利用循环3DVAR改进黄海海雾数值模拟初始场Ⅰ:WRF数值试验

以如何提高黄海海雾数值模拟初始场质量为研究目的，利用WRF模式及其先进的3DVAR同化模块，设计并构建了循环3DVAR同化方案。以2006年3月6～8日的1次大范围黄海海雾过程为研究对象，利用该同化方案进行了一系列WRF数值模拟对比试验。模拟结果显示，循环3DVAR同化方案能有效改进黄海海雾数值模拟初始场质量，主要体现在增加低层大气温度层结构的稳定性与改变大气边界层下层的风场结构，从而导致海雾的模拟结果显著改善。研究结果表明进行海雾数值模拟时，必须高度重视其初始场质量。

基于WRF模式的雅安暴雨数值模拟研究

利用WRF模式对2010年8月21日发生在雅安地区的一次暴雨过程进行了数值模拟。对比分析模拟和实况发现,WRF模式较好的模拟了此次降水过程的时空分布,人而利用模式输出的高时空分辨率模拟资料对此次暴雨进行诊断分析。结果表明,青藏高原地形的阻挡作用使副热带高压西南缘的暖湿气流持续向四川盆地输送,在雅安地区上空700 hPa形成气旋性环流中心;主要降水时段内强降水中心从低层到高层均出现了强烈的上升运动,以及暴雨中心上空维持着高层辐散、低层辐合,高空为负涡度、低空为正涡度,且随暴雨过程发展对流层正涡度的加强作用为暴雨的生成和维持提供了有利的动力条件;对流层中低层接近饱和的空气、强烈的水汽输送以及水汽通量散度高低层的配置,为本次暴雨提供了充足的水汽条件;对流层低层大气存在明显的不稳定层结,中层为中性层结,这种对流性不稳定的维持为暴雨天气的发生提供了热力条件,有利于强降水过程的形成。

利用WRF对兰州冬季大气边界层的数值模拟

本文介绍了WRF中尺度模式的有关概况,分析了模式的物理结构,并利用WRF中尺度模式对河谷城市兰州冬季大气边界层的风场和温度场进行了数值模拟研究。模拟结果与观测事实基本一致,表明WRF模式具有良好的稳定性能。

基于WRF-SWAN耦合模式的台风“威马逊”波浪场数值模拟

获取高分辨率的风场数据和气压场数据是精确模拟台风浪的基础,采用经验公式构建台风风场和气压场对海浪模式进行驱动,无法反映台风影响下海气动力过程,难以提供高精度的风场、气压场数据。本文基于中尺度大气模式WRF(Weather Research and Forecasting model)和第三代海浪模式SWAN(Simulating WAves Nearshore model),构建了南中国海地区大气—海浪实时双向耦合模式,针对超强台风"威马逊"进行数值模拟。将数值模拟结果与现场观测结果及卫星高度计观测结果进行对比验证,验证结果表明,本文建立的WRF-SWAN耦合模式在对台风"威马逊"影响下的南中国海台风浪的模拟中展现出较高的模拟精度,揭示了台风风场分布和台风浪分布在空间上的"右偏性"不对称分布特征及其形成机制。基于WRF和SWAN建立的大气-海浪实时双向耦合模式能够准确模拟台风动力过程以及台风浪的时空分布特征,可以推广用于南中国海地区台风浪的模拟分析。

基于WRF的黄渤海海雾数值模拟参数化方案研究

对数值模拟的研究现状进行了总结梳理,分析了已有研究的不足,并根据研究目标在已有研究结论基础上有针对性地设计了敏感性实验方案。经过与实地观测的结果对比来看,与海雾模拟密切相关的边界层参数化方案中的YSU方案对我国黄渤海海区的不同强度海雾均具有良好的适用性,而长波辐射方案中的Fu-Liou-Gu方案则具有更好的普适性,在这种核心方案配置下的模拟结果均可满足一般科学研究与预报业务的需求。

利用WRF模式对海上蒸发波导的数值模拟研究

以WRF中尺度模式为基础,耦合Babin蒸发波导模式,建立了一种海洋蒸发波导预报模式,对南海2010年3月26日至28日的蒸发波导高度进行48h的数值模拟。通过与NCEP再分析资料FNL数据计算得出的蒸发波导高度对比分析发现,WRF模拟结果与FNL计算结果拟合的较好,并且变化规律基本一致,该模式可以用来预报海上蒸发波导。

WRF模式对舟曲“0808”特大泥石流暴雨的数值模拟

利用NCEP每6 h 1次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),对2010年舟曲"0808"特大泥石流暴雨天气进行了数值模拟,运用模式输出资料对此次天气过程发生发展的机制进行了诊断分析。结果表明:舟曲强暴雨发生在高原短波槽、低涡切变线和副热带高压等共同作用的有利天气形势下,三重嵌套的WRF模式对此次暴雨具有良好的模拟能力。低层强辐合、中层无辐散和高层强辐散的配置,以及强烈的上升运动是此次暴雨发生的主要动力条件。从低层向上延伸的等θse线高能舌和水平风垂直切变为暴雨的发生输送了大量的不稳定能量。中低层水汽辐合上升为暴雨的发生创造了有利的水汽条件。

基于WRF/UCM的城市气候高分辨率数值模拟研究

以沿海城市大连2015年7月3日2时至7月4日2时的晴朗高温天气为研究背景,利用WRF/UCM以1km的高分辨率进行了城市气候数值模拟.结果表明:海风、山体对城市热岛有明显的缓解作用;中心城区受山地影响,形成了管道风效应;模拟期间城市热岛中心位于大连开发区一带,热岛强度最高达6.9℃,出现在2015年7月3日19时30分.将模拟结果与两个气象站和现场观测值进行了对比,发现模拟值与观测值变化趋势基本一致,地面温度场模拟结果优于风场模拟结果.温度场误差最大-3.10℃,最小0.08℃;平均误差最大0.88℃,最小0.52℃;均方根误差最大1.23℃,最小0.63℃.对于大尺度的城市气候研究而言误差在可接受的范围之内.对相应的缓解城市热岛的城市规划策略也进行了初步探讨.

WRF模式同化系统在“碧利斯”台风暴雨数值模拟中的应用

利用美国高分辨率中尺度模式WRF(Weather Research and Forecast)式和WRF三维同化系统(WRF 3DVAR),以2006年"碧利斯"台风低压引发的暴雨天气过程为例,通过控制试验和同化试验的对比分析,探讨了高空和地面实况资料同化对台风低压"碧利斯"暴雨过程分析和预报的影响。初步的结果显示,同化高空和地面实况资料后对模式的初始场有明显的改进、对暴雨过程的降水落区和强度有不同程度的正反馈,更接近实况的降水。

WRF模式对青海东部地区暴雨过程的数值模拟

运用WRFV3.3模式通过设定模拟区域、两重嵌套网格以及针对各种物理过程选用参数化方案等,对青海东部地区2007年8月26～27日发生过的一次大暴雨天气过程进行数值模拟研究,并与实测资料进行对比分析,对WRFV3.3模式在青海地区的模拟效果进行评估。结果表明,从降水量的模拟结果来看,模式对于微物理过程和积云参数化方案敏感,对陆面过程、长波辐射、短波辐射、近地面层和边界层方案不敏感;对2007年8月26日青海东部地区暴雨过程的模拟结果进行评估,西宁、化隆、尖扎、清水河、黄南各站的12 h降水量平均误差分别为-86.5、-75.5、-71.0、-14.0、-100.5 mm;降水落区面积偏大;积分时间为0～12、12～24、24～36、36～48 h的模拟值和观测值相关系数分别为0.66、0.57、0.60、0.51,平均相关系数0.58。

基于WRF模式的博斯腾湖地区暴雨数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF4.0,对2020年8月14日南疆博斯腾湖地区的一次暴雨过程进行了数值模拟和敏感试验,研究分析了其中尺度结构特征。结果表明:(1)此次暴雨过程是由于受到伊朗高压系统推动,中亚槽东移,在天山中部与西西伯利亚槽合并加深形成了自北向南的中天山大槽的影响,博斯腾湖区位于该大槽的正中心位置,槽前西南气流强盛,受该大槽控制,博斯腾湖地区暴雨逐渐形成和发展。(2)强降水期间暴雨中心从低层到高层均出现了强烈的上升运动,暴雨过程的水汽来源于中亚槽前偏西向的气流输送,水汽通过该输送通道源源不断地被输送至降水区,为暴雨的形成提供了有利水汽条件。(3)大气上升运动、高低空涡度和散度的有利耦合形势、低空急流的存在以及大气中不稳定能量的释放,共同触发了此次暴雨过程的发生。(4)敏感性试验表明,库鲁克塔格山对于降水有显著影响,当模式中山脉高度降低后,模拟的雨量增多,降水范围增大。

大西洋和印度洋上空“射线状”云的观测分析与数值模拟研究

本文利用中分辨率成像光谱仪(MODIS)、可见光/红外辐射成像仪(VIIRS)可见光卫星云图,对2017—2021年发生在大西洋和印度洋上的118个“射线状”云个例进行了统计分析,利用天气研究和预报模式(Weather research and forecasting model, WRF),对2019年7月8日南大西洋上空的“射线状”云个例进行了水平分辨率为1 km的模拟研究,分析了云凝结核浓度、气温、垂直运动速度、水汽混合比的垂直结构和水汽的水平分布。研究结论显示:“射线状”云是一种主要发生在低纬度地区的中尺度天气现象,且就大西洋和印度洋海域而言,多发生于南半球大洋上空,北半球夏季和秋季是“射线状”云的频发季节;每个“射线状”云臂单体出现处均对应有不同程度的上升运动,“射线状”云是具有对流性质的云;大气逆温层会限制云向高处发展,使得水汽被限制在逆温层高度以下,大范围的逆温层是塑造“射线状”云形态的重要因素。

高分辨率海温数据对1810号台风“安比”WRF数值模拟的影响

采用美国国家环境预报中心高空间分辨率再分析海温资料和中国国家海洋环境预报中心提供的逐小时全球高时间分辨率海温数据,通过WRF模式对2018年10号台风“安比”(1810)进行数值模拟,结合台风动力和热力条件分析结果表明:海温分布与位涡强度具有良好的一致性;海温通过影响台风内部垂直运动带来的潜热释放决定对台风强度的改变,高分辨率的海温数据对台风数值模拟有一定影响。

WRF模式中参数化方案对新疆北部不同地形地区风场模拟的影响

WRF(weather research and forecasting)模式中参数化方案的选择与近地面风场的仿真模拟结果关系密切。为解决新疆北部不同地形地区风场模拟准确性的问题,采用WRF中尺度气象模式,探究4类参数化方案(边界层、微物理、陆面过程、近地面层)以及次网格地形方案对新疆北部不同地形地区风场模拟结果的影响。结果表明:每组试验均能模拟出风速的变化趋势;陆面过程RUC(rapid update cycle)方案和微物理Lin(Purdue Lin)方案对平原地区模拟结果较好,陆面过程Noah方案和微物理WSM6(WRF single moment 6 class)方案对山区地形模拟结果较好,且对于平原和山谷地形,次网格地形方案对模拟地区均能起到较好的修正作用。

WRF模式中不同边界层及云微物理方案对两次黄海海雾个例数值模拟的影响

利用WRF模式及其循环三维变分同化系统,以发生在2006年3月6-8日和2012年3月27-28日的两次大范围黄海海雾事件为研究对象,针对不同的边界层方案和云微物理方案,设计了4组海雾数值模拟对比试验。模拟结果显示:对于2006年较为浓厚的海雾个例,边界层方案采用YSU、云微物理方案采用Lin得到的模拟雾区与观测事实最为相符;YSU和Thompson方案、MYNN和Lin方案的组合模拟结果次之。边界层方案采用MYJ时,无论采用何种云微物理方案,模拟结果均较差。而对于2012年较为淡薄的海雾个例,采用不同云微物理方案之间的差异较小,采用不同的边界层方案得到的模拟雾区差异显著。采用MYNN边界层方案得到的模拟雾区与观测事实最为相符,而YUS和MYJ方案均不能很好地模拟出此次海雾过程。

基于WRF-CMAQ-Fluent的城市环境数值模拟

使用计算流体动力学方法,利用工程仿真软件Fluent与中尺度气象软件WRF,区域尺度空气质量模型CMAQ耦合,将模拟精度精确到1-10 m,从而得到详细的城市风环境、热环境、污染物环境,可为政府解决环境问题提供更可靠的技术支持。

WRF模式对一次中低纬降雪天气的数值模拟分析

基于NCEP再分析资料,选取中低纬度滇西南普洱作为研究区域,利用WRF模式模拟2013年12月一次小雪及雪后霜冻天气过程,通过模式输出资料对降雪天气进行诊断分析。结果表明:此次降雪过程的主要影响系统为南支槽,降雪天气发生在强冷空气形成的低空切变线北部;该过程大气为稳定性层结并具有湿斜压性,垂直剖面上MPV1正值中心向下延伸至500 h Pa,此高度以下MPV1以弱的正值为主;干冷空气的输送造成湿斜压性增强,MPV2负值中心达到-0.2PVU,同时配合南支槽提供的水汽条件形成了此次降雪天气。南支槽东移出境后,大气湿斜压性减弱(MPV2负值中心-0.05PVU);前期大气湿斜压性造成局地平流降温,与其后的对流稳定性及高层冷空气的向下输送引起辐射降温,共同造成了较强的混合型霜冻。WRF模式对中低纬滇西南降雪天气过程的范围、时间及雪后强降温天气有较好的模拟效果。

WRF数值模拟超强台风“凡亚比”路径强度及降水特征分析

采用中尺度数值模式WRF对2010年第11号台风"凡亚比"的发生发展过程进行数值模拟。通过设计的模式方案较好地模拟再现了"凡亚比"台风的发展、演变以及登陆过程,并利用台风最佳路径集提供的路径、中心气压、地面最大风速等信息资料,NCEP/NCAR分析资料,TRMM降水资料以及卫星云图、降水观测等各种资料与模式模拟结果开展了较细致的对比分析。模式模拟的台风路径与观测路径较为一致,分析出"凡亚比"台风的移动路径、强度、云系和降水分布等方面的特征。结果表明,台风的高低层环流形式、垂直运动场模拟结构也完全匹配,同时很好地把握住了中国沿海地区由台风造成降水的降水中心位置以及降水强度,但是对台风两次登陆时间的模拟均比真实的情况要迟6 h,并且登陆位置偏西南。

基于Polar WRF模型的南极冰盖气温、风速和气压数值模拟

在全球变暖的背景下,南极已成为全球气候变化研究的热点,然而其区域内的观测站点稀疏且缺乏较长的时间序列,限制了人们对南极气候变化机制的分析与理解。Polar WRF作为目前最先进的极地区域气候模型之一,有力弥补了观测资料不足的缺陷,然而模式存在误差,在应用之前有必要对其定量评估。本文利用Polar WRF3.9.1对2004-2013年南极冰盖2m气温、10m风速和地表气压进行了数值模拟,并与28个气象站数据进行了对比分析,结果表明:模式对气温的模拟值在东南极沿岸偏低,在内陆偏高,在南极半岛既存在冷偏差也存在暖偏差,而对风速和气压的模拟整体呈高估。而从均方根误差和平均绝对误差的空间分布来看,模式对气温和气压的模拟结果在东南极沿岸的精度高于内陆和南极半岛,而风速则在内陆的精度要高于沿岸地区。但总体来说模拟效果较为理想,在2004-2013年间气温、风速、气压的模拟值的变化趋势与实测值的变化趋势相同。模式模拟的年平均2m气温和近地面气压在所有站点都通过了α=0.1的显著性检验,季节误差和月误差整体较小,且所有月份的相关系数都分别大于0.90与0.79。模式对10m风速的模拟精度要略低,部分沿岸站点的年平均误差超过了7.5m·s^(-1),但整体而言其在四季和各个月份的相关性均大于0.5且误差小于4.5m·s^(-1)。虽然Polar WRF作为天气模式,但在模拟长时间尺度的气候方面仍然表现较好。

WRF模式对翁源一次特大暴雨过程的模拟分析

采用中尺度数值模式WRF对2010年5月6日翁源发生的特大暴雨过程进行数值模拟研究,结果表明:模式成功地模拟出翁源24 h累计积雨量和前2个强降水阶段的落区和量级,但在第3阶段出现漏报;充沛的水汽含量、持续的水汽输送、强烈的水汽辐合、深厚的湿层以及850 hPa高能舌和中尺度能量锋的存在为强降水提供了良好的水汽和热力条件;低层西南气流明显减弱,中高层吹西北风,翁源处于水汽辐散区,热力条件转差是第3阶段模拟效果偏差的重要原因。该次过程对流云发展旺盛,伸展高度高,具有暖云层剖面结构,属于积云为主的暖区暴雨过程。