区域气候模式侧边界的处理对东亚夏季风降水模拟的影响

在区域气候模式模拟中，侧边界的作用是引入大尺度强迫场。如何处理好侧边界，即大尺度强迫场和区域气候模式本身之间的关系问题，对于区域气候模式模拟和预报东亚夏季风降水具有重要意义。本文利用美国纽约州立大学Ａｌｂａｎｙ分校的区域气候模式（ＳＵＮＹＡ－ＲｅＣＭ），设计了两种不同的侧边界处理方法，来探讨侧边界对东亚夏季风降水模拟的影响。驱动区域模式的大尺度强迫场来自欧洲中期天气预报中心（ＥＣＭＷＦ）及热带海洋大气研究计划（ＴＯＧＡ）的分析资料场。试验结果表明：（１）当模式的区域较大时，采用较小的侧边界缓冲区会在缓冲区与模式内部的交界处产生不连续；扩大缓冲区并且考虑不同尺度强迫在垂直方向上的不同作用，可以避免这一缺陷。（２）更重要的是采用后一种方案，即减少了区域气候模式在模拟大尺度环流场方面所起的作用，使得模式更多地依赖侧边界来得到更真实的、对东亚夏季风降水起重大影响的一些气流，如副高、西南季风和南海季风，对东亚夏季风降水无论是在大小上还是在雨带位置的演变上都能进行更好的模拟。

区域气候模式中侧边界地形缓冲区作用的数值试验

利用区域环境系统集成模式以1998年夏季为例,通过数值试验研究了侧边界地形缓冲区对区域气候模拟结果的影响。结果表明,设置侧边界地形缓冲区使模拟场和观测的均方根误差都有所减小,区域平均中尺度动能也减小,从而有利于维持区域模式长期积分的稳定性。设置地形缓冲区并不改变模拟降水分布格局,但对主要降水区各降水时段降水强度的模拟有不同程度的改进。

TRAMS_RUC_1 km模式初始场和侧边界方案的改进研究

本文从垂直分辨率、时间更新频率和要素完整性三个方面,对水平网格距为1 km的华南区域短时临近预报模式(TRAMSRUC1 km:Tropical Region Assimilation Model for South China SeaThe Rapid Update Cycle1 km)中的初始场和侧边界方案进行改进研究。首先选择一次华南飑线个例进行敏感性试验,研究结果表明:(1)提高初始场和侧边界的垂直分辨率以后,模式对飑线内部中小尺度对流系统引起的强降水中心的模拟结果明显更加接近实况,而增加中低层的垂直分辨率对预报的改进起到了主要作用。(2)将模式侧边界时间更新频率从6 h一次提高到1 h一次以后,模式侧边界要素场的逐小时剧烈变化信息可以比较完整的保留下来。在使用高时间分辨率的侧边界条件进行模拟时,粤西沿海地区的水汽辐合明显加强,这对原来模式预报飑线移速偏慢现象会有改善作用。(3)当模式侧边界条件具有较高的时空分辨率时,进一步补充垂直速度和云微物理变量的侧边界条件对于飑线模拟结果的影响并不明显。总的来说,提高初始场和侧边界的垂直分辨率以及增加侧边界更新的时间分辨率,对于区域高分辨率模式对这次华南飑线预报效果的改进具有重要意义,而忽略垂直速度和云微物理量的侧边界条件则是一种可以接受的简化。在个例研究的基础上,利用改进后的初、边界条件进行为期一个月(2019年4月份)的批量试验,评估结果表明新方案对于逐小时降水空间分布和日变化特征的模拟均有明显改善。

侧边界融化对北极海冰影响的数值模拟

对NCAR CSIM5海冰模式中海冰侧边界融化参数化方案进行了详细阐述,并利用CSIM5模式模拟了侧边界融化对北极海冰厚度和海冰面积变化的影响,试验结果表明:(1)侧边界融化热力过程会加快海冰的消融,使得海冰厚度和面积相应减少,其中海冰厚度减小最明显的区域分布在西伯利亚海和格陵兰海,海冰面积减小最明显区域分布在海冰边缘地区;(2)侧边界融化过程对夏季海冰厚度影响比冬季更为明显,而对冬季海冰面积的影响要比夏季更为明显;(3)侧边界融化方案能更好地模拟出海冰面积的季节性变化;(4)海水表面温度(SST)是影响海冰侧边界融化过程的重要因子,侧边界融化率的大值区分布在SST零度线附近的狭窄区域。

运动侧边界海洋问题的自适应网格模拟方法

文中给出了普遍形式的变动界运动学条件，通过对其进行的量阶分析可知，在宽阔潮间带少域采用该条件是必要的．推导出了任意运动曲线坐标系下普遍适用的二维浅海流体动力学方程组和可变边界运动学条件，从而方便地采用随岸界的运动而自动伸缩的自适应网格方法，来模化具有运动边界的浅海动力学问题．用此模型数值模拟了１９６９年的一次风暴潮。

区域气候模拟中侧边界嵌套误差的研究

在复杂地形条件下嵌套细网格模式的基础上 ,建立了与球圈模式相嵌套的区域模式系统 ,对几种不同条件下的嵌套误差进行了比较分析 ,研究了区域模式嵌套误差的特征分布及时空演变特征。初步分析表明 :区域模式嵌套造成的误差在不同区域的分布不同 ,且不同的物理量在时空的分布也不同 ;动能场的误差主要在边界区上层的流入区 ,感热场的误差在边界区上层 ,水汽的误差在边界区上层的流入区 ;侧边界输入时间间隔对模式嵌套误差有一定的影响。有限区细网格模式在上层长波误差大于粗网格环圈模式上层误差 ,在下层短波模拟的误差比粗网格环圈模式的下层误差要小。相速误差对侧边界嵌套误差的影响在下层很严重 ,嵌套误差的大小与大小模式的网格距之比有关 ;在大小模式物理参数化过程一致的条件下 ,无日变化的区域模式其嵌套误差远大于有日变化的区域模式嵌套误差。

基于海洋对陆地影响的海岸带陆侧边界确定方法

海岸带是全球人口经济集聚的地区,也是生态环境监管关注的焦点区域,但目前各国对海岸带空间范围的界定并未达成共识。以建立科学、统一的海岸带空间边界为目标,以海洋对陆地作用确定海岸带陆域范围为基本思路,选择海岸侵蚀、海平面上升、风暴潮增水、台风影响、土壤盐渍化、地下水咸化半咸化、河口区咸潮上溯等自然生态过程,总结了各类过程对陆地的影响范围,提出以各类过程对陆地最大影响距离作为海岸带陆侧边界的思路,并以天津市海岸带为例,划定了天津市海岸带陆侧边界。建议制定技术指南,指导各省(自治区、直辖市)研究划定海岸带陆侧边界,统筹确定全国海岸带陆侧边界一张图,进而统一海岸带调查、研究、规划、监管的空间基础。

有限区域模式侧边界处理方案的比较试验

用中尺度模式（ＭＭ５）与国家气象中心全球谱模式相嵌套，比较了三种侧边界处理方案对１９９７年３月华东地区２７个测站地面要素预报质量的影响，发现不同侧边界条件对内域预报质量的影响存在一定的差异。

有限区域模式侧边界对预报结果影响的试验研究

本文对固定侧边界、辐射侧边界及实测可变侧边界进行了对比, 发现采用实测可变侧边界后,形势预报有较明显的改进。因此,一旦机器条件许可,加入更好的侧边界处理方案或着手发展粗细网格嵌套的套网格模式,这样的想法是可取的。

区域气候模式RegCM3初始和侧边界条件的敏感性分析

不同初始和侧边界条件的选取对区域气候模式的模拟结果有着直接影响。本文分别采用NNRP1和ERA40两套应用广泛的全球再分析资料作为区域气候模式RegCM3的初始场和侧边值,采用20km水平分辨率和An thes-Kuo积云对流参数化方案对海河流域1998年夏季(6—8月)降雨和温度进行了模拟。结果表明:两套资料驱动下模式都能够模拟出海河流域降雨和温度的大尺度空间分布特征。从降雨中心、高(低)温中心位置和分布范围上,使用ERA40资料要好于NNRP1资料;从不同时间(日、月、季)尺度站点降雨和温度模拟与观测值上,ERA40资料也好于NNRP1资料,但两套资料驱动下对降水极值过程模拟效果均不理想。就本次模拟而言,ERA40再分析资料的可信度更高,更适合海河流域气候变化的数值模拟研究。

GRAPES区域集合预报两种侧边界扰动方法对比试验

中国气象局数值预报中心自2014年建立了区域集合预报业务系统,其使用的侧边界扰动由全球集合预报系统动力降尺度得到。为深入了解侧边界扰动对区域集合预报的影响,基于15 km水平分辨率的区域集合预报模式,使用动力降尺度方法和尺度化滞后平均法(scaled lagged average forecasting,SLAF)设计构造了两种侧边界扰动方案,并开展了2015年7月共6天的集合预报试验,利用集合均方根误差、集合离散度、连续分级概率评分、离群值、Brier Score及相对作用特征曲线面积等概率预报检验方法进行了多方面检验,分析了两种侧边界扰动方案对区域集合预报质量的影响。结果表明:动力降尺度侧边界扰动方案(DOWN)的扰动总能量在各垂直层次均大于SLAF方案,使得边界上前者的离散度大于后者,集合扰动增长更为合理;对于等压面要素和地面要素,DOWN方案的离散度、Outlier、CRPS等评分优于SLAF方案,反映了DOWN方案构造的侧边界扰动更加合理;在降水概率预报技巧方面,SLAF方案在评分上具有一定优势,但评分的提高没有通过显著性水平检验,因此认为两种方案对降水预报的改进基本相当。

不同大尺度强迫条件下考虑初始场与侧边界条件不确定性的对流尺度集合预报试验

研究了不同大尺度强迫条件下的暴雨个例中,考虑不同尺度特征的初始扰动与侧边界扰动相互作用构造对流尺度集合预报的可行性,为进一步构建"自适应"于不同强对流天气的对流尺度集合预报系统提供依据。结果表明,在大尺度强迫显著的个例1中,以大尺度扰动信息为主的动力降尺度的增长趋势较集合转换卡尔曼滤波(ETKF)更为显著,且总扰动能量在预报中后期超过集合转换卡尔曼滤波,而在大尺度强迫较弱的个例2中,集合转换卡尔曼滤波扰动能量始终高于动力降尺度。此外,当大尺度强迫显著时,初始扰动与侧边界扰动相匹配会产生相互促进的作用,而不匹配时初始扰动会在预报中后期抑制侧边界扰动的发展,当大尺度强迫较弱时,即使是互相间不匹配的初始扰动与侧边界扰动也能在大部分预报时段起到相互促进的作用,说明初始扰动与侧边界扰动的相互作用机制不仅与天气形势相关,也与二者是否匹配挂钩,另外,扰动的发展特征同样依赖于天气形势;从集合离散度的角度来看,当大尺度强迫明显时,侧边界扰动的作用会在更短的时间内取代初始扰动,从而对离散度起到主导地位;两种初始扰动方法相比,集合转换卡尔曼滤波在多数情况下对总离散度的贡献均大于动力降尺度;从降水量预报及概率预报情况来看,大尺度强迫明显的个例可预报性更高,且各集合成员间的差异较小,大尺度强迫较弱的个例则相反,且当两种初始扰动方案与侧边界扰动相结合时,较仅侧边界扰动均有一定提高。

动力数值模式侧边界强迫的改进试验

通过修正嵌套模式侧边界缓冲区温度强迫项的计算方法,使区域气候模式所刻画的温度日变化信息与不同下垫面区域的天气变化规律相符合。进而利用数值模式ASRegCM研究了侧边界缓冲区温度强迫的改进处理对嵌套模式模拟效果的影响,并讨论了其对模拟结果改进的可能机制。数值试验结果表明,该侧边界缓冲区强迫的改进对地面气温和降水距平分布的影响并不明显,但对二者强度的模拟有一定程度的改进,其中地面降水距平量级的改善尤为明显。机理探讨结果认为,模拟效果的改进首先源于侧边界修正处理对原有地面气温波动振幅的放大,其次是侧边界修正处理后地面气温时间演变的模拟中增加了周期为7～10d的经向和纬向低频波动分量,两者的综合效应抑止了不稳定的对流性降水过程,增加了连续性的非对流性降水,削弱了数值模式中热带和亚热带地区积云对流与非对流云之间的不稳定。

侧边界对内长波传播影响的数值模拟

利用修正的非线性水平二维Lynett—Liu内长波数值模式,模拟了小振幅孤立子内波进出水道口的传播过程,及其穿过狭窄水道的衍射过程。通过分析孤立子内波垂向波形和水平二维纹理图像随水道口的形状及开阔水域宽度的变化,研究了侧边界对孤立子内波传播所产生的影响,并与卫星遥感图片进行了对比。

风暴尺度集合预报最优侧边界条件扰动方法设计:个例分析

考虑到全球预报模式与风暴尺度预报模式在分辨率上的显著差异,在构造风暴尺度集合预报系统的时候需要用一个中间分辨率的中尺度区域模式为风暴尺度模式提供侧边界条件扰动,但如何构造侧边界扰动才能更为有效地提高风暴尺度集合预报系统的预报能力目前仍然未知。本文基于WRF模式,通过一次个例试验设计了风暴尺度集合预报中的3种不同侧边界扰动方案,结果表明:直接通过0.5°水平分辨率全球集合预报扰动插值所得到的侧边界扰动(LBC_DOWN)在预报中可以获得较高的大尺度扰动能量,而在中尺度区域模式(本文中为模式外层)中通过ETKF循环所构造的侧边界条件扰动(LBC_CYCLE)包含较高的中小尺度能量,而将LBC_CYCLE中的中尺度扰动信息与LBC_DOWN中的大尺度扰动信息相混合所得到的混合侧边界扰动(LBC_BLEND)在大尺度能量上更接近于LBC_DOWN,在中小尺度能量上更接近于LBC_CYCLE;LBC_BLEND较前两种方案有着更好的离散度技巧表现;在降水概率预报技巧方面LBC_BLEND与LBC_CYCLE较为接近,且均优于LBC_DOWN。

不同初始场及侧边界对台风路径数值预报的影响

利用T213L31及T106L19所提供的初始场及侧边界就不同初始场及侧边界对台风路径数值预报的影响进行了敏感性试验。试验结果表明,从总体平均距离误差来看,初始场及侧边界的改进可以明显提高台风路径数值预报能力。通过不同的初始场及侧边界的相互组合(T106L19的初始场及侧边界;T106L19的初始场、T213L31的侧边界;T213L31的初始场、T106L19的侧边界;T213L31的初始场及侧边界),对不同类型的台风路径预报、对初始场及侧边界的敏感性进行了初步试验。结果表明:非转向阶段的台风对初始场较为敏感,而转向阶段的台风对侧边界及初始场都很敏感。

TC2对晨侧边界层高能电子暴投掷角的测定(英文)

通过对TC2卫星的科学数据分析,发现2005年5月15日磁暴期间,在北半球晨侧边界层,高能电子暴间歇性地出现。TC2上的载荷测得的数据表明在这些高能电子的投掷角与当地磁场成90°的夹角。

二维方柱绕流的人工侧边界数值研究

为研究人工侧边界条件对数值模拟计算的阻塞影响 ,选用无穷域中的二维不可压缩方柱绕流问题 (Reynolds数为 10 0 )作为算例 ,使用混合的中心、迎风格式的有限体积差分方法 ,分别在 4种侧边界条件的多种阻塞参数下进行计算 :Dirichlet边界 ,Neumann边界 ,对流边界和无摩擦壁面边界。给出并验证了 Strouhal数和阻力因数在不同阻塞参数和人工侧边界条件下的变化规律 ;还给出了不同人工侧边界条件下可以忽略侧边界影响的阻塞参数范围以及对 4种人工侧边界条件进行的比较结果。主要结论是 :相同的阻塞情况下 ,对流边界和无摩擦壁面边界优于其它 2种边界条件 ;对一般计算条件而言 ,侧边界间距应当至少为障碍物特征尺度的

不同侧边界方案对正压原始方程组预报效果的比较研究

在有限区域的数值预报中:针对所要预报的区域,应选用较好的侧边界处理方法,以便使由于侧边界处理所引入的误差在预报期间尽可能达到最小.因此,对正压原始方程模式嵌入3种侧边界处理方案:固定边界条件;海绵边界条件;无梯度边界条件.为了探讨缓冲区的问题,设计了2种方案:方案A:以(38.75°N,78.75°E)为中心的区域60×120格点模拟后,除去最外5圈输出结果.方案B:以(38.75°N,78.75°E)为中心的区域50×110格点模拟后,直接输出结果.比较了2种方案嵌人不同的侧边界对正压原始方程模式模拟同一区域位势高度场的影响.获得了一些有意义的结果:①A方案嵌入固定边界条件和海绵边界条件预报效果都比无梯度边界条件的好,最好的是海绵边界条件.②B方案嵌入固定边界条件和海绵边界条件预报效果都比无梯度边界条件的好,最好的是固定边界条件.③方案A优于方案B.

多段翼型风洞侧壁边界层的数值模拟

文中采用CFD数值方法,对相对厚度为17%的GAW-1多段翼型进行了侧壁边界层的数值模拟,并与西工大NF-3低速风洞的实验结果进行了比较。结果表明:对于NF-3翼型测压实验而言,当攻角小于4°时,风洞侧壁边界层对翼型展向的影响可忽略;当攻角大于4°时,风洞侧壁边界层对翼型中间剖面的流场影响必须加以控制和修正;并验证了NF-3风洞侧壁边界层吹除控制系统可以有效控制侧壁边界层的干扰,改善和提高翼型的气动特性。