针对WRF模式中行星边界层参数化过程倾向项的扰动方法

针对WRF模式中行星边界层参数化过程中的不确定性,发展了一种针对行星边界层参数化过程的随机物理扰动方案(SPPBLPT),该方案针对行星边界层计算的温度、风场、水汽倾向项进行扰动。使用该方案、多行星边界层参数化方案、多参数扰动方案及针对WRF模式总倾向的随机物理过程扰动(SPPT)方案对2014年7月进行对比实验,发现使用较大格点方差的SPPBLPT方案能有效降低地面温度与风场的误差,也能降低降水的预报误差,而其他方案对预报改善不明显。针对地面温度和风场的BS评分显示,SPPBLPT方案通过降低可靠性评分(提高可靠性),显著改善了集合预报对温度与风场的可能性预报,同时该方案能显著提高降水的GSS评分,在所有实验中,较大格点方差的SPPBLPT方案表现最好。针对行星边界层参数化过程的随机物理扰动方案(SPPBLPT)能显著提升集合预报系统性能,但是该方案的扰动参数的设置还需要进一步研究。

行星边界层模式中中性层结条件下的E-ε-l湍流闭合方案

由标准Ｅ－ε模式得到的行星边界层厚度似乎太大，之所以如此，可归因于湍流动能（Ｅ）的耗散率（ε）方程，特别是方程中耗散生成和损失项的参数化方法。在大气边界层的模拟研究中，我们认为谱能储存部分的谱串级输送过程必须作为耗散生成的一部分加以考虑，并用特征长度ｌε表示。与标准模式一样，耗散局地生成和损失作用之间的“平衡”的不稳定性，当作正比于Ｅ２／Ｅ的量处理。文中提出Ｅ－ε－ｌ湍流闭合方案，同时包含了混和长度ｌｍ和ｌε。虽然ε仍决定Ｅ方程中的耗散率，但其重要性减弱了。

基于WRF不同边界层方案的陕西气象要素预报检验

利用陕西省区域数值模式系统,通过对比WRF中两种大气边界层方案(MJY和YSU),对陕西省2021年7月地面和高空要素预报开展了对比试验。结果表明:地面要素预报上,MYJ方案的24 h累积降水量预报的空报率和漏报率都更低,TS评分更高,预报效果更好,逐小时降水量预报的BIAS评分随预报时效的增加变化更小,空报率、漏报率和TS评分也整体优于YSU方案,表明MYJ方案对降水预报的稳定性更好。两个方案的2 m温度和10 m风场预报存在正偏差,2 m比湿预报存在负偏差,即预报场的温度偏高、风速偏大、湿度偏干,YSU方案在2 m温度和10 m风场预报上效果更好,而MYJ方案在2 m比湿预报上效果更好。高空要素预报上,两个方案在各个高度层上对各个要素的预报各有优劣,其中YSU方案在高空风速预报上较MYJ方案更稳定。

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.

不同边界层参数化方案对天津一次海陆风过程模拟对比分析

针对行星边界层物理组成多元,气象要素分布不均匀且特点复杂,选用WRF模式中4种运用广泛的行星边界层参数化方案(YSU、MYJ、ACM2、UW)进行数值模拟实验。结果表明:(1)4种方案均有效模拟出相关气象要素,且基于天津这一沿海城市成功模拟出海陆风;(2)4种方案原理上不尽相同,但是模拟结果中主体趋势都一致;(3)对于不同的下垫面,使用合适的方案可大大提高模拟精度;(4)目前的WRF模式还不能准确地模拟出小尺度风。

临界理查森数对不稳定状态下边界层模拟的影响

在边界层参数化方案中,临界理查森数可以用来判断湍流状态和计算边界层高度。大部分模式会将临界理查森数设置为常数,但实际上它会发生改变。基于WRF(weather research and forecasting)中尺度数值预报模式和YSU(Yonsei University)边界层参数化方案(以下简称WRF/YSU),以一次夏季的晴好天气过程为背景,研究了当临界理查森数发生变化,会对气象场和边界层湍流产生的影响。结果表明:当临界理查森数增加时,大范围区域的边界层的高度会增加。在时空上能够体现出来。在空间上,边界层高度分布不均。从时间上看,在下午边界层高度受到的影响最大;理查森数的临界值增加,湍流扩散系数也增大,水汽混合比增加,并且地面热通量总体增大,使边界层高度增大;YSU方案中湍流扩散方程由一个局部项、一个非局部项和一个夹卷项组成。对于热通量,夹卷项对总热通量的贡献与局部项和非局部项的贡献相当。对于水汽和动量通量,局地项及夹卷通量项在边界层中最大。

基于NCEPGFS与JMAGSM预报场的WRF模式风速预测效果对比

基于NCEP GFS、JMA GSM两种预报场资料,设计了4组模拟试验,分别采用WRF3.4/3.4.1模式预测了2014年5月23～26日、9月22～25日两个时段（再细分为6个子时段）香港地区近地层10m高处的风速,并选用15个地面自动气象站及1个探空站垂直风廓线实测数据对预测结果进行检验。结果表明,在稳定天气条件下,NCEP、JMA预报场均能较好地反映近地面风速的日变化过程,所预测的10 m高处风速的RRMSE值相差不大,NCEP预报场预报的风速变化趋势相对较准;近地层垂直风速廓线模拟中NCEP预报场优于JMA预报场,JMA预报场模拟风速廓线走势存在失真现象;更新YSU模式能小幅改善夜间地表风速模拟效果,但对风速廓线走势影响不大。

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。

中尺度业务数值预报试验模式系统原理和应用（二）模式物理过程

中尺度业务数值预报试验模式系统原理和应用（二）模式物理过程陈伟民，王强（兰州中心气象台７３００２０）物理过程是中尺度模式的重要组成部分，主要涉及到行星边界层物理过程、地面能量平衡、水汽循环等问题。中尺度业务数值预报试验模式系统（简称ＭＯＮＦＥＭＳ）的...

FSU全球谱模式及其T21在国内机器上运转的初步结果

美国佛罗里达州大学全球谱模式(FSUGSM),是主要用于低纬中期数值天气预报和数值模拟研究的全球多层原始方程模式。特点是对低纬大气的物理过程考虑得比较细致,例如在积云对流参数化、辐射与云的相互作用、行星边界层的处理和物理初值化等方面都有其特色。近几年来,在用来制作10天低纬中期数值预报、模拟季风爆发。

加拿大气象中心的数值预报模式和有关研究

加拿大气象中心(CMC)主要从事中短期数值天气预报业务和有关研究.下面我们分别进行叙述.第一部分中短期数值天气预报业务制作中短期数值天气预报业务的模式有两个,即有限区域半隐式半拉格朗日有限元模式和半球谱模式.前者主要作48小时以内的天气和形势预报;后者主要作3到5天的天气和形势预报.

近四年国内数值天气预报的主要进展

在最近4年(1987—1990)内,国内数值天气预报和有关的数值模拟等都获得了显著的发展,如研制成功中期数值天气预报业务系统和有限区域预报业务系统,建立了9层大气环流模式和6层海-气耦合模式,以及许多有学术和经济价值的成果等。下面我们就其主要方面进行叙述。一、业务分析预报为了满足国民经济和四个现代化的需要,从1987年开始,国家气象中心、大气所、北大和国内有关大专院校、科研单位,以及部分省、市气象局共同协作,对中期天气预报进行了大规模的研究。经过努力。

雷暴在空气污染物输送中的重要作用

酸性沉积物和光化学烟雾是城市空气污染的难题。酸性沉积物和光化学烟雾长时间地滞留于局部地区:而在对流层中,它们的滞留时间别较短。如果这些污染物被很快地输送到对流层上部,那么它们的大气滞留期便会延长,其影响范围也会显著扩大。虽然垂直输送能降低大气酸度。

1949—1966年中华人民共和国在大气动力学和数值天气预报方面的研究状况

美国学者于1973年撰文对1949—1966年中国气象工作者开展的大气动力学和数值天气预报研究方向和成就进行了详细阐述。主要包括积云和湍流边界层动力学,以及中尺度、天气尺度和行星尺度运动的动力学。特别是与业务预报模式的发展有关的方向(图1)①。

有限区域海面风场数值模式的建立

目前,国内外大尺度天气预报数值模式已经取得很大成就,如在预报地面气旋系统的移动和发展等方面。然而,这些模式的铅直分辨率一般不高,通常不包括边界层的动力过程,因而,在预报海面风场上,数值天气预报模式还没有令人满意的效果。目前所用的边界层预报模式尽管具有较高的水平分辨率和垂直分辨率,但要求大量的计算和资料,很难用于日常业务预报;另一种边界层诊断模式。

5．2国家中尺度观测系统的概念实施

地面观测网和地表以下观测网的概念正在发展，展望未来，尤其是随着通讯技术的日益成熟、客户期待的不断提高、中尺度模式对数据的迫切需求上升，地面观测网和地表以下观测网的发展步伐还需要迅速加快。预期，一个服务于中尺度的垂直的行星边界层（PBL）观测将会是该系统的一部分。这项事业如同通讯产业那样，能够从标准和协议中受益匪浅。