WRF模式不同微物理方案对青海高原夏季一次降水过程模拟差异的初步探讨

为了解不同微物理方案对青海高原地区夏季降水过程模拟的影响,利用WRF模式和NCEP再分析资料,选取Lin方案、WSM6方案和New Thompson方案等3种微物理过程参数化方案,模拟了青海高原地区2017年夏季一次典型降水过程,并结合探空、降水等观测资料对模拟结果进行了探讨。结果表明:WRF模式3种微物理参数化方案对温度廓线的模拟表现出较好的一致性,且均与实况接近,但对不同区域相对湿度廓线的模拟能力有明显差异;3种微物理参数化方案均能模拟出本次降水的主要走向、雨带及强降水中心,但模拟的雨带和强降水中心位置较实况偏东且局部雨量偏大;WSM6方案对降水空间分布的模拟与实况最接近,WSM6和New Thompson方案模拟的降水偏差均略小于Lin方案;3种方案降水模拟结果中,小雨TS评分最高,其次是中雨,对大雨模拟的可信度均较差;降水模拟小雨TS评分最高的是New Thompson方案,为0.60,WSM6方案次之,Lin方案较差,为0.43;对中量降水模拟,WSM6方案略优于其他两个方案;降水模拟New Thompson和WSM6方案整体优于Lin方案。

基于WRF模式的好溪流域致洪暴雨千米尺度预报研究

鉴于好溪流域内多山地和丘陵,梅汛期和台汛期常突发强暴雨,致使其千米尺度下的数值预报难度较大的问题,选取好溪流域2015~2020年的10场致洪暴雨事件,利用中尺度数值天气预报模式WRF和GFS预报数据进行6、30、54 h的回顾性预报,并测试了5种云微物理参数化方案的敏感性。结果表明,在千米尺度下,WRF模式模拟的降雨量偏小,对山区的预报效果优于河谷地区;Lin方案的整体预报效果最佳,而WSM3方案最差;选取的10场极端降水事件受到台风和西南低空急流等异常天气的影响,Lin方案和WSM5方案适用性较好;WRF模式对暴雨的预报效果优于大暴雨。研究结果对于提高山区小流域致洪降雨的模拟和预报精度具有借鉴意义。

基于WRF模式的康定地区风吹雪易发性判断

为给通过地形复杂,缺少气象资料的西南艰险山区的铁路研究风吹雪易发性提供方法,以位于该区域的四川省康定市为例,采用中尺度数值天气预报模式(The Weather Research and Forecasting Mode,WRF)对该区域气象要素的时空分布进行模拟.基于WRF模式中各种参数的特点,设计4种参数方案进行计算,采用双层网格嵌套达到降尺度模拟,为了高精度解析大气边界层过程,在竖直方向、近地面1.5km高度内加密为15层,提取康定站计算结果与观测结果进行比较.结果表明,WRF模式的计算结果符合康定市气候特征,气象要素的相关系数均高于0.5;风吹雪发生概率从高到低的区域依次为康定市东部和南部边缘的贡嘎山区,内部的大雪山段,以及位于101.7°E~102.0°E位置处的铁路线路,概率分别为19%、14%和12%,其他区域的概率低于4%.

基于WRF模式的四川省凉山州地区风能资源可开发区域研究

利用MERRA2再分析数据驱动WRF模式,对四川凉山州地区2020年全年进行风资源模拟分析,并用凉山州地区典型测风塔数据对模拟结果进行检验,并进行详细地风资源分析,再根据风电场开发8%基准内部收益率反推可开发风能资源的区域分布。结果表明:凉山州大部分地区100 m高度年平均风速在5 m/s以上,风速极大值一般位于山脊,凉山州风能最好的区域主要集中在会东县和宁南县。凉山州典型区域内均表现出受西南季风影响的特征,即冬、春季节风大,夏、秋季节风小,主风向呈强西南风状态,且风功率密度变化规律与风速的变化规律基本一致。凉山州山地区域可开发风能资源的平均风功率密度临界值为258 W/m^(2),这些区域主要集中在会理、会东、宁南、布拖、木里和盐源县境内。可开发区域分布图对指导凉山州地区风能开发提供科学参考。

WRF模式多参数化方案对东南亚低纬高原陆气耦合强度的模拟评估

东南亚低纬高原是全球陆气耦合的热点地区之一,其陆气相互作用对气候、水文和环境均具有重要的影响。本研究采用均匀抽样方法,结合WRF模式中多参数化方案,开展了48组数值模拟试验,通过优选参数化方案组合,对该地区陆气耦合强度及其相关变量进行了模拟评估。研究表明:(1)从48组模拟试验集合中可发现,对于近地面或地表的气温、比湿、向下长波、向上长波和土壤温度,集合模拟能力较好;对于近地面或地表的风速、降水、感热通量、潜热通量、向下短波和向上短波,集合模拟可较好反映各变量的变化特征;但是对于地表的土壤湿度,集合模拟能力较差。对于近地面或地表的风速、降水、潜热通量、向下短波、向上短波、土壤温度和土壤湿度,不同组合间模拟差异较小;但是对于地表的感热通量,不同组合间模拟差异较大。(2)根据等权重平均Taylor评分获得的最优参数化方案组合可以提升对于近地面或地表的气温、比湿、向下短波、向上短波、向下长波、向上长波和土壤温度的模拟能力,但对于近地面或地表的风速、降水、感热通量、潜热通量和表层土壤湿度提升效果不明显。(3)最优参数化方案组合可以合理地反映陆气耦合的空间特征和时间变化,但模拟的耦合强度较参考值偏弱,主要与潜热通量和向下短波辐射模拟能力较差有关。

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。

利用WRF模式模拟青藏高原玉树地区一次层状云降水过程

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案和模式分辨率对青藏高原玉树地区夏季的一次层状云降水的影响。通过模拟结果分析表明:采用WRF模拟高原降水结果普遍偏大,三种积云参数化方案中GD方案模拟结果比较理想,不同方案对降水模拟比较敏感,相同方案下不同网格分辨率模拟降水分布基本相同。所用设计方案模拟的结果基本反映此次降水的实况和云图特征。在模拟实况温度和露点温度时,5 km分辨率的BMJ方案模拟效果相对于同分辨率其他两种方案明显更好。结合物理量场以及卫星云图分析本次层状云降水是由环流形势稳定、水汽充足、高原风切变共同影响。利用高分辨率的日本葵花8号卫星分析8 um和11 um红外通道分析云辐射亮温和水汽情况,降水时段玉树地区上空存在片状层云,并且水汽条件充足,环流背景场上玉树地区位于槽前,积云对流旺盛。此外,夜间露点温度差减小有利于形成较厚的云系导致高原夜间降水频繁。云图上发现,上升流场维持层状云团的发展和移动,高原夜间低层出现小而多的水汽云团,较小的云团混合生成较大的降水云系。The mesoscale numerical model WRF was used to study the effects of cumulus convection scheme and model resolution on the precipitation of stratiform clouds in Yushu over the Qinghai-Xizang Plateau in summer. Analysis of simulation results shows that WRF tends to overestimate precipitation over the plateau. Among the three cumulus parameterization schemes, the GD scheme yields relatively ideal simulation results, and different schemes exhibit sensitivity in precipitation simulation. Under the same scheme, different grid resolutions yield similar precipitation distributions. The simulated results using the designated schemes generally reflect the actual conditions and cloud features of this precipitation event. When simulating observed temperature and dew point temperature, the BMJ scheme at 5km resolution performs significantly better compared to the other two schemes at the same resolution. Combining physical field analysis and satellite cloud images, it is concluded that the stratiform cloud precipitation during this event is influenced by stable circulation patterns, abundant moisture, and wind shear over the plateau. High-resolution data from the Japanese Himawari-8 satellite’s 8um and 11um infrared channels reveal cloud radiative temperatures and moisture conditions. During the precipitation period, patchy stratiform clouds are present over the Yushu area with sufficient moisture, and the circulation background places Yushu ahead of a trough, promoting vigorous cumulus convection. Additionally, the reduced temperature-dew point temperature difference at night favors the formation of thick cloud systems, leading to frequent nighttime precipitation over the plateau. Analysis of cloud images indicates that the updraft field sustains the development and movement of stratiform cloud clusters, while small and numerous water vapor cloud clusters appear in the lower atmosphere at night, mixing to form larger precipitation cloud systems.

利用WRF模式不同参数化方案组合模拟玉树地区降水研究

青藏高原是全球气候变化的敏感地区,该地区的降水变化对全球及区域气候系统影响深远。运用WRF模型对高原的降水状况进行模拟研究,可以揭示降水形成机制和变化规律。但目前缺少利用WRF模式的不同组合改进青藏高原降水高估。为了改善降水高估的问题,本研究利用区域气候站逐时降水实况资料和NCEP 0.25度的3小时全球再分析格点资料,采用WRF4.0,对2019年7月28日发生在玉树地区的降水事件进行了对比分析,涉及多种积云对流方案与分辨率的组合。通过比较各种方案对降水量及降水分布的模拟效果,从而得到了相关的研究结论:不同积云对流参数化方案对降水落区和强度模拟的影响显著,GD方案在降水区域模拟上效果最好,与实际降水空间分布相似性最大,而BMJ方案效果最差。总体来看,各方案均普遍高估降水量,提高模式水平分辨率可以提高降水模拟精度,但对雨带走向和范围影响不大。模式能很好地模拟降水演变过程及其后的温度、露点、CAPE和风场等物理量,除NKF-5 km方案外,其余方案的CAPE模拟结果基本与实际一致。NKF方案倾向于产生更高的CAPE,这可能是其降水模拟效果较差的原因。The Tibetan Plateau is a sensitive region for global climate change, and variations in precipitation in this area have far-reaching impacts on both global and regional climate systems. Conducting simulation studies on precipitation conditions in the plateau using the WRF model can reveal mechanisms and patterns of precipitation formation. However, there is currently a lack of research utilizing different combinations of the WRF model to improve the overestimation of precipitation on the Tibetan Plateau. To address this overestimation issue, this study utilized hourly precipitation data from regional climate stations and 3-hourly global reanalysis grid data from NCEP with a resolution of 0.25 degrees. The WRF model was employed to conduct comparative analyses of a precipitation event that occurred in the Yushu region on July 28, 2019, involving various combinations of cumulus convection schemes and resolutions. By comparing the simulation effects of different schemes on precipitation amount and distribution, the study drew relevant conclusions: different cumulus convection schemes significantly affect the simulation of precipitation regions and intensity. The GD scheme performed the best in simulating precipitation areas, exhibiting the highest similarity to the actual spatial distribution of precipitation, while the BMJ scheme performed the worst. Overall, all schemes tended to overestimate precipitation amounts. Increasing the model’s horizontal resolution can enhance precipitation simulation accuracy but has a minimal impact on the direction and extent of rain belts. The model effectively simulates the evolution of precipitation and subsequent physical quantities such as temperature, dew point, CAPE, and wind fields. With the exception of the NKF-5 km scheme, the CAPE simulation results of the other schemes were generally consistent with actual observations. The NKF scheme tends to produce higher CAPE, which may be a contributing factor to its poorer precipitation simulation performance.

WRF模式在三峡库区气象模拟中的研究进展

近几年中尺度数值大气模式WRF迅速发展,其应用越来越广。本文概述了中尺度天气数值模拟影响的关键问题,从物理参数化方案、驱动数据和合理的空间尺度三个方面介绍WRF模式在气象领域的发展和应用,阐明WRF模式在中尺度模拟的过程中的普遍性和优越性。最后通过对WRF模式在国内的应用现状进行归纳与梳理,以及对模式未来发展趋势的展望,对WRF模式在三峡库区的应用进行探讨,为WRF模式在三峡库区的气象模拟研究提供必要的参考。

复杂地形区陆面资料对WRF模式模拟性能的影响

本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式耦合Noah陆面过程模式,对比研究了使用不同精度陆面资料:WRF默认陆面资料、中国1 km分辨率数字高程模型数据集、2006年MODIS(MODerate-resolution Imaging Spectroradiometer)土地利用和植被覆盖度资料,WRF模式对兰州地区冬季气象场模拟结果的差异。结果表明,近地面气温对陆面资料的精度非常敏感,而风场对陆面资料的精度不敏感,WRF模式对气温的模拟效果好于对风场模拟。采用高精度且时效性好的陆面资料后,WRF模拟的近地面气温准确率提高了15.8%,模拟的夜间气温改进幅度较白天大。陆面资料可影响整个边界层温度场分布,准确的陆面资料对提高WRF模式模拟近地面乃至整个边界层气象场至关重要。尽管风速模拟误差较大,但总体上WRF模式能较准确地模拟出研究区的风场演变特征。使用新的陆面资料后WRF模拟的风速误差略有减小,风向误差略有增加。干旱半干旱区冬季数值模拟需要注意土壤湿度初值和模式初始积分时刻对模拟结果的影响。

WRF模式对山谷城市边界层模拟能力的检验及地面气象特征分析

利用先进的WRF中尺度模式中3种边界层参数化方案（YSU、MYJ和ACM2）,模拟了2005年1月25~28日兰州市冬季地面温度和风速的变化,并与同期系留探空和自动气象站的实测资料进行了对比分析。结果表明：对兰州冬季大气边界层地面温度日变化的模拟,局地闭合的MYJ方案优于非局地闭合的YSU和ACM2方案;3种方案模拟的夜间位温廓线较好,白天的较差;在边界层低层,考虑局地和非局地闭合的ACM2方案模拟的位温廓线与观测值比较一致;在边界层上部,局地闭合的MYJ方案则更适合于描述大气湍流对位温垂直分布的影响;3种边界层参数化方案模拟的兰州地区冬季温度场空间分布特征相似,但MYJ方案模拟的夜间温度低于YSU和ACM2方案,白天则高于YSU和ACM2方案。

WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验

为了研究微物理参数化方案对珠江三角洲(简称珠三角)降水模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,在3 km模式分辨率下,在微物理方案为WSM6方案条件下,选用KF、BMJ、GD以及G3等四种积云参数化方案对2010年5月14日广东珠三角地区的一次暴雨过程进行了模拟试验。结果显示,KF方案对于降水带和降水量的模拟与实况较为一致。在积云参数化方案为KF条件下,分别选用Kessler、Lin et al、WSM 3、WSM5、Ferrier(New eta)和WSM6等6种微物理方案再次对这次暴雨过程进行模拟试验,模拟结果的对比分析表明:选用Lin et al微物理方案时,模式较好地模拟出了强降水雨带的位置和降水强度;而其他5种参数方案的模拟效果均不好,降水量明显偏小,雨带位置偏差较大;同时对低空急流、K指数和上升速度等物理量分析可知,Lin et al方案能较好地模拟出降水实况。

WRF模式对江苏一次强降水过程的模拟分析

利用NCEP最终分析资料,使用WRF模式模拟了2008年7月22—23日出现在江苏的一次强降水天气过程。结果表明:WRF模式能较好地模拟出这次降水的区域,对这种中尺度天气系统具有良好的预报能力。在这次降水过程中,低空风场切变线和冷空气以及与高空急流的合理配置加强了强降水区垂直环流的发展,使降水区对流发展;而高空辐散、低空辐合的流场特征也促进了强降水的产生;这次过程的水汽输送在850hPa上最强,850hPa的强水汽输送是产生强降水必需的水汽条件;从能量方面看,江苏全境都处于K指数高值区,特别是江苏中北部有相当高的能量聚集,为强降水提供了不稳定条件。暴雨区上空螺旋度呈低层正中心、高层负值区的分布,螺旋度的高低层耦合是触发并维持低压暴雨的动力机制。

WRF模式对黄土高原丘陵地形条件下夏季边界层结构的数值模拟

利用中尺度数值模式WRF提供的两种边界层参数化方案(YSU和MYJ方案),选取2009年7月27-29日作为夏季个例,对黄土高原丘陵地形条件下大气边界层结构及地表能量场特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式较好地模拟出黄土高原夏季边界层结构的日变化及近地面温度场、风场、净辐射通量、感热通量和潜热通量等要素的变化特征。WRF模式对温度的模拟最好,相关系数达到了0.95,对风速的模拟则较差,这与风场本身的随机多变性有很大的关系;WRF模式提供的土地利用类型、土壤类型以及NCEP提供的初始场土壤湿度与实际不符,是造成白天地表能量场模拟效果较差的主要原因;黄土高原半干旱区对流边界层最大高度可达到2 500m,夜间稳定边界层高度可达到700m左右。两种方案的对比分析表明,加入了非局地混合作用以及边界层顶夹卷作用的YSU方案能更好地模拟出对流边界层结构特征,而MYJ局地闭合方案则对稳定边界层的模拟表现更优。

下垫面对WRF模式模拟黑河流域区域气候精度影响研究

利用高精度的土地覆盖、土壤质地类型和地形高度值替换了天气研究和预报模式Weather Research and Forecasting Model(WRF)中的相关数据,通过数值模式试验检验了下垫面数据对WRF模拟精度的影响。同时,通过与黑河综合遥感联合试验中7个测站观测数据的比较,以平均误差、均方根误差和相关系数为指标,分析了WRF模式下垫面数据改变对近地表气象要素的模拟精度的影响。结果表明:(1)WRF模式本身的地形高度信息在黑河流域上游地区有较大误差,造成了一定的模拟误差。而使用高精度的下垫面数据可以提高WRF模式在黑河流域上游复杂区域的模拟能力;(2)2m气温除了随地形高度递减外,还受土壤质地和土地覆盖小幅度影响,而且进行地形订正后的2m气温与2m湿度的模拟在下垫面为水体的区域对比强烈,因此为模式提供准确的水体分布信息也至关重要;(3)2m气温和湿度等要素的模拟差异值与地形高度资料的差异呈负相关,而降雨量的差异与地形高度差异呈微弱的正相关,与土壤质地差异和土地覆盖差异的相关性也比较弱。

WRF模式对金塔绿洲效应的数值模拟

利用美国NCAR中心的天气研究与预报模式WRF,对金塔绿洲的温度场、环流场、能量场的结构及其日变化特征进行了较为细致的模拟研究。结果表明,WRF模式能较好地模拟出非均匀下垫面上绿洲和戈壁的近地面温度、风场、净辐射、感热和潜热等要素的变化特征及日变化规律,较为完整地呈现出绿洲"冷岛效应",模拟的近地面风向和观测值吻合较好。通过对能量场的时空分析,发现下垫面的植被类型、土壤类型和土壤湿度对绿洲白天感热、潜热、土壤热通量和净辐射等有很大影响,绿洲白天净辐射峰值比戈壁大,潜热通量比感热通量大;白天大气向地面传输热量,绿洲地表获得的热通量大;而夜间地表向上传递热量,绿洲释放的热通量比戈壁大。更加细致地研究这些现象对深入了解绿洲气候的形成和维持机理具有重要的意义。

WRF模式三维变分中背景误差协方差估计

利用WRF模式2008年5—10月逐日预报结果,通过NMC方法进行背景误差协方差(B)估计。给出其结构特征,进行单点数值试验,并利用不同B进行1个月的数值模拟试验,检验模拟降水效果。结果表明:通过单点数值试验验证估算的B结构合理。不同的B,资料同化过程差别较大,应用重新统计的B,同化效率更高,目标函数收敛更稳定。模式模拟降水预报效果有所差别,经过重新统计与预报模式区域和各种参数相匹配的B,模式预报效果在中雨及以上量级优于通用的B预报效果。因此,在应用三维变分同化系统时,重新统计B非常必要。

基于WRF模式对青藏高原一次强降水的模拟

为了了解新一代中尺度数值预报模式WRF中各参数化方案组合、嵌套技术的使用对青藏高原降水模拟结果的影响,利用WRF模式对2004年10月5—6日青藏高原一次强降水过程进行了模拟试验;对各微物理方案和积云参数化方案组合进行了模拟和对比评分,对嵌套技术的使用进行了对比分析,主要分析了不同行星边界层方案选择对降水模拟的影响。结果表明,WRF模式基本能够重建此次强降水过程的中心、强度及降水范围,Eta-Ferrier云微物理方案和Betts-Miller-Janjic积云参数化方案的组合在此次模拟降水过程中是最优的,采用嵌套技术的模拟结果要优于不采用嵌套技术的结果;行星边界层方案的合理选择能够明显提高降水模拟的效果。

基于WRF模式和自适应偏最小二乘回归法的风能预报试验研究

利用中尺度WRF(Weather Research and Forecast Model)模式预报了2009年1,4,7和10月甘肃某风电场区域的风速和风向,并与离风电场最近的两座测风塔对应时段50m和70m高度实测资料进行了对比,客观地评估了该模式对风场预报的准确率。在相对准确的风场预报基础上,利用2008年1月-2009年4月风电场200台风机的实际功率记录数据和同期气象要素场预报资料,采用自适应偏最小二乘回归法和单机预报法建立了每台风机未来48h逐15min输出功率记录数据与同时刻轮毂高度预报的风速、风向、气温、湿度及气压之间的非线性统计预报模型。为了对该模型的稳定性和准确性进行长期的客观评估,独立进行了2008年1-12月的预报试验,分别建立了12组独立的非线性统计预报模型。试验结果表明:(1)WRF模式预报的各月风向分布、风频大小与实测风向有较好的一致性;盛行风向基本一致,风频大小相当,风向分布特征也较为一致。(2)WRF模式预报的50m和70m高度逐时平均风速与实测值的相关系数介于0.6～0.8之间,均方根误差介于1.5～2.6m.s-1之间。(3)2008年1-12月逐15min风电场风电功率预报值与风机输出功率记录值的相关性较显著,可较好地预报出各月风电功率的时间变化趋势。两者相关系数介于0.58～0.90之间,均达到了99.9%置信度。(4)各月逐15min风电功率预报值与风机输出功率记录值的误差较小,相对于总额定装机容量而言,均方根误差介于2.76%～12.89%之间。