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。

积云参数化和分辨率对MJO数值模拟的影响

用中国科学院大气物理研究所发展的一个大气环流模式,使用不同的积云参数化方案和分辨率进行了6个模拟试验,考察了积云参数化方案和模式分辨率对热带大气季节内振荡(MJO)模拟的影响。结果显示:积云参数化方案和分辨率都会影响MJO的模拟。但积云参数化方案决定了模式对MJO模拟的基本能力,决定了模拟的MJO的基本特征。分辨率的变化并不能使模拟的MJO发生本质的改变,分辨率的作用更多的是对MJO的模拟起一定的调制作用,而这种调制作用又受到积云参数化方案的制约。在改进积云参数化方案的基础上提高模式的分辨率会在某些方面改善MJO的模拟。但是分辨率的提高需要同时提高水平分辨率和垂直分辨率,单独提高水平分辨率会降低模式模拟MJO的能力,引入更多的小尺度的高频扰动。非绝热加热垂直廓线对模式模拟MJO有重要的影响,而非绝热加热廓线很大程度上取决于所使用的积云参数化方案。模式水平分辨率的变化不会对加热廓线的结构产生明显的影响,而垂直分辨率的变化会对加热廓线的垂直结构产生一定的调制作用,进而对模拟的MJO起到调制作用。

中尺度模式积云参数化方案的改进及其在暴雨模拟中的应用

本文针对中国暴雨发生发展天气特征,改进和发展了一种适合于描述东亚暴雨的中尺度积云参数化方案.首先基于近年来(1990—2010)江淮流域汛期降水合成分析的基础上,诊断出组织化对流降水环境的动力参数;其次利用该动力参数作为动力控制条件,改进了Kain-Fritsch Eta中尺度积云对流参数化方案;最后利用改进的中尺度积云参数化方案对梅雨期暴雨、华南前汛期暴雨过程进行了数值模拟,结果表明:改进后的中尺度积云参数化方案对上述两次暴雨过程的落区及强度的模拟,均有明显改进.

低纬高原上中尺度模式的积云参数化方案研究

在低纬高原上的中尺度数值模式研究中 ,积云参数化方案的设计是极其重要的 ,而垂直加热廓线和增湿系数的方案设计是Kuo型积云参数化方案中两个重要的问题。本文从垂直加热廓线和增湿系数的角度设计了多种改进的Kuo型积云参数化方案进行数值试验。试验结果表明 ,垂直加热廓线采用位温法 ,增湿系数采用指数型定义法的Kuo型改进方案较适合云南低纬高原上的中尺度数值模式 ;低纬高原上的增湿系数比我国东部沿海及一些平原地区要大 ;在改进积云参数化方案的基础上考虑低纬高原地形的影响 。

MM4模式积云参数化方案的改进和检验Ⅰ: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

区域气候模式对不同的积云参数化方案在青藏高原地区气候模拟中的敏感性研究

本文使用MIROC3.2_hires模式输出资料作为RegCM3(The ICTP Regional Climate Model,V3.0)初边界资料,对RegCM3中常用的3种积云参数化方案Anthes-Kuo(AK)、Grell-Fritsch & Chappell(GFC)和MIT-Emanuel(MIT)方案在青藏高原地区的降水和气温模拟结果进行比较,检验了不同参数化方案在高原地区气候模拟的敏感性。结果表明,AK方案相对于GFC和MIT方案均较好地再现了气温和降水的时、空分布主要特征,就偏差大小而言,AK方案最接近观测,GFC方案次之,MIT相对较差,但3种方案模拟的温度均存在一个系统性的冷偏差。AK方案在空间分布特征和区域平均的年际变化特征上更接近于观测,但模拟的多年平均温度在高原大部分地区仍存在一个系统性冷偏差,尤其在高原主体冷的偏差约达4℃;而在塔里木盆地和准噶尔盆地则偏高约2℃;青藏高原南部冷偏差大于北部,年际变率较观测值略小。降水的模拟结果则表明,在高原主体部分较观测偏多0～6mm/d,高原北部降水模拟偏多而南部偏少,降水年际变率也略小于观测值。因此,就年、季、月尺度而言,积云参数化方案对中尺度区域气候模式的模拟结果产生的差异并不敏感。另外,RegCM3相对MICRO3.2_hires显著改进了GCM的模拟结果,尤其对地形复杂的天山、塔里木盆地、准噶尔盆地、昆仑山、冈底斯山脉和高原东南部地区的温度和降水细节上的刻画要明显好于GCM模拟结果,表明区域气候模式在青藏高原地区具有较好的降尺度作用。

一个适合青藏高原地区的修改了的郭型积云参数化方案

本文利用复杂地形条件下的有限区域模式和1979年6—7月的FGGEⅢb级资料,首先检验了原修改了的郭型积云参数化方案(下称原方案)在青藏高原地区的预报效果。然后根据其存在的问题,结合该地区积云活动的特点,应用修改了的Krishnamurti多元回归方法,考虑中尺度水汽辐合,由该地区的散度、层结稳定度拟合了增湿系数b和中尺度水汽辐合参数η(下称新方案)。最后用新方案作了9例24小时预报和诊断分析。 结果表明:原方案在高原地区的降水预报明显偏大;而新方案改进了高原和我国东部地区的降水及形势场的预报。同时,高原地区的增湿系数b和对流加热、增湿垂直廓线也更为合理。

微物理过程和积云参数化方案对海南岛秋季暴雨模拟的影响

利用WRF(ARW)V3.6模式模拟了2010年10月5—6日发生在海南的一次秋季大暴雨过程,从降水、风场、反射率和云结构等方面分析WRF模式中3个积云参数化方案(KF,BMJ,Tied Tke)和4个微物理参数化方案(Lin et al,WSM5,WSM6,Thompson)对海南岛秋季暴雨模拟的影响。结果表明:此次秋季暴雨过程模拟对不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合是比较敏感的,不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合通过调整温湿场结构,从而影响模拟降水的时间、强度和落区。对比发现,Thompson微物理方案的组合对于降水量级的模拟更为敏感,能较合理的描述暴雨发生发展过程中的水汽输送、热力和动力条件,并通过影响雨水混合比和云水混合比的高度和大小从而影响降水。其中Thompson微物理方案和Tied Tke积云方案的组合能较好的模拟出本次暴雨过程的特征,与实测最为接近,该组合模拟的最大垂直速度和反射率区与最大云水混合比对应。另外,积云方案和微物理方案的选择不影响水汽混合比的模拟。

积云参数化方案中云底质量通量的限制及在高分辨率模式中的应用

对SAS积云参数化方案中的云底质量通量进行限制并将其应用到华南区域高分辨率模式降水预报中,分别对强对流个例和弱对流个例进行模拟和比较,分析了限制云底质量通量之后的积云参数化方案对模式降水预报的影响,并探讨了不同大小的云底质量通量限制对预报结果的敏感性。试验结果表明,对积云参数化方案进行闭合时采用不稳定能量释放假设要比原来的准平衡闭合假设更适用于中小尺度模式。对积云参数化方案的云底质量通量进行限制以后可以有效地消除对流参数化在高分辨率模式中引起的虚假降水,同时又能够合理地引入一些次网格尺度的弱对流的影响,从而改进模式的降水预报效果。敏感性试验结果表明,随着云底质量通量限制程度的变弱,对流参数化方案对模式降水预报的影响会逐渐增强;在一定大小范围内的云底质量通量限制下,强对流个例的总降水量预报结果对于不同大小的限制不如弱对流个例敏感。对两种不同的云底质量通量限制方式进行比较发现,在云底质量通量较大时完全关闭对流参数化方案可以更有效避免对流参数化引起的虚假降水。

特殊地形下对WRF模式积云参数化的研究应用

以发生在地形复杂的四川地区2012年07月03日暴雨为个例,从环流形势、水汽通量和云微物理量3方面具体研究WRFV3.3版本模式7种积云方案对暴雨模拟的效果,结果表明:BMJ方案和KF方案模拟降水效果好于GD和G3D方案,TS评分表明BMJ方案和KF方案得分要远远高于其它方案,GD和G3d方案得分最低.云水混合比与雨水混合比的含量高低直接影响模式预报降水量强度,高层大气模拟值的大小对降水量预报起着主要作用.除KF方案以外,其它积云方案模拟的云水混合比发展要早于雨水混合比,随后两者几乎同步发展,云水混合比和雨水混合比值迅速增长后,降水落区和降水范围迅速扩大.最终结果表明在四川地区利用WRF模拟暴雨,积云参数化方案考虑使用KF和BMJ方案,不使用GD和G3d方案.

高分辨率模式中积云参数化方案对模拟台风“凡亚比”的影响

在高水平分辨率模式(3～6km)中,对于是否应该再使用积云参数化方案,仍存在着争论。为此,利用WRF模式,在5km水平分辨率下,研究了不同云降水方案对一次台风过程模拟的影响,并对影响原因进行了初步探索。结果表明,即使在5km高水平分辨率下,使用积云参数化方案仍能有效改善对台风路径的模拟,同时,成熟的混合冰相微物理方案对模拟台风路径也非常重要;对台风强度模拟,对积云参数化方案的选择较为敏感和复杂;在48h预报时效内,只使用微物理方案模拟的降水较好,使用积云参数化方案容易产生较多的虚假降水,但能改善第3天24h累积降水模拟。这些研究结果为利用高水平分辨率模式模拟台风和改进积云参数化方案提供一定借鉴。

梅雨锋暴雨预报对分辨率与积云参数化的敏感性

利用WRF V4.1.3模式和ERA5再分析资料,对2020年7月7日发生在华中地区的一次梅雨锋大暴雨天气过程进行了分析和数值模拟试验,探究了不同垂直和水平分辨率组合对降雨模拟效果的影响,在此基础上考察了3 km水平分辨率时,是否采用积云参数化方案对降雨模拟效果的影响,结果表明:各试验模拟的中低层环流形势、雨团特征、雨带分布基本与实况一致,但不同试验之间也存在一定差异;选定3个降水大值区,分析了逐小时降水演变发现,无论是降水峰值出现时间还是峰值强度,各试验的模拟结果与实况均有较大偏差,其中水平分辨率相同和积云参数化方案相同的试验的结果比较接近;TS、ETS、BS和SAL评分显示,3 km试验的模拟结果总体要优于12 km试验,说明提高模式的水平分辨率可改善降水预报效果;在3 km分辨率时,不考虑积云参数化方案明显降低了预报技巧,且对大暴雨预报的降低程度更大,但对于不同阈值的降水预报,积云参数化方案的影响不同;改变垂直分辨率对预报技巧的影响不如改变水平分辨率和是否使用积云参数化方案显著;3 km水平分辨率的模式中采用积云参数化方案能显著提升对降雨强度的预报技巧。

积云参数化方案对夏季东亚季风区海气系统位相关系模拟的影响

本文利用区域海气耦合模式RegCM-POM,分别选取Grell积云参数化方案和Emanuel积云参数化方案对北半球夏季(5—10月)的东亚气候进行模拟,研究不同积云对流参数化方案(CPS)对东亚夏季季风区海气系统位相关系模拟的影响。结果表明:不同CPS模拟的陆地降水具有一定的不确定性,而海洋降水和海温的模拟受CPS选择的影响更大。其中,Emanuel方案对海洋降水和海温的分布形势模拟总体上要好于Grell方案,且可以更好的模拟中国近海各海区的海气系统位相关系,特别是大气对海温的负反馈过程。原因在于Emanuel方案模拟的对流降水与海温的位相关系更接近观测总降水与海温的位相关系;而Grell方案对南海和孟加拉湾的对流降水模拟偏少,对黑潮对流降水的模拟偏多,错误地模拟了这几个海区积云对流过程发挥的作用,故其模拟的海气系统位相关系不如Emanuel方案。

积云参数化对0613号台风“珊珊”数值模拟的影响研究

使用W RF的ARW动力核心模拟台风"珊珊",以研究各种积云参数化方案对于台风路径,强度和降水分布等的影响。研究表明,环境场对积云参数化的选取不敏感,积云参数化对台风的强度和路径模拟有明显的影响,KF方案模拟的台风强度较强,增强过程明显,后期移速偏快。KF和BM J对降水的模拟较好,GD方案不够理想。

多积云参数化方案热带气旋路径集合预报试验

利用MM5模式采用5种积云参数化方案选项研究了2004～2006年共8个热带气旋路径的集合预报。结果表明，热带气旋路径预报对积云参数化方案的选取是敏感的，积云参数化方案之间优劣互补，而选择无积云参数化方案选项对热带气旋路径的预报有积极的贡献。采用3种路径集合预报方案研究的结果表明，集合方法对热带气旋路径预报有明显的改善，其中无积云参数化Grell、Betts—Miller和Kain—Fritsch4种积云参数化方案选项组合的集合预报效果最好，平均路径误差最小。

积云参数化和微物理方案不同组合应用对台风路径模拟效果的影响

利用美国国家环境预测中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)和国家大气研究中心(NCAR)联合研发的天气研究和预报模式(Weather Research and Forecasting Model,WRF),研究了不同积云对流参数化方案和微物理过程方案对0514号台风"彩蝶"路径的影响。结果表明,积云对流参数化方案对台风路径影响较大,KF方案比BM方案能更好地模拟出台风路径;使用KF方案时,选择微物理方案比不选微物理方案对于台风路径有更好的模拟结果,其中,Ferrier、WSM6和Lin非常接近于实况;KF方案较好地模拟出副热带高压(简称副高)的西伸和东退的变化以及台风环流的风场分布和强度。

积云参数化方案对热带降水年循环模态模拟的影响

本文利用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(LASG)发展的大气环流模式(SAMIL),采用Zhang-McFarlane(ZM)和Tiedtke(TDK)两种积云对流参数化方案,讨论了积云对流参数化方案对热带降水年循环模态模拟的影响。结果表明,两种积云对流参数化方案均能合理再现热带降水年循环模态的基本分布特征。SAMIL两种对流方案中热带太平洋地区的春秋非对称模态偏差较大,印度季风以及北澳季风区季风模拟强度偏弱,西北太平洋季风以及非洲季风、美洲季风模态偏强。SAMIL两种参数化方案模拟的季风模态偏差主要来自于模式对北半球夏季西北太平洋降水的模拟。西北太平洋夏季,SAMIL两种参数化方案的对流层温度低层偏暖,高层偏冷,如此造成的对流不稳定是西北太平洋对流异常偏强,降水偏多的原因之一,同时模式中经向温度梯度模拟偏低,直接影响到东亚副热带西风急流偏弱,是急流出口区右侧的西北太平洋对流异常的动力条件。两种参数化方案的差异主要体现在ZM方案中的西北太平洋地区季风模态降水强于TDK方案,ZM方案低层比湿明显强于TDK方案与观测,是ZM方案夏季西北太平洋季风降水强于TDK方案与观测的重要因子之一。西北太平洋地区温度和湿度场的改进是SAMIL后续发展过程中需要重点解决的问题之一。

中尺度模式中各种积云参数化方案的对比试验

利用非静力中尺度MM5数值模式,选择Anthes-Kuo、Grell、Kain-Fritsch和Betts-M iller 4种积云对流参数化方案,对2003年7月25—26日台风登陆减弱为中尺度低压系统后影响云南产生的强降水过程进行模拟试验,重点分析了4种参数化方案模拟的降水分布、降水强度和中尺度低压的流场特征。结果表明:4种积云参数化方案对这次强降水过程均有一定的模拟能力,能够很好地模拟过程强降水中心的位置,但Grell、Kain-Fritsch和Betts-M iller 3种方案模拟的大雨范围比实况大雨范围明显偏小,Betts-M iller方案模拟的降水强度比实况偏大,Anthes-Kuo方案的模拟结果与实况比较接近,它不仅能够很好地模拟强降水过程的降水区范围、降水强度和降水中心位置,还能很好地再现低压环流系统的一些中尺度特征。

基于随机物理过程扰动的BMJ积云参数化方案对降水集合预报的影响

基于ARPS模式和随机物理过程参数化扰动(stochastically perturbed parameterization)方法,通过10个2018年6—7月间的降水个例,讨论了针对BMJ积云降水参数化方案下不同参数化扰动方式对降水预报的影响。扰动方式包括扰动BMJ方案的温湿倾向和扰动BMJ方案的温湿参考廓线。试验的结果表明BMJ方案在华东区域的降水预报中存在湿偏差,即预报的降水事件多于相应的观测事件。这一偏差在系统性增加参考廓线湿度后仍然存在。BMJ方案对不同扰动方式的响应存在较大差异。扰动BMJ方案的温湿倾向对降水预报的影响较小,且集合离散度低。扰动BMJ方案的温湿参考廓线对降水预报影响显著,能够大幅增加集合离散度,其中对称的BMJ参考廓线扰动对预报技巧评分改进有限,原因是小雨的湿偏差有所增加,而非对称的BMJ参考廓线扰动(扰动均值大于1.0)能够有效提高预报技巧评分并降低湿偏差。此外,非对称扰动大幅改善了BMJ降水预报初期(0~3 h)的空间分布形态,并且改进了夜间降水预报的强度。非对称扰动评分较高的原因是减少了原BMJ方案在降水预报初期的的大范围虚假预报,避免了大气湿度的大范围下降,保障了预报后期的强降水预报能力。而BMJ方案温湿倾向量级较小则是造成倾向扰动方法效果不明显的重要原因。

GRAPES中尺度模式中不同积云参数化方案预报性能对比研究

利用我国新一代中尺度数值模式GRAPES_Meso,采用KFeta和BMJ两种积云对流参数化方案,对我国2009年冬季(1月)和夏季(6—8月)天气进行批量回报试验。回报试验结果表明:在冬季,两种方案对GRAPES_Meso模式的预报性能影响差异较小。在夏季,两种方案对模式回报效果的影响表现明显。在低层BMJ方案对形势场的回报性能略优于KFeta方案,中层则是KFeta方案明显优于BMJ方案,而在高层KFeta方案略优于BMJ方案。TS评分检验表明KFeta方案对降水的预报总体上优于BMJ方案,特别是中雨到暴雨量级在华南地区KFeta方案有明显的优势。两个方案预报积云降水平均贡献率的空间分布差异主要表现在低纬度洋面上,BMJ方案的贡献率比KFeta方案大。两个方案积云降水贡献率的概率分布形态在小雨量级上都呈陡峭的"U"型分布。KFeta方案随着降水量级的增大逐渐向大贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是积云降水的贡献;而BMJ参数化方案则是随着降水量级的增大逐渐向小贡献率偏移,特大暴雨量级时基本上是格点降水的贡献。