边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段模拟影响的差异比较

利用中尺度数值预报模式(WRF)中的8种边界层参数化方案(ACM2、Boulac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU),采用高分辨率数值试验的方法研究不同边界层参数化方案对台风“烟花”(2021)北上影响环渤海区域阶段的路径、强度、降水及动热力结构等方面的模拟差异。结果表明:台风北上后的路径模拟对边界层参数化方案较敏感,其中Boulac方案模拟的路径误差最小,随着积分时间延长,各试验的路径差异也越来越显著;由于台风北上阶段强度较弱,模拟的最低气压绝对误差总体偏小,基本分布在2~6 hPa之间;各试验对累积降水极值大小和位置的模拟存在较大差异,通过分析24h累积降水的TS评分可知,Boulac方案在中雨以上量级的模拟中表现最优,而ACM2方案则在大雨及暴雨以上量级的模拟中表现最优;各试验对于台风动热力结构的模拟存在差异,其中动力结构的差异更加明显,并且低层大气比高层大气差异更显著。造成这种差异的原因可能是由于各方案对边界层热通量以及动热力结构的模拟存在差异,并通过边界层顶的夹卷过程将这种差异引入高层大气。

边界层参数化方案对文昌近地层湿度模拟的影响

本文基于WRF中尺度预报模式,采用10种边界层参数化方案(YSU、MYJ、QNSE、MYNN2、MYNN3、GBM、BouLac、UW、TEMF、Shin-Hong),对2015年12个个例的近地层湿度开展了数值模拟。通过浅层风塔观测数据进行对比,研究了不同边界层参数化方案对文昌近地层湿度模拟差异。结果表明:随着近地层高度的增加,三月到七月的观测相对湿度增加,模拟相对湿度变化不大;其余月份观测和模拟的相对湿度均会降低;模拟和观测的均方根误差随高度增加而增加,相关系数随高度增加则会减小。通过对均方根误差和相关系数的分析,MYJ方案模拟数据接近观测数据,并且可以模拟出每个月份的日变化趋势,是模拟结果最好的方案。TEMF方案的均方根误差最大且相关系数表现最差,是模拟效果最差的方案。

边界层参数化方案对文昌近地层风速模拟的影响

为了研究边界层参数化方案对文昌近地层风速模拟的影响,本文选用美国国家环境中心终分析资料FNL (Final Operational Global Analysis)作为模式的背景场资料,应用WRFV4.2.1模式10种边界层参数化方案(YSU, MYJ, QNSE, MYNN2, MYNN3, BouLac, UW, TEMF, Shin-Hong和GBM),对文昌近地层2015年每月前三天的风速进行数值模拟,检验评估了它们对不同高度层风速的预报能力。结果表明:MYNN2方案和MYNN3方案在低层的风速模拟效果较好,UW方案、GBM方案和BouLac方案在高层风速模拟效果较好,TEMF方案风速模拟效果最差,且总体来看10个方案在70 m和90 m高度层的风速模拟效果更好。

不同边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段暴雨模拟的影响试验

边界层参数化方案是造成数值模式预报误差的重要来源之一,筛选适用于环渤海地区台风暴雨模拟的边界层参数化方案,可为该地后续业务应用及科研工作提供参考依据。应用WRFV4.3模式中的8种边界层参数化方案(ACM2、BouLac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU),对2021年第6号台风“烟花”北上阶段造成的暴雨过程进行数值模拟试验,对比分析不同边界层参数化方案对暴雨模拟结果的影响,并基于ERA5资料进行边界层热动力结构的模拟效果检验。结果表明:(1)各方案对台风北上阶段的降水(24 h累积降水量、累积降水极值和位置、降水ETS评分、小时最大降水量以及逐小时10.0、20.0 mm降水的落区分布)模拟结果表现出明显差异,对路径的模拟差异主要体现在模拟时段的中后期。(2)局地闭合的BouLac方案对于10.0 mm以上量级24 h累积降水量的ETS评分表现最优,而非局地ACM2方案所模拟的24 h累积降水量在25.0、50.0、100.0 mm以上量级降水的ETS评分均为最优,且累积降水极值、区域平均24 h累积降水量以及小时最大降水量均值等也与ERA5资料较为接近,在环渤海地区海陆共存的下垫面背景下,ACM2方案是最适合台风“烟花”暴雨过程模拟的参数化方案。(3)与其他方案相比,ACM2方案对于边界层高度、位温和水汽混合比垂直廓线的模拟与实况最接近,这是ACM2方案对大雨以上量级预报较为准确的原因。(4)各方案模拟的700 hPa垂直速度基本决定了小时最大降水量的变化趋势以及区域平均24 h累积降水量的相对大小。

边界层参数化方案对文昌近地层气温模拟的影响

为了选取适用于我国海南文昌地区气温预报的最优边界层参数化方案,本文利用中尺度天气预报模式(WRF),采用美国国家环境预测中心分析资料(FNL)作为模式背景场,基于2015年1~12月的12个案例开展了近地层气温的边界层参数化敏感性实验。通过与文昌地面测风塔观测结果的对比,分析了10种边界层参数化方案在海南文昌的适用性。结果表明:1) WRF模式对海南文昌地区气温模拟存在较小的偏差,春夏季的模拟效果优于秋冬季。2) 一年中12月的模拟气温与实况偏差最大,模拟效果最差。3) 各高度24小时预报模拟效果最好的方案是BouLac方案。4) 通过对五种高度三种时效模拟结果进行分析,总体来说UW方案与实况偏差最小,模拟效果最好。TEMF方案偏差最大,模拟效果最差。

长江下游地区不同边界层参数化方案的试验研究

利用中尺度数值模式WRFV3.1.1中的MYJ、QNSE、YSU、ACM2、MYNN2.5、MYNN3、Boulac七种不同边界层参数化方案,进行了发生在长江下游地区的3例暴雨的模拟试验。重点分析比较了七个不同边界层参数化方案对降水总量分布、次降水区的边界层结构、关键基本气象要素场的模拟能力,并将降水总量和关键基本气象要素场的模拟结果与实测结果进行了统计检验。通过对比,发现QNSE方案的模拟能力相对优于其他边界层参数化方案。

晴天及阴天条件下WRF模式中几种边界层参数化方案的对比分析研究

利用WRF模式中5种常用边界层参数化方案(ACM2、YSU、BouLac、MYJ和MYNN2.5)及美国能源部大气辐射观测试验(ARM)寿县综合观测数据(2008年8—12月),对比分析了晴天及阴天条件下,不同参数化方案对典型农田下垫面气象要素及边界层结构的模拟效果,结果表明:(1)模式对于云层状况的模拟,非局地方案ACM2和YSU方案优于局地方案.(2)对于近地层气象要素,晴天和阴天条件下均是ACM2方案对于2 m温度和比湿的模拟效果最好,MYJ方案对于风向风速的模拟效果最好.(3)对于位温及比湿垂直廓线的模拟,晴天和阴天条件下均是非局地方案(ACM2和YSU)对白天的模拟效果优于局地方案;ACM2方案对夜间弱稳定层结和逆湿结构的模拟最优;(4)对于风速垂直廓线的模拟,白天不稳定条件下,晴天条件MYJ方案最优,阴天MYNN2.5方案的模拟效果最好;夜间弱稳定条件下,晴天条件ACM2方案与观测值之间的偏差最小,阴天YSU方案模拟效果最好;(5)总体而言,在对典型农田下垫面进行模拟时,晴天和阴天条件下均是ACM2方案更具优势.

WRF模式中边界层参数化方案在藏东南复杂下垫面适用性研究

藏东南地区是青藏高原山地复杂下垫面的典型代表,其边界层大气过程异常复杂,给数值模拟和预报带来较大困难。大气边界层参数化方案的选取关系到能否正确模拟和预报局地大气过程。本研究采用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)对藏东南林芝地区对流和稳定边界层大气过程进行模拟,与2013年夏季"藏东南地区复杂下垫面地气交换观测实验"资料对比,研究ACM2,Boulac,M YJ,QNSE和YSU5种边界层参数化方案在青藏高原复杂下垫面的适用性。结果表明:对于水汽混合比垂直结构的模拟,Boulac和MYJ方案分别在模拟对流边界层和稳定边界层时能力最优。ACM 2方案最适宜藏东南复杂下垫面条件下的位温和风速垂直分布的模拟。各边界层参数化方案模拟对流边界层高度均较实际观测偏低,其中,QNSE方案模拟的边界层高度最接近观测。同一种边界层参数化方案对于夜间稳定边界层和正午对流边界层的模拟能力也不相同。该地区边界层风场受地形影响显著,风速较小,模拟的近地层风场较观测偏弱,MYJ和QNSE方案对近地层风场的模拟效果较好。

高寒草原地区边界层参数化方案的适用性评估

为了验证中尺度数值模式WRF中不同的边界层参数化方案对青藏高原地区高寒草原均匀下垫面的适用性,选取4种不同的边界层参数化方案(YSU、MYNN2.5、ACM2和BouLac),分别在青藏高原东部玛曲地区进行了高分辨率的数值模拟,借助中国科学院寒区旱区环境与工程研究所若尔盖高原湿地生态系统研究站观测资料,对典型晴天条件下近地层温度、辐射收支、地表能量以及边界层结构特征进行了相互比较分析,评估了不同边界层参数化方案的模拟差异。结果表明,对于近地层温度,白天不同方案的模拟值与观测值差异不明显,夜间MYNN2.5方案更偏离观测值,而其余方案的模拟差异不大;相对短波辐射,长波辐射过程更易受边界层参数化方案的影响;对于地表热通量,非局地闭合方案的模拟值相对湍流动能TKE闭合方案更接近观测值;对于净辐射通量、感热通量和潜热通量,MYNN2.5方案的模拟要优于其他3种方案;不同边界层参数化方案均模拟出了白天超绝热层以及夜间逆温、逆湿现象,但不同方案对边界层结构的模拟仍然存在一些差异。

边界层参数化方案对不同性质降水模拟的影响

利用MM5模式的4种边界层方案(ETA方案、MRF方案、Blackadar方案、Gayno-Seman方案),对2008年9月22～27日发生在四川盆地先是对流性,后来是稳定性的暴雨过程进行了该4种不同边界层方案的数值模拟比较试验。整体而言,ETA方案对雨带的预报能力较差,但对对流性降水有一定的预报能力;MRF方案对雨带(特别是稳定性降水)的预报能力相对最强;Blackadar方案对后24h强降水最具能力,且对对流性和稳定性降水的预报能力没有太大差别;Gayno-Seman方案对后24 h强降水预报能力较差。边界层对物理量场的影响随时间增大。在预报积分的前10 h以内,各方案的涡度、相对湿度、垂直速度等物理量预报几乎无异;积分10～24 h,它们的量值间出现差异;24 h后,不同方案的预报不仅量值上有差异,甚至变化趋势都不尽相同。高度场受边界层的影响最小,受边界层方案影响最大的是U场,V场受边界层的影响呈高度和时间的分段函数,湿度场受到的影响有明显的时间滞后性特征。对于温度场而言,600 hPa似乎是温度场受边界层影响的一个拐点,边界层影响在通过600 hPa后改变了影响规律。

不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候模拟的对比研究

用WRF v3.2.1中尺度预报模式和NCEP/NCAR再分析资料,对比研究了WRF模式中5个不同边界层参数化方案对东亚夏季风气候的模拟效果。结果表明:WRF模式对各边界层参数化方案均较为敏感,采用不同的边界层参数化方案对模拟区域内的夏季降水、气温、环流等气候要素均可产生明显影响。选取MYJ方案和QNSE方案对500 h Pa夏季平均环流的模拟效果较好,YSU方案和QNSE方案对夏季平均日降水量模拟与再分析资料更吻合,YSU方案和MYNN2.5方案对中国东部2 m气温的模拟结果较好。不同边界层参数化方案模拟结果都显示出由于副热带高压偏强,使副热带高压第2次北跳后停留时间过短,导致长江中下游降水偏少,华北地区降水增多。通过比较YSU和QNSE边界层方案,发现YSU方案相比QNSE方案的降水差异,是由于850 h Pa水汽输送造成的。在中国大部分地区YSU方案的2 m温度比QNSE方案高,并且地面2 m气温和降水存在一定对应关系。因此合理选取边界层参数化方案可以提高数值模拟的准确性。

WRF模式不同边界层参数化方案模拟兰州冬季边界层高度的研究

本文利用WRF模式中YSU、MYJ和ACM2三种不同的边界层参数化方案,模拟了2005年1月20-31日兰州市冬季大气边界层高度,并将模拟的边界层高度与同期系留探空资料位温廓线法计算的大气边界层高度进行了比较分析,从闭合方法和混合层高度计算方法等方面探讨了各个方案模拟结果的差异。结果表明:三种不同的参数化方案均模拟出了兰州市冬季边界层高度日变化的基本特征,其中,MYJ方案明显偏高,YSU和ACM2方案次之;统计分析结果显示,ACM2方案能较好地模拟兰州市冬季边界层高度。

WRF中三种边界层参数化方案对新疆“2·28”大风过程模拟的对比分析

许多研究调查了模式预报对边界层方案的敏感性,这些研究基本上针对的是热力驱动的混合边界层。对于动力驱动的边界层,不同边界层方案的性能及其对边界层气象要素的预报效果还不清楚。运用WRF3.4.1中三种边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2)对新疆"2·28"大风过程进行数值模拟,结果显示:三种边界参数化方案能模拟出发生大风的区域、大风过程中10 m风速、2 m温度和比湿的变化趋势;三种方案对边界层内大气的温度、湿度的模拟差异与它们对边界层顶的夹卷过程、边界层内垂直混合的处理有关;YSU方案的模拟结果显示更多的高空动量下传,更多的有效位能转化为动能;MYJ方案模拟大风区域更大,受地形影响更明显。

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。

有云条件下WRF模式中5种边界层参数化方案的比较研究

利用中尺度气象模式WRF中五种边界层参数化方案,对中国安徽寿县地区进行高分辨率的数值模拟,评估有云条件下边界层参数化方案对不同气象要素以及边界层结构的模拟能力。结果表明:两种非局地方案(ACM2、YSU)在云层存在的时间、云底高度、云底厚度方面模拟效果较好,局地方案模拟结果较差;对于向下短波辐射模拟,ACM2方案更接近观测值;对2 m温度和比湿模拟ACM2方案最好,而局地方案在风速和风向上存在优势;垂直结构方面,白天弱不稳定条件下,非局地方案考虑大涡输送更能表征位温廓线和湿度廓线,而风速和风向廓线的模拟,除了MYJ方案外,其它方案均能成功模拟,在夜间弱稳定条件下,5种方案都能模拟出弱不稳定层结、逆湿结构、急流等。

不同边界层参数化方案对江苏地区一次平流雾过程的模拟影响

边界层参数化方案的选取在平流雾的预报准确度上起着决定性的作用。本文利用WRF模式对2013年3月18～19日发生在江苏地区的一次平流雾过程进行数值模拟试验,对耦合不同闭合方式边界层参数化方案的试验结果与实测气象数据进行对比分析,评估了他们对此次平流雾的模拟效果,探讨了边界层高度对此次平流雾的生成和发展的影响。研究结果表明:(1)耦合不同边界层方案的WRF模式对地面气象要素的模拟结果均呈现气温偏低、湿度和风速偏大的特征。(2)QNSE方案对气温的模拟能力最强;ACM2方案对相对湿度的模拟性能最好;YSU方案对风速的模拟效果最佳。不同边界层方案的模拟结果在垂直方向上的差别主要表现在低空相对湿度上:QNSE方案预报的湿度更大。(3)综合TS(Threat Score)和BS(Bias Score)两个评分指标来看,ACM2方案对雾区分布的模拟效果最好。三个边界层方案对此次平流雾的模拟结果在江苏沿海站点的预报评分较高,在距海较远站点的预报评分表现较差。YSU方案对东南沿海地区的雾区预报评分较高;QNSE方案对长江沿江区域的雾区预报评分较高;ACM2方案对沿海地区、尤其对沿海北部地区的有较好的预报效果。(4)QNSE方案对此次平流雾的生成时间、出现地点预报比较准确。(5)平流雾的生成与发展阶段模拟雾区覆盖范围与边界层高度关系十分紧密,适当强度的湍流混合作用有助于平流雾在地面的生成与发展;但是过强的湍流混合作用会导致大雾过早的消散。

两种边界层参数化方案模拟热带气旋Megi(2010)路径差异的机理分析

本文利用中尺度数值模式WRF,分别采用YSU和MYJ两种边界层参数化方案对2010年超强台风Megi的移动路径进行了模拟,研究了热带气旋(TC)路径模拟对边界层方案的敏感性,并从模拟TC尺度差异所造成的影响角度揭示了模式边界层方案影响TC路径的机理.结果表明:由于两种方案对边界层垂直混合作用过程的描述不同,两个试验模拟的低层水汽垂直输送存在差异.相对于能很好模拟出Megi路径的MYJ方案,YSU方案模拟的TC外围螺旋雨带更活跃,造成TC尺度增大,引起TC中心北侧外围气压梯度和径向风速增加,使得由副高向TC中心输送更多的质量,造成副高异常减弱,从而导致由副高主导的引导气流发生改变,最终使得采用YSU方案模拟的Megi路径出现提前转向.

边界层参数化方案对台风SANBA初生阶段影响的数值模拟研究

台风的形成和发展与边界层中低涡扰动的形成和发展密切相关。利用中尺度WRF模式,采用数值敏感性试验的方法来研究不同边界层方案对台风SANBA初生阶段的移动路径、强度及物理量场分布等方面的影响,结果表明:在台风形成初期,不同边界层方案对模拟的SANBA台风的强度和路径具有明显影响;未引入Bogus方案时,采用QNSE和ACM2边界层参数化方案的模拟结果与最佳路径资料最为接近。采用Bogus方法在初始场中引入热带扰动有关信息后,五种边界层参数化方案模拟的台风路径均有显著改进,其中QNSE和ACM2方案对台风路径和强度模拟结果的改进效果较其他几种边界层参数化方案的模拟结果改进小,说明这两种边界层参数化方案对SANBA台风发展初期边界层过程的处理较完善,能够较好地处理边界层过程和边界层热带扰动的形成和发展;对比分析表明由于不同边界层参数化方案对边界层过程处理的差异,导致SANBA台风发展到强盛阶段时近地层的有关物理量及自由大气中的物理场分布出现一定的差异,即使模拟效果较好的QNSE与ACM2边界层参数化方案模拟的台风垂直结构之间也存在一定的差异。数值试验也表明MYJ参数化方案对此次台风的模拟效果最差,在进行相关研究时应慎用该边界层参数化方案。

边界层参数化方案在“灰色区域”尺度下的适用性评估

随着数值预报模式分辨率的提高,当模式网格距与含能湍涡的长度尺度相当时,模式动力过程可解析一部分湍流运动,而剩余的湍流运动仍需参数化,此时便产生了湍流参数化的"灰色区域"问题。对传统的PBL(Planetary Boundary Layer)方案在"灰色区域"下的适用性评估,是改进PBL方案以使其能够适应分辨率变化的前提和基础。本研究基于干对流边界层的大涡模拟试验,比较了WRF(Weather Research and Forecast Model)模式中四种常用的边界层参数化方案[YSU(Yonsei University)、MYJ(Mellor-Yamada-Janjic)、MYNN2.5(Mellor-YamadaNakanishi-Niino Level 2.5)、MYNN3)]在"灰色区域"尺度下的表现。研究表明,混合层内总热通量对所使用的参数化方案和水平分辨率均不敏感。不同参数化方案中次网格与网格通量的比例表现出对水平网格距不同的依赖性。局地PBL方案(MYJ、MYNN2.5)在混合层内的平均位温随网格距减小而增大,次网格通量随网格距减小而减小,较参考湍流场对次网格通量有所低估。YSU方案的非局地项几乎不随水平格距改变而变化,对次网格通量的表征并未表现出较强的分辨率依赖性,且过强的非局地次网格输送使混合层内温度层结呈弱稳定,抑制了可分辨湍流输送,不易于激发次级环流。MYNN3方案的非局地次网格通量(负梯度输送项)随网格距减小而减小,使其对次网格通量的表征具有较好的分辨率依赖性。PBL方案在"灰色区域"尺度下的适用性与具体分辨率有关。以分辨率500 m为例,四种PBL方案中不存在一种最佳方案,能对边界层的热力结构和湍流统计特征均有准确的描述。

塔克拉玛干沙漠腹地大气边界层参数化方案的模拟评估

沙尘起沙、沉降、传输均受到沙漠地区大气边界层条件的制约。沙漠地区观测资料匮乏,限制大气边界层模拟效果的检验和评估。利用WRFV3.7.1中尺度数值模式中5种边界层参数化方案(ACM2、BL、MYJ、MYNN2.5、YSU),模拟2014年4月塔克拉玛干沙漠大气边界层特征,并与塔中80 m塔及风廓线雷达晴朗天气下的观测资料对比分析。结果表明:5种方案均能模拟出近地面气温及地表温度,边界层高度,感热、潜热、地表热通量的变化趋势,但未能模拟出边界层风速的日变化趋势,温风湿廓线能较好的反映晴日沙漠地区边界层结构的变化特征,但未模拟出风速随高度变化趋势。沙漠地区下垫面干燥,热容量低,晴天极易形成对流不稳定边界层,非局地湍流参数化方案,ACM2方案是沙漠地区大气边界层模拟较为合理的选择。