、天津255 m气象塔资料、多普勒雷达资料和VDRAS反演资料及中尺度TJ-WRF模式输出资料,对2010年8月16日天津城区出现的一次局地强降水过程进行分析,重点分析了城市热岛与海风锋叠加作用对此次局地强降水的触发机制。结果表明:此次局地强降水发生在低层槽后弱的反环流条件下,具有明显的γ中尺度对流降水特征;城市热岛效应能造成局地的热力不均匀,这对形成地面中尺度辐合线非常有利。海风锋由岸边向市区移动中与中尺度辐合线相遇,能激发局地不稳定能量的释放,从而产生强对流天气。城市热岛对海风锋的移动有明显阻挡作用;当海风锋移到城市热岛效应明显区域附近时,其后侧气流会出现明显分支绕流和爬升现象,而且两者相遇处的辐合上升运动会迅速加强.这为该地不稳定能量的释放及雷暴的发生发展提供了有利的动力热力条件。中尺度TJ-WRF模式可以很好地模拟出这一现象。