Study on the Influences of GWDO Parameterization Scheme and Terrain on a Rainstorm in Dabie Mountain

[Objective] The research aimed to study the influences of GWDO parameterization scheme and terrain on a rainstorm in Dabie Mountain.[Method] By using NCEP/NCAR 1°×1° analytical data,the conventional and unconventional ground observation data,WRFV3.1.1 version of non-hydrostatic balance meso-scale mode,a meso-scale shear line rainstorm process which happened in Dabie Mountain zone during 05:00-14:00 on June 21,2008 was carried out the diagnostic analysis and numerical test.In the control experiment,the gravity wave drag by orography(GWDO) parameterization scheme was added.The influences of GWDO parameterization scheme and terrain on the rainstorm process were discussed respectively by the sensitivity test.[Result] The orography dragging coefficient had the good improvement role on the rainstorm intensity or falling zone.The result had the very big difference when considering or non-considering the orography dragging coefficient.After the parameterization scheme was added,the rainstorm intensity or falling zone was better than that of non-addition.When there was no dragging coefficient,the shear line disturbance was strong,and the gravity wave activity was obvious.The precipitation was stronger in the zone where the gravity wave was obvious.The terrain in Dabie Mountain and the surrounding place also had the important effect on the shear line precipitation.When the terrain in Dabie Mountain was removed,the precipitation intensity on the shear line increased significantly,and the strengthening of rain belt in the west was the most obvious.When the terrain in the southeast of Dabie Mountain was removed,the precipitation in the east had the obvious increasing effect.The terrain wasn’t favorable for the rainstorm strengthening.The intensity variation of rain belt not only related to the terrain,but also related to the disturbance variation on the shear line.[Conclusion] The research provided the theory basis for the prediction and forecast of rainstorm.

宁夏两次低涡暴雨过程边界层方案的敏感性试验

利用中尺度数值模式WRF选取3种边界层参数化方案(YSU、MYJ和ACM2)对2018年8月20日和2019年8月2日宁夏两次低涡暴雨过程进行敏感性试验,对比分析不同边界层参数化方案对暴雨过程模拟的影响。结果表明:YSU和MYJ方案对暴雨的预报性能均较优,ACM2方案对强降水的空报率较大;YSU方案对逐时中等强度降水的模拟效果更优。YSU方案对低涡系统的移动路径和中心强度模拟效果最好。相比ACM2方案,YSU和MYJ方案对环境场物理量和边界层内水汽混合比的模拟更接近实况,并且YSU方案能准确地反映边界层内位温分布特征。YSU与ACM2方案的湍流混合强度更强,后者维持较强湍流的时间更长。总体上,YSU方案对宁夏低涡暴雨过程的模拟效果最优。

WRF参数化方案与初始场对闽江流域 暴雨模拟的敏感性研究

数值模式作为目前最主要的天气预报手段之一,已经广泛应用于极端降雨等强天气过程的预警和预测。在实际预报业务中,数值模式受初始场、边界条件、参数化方案等影响,难以进行长时间精准预报。基于新一代中尺度数值天气预报模式WRF(The Weather Research and Forecasting Model),交叉组合16套微物理过程和积云对流参数化方案,对闽江流域2021年5月17—24日的一场连续性暴雨过程进行敏感性对比模拟。结果表明,WRF模式基本可以再现本次降雨过程的时空分布特征,但明显高估了暴雨中心的强度和范围,EXP9(Lin-NT组合)整体表现较优。对于初始场质量敏感性试验,基于最优参数化方案组合的模拟结果表明,ERA5(The Fifth-generation Atmospheric Reanalysis of the European Center for Medium-Range Weather Forecasts)对各个量级降雨模拟效果均相对较好,与观测数据的时空特征最吻合,其次为GDAS/FNL(Global Data Assimilation System/Final Operational Global Analysis),而CFS(Climate Forecast System Operational Analysis)表现最差。可为提高极端降雨模拟和预报精度提供方法借鉴。

WRF模式物理过程参数化方案对酒泉地区暴雨模拟的影响

利用区域气候站逐时降水实况资料和NCEP l°×l°的6 h全球再分析格点资料,运用WRFV3.2模式,采用不同积云对流和微物理参数化方案组合对2012年6月4 5日发生在酒泉地区的暴雨过程开展了敏感性试验。从降水量和降水落区等方面对各方案组合的模拟效果进行对比分析发现:选择不同的方案组合,可以不同程度地模拟这次暴雨过程的落区范围和降水量,微物理方案的选择对模拟结果的影响较积云对流方案更敏感。18 km水平分辨率下,BMJ-WSM5方案组合模拟效果最优。通过对垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等物理量的诊断分析,可以更好地理解不同积云对流和微物理参数化方案对暴雨预报的影响。

WRF3.1微物理参数化方案对两例暴雨的集合预报试验及可预报性分析

采用WRFV3.1.1数值模式,选取模式中的10个微物理过程参数化方案构造10个集合预报成员,分别对2008年6月9—10日江淮地区暴雨与2008年6月6—7日华南地区暴雨进行集合预报试验,并进一步讨论了这两例暴雨的可预报性差异。结果表明:各参数化方案在暴雨的模拟中所表现出来的优势是相对的,但微物理过程集合预报在两例暴雨中都取得稳定且优异的模拟效果;通过比较两例暴雨的ETS(Equitable threat score)评分距平发现,华南暴雨在各个量级上的ETS评分距平都大于江淮暴雨,且华南暴雨集合成员之间的ETS评分差别也较大;大多数集合成员的模式误差在初始12 h增长最快,其后将减慢或者降低。对各成员的均方根误差(σ)距平分析表明,华南暴雨的σ距平增长相对较快且成员之间差别较大。因此从模式误差增长的角度来说,华南暴雨的可预报性低于江淮暴雨。

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。

WRF3.0参数化敏感性及集合预报试验

为了研究WRF模式中的参数化方案对暴雨数值模拟的影响及物理过程集合预报在WRF降水集合预报中的适用性,利用中尺度WRF3.0数值模式,将模式中的物理过程参数化方案进行组合,构造了20个集合预报成员,对2003年7月8、9日发生在江淮地区的一次降水过程进行了集合预报试验。得到:集合成员之间存在一定的不确定性,不确定性随降水量级增大而增大,最终维持在一个较高的水平;通过定量比较发现,对于0.1 mm量级降水和25 mm以上量级降水,积云对流参数化方案对降水的影响要大于行星边界层方案对降水的影响;而对于10 mm量级降水,行星边界层方案对降水的影响要大于积云参数化方案对降水的影响。对20个预报成员进行了集合平均及降水概率预报试验,结果表明,集合平均的结果要比各个成员的稳定、可靠;概率预报能够提供一些有利于降水预报的信息。

边界层参数化方案对暴雨数值模拟的影响

选取2003年7月4—5日南京暴雨个例,采用非静力中尺度模式MM5进行模拟,着重研究了不同边界层参数化方案对雨量中心强度、雨区分布的影响。结果表明:对于不同的边界层参数化方案,垂直速度场、水汽通量散度场、涡度场、水平风场的散度以及sθe场都表现出不同的特征;合理边界层方案的引入对预报效果有明显的改进;结合边界层和自由大气的动力、热力结构进行了综合分析,给出了边界层作用与自由大气动力、热力结构的配置情况,说明这种配置对暴雨的形成是至关重要的。

GWDO参数化方案及地形对一次大别山暴雨的影响研究

[目的]研究GWDO参数化方案及地形对一次大别山暴雨的影响。[方法]利用NCEP/NCAR 1°×1°分析资料和常规、非常规的地面观测资料以及WRFV3.1.1版本非静力平衡中尺度模式,对发生在2008年6月21日05:00～14:00大别山地区的一次中尺度切变线暴雨过程进行了诊断分析和数值试验,控制试验中加入了地形重力波拖曳系数(GWDO)的参数化方案,通过敏感性试验分别讨论了GWDO参数化方案和地形对此次暴雨过程的影响。[结果]地形拖曳系数对暴雨的强度或落区有很好的改进作用,考虑或不考虑地形拖曳系数得到的结果存在很大的差异。加入该参数化方案后无论暴雨的强度或落区均较未加入之前好;没有拖曳系数时,切变线扰动强,重力波活动明显,降水在重力波明显区较强。大别山以及周围的地形对此次切变线降水也有重要的作用,当去除大别山地形时,切变线上的降水强度均有显著的增加,雨带西部增强最明显;当去除大别山东南部的地形时,东部降水有明显的增幅作用,地形不利于此次暴雨的加强。雨带上雨强的变化,不仅与地形有关,且与切变线上的扰动变化也有关。[结论]该研究为暴雨的预测预报提供理论依据。

WRF模式不同云参数化方案的暴雨预报能力检验及集成试验

利用WRFV3. 6的8种微物理方案和6种积云参数化方案对湖北及其周边地区夏季12次暴雨过程进行回报,分析各种方案对暴雨预报的影响。结果显示,各种方案均能较好地预报出降水过程,但其降水强度和范围存在一定差异。当积云参数化方案为KF方案时,对Lin、WSM6、Thompson、Morrison 2-mom、CAM5. 1、WDM5、WDM6、NSSL 2-mom微物理方案做敏感性试验,发现CAM 5. 1方案优于其他7种微物理方案,M orrison 2-mom次之。当微物理方案为CAM 5. 1时,对KF、BM J、GD、SAS、G3D、Tiedtke积云参数化方案做敏感性试验,发现在不同量级降水预报中,6种积云参数化方案各有优劣。综合考虑,GD、SAS、Tiedtke积云参数化方案优于其他3种方案。在此基础上开展多方案集成试验,结果表明集合平均(ensemble mean,EMN)在一定程度上可以减少预报误差,降低单个成员预报的不确定性。

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。

微物理过程和积云参数化方案对海南岛秋季暴雨模拟的影响

利用WRF(ARW)V3.6模式模拟了2010年10月5—6日发生在海南的一次秋季大暴雨过程,从降水、风场、反射率和云结构等方面分析WRF模式中3个积云参数化方案(KF,BMJ,Tied Tke)和4个微物理参数化方案(Lin et al,WSM5,WSM6,Thompson)对海南岛秋季暴雨模拟的影响。结果表明:此次秋季暴雨过程模拟对不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合是比较敏感的,不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合通过调整温湿场结构,从而影响模拟降水的时间、强度和落区。对比发现,Thompson微物理方案的组合对于降水量级的模拟更为敏感,能较合理的描述暴雨发生发展过程中的水汽输送、热力和动力条件,并通过影响雨水混合比和云水混合比的高度和大小从而影响降水。其中Thompson微物理方案和Tied Tke积云方案的组合能较好的模拟出本次暴雨过程的特征,与实测最为接近,该组合模拟的最大垂直速度和反射率区与最大云水混合比对应。另外,积云方案和微物理方案的选择不影响水汽混合比的模拟。

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。

不同物理过程参数化方案对梅雨锋暴雨的敏感性试验

以2005年7月上旬江淮流域的一次梅雨锋暴雨为研究对象,选取WRF模式中Lin和Ferrier两个微物理方案和KF、NKF、Betts-Miller-Janjic三个积云参数化方案,经过组合得到6组方案,进行两重网格嵌套模拟,对数值模拟结果进行分析比较。通过分析得出如下结论:6个方案均能模拟出降水雨带的走向、降水中心,其中Ferri-er和NKF方案及Ferrier和Betts-Miller-Janjic方案模拟的降水强度和分布与实况最接近;在模拟降水量时采用微物理方案Ferrier初始阶段效果好,采用微物理方案Lin在后期效果好;当微物理方案相同时,积云对流参数化方案的变化对垂直速度、假相当位温、相对比湿的反映敏感;粗网格采用一定的积云对流参数化后,可一定程度再现α中尺度特征。

云凝结核对南京及周边地区夏季暴雨影响的数值模拟

利用WRF3.8.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案,对南京2014年6月初的一次暴雨过程进行模拟;设置多组数值试验,从中选取清洁和严重污染两组试验,对比分析低、高云凝结核浓度对此次降水的影响。结果表明:1)Thompson方案对此次降水过程具有一定的再现能力,但对24 h累积降水量的模拟整体偏低,且随云凝结核浓度的上升,累积降水量增加。较高的云凝结核浓度有利于强降水中心强度增强、降水范围扩大,而对较弱降水中心则有相反的影响。2)云凝结核浓度的增加将抑制云滴向雨滴的转化,使更多云滴被输送到对流层中层,对流层低层的暖云过程被抑制。3)云凝结核浓度的增加使对流层中层的过冷云水增加,促进过冷云水向霰的转化,也促进雪的淞附过程,这有利于冷云过程的发展。4)云凝结核浓度的增加对暖云过程具有负反馈作用,对冷云过程具有正反馈作用。

特殊地形下对WRF模式积云参数化的研究应用

以发生在地形复杂的四川地区2012年07月03日暴雨为个例,从环流形势、水汽通量和云微物理量3方面具体研究WRFV3.3版本模式7种积云方案对暴雨模拟的效果,结果表明:BMJ方案和KF方案模拟降水效果好于GD和G3D方案,TS评分表明BMJ方案和KF方案得分要远远高于其它方案,GD和G3d方案得分最低.云水混合比与雨水混合比的含量高低直接影响模式预报降水量强度,高层大气模拟值的大小对降水量预报起着主要作用.除KF方案以外,其它积云方案模拟的云水混合比发展要早于雨水混合比,随后两者几乎同步发展,云水混合比和雨水混合比值迅速增长后,降水落区和降水范围迅速扩大.最终结果表明在四川地区利用WRF模拟暴雨,积云参数化方案考虑使用KF和BMJ方案,不使用GD和G3d方案.

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。

黄河中游一次区域性暴雨过程的诊断分析和数值模拟

利用常规气象观测资料、水文观测资料和NCEP再分析资料,对2018年7月10日发生在黄河中游的一次区域性暴雨过程进行诊断分析和数值模拟。结果表明:此次强降雨是西风槽携带冷空气和副热带高压边缘暖湿气流在暴雨区上空交汇过程中发生的,低空低涡切变、低空急流和地面冷锋是主要影响系统。有利的水汽、动力和热力条件是强降雨产生、发展的物理基础。通过对各微物理过程和积云对流参数化方案组合进行对比分析发现,WRF模式能模拟出造成本次降雨的环流形势、降雨落区及雨区走向,Kessler云微物理方案和GD积云对流参数化方案在本次降雨过程的模拟中效果最佳。

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F(Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。

积云与微物理方案对山西南部暴雨预报的敏感性试验

利用WRF(Weather Research and Forecast system)中尺度数值模式,采用KF、BMJ、GF 3种积云对流参数化方案和WSM5、WSM6、WDM5、WDM6 4种微物理方案,对山西南部2007年7月29—30日的一次特大暴雨过程进行数值模拟与敏感性试验,并对不同积云方案和微物理方案的降水预报性能进行定量评估。结果表明:粗网格选用不同的积云对流参数化方案,可以对细网格强降水的落区预报产生较大的影响,GF积云方案能够合理地预报出主雨带、降水中心的位置和强度,选择适当的积云方案可以使强降水预报的TS评分提高0.19;不同微物理方案对强降水中心位置、强度、分散程度等的模拟结果有显著差异,WDM6微物理方案对于此次山西南部暴雨过程的模拟能力最好,尤其对于强降水预报具有明显优势。进一步分析表明:微物理过程中水相物质预报量的增加,可以改进模式的降水预报性能;综合考虑各种水相物质混合比和数浓度的双参数方案的计算过程更为精确,强降水预报能力更好,双参数方案较单参数方案的强降水TS评分可以提高0.08。