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。

区域气候模拟中Betts-Miller对流参数化方案的敏感性试验

利用NCARRegCM2气候模式 ,对Betts Miller对流参数化方案中影响参考态的几个关键性参数 :稳定度参数α、云底和冻结层参考态的饱和气压Δp 和对流调整时间τ进行了敏感性试验 ,分析这些参数的不同取值对区域气候模拟的影响及意义 ,并由此提出适合我国东部地区汛期区域气候模拟的Betts Miller对流参数化方案中较优的关键性参数取值。

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。

暴雨模拟中积云对流参数化方案的对比试验

利用WRF中尺度数值预报模式,选用七种微物理方案及网格嵌套技术分别与Kain-Fritsch(new Eta)、Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi(简称KF、BMJ、GD方案)三种积云对流参数方案匹配,对2007年6月1—2日湖南南部的暴雨过程进行了模拟试验。模拟结果表明:选用Lin等微物理方案和三种积云方案,采用20 km的格点分辨率,基本上可以模拟这场暴雨的范围,且采用网格嵌套技术的模拟结果优于未采用嵌套的模拟结果;其中KF方案模拟的强降水位置、强度与实况比较接近;BMJ方案模拟的强降水范围偏大、强度偏强,位置偏南,上述两种方案都不同程度地存在着虚假的暴雨中心;GD方案模拟的强降水范围、强度均偏小。

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。

垂直-倾斜对流一体化参数化方案的实现及数值试验

在Kuo-Anthes垂直对流参数化方案和Nordeng倾斜对流参数化方案基础上,提出了垂直-倾斜对流一体化参数化方案,并引入MM5模式中。利用该方案对2008年1月28-29日发生在中国南方的一次暴雪过程和2005年"海棠"台风过程进行了数值模拟,模拟结果表明,此次暴雪过程在垂直方向主要表现对流稳定状态,但在对流层低层始终存在条件性对称不稳定层,并且当条件性对称不稳定区向高层发展时,伴随着强上升运动作为触发机制,引发条件性对称不稳定能量的释放,产生更多的对流降水,使模拟的总降水量与实况更加一致。条件性对称不稳定的发展加强与降雪强度、辐合辐散和上升运动变化一致,条件性对称不稳定是造成暴雪发展加强的主要机制之一。通过对"海棠"台风72h的模拟表明,条件性对称不稳定主要发生在台风的低层,且其水平分布呈螺旋状结构。条件性对称不稳定效应对台风路径影响较小,但对台风强度影响较大,在模式中考虑垂直-倾斜对流一体化参数化方案后,与仅考虑垂直积云对流参数化方案相比,72 h模拟的平均台风中心最低气压降低了3 hPa,最大达8 hPa。在模式中考虑条件性对称不稳定的影响,可使模式台风中上层的暖心结构更加明显,上升运动和对流性降水增强,对流释放的更多凝结潜热使台风得到进一步加强。

不同对流参数化方案和初值场组合对四川两次暴雨影响的数值模拟

针对2004年9月2～6日四川盆地东北部一次持续性暴雨过程和2004年6月30日成都地区暴雨过程，利用MM5中尺度数值模式，进行了Grell、Kuo、KF及BM四种积云对流参数化方案与T213模式分析值及NCEP再分析值两种初始值组合的数值试验，分析了不同积云方案和初值组合的模拟性能。比较结果表明，MM5模式较好地再现了这两次强降水过程。在同一模式中，不同对流参数化方案和不同初值组合在降水落区和强度模拟上存在一定程度的差异。初步模拟表明NCEP资料模拟的降水强度较T213资料模拟的降水强度偏弱，但降水落区较T213资料模拟的更接近实况，T213资料模拟的降水空报现象较严重。以T213资料模拟得到的高度、温度场都较NCEP资料更有利于影响系统的加强，模拟的湿度场、散度场和垂直运动场都较NCEP资料更有利于强降水的发生。相对而言，NCEP资料模拟结果更接近实况，Kuo和Grell方案对初值表现出更为敏感。

MM5模式中不同对流参数化方案对降水预报效果影响的对比试验

本文应用MM5模式 ,在 4 5km和 2 5km模式分辨率及Blackadar和MRF边界层参数化方案下 ,选择AK、Grell、KF和BM等 4种对流参数化方案对非汛期 2 2个降水个例进行 4 8h预报试验。结果表明KF和AK方案预报的降水量误差较小 ,BM方案预报的降水量误差较大 ;各种方案预报降水效果的优劣对于量级不同的降水是不同的 ,对中雨、大雨和暴雨的预报 ,没有哪一种方案的预报效果是绝对最优的 ;不同方案预报降水结果的差异对量级大的降水比对量级小的降水大 ;在大部分情况下 ,相同方案在 4 5km分辨率下的预报结果好于在 2 5km分辨率下的预报结果。

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。

RegCM4.0不同对流参数化方案对山东省气温和降水的模拟

利用NCAR/NNRP2的每日4次再分析资料、NOAA的周平均OI_WK再分析资料和山东省122个观测站逐日气温和降水资料,使用RegCM4.0区域气候模式,选取MIT-Emanuel、Grell和Kuo 3种对流参数化方案,对山东省1990—2009年气温和降水进行了数值模拟。结果表明:3种对流参数化方案均能模拟出山东省平均气温和降水量的年际变化,且对气温的模拟效果总体好于降水。模拟的年平均气温偏低,其中Grell试验模拟结果最低,而Ema和Kuo试验模拟的年平均气温在内陆地区存在冷偏差(约-1℃),在沿海地区存在暖偏差(约+1.5℃)。模拟的年降水量偏少,其中Kuo试验模拟值最少。该模式对降水的模拟效果冬季最好,夏季最差。其中,夏季降水量的模拟值Ema试验较观测值偏多13.2%,Grell试验较观测值偏少17.8%。Grell和Kuo试验,对夏季和秋季降水量的模拟值与观测值的相关系数最高。

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。

两种对流参数化方案对辐射能量收支的影响研究

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的格点大气环流模式(GAMIL)1.0版设计了两组数值模拟实验来研究两种不同的对流参数化方案对辐射能量收支的影响。这两种对流参数化方案分别是:Zhang and McFarlance/Hack方案(简称ZM)和Tiedtke/Nordeng方案(简称TN)。对应的数值模拟实验分别取名为EX_ZM和EX_TN。通过对实验结果的分析表明:在对流过程中,EX_ZM允许深对流和浅对流同时发生,因此两种对流同时在模式低层消耗了更多的水汽,释放了更多的潜热,引起了更大的增温;EX_TN每次只允许一种对流发生,也就避免了不同类型的对流在同一层同时消耗水汽的现象。因此对流过后,EX_ZM的环境空气相对湿度较小,而EX_TN周围空气的相对湿度较大,有利于低云云量的生成和大尺度的凝结,因此EX_TN模拟的低云云量偏多,低层的云水含量偏高,模式低层的云光学厚度偏大,这就使得EX_TN中更多的太阳短波辐射通量被云反射掉,严重低估了模式对短波波段的辐射通量的模拟。此外,不同的对流参数化方案通过改变云的长波发射率和降水,进而影响了模式对长波波段的辐射通量、感热和潜热通量的模拟。

T213L31全球模式的云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨量级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析。发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多。可分辨尺度降水偏多的可能原因有:土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷。鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进。包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化方案的闭合由"动力型"改为对流有效位能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算。改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生。采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较。结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在。中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效上降水的TS评分增加,预报偏差降低。

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。

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。

深对流方案闭合条件变化对全球-区域一体化模式降水模拟的影响

针对全球-区域一体化模式(GRIST)在热带对流降水过多的问题,将Zhang-Mcfarlane(ZM)闭合假设中对流在固定时间内消耗全部对流有效位能(CAPE)改为消耗一定比例的对流有效位能,从而减少对流降水。选取对流消耗95%、90%、80%、75%CAPE进行敏感实验,分析闭合假设变化对降水、云及其辐射效应的影响。结果表明,降水对CAPE消耗比例最敏感。不完全消耗CAPE会减少热带降水,主要表现为减小了赤道东太平洋、亚马逊以及印度尼西亚降水正偏差,其中CAPE95和CAPE90的降水模拟结果与观测更为接近。相比于其他实验,CAPE90消除了秋季的双赤道辐合带,夏季的双赤道辐合带也有所缓解。对流消耗CAPE量减少时,热带太平洋弱降水发生的频率减小且强度增强。相比于降水,云及其辐射效应对对流消耗CAPE量无明显敏感性。

不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案对一次梅雨锋暴雨显式对流模拟的影响分析

利用WRF模式对2007年7月8日淮河地区特大暴雨过程开展显式对流(1.1 km)模拟试验,比较两种边界层参数化方案和三种陆面过程参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案主要影响模拟的强降水位置和强度,而对雨带位置的影响不大。采用MYJ边界层方案模拟的强降水更接近观测,采用YSU方案模拟的强降水偏弱;陆面过程参数化方案对比,简单的热扩散方案模拟的强降水最强、最接近观测,而RUC方案模拟的强降水最弱,Noah方案居中;同时改变陆面方案和边界层方案比单一改变其中一种方案对模拟降水的影响更大。造成强降水模拟差异的主要原因是模拟的近地面(约1 km以下)大气的湿度和温度不同,导致支持对流发生发展的入流空气的对流有效位能(CAPE)不同,进而影响模拟的对流强度和地面降水量。对强降水模拟较好的试验模拟的近地面大气湿度更大,环境入流空气的CAPE更大,对流发展更强,地面降水也更强。

不同对流参数化方案对1991年江淮暴雨的模拟对比

采用最新发布的区域气候模式RegCM3．1，分别引入Grell-AS、Grell-FC、Kuo和MIT-Emanuel 4种积云对流参数化方案，对1991年5～7月江淮地区暴雨进行模拟试验。从各月降水量的模拟来看，Grell—AS方案较好地模拟出了江淮暴雨的强度，尤其是对7月降水的强度和位置的模拟与观测非常接近；Grell—FC方案能较好地反映7月江淮暴雨的强度和位置，但对华南地区降水模拟一直显著偏强；Kuo方案能模拟大尺度降水的情况，但对强对流性降水模拟偏弱；MIT-Emanuel方案较好地反映了5月降水的空间形势，但各月降水的模拟都比观测强。从各区月平均降水的对比发现，Grell-AS和Kuo方案的模拟要优于Grell-FC和MIT-Emanuel方案。从降水的南北变动来看，Grell-AS方案较好地刻画了江淮地区雨带的强度和南北变动。高低空环流形势和整层水汽通量的分析表明，造成MIT-Emanuel方案降水模拟偏强的主要原因与水汽输送偏强有关。对4种积云对流参数化方案进行集合，其结果表明，物理过程集合方法能有效地减小物理过程参数化的不确定性对模拟结果的影响。

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。