WRF模式中不同积云对流参数方案在四川地区试验研究

首先对WRF模式和积云对流参数化方案进行简要介绍,并采用该模式中六种不同积云对流参数方案对四川地区降水个例进行数值模拟,分析模拟结果并分析出针对四川复杂地区降水模拟效果最好的积云对流参数方案,旨在为WRF模式在四川地区的应用提供一定的参考价值。结果表明,从总体预报效果上来说,BMJ方案较好,其次是TS方案和KF方案。BMJ方案在模拟天气过程中对降水落区和降水强度的预报最接近实况,且从平均雨水混合比和平均云水混合比分析来看,该方案的数值模拟与降水场配合得当。另KF、BMJ、GD、SAS、G-3D和TS这六种积云对流参数方案均能够基本模拟出降水的范围但比实际降水范围大,其中降水强度上KF方案模拟较实况强。

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-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。

中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性研究

利用PσRCM9区域气候模式,分析了中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性。结果表明,采用四种积云对流参数化方案,模式能够模拟出小雨、大雨和暴雨的雨量百分比和雨日百分比空间分布的一致性特征,但不能模拟出中雨雨量百分比和雨日百分比空间分布的相似性,这是由于模式不能模拟中雨雨量百分比的空间分布形式所致。还发现模拟的我国夏季降水以小雨和中雨为主,四种积云对流参数化方案均低估了中国夏季大雨和暴雨对总降水的贡献,尤其是在我国西部、东北和华北地区更明显。不同积云对流参数化方案下模拟的极端强降水阈值的空间分布形式基本与观测一致,但强度与观测存在较大差异。相比较而言,Grell方案较Kuo、Anthes-Kuo和Betts-Mille积云对流参数化方案更适合中国东南部地区夏季极端强降水的模拟。

两种积云对流参数化方案对1998年区域气候季节变化模拟的影响研究

利用区域气候模式RegCM3,选择Kuo-Anthes积云对流参数化方案和基于FC80假设的Grell积云对流参数化方案,对1998年东亚气候分别进行年尺度模拟,模拟结果对比分析表明:在春、夏季转换时期,两者模拟的降水形势差别较大,对江淮、中南和华南地区的夏季降水量模拟差别最为明显。对流层上层模式变量和模式大气质量对积云对流参数化方案的选择不敏感,而对流层中、下层模式变量对积云对流参数化方案比较敏感。不同积云对流参数化方案对8天时间尺度的天气系统模拟差别比较大。在积云对流比较活跃的夏季,不同参数化方案会导致模式大气出现不同的系统性偏差。由于模式在陡峭地形处动力过程计算方案存在缺陷,在高原与盆地的交界处,模式误差会产生明显的突变。

积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨过程模拟的影响

利用MM5模式,选用4种积云对流参数化方案对2002年7月长江流域梅雨锋暴雨过程进行数值试验,讨论了同一水平分辨率下不同参数化方案对降水特征、中尺度特征和云物理特征模拟的影响。结果表明:不同方案对强降水中心落区影响不是很大,但对降水强度有较大影响;4种方案次网格尺度和网格尺度降水对总降水贡献不同;GR和KF方案的闭合假设中考虑次网格尺度湿下沉气流,可一定程度再现一些中尺度特征;4种方案模拟的云物理量特征存在很大差别。

MPAS-A模式中不同积云对流参数化方案对西北太平洋台风模拟效果的影响

利用MPAS-A模式,针对模式中的New-Tiedtke,Grell-Freitas和Kain-Fritsch 3种积云对流参数化方案,选取2016-2017年期间的10个西北太平洋台风个例,研究了不同积云对流参数化方案对西北太平洋台风路径与强度模拟效果的影响,并讨论了其影响的物理机制。试验结果表明:3种积云对流参数化方案对MPAS-A台风模拟效果存在一定差异,New-Tiedtke方案模拟的路径和强度总体效果与观测最接近。影响机制分析表明,不同积云对流参数化方案使得模拟西太副高的位置不同,即引导西北太平洋台风的环境气流不同是造成路径差异的原因;而不同积云对流参数化方案模拟的台风中心对流不稳定高度不同,即潜热输送和释放不同,是造成台风强度不同的原因。

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。

公里尺度分辨率WRF模拟梅雨暴雨对积云对流参数化的敏感性试验研究

本文利用中尺度模式WRF V4.0.2(Weather Research and Forecasting Model,Version 4.0.2)对浙江省两次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,分别选用WSM6和Thompson云微物理方案、YSU和MYJ边界层方案、以及11种对流参数化方案进行试验,探究不同积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨的1 km高分辨率预报的影响,结果表明:(1)在对各试验的降水预报评估过程中,使用传统点对点方法和邻域法都能客观表现出各试验的预报水平,而邻域检验法能更客观地评估模式对小范围强降水的预报水平。(2)三类积云对流方案(包括:无积云对流方案、传统积云对流方案和尺度自适应积云对流方案)都能较好地模拟出小雨降水的发生情况,但随着降水强度增强至暴雨、大暴雨量级时,尺度自适应的积云对流方案对降水的预报结果有明显改善。(3)在不同微物理和边界层组合方案下,尺度自适应积云对流方案的模拟结果差异更显著,而传统积云对流方案的模拟结果的效果差异不明显。(4)在1~10 km的“灰色区域”范围内,当网格分辨率逐渐提高到1 km时,尺度自适应积云对流方案较传统积云对流方案对模式的预报结果有明显的改善。本研究的结果在一定程度上可为高精度业务预报工作中对尺度自适应积云对流参数化方案的应用提供参考。

区域气候模式不同积云对流参数化方案对新疆气候模拟的影响研究

使用NCEP-FNL全球分析资料作为WRF模式的初始场和边界场,利用该模式中7种积云对流参数化方案对新疆地区进行2006年10月1日至2008年3月1日的模拟积分试验,重点考察模式在水平分辨率为10 km下不同积云对流参数化方案对新疆地区气象要素模拟的敏感性。结果表明:1)采用7种积云对流参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量、平均温度的空间分布及大气的垂直结构。2)对于不同区域来说,采用各种积云对流参数化方案的模式都能模拟出候降水及候平均温度随时间演变,模式候降水与观测的相关系数在0.20～0.85之间,而候平均温度与观测的相关系数在0.98以上。对于整个新疆地区来说,采用各方案模式模拟的低层偏干偏冷,大气层结较稳定导致降水较观测偏少,而其中天山地区模式模拟的低层较观测偏湿偏暖,大气层结偏向不稳定导致降水偏多。3)采用新的Grell和Kain-Fritsch(newEta)方案模式模拟的效果综合来看较好。因此利用WRF模式开展新疆地区数值模拟研究时应该考虑不同积云对流参数化方案适用范围。

WRF中不同积云对流参数化方案对青岛降水预报影响的对比分析

1~10 km水平分辨率是中尺度模式是否采用积云对流参数化方案的"灰色带"。基于青岛市气象局9 km分辨率WRF模式,分别选择KF、GD和BMJ三种积云对流参数化方案对青岛5次大范围降雨过程进行预报试验,分析比较不同积云对流参数化方案对青岛地区降水预报效果的影响。结果表明,这三种积云对流参数化方案对不同量级的降雨具有不同的预报性能:BMJ对小雨预报性能最佳;没有考虑积云对流参数化过程的控制试验对中雨的预报效果最好,KF方案次之;GD方案对大雨和暴雨预报效果均较好。对稳定性降水,GD方案对沿海站点降雨量预报效果较好,KF方案则对内陆站点预报性能较好;对对流性降水,BMJ方案无论是在沿海站点还是在内陆站点都有比较好的预报效果。在降雨空间分布上,对稳定性降水过程,各试验方案均模拟出了小于50 mm的降雨区,对大于100 mm强降雨区,GD方案具有较好的预报效果;对对流性降水过程,BMJ方案预报效果整体较好。

基于WRF的积云对流参数化方案对中国夏季降水预报的影响研究

为了研究WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度模式中积云对流参数化方案对夏季降水预报的影响,基于水平分辨率为9 km的WRF模式,采用Kain-Fritsch(KF)、尺度适应的KF、Tiedtke、new Tiedtke和尺度适应的new Tiedtke方案等5种积云对流参数化方案对中国2019年6—8月的降水进行了模拟。结果表明,两种尺度适应方案对夏季平均降水的量级和落区的预报比原方案(KF方案和new Tiedtke方案)更优,且能正确预报北方和南方的降水峰值时间。而Tiedtke方案、new Tiedtke方案和KF方案均提前了降水峰值时间。在降水的概率分布方面,相比原始的KF和new Tiedtke方案,其尺度适应方案降低(提高)了中小(大)量级降水的频率,模拟的50 mm/d量级以下的降水频次相对更接近观测,但高估了50 mm/d量级以上的降水频次。进一步对比5种方案的次网格积云降水与网格可分辨微物理降水对总降水的贡献,KF和new Tiedtke方案试验中总降水主要由积云降水主导,而Tiedtke方案和两种方案的尺度适应版本则由微物理过程降水主导。随着降水率的增大,尺度适应的KF方案和尺度适应的new Tiedtke方案中积云降水占比迅速减小到30%以下,对50 mm/d量级以上的降水,积云降水占比低于15%。而KF方案在25 mm/d量级以下的降水中,随着降水率的增大积云降水占比反而提高。统计评分表明,尺度适应KF方案和尺度适应new Tiedtke方案有助于减少小量级降水的空报和大量级降水的漏报,对0.1 mm到25 mm的24 h降水的TS评分均高于原始的KF和new Tiedtke方案。

WRF模式中积云对流参数化方案对南海土台风“Ryan”模拟的影响研究

为了研究数值模式中不同积云对流参数化方案对南海土台风模拟的影响,以T9514号南海土台风"Ryan"为例,利用中尺度WRF-ARW模式(版本3.7.0)作对比试验,分析比较使用不同积云对流参数化方案模拟的台风路径、强度和相关物理量。结果表明,由Kain-Fritsch (KF)方案模拟得到的台风路径有北折过程,台风移速较快,台风强度较弱;由Betts-Miller-Janjic (BMJ)方案模拟得到的台风移动速度快,台风中心对流强,台风强度较强;由Tiedtke (TDK)方案模拟得到的台风路径最接近实况路径,台风强度较弱。

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。

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。

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。

不同嵌套方式下的积云对流方案对上海崇明极端暴雨高分辨率模拟的影响研究

使用1980~2017年共38年崇明站逐日降水资料对崇明站年降水量及暴雨日数的特征进行分析,并使用中尺度数值预报模式WRF3.9.1.1(Weather Research and Forecasting model)针对崇明年降水量及暴雨日数异常年份2015年的最强降水过程进行数值模拟,结合站点降水观测资料使用统计方法来系统验证模拟结果。通过敏感性试验着重研究尺度自适应的GF(Grell–Freitas)与传统的KF(Kain–Fritsch)、BMJ(Betts–Miller–Janji?)积云对流参数化方案在不同比率的网格嵌套方式下对于本次过程极端降水总量及逐时变化预报的影响。研究结果表明:使用大比率(9:1或15:1)的双层嵌套可以更真实地模拟强降水区累积降水量分布和逐时变化情况,而使用传统的小比率(3:1或5:1)三层嵌套网格会导致大暴雨和特大暴雨的TS(Threat Score)评分降低,小时降水峰值模拟偏弱等问题;模式外圈使用传统的KF、BMJ积云对流方案比尺度自适应的GF方案对于内圈高分辨率的极端降水总量、逐时变化模拟更有优势,特别是使用KF方案,可以更真实地模拟出极端降水中心的日变化强度;而使用GF方案对于入海口降水模拟偏弱,大暴雨和特大暴雨的TS评分普遍偏低,小时降水峰值也被严重低估。

不同对流参数化方案在登陆浙闽台风降水预报中的比较试验

利用MM5模式,在MRF和Blackadar两种边界层参数化方案下,分别选用KF2、Grell和BM三种对流参数化方案对登陆浙闽两省的6个台风暴雨过程进行数值模拟,模拟结果的对比分析及其与观测资料的比较表明:KF2方案和Grell方案在降水量较小时误差较小,BM方案在降水量较大时误差较小;对大雨以上量级的降水预报,KF2方案、Grell方案和Blackadar方案组合效果较好,而BM方案则适宜与MRF方案组合;KF2方案不适合时效较长的降水预报。在台风"卡努"的个例试验中,位涡分布特征在积分后期对不同参数化方案十分敏感,这种差异进而影响了降水预报的准确性,同时暴雨中心潜热加热的时间演变总体特征表现为暴雨中心凝结潜热加热随时间积分有明显变化。因此,在预报和模拟中应根据预报和研究对象的特点来选择对流参数化方案。

不同对流参数化方案对长江中下游梅雨锋暴雨降水预报的评估

选用不同的对流参数化方案对近几年典型的几次长江中下游梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,利用量化的降水评估方法检验MM5模式中不同对流参数化方案对梅雨锋暴雨降水预报的能力,一方面作为实际预报的参考,另一方面也作为模式改进的依据,评估结果显示模式预报的降水往往偏大,对不同时段和不同量级的降水,没有普遍适用的对流参数化方案,可以将经验预报和数值模拟相结合。对暴雨中心的预报,认为采用Grell方案和Kuo方案较好,但时间上有滞后性。

RegCM4不同积云参数化方案对2006年川渝干旱模拟研究

利用RegCM4.0对川渝地区2006年夏季干旱进行模拟,并与实测资料进行对比,其结果显示此次干旱是降水过少和温度过高共同作用的结果。高温干旱期间,川渝地区由热低压控制,且处于水汽水平辐散区和下沉运动区,导致降水显著减少,土壤湿度严重下降,地面温度偏高。此外,大气水汽含量低、水汽输送弱也是导致川渝干旱的另一重要因素。3种不同积云对流参数化方案(cumulus parameterization schemes,CPSs)对温度的模拟效果好于降水,Emanuel方案对日平均最高温度、最低温度的模拟与实况最接近且该方案与实况温度相关性最好;3种CPSs对降水的空间描述均不够准确,但相比之下,Grell方案对降水的量级、西南东南部的空间分布的描述要略优于其他两种方案,与实况最为接近,且Grell方案与实际观测降水的相关性最好,均方根误差最小,较其他两种方案更能反映干旱的特征。3种CPSs对地面气压、水汽通量散度和垂直运动的模拟能力较强。

不同对流参数化方案对华北一次暴雨过程预报效果的模拟试验

积云对流活动通过改变大气的能量、质量输送和分布对降水过程有着直接影响，对大气环流和气候变化也起到十分重要的作用，是大气和气候模式中最难以描述的物理过程之一。本文利用中尺度非静力模式WRFfV3．2．1版本），采用网格嵌套技术，选用Kain-Fritsch（newEta）、Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi（以下简称KF、BMJ、GD方案）三种积云对流方案，对2010年8月18-19日华北地区的暴雨过程（以下简称8．19过程）进行了敏感性试验。从降水落区和强度方面对总降水预报性能进行了对比分析，结果表明：选用不同的积云对流参数化方案，可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度，综合不同分辨率下各方案对暴雨的模拟效果可以得到：KF方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好，其次为GD方案，最后为BMJ方案，所得结论对我国华北强降水预报和中尺度模式中的积云对流参数化方案在业务和研究方面有相当的参考价值。