数值天气预报模式的行星边界层方案热力预报变量选择

在数值天气预报模式中,大气边界层湍流混合由行星边界层方案承担.传统的边界层方案多采用位温作为热力学预报变量,计算感热通量并获得位温的湍流倾向,多数边界层方案设计之初,也往往只考虑干边界层中的位温湍流混合.事实上,驱动边界层热对流的是浮力而非热力,前者还包含了水汽的作用,由虚位温表征.基于湍流可分辨的大涡模拟来评估传统边界层方案所参数化的感热通量在湿边界层中的适用性,重点关注方案中涉及逆梯度修正项的关键系数,同时也考察浮力通量的参数化评估结果显示浮力通量在干湿边界层中具备一致性,其模式系数不随水汽条件变化,因此,推荐以虚位温替代位温作为行星边界层方案热力预报变量.

新疆夏季行星边界层参数化方案模拟特征研究

行星边界层参数化方案(PBL)对天气气候和大气环境的模拟与预报具有重要影响。通过基于单柱模式(SCM)的乌鲁木齐单点理想实验,以及新疆2019年8月15—18日的一次降水天气过程的模拟检验及诊断分析,研究了YSU、ACM2、BOULAC、GBM、MYJ和QNSE 6种常用的PBL参数化方案模拟的大气比湿、位温等气象要素响应土壤湿度变化的特征。结果表明:土壤湿度增加时,使用不同PBL参数化方案模拟的低层大气都呈现出比湿增加、位温降低、边界层高度降低的显著特征;GBM、ACM2中,垂直水汽输送效率较低,大气比湿较低、位温较高、湍涡作用范围较大,降水偏漏报;QNSE、MYJ中,垂直水汽输送效率较高,大气比湿较高、位温较低,湍涡作用范围较小,降水偏空报;QNSE、MYJ模拟的2 m比湿最大;ACM2模拟的2 m比湿最小;夜间QNSE模拟的2 m温度最低;白天MYJ模拟的2 m温度最高;QNSE、MYJ模拟的10 m风速最高。这些模拟特征与PBL方案水汽垂直输送效率的差异密切相关。

不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的影响研究

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6种行星边界层参数化方案对新疆进行2006年10月1日至2008年1月1日的模拟积分试验,重点考察模式在10 km水平分辨率下不同行星边界层参数化方案对新疆降水模拟的敏感性。结果表明:1)采用6种行星边界层参数化方案的模式都能较好地模拟出年、雨季总降水量的空间分布及月降水的季节循环。2)对于新疆整体来说,采用Grenier-Bretherton-McCaa(GBM)方案模拟雨季降水更接近观测,偏差在±30%以内。对于天山地区来说,采用Bougeault-Lacarrere(BouLac)方案模拟年降水更接近观测,偏差为-19.13%;采用GBM方案模拟中雨和大雨的TS评分最高分别为0.37和0.33,并且能够较好地模拟7月5次较大降水日中不同下垫面类型的昼夜降水,偏差在5 mm以内。3)BouLac方案能够较好地模拟天山地区年降水的时空分布特征,GBM方案更适合模拟新疆整体雨季期间降水。因此利用WRF模式开展新疆降水模拟研究时应考虑不同行星边界层参数化方案的适用范围。

不同边界层方案在短期天气模拟中的精度评估

利用中尺度气象模式WRF中不同闭合方法的两种边界层参数化方案(MYJ,YSU)模拟了吉林西部地区2017年7月7日至7月8日的2 m温度和10 m风速的变化,利用相关系数、均方根误差、平均偏差和平均误差等方法将模拟结果与吉林西部6个气象站点的实际观测资料进行对比分析.结果表明:局地闭合方案MYJ和非局地闭合方案YSU能很好地模拟出吉林西部风、温随时间变化的特征;其中MYJ边界层方案模拟2 m气温的结果与实测结果更为接近,模拟精度要高于YSU方案;在10 m风速的模拟中,两种方案模拟结果均大于实测风速,非局地闭合方案YSU模拟结果与实测数据偏差更小,精度更高.