WRF云微物理参数化方案对新疆暴雨模拟能力的TS评分分析

在中尺度数值模式中,选用不同的参数化方案对降水的模拟和预测效果会有很大影响,合理选择参数化方案可以提高预测准确性。为此,本文使用中尺度预报模式WRF 3. 8 (weather research and forecasting model,WRF)版本,采用3 km和9 km两层嵌套网格,利用ECMWF(European Centre for Medium Range Weather Forecasts)再分析资料作为初始场和边界条件,对新疆地区4次暴雨过程进行模拟,采用TS (threat score)评分评估了Lin方案、WSM6方案、Thompson方案和WDM6方案4种云微物理参数化方案对新疆地区暴雨模拟的适用性。结果表明:Thompson方案在站点降雨量为小雨(0. 1～5. 0 mm)和中雨(5. 1～10. 0 mm)的预报模拟中具有优势,其他3种云微物理参数化方案均在不同程度上存在漏报情况,从相关系数上判断,Thompson方案模拟效果略优于其他方案,适用于多小雨、中雨的新疆地区,但4种云微物理参数化方案在大到暴雨降水等级的预报效果都不是很好,这也正是WRF模式在新疆地区需要改进的地方。     

WRF模式物理过程参数化方案对黑河流域降水模拟的影响

以黑河流域一次降水过程为研究个例,利用中尺度数值预报模式WRF 3.1进行物理过程参数化方案选择的分组敏感性试验,分别讨论了WRF模式中的微物理、积云对流、陆面过程和边界层参数化方案对黑河流域降水模拟的敏感性,并利用该流域内12个气象站的日降水资料进行了验证。研究表明：没有确定的某个物理过程参数化方案在所有试验方案中的模拟效果一致好,不同的参数化方案配合使用模拟效果更佳。对比分析模拟结果发现,要有效地模拟出降水中心位置和降水量、降水区分布形态和范围,应同时选用MYJ边界层参数化方案与Noah陆面过程参数化方案;微物理参数化方案中选择Ferrier方案时,对降水的模拟效果要好于选用WSM3、WSM5、Lin方案;积云对流参数化方案对降水模拟的敏感性明显弱于其他物理过程参数化方案。     

WRF模式不同参数化方案组合对干旱区一次暴雨模拟的对比分析

为了研究不同参数化方案组合对干旱区暴雨模拟的影响,借助新一代中尺度数值模式WRF对2012年7月29日腾格里沙漠边缘一次暴雨过程进行数值模拟研究。选取不同的微物理、积云、陆面过程和边界层参数化方案,得到14种组合;结合同期外场试验观测资料和区域降水实况,对不同组合方案的降水模拟性能进行对比分析。结果表明:不同组合的模拟结果差异显著,选用Thompson、KF、Pleim-Xiu与MYNN 2.5 level参数化方案的组合(case 11)在24 h累计降水、单站逐时降水及降水的TS评分中均表现较好且区域平均误差最小,能够较为真实地模拟出本次暴雨过程。进一步对比不同组合方案模拟物理量变化的差异发现,降水量差异正是模拟物理量差异的客观表现,并对此次暴雨过程发生机制进行了诊断分析。     

中尺度大气数值模拟及其进展

首先,以MM5,RAMS,WRF模式为例,简要介绍了各模式的动力学框架、物理过程以及应用情况,同时比较了当前国内外几种著名的中尺度数值模式性能。其次,归纳分析了积云、行星边界层和陆面过程3种主要的参数化方案。积云参数化方案按其发展过程分为对流调整、大尺度水汽辐合和质量通量3类方案,对各个方案的优缺点进行了总结;行星边界层参数化方案分为总体行星边界层、高分辨行星边界层参数化方案和大涡模拟3部分,概括了每种方法的特点;还分析了陆面过程参数化的发展过程、非均匀下垫面参数化和目前主要的陆面模式。然后,简要概括了客观分析方法和3类主要的资料同化方法。最后,对该领域存在的问题进行了阐述,并展望了中尺度大气数值模拟今后的发展趋势。希望通过对这些问题的综合分析,有助于进一步开展中尺度大气数值模拟的研究。     

基于WRF模式的新疆巴音布鲁克盆地强降雨天气数值模拟效果分析

为了验证中尺度数值模式WRF中参数化方案对新疆中天山地带巴音布鲁克盆地天气模拟的适用性,以寻找对该区域天气模拟WRF模式中最优参数化方案组合。利用WRF模式对新疆中天山地带巴音布鲁克盆地2场强降水过程进行数值模拟,选取2种不同的边界层参数化方案(YSU,MYJ),2种不同的云动力参数化方案(GrellFreitas,Grell-3),3种不同的云微物理参数化方案(Lin,WSM6,Thompson),3种不同的长短辐射参数化组合方案(New Goddard/New Goddard,Dudhia/RRTM,GFDL/GFDL),组成36种参数化方案组合。模式模拟采用双层嵌套的方式,其中内层嵌套区域为4 km精度,对中天山地带巴音布鲁克盆地进行数值模拟。同时,借助气象部门的自动站观测资料,与小时降雨量、空气温度、10 m风速、表面大气压强等边界层结构特征进行了比较分析,评估不同参数化方案的模拟差异。得出最优参数化方案组合:陆面参数化方案为YSU方案,云动力方案为Grell-Freitas方案,云微物理方案为WSM6,长波辐射和短波辐射参数化方案为Duhia/RRTM。各边界层参数化方案组合均能够模拟出降雨趋势变化特征,但最优参数化方案组合模拟结果与实际观测结果仍然存在一些差异。     

WRF模式辐射方案对极端低温天气预报的影响

利用WRF模式和GFS资料对北疆的两次强寒潮天气过程进行了回报,分析了WRF模式不同辐射参数化方案对极端低温天气预报的影响.结果表明:WRF模式不同的辐射方案,尤其是长波辐射方案对极端低温天气预报的影响较大.Earth Held-Suarez forcing与Dudhia、Goddard组合方案预报的气温更接近实况.但是Earth Held-Suarez forcing方案没有考虑微物理过程之间的相互作用,没有考虑云量和温室气体对辐射的影响,比较适用于冬季.从辐射平衡的角度来看,该方案在预报43.5°～50°N的气温时,误差比较小.     

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...     

WRF模式在天山地区模拟能力的敏感性评估

为探寻天山地区气候模拟WRF(weather research and forecasting)模式中最优参数化方案组合,针对云微物理方案(MIC)、积云对流方案(CS)、行星边界层/近地面层方案(PBL/SLS)、陆面过程方案(LSM)以及长短波辐射方案(LSW)设计了6组季节尺度物理参数化方案敏感性试验,模拟时间设为2014-11-28-2015-12-01。利用地面气象站观测数据和GPM(global precipitation measurement)卫星降水数据(R≥0.6),对模式模拟的日最高、最低气温及降水进行验证。结果表明:WRF模式对气温的模拟效果较好,且对日最高气温(0.8相似文献   

基于模糊数学的甘肃河东地区短时暴雨的大气环境参数综合评价研究

为了改进短时暴雨预报方程,提高短时暴雨预报准确率,综合评价多种大气环境参数对甘肃河东短时暴雨预报的影响权重是十分必要的。本文利用甘肃河东2013—2018年汛期降水量资料,采用百分位法计算了甘肃河东6—8月短时暴雨阈值,根据阈值挑选出甘肃河东92个短时暴雨个例,使用ECMWF 0.25°×0.25°再分析资料,分析大气环境参数发现,K指数、700 hPa相对湿度、大气可降水量等参数对甘肃河东短时暴雨有较好的指示意义;基于模糊数学的方法,考虑显著性及适度性,构建了28个大气环境参数的综合评价方案,得出不同时段大气环境参数权重,综合分析表明:甘肃河东汛期发生短时暴雨时,各时段大气环境参数权重排序不同,预报短时暴雨时需考虑其所处气候时段大气环境参数的权重,并对权重排序较前的参数进行重点考虑。     

TIGGE降水预报在中国干旱半干旱地区的适用性评估

TIGGE降水产品作为目前中短期集合预报最权威的数据集合的重要组成部分,其在中国干旱半干旱地区的适用性如何,还需要进一步探讨.基于中国干旱半干旱地区2015—2017年实测降水数据,采用平均绝对偏差、均方根误差、TS评分等指标,从降水量预报、降水分级预报、降水探测能力和空间预报精度等多角度出发,综合评估了TIGGE数据...     

气候预测对象与影响因子关系不稳定性及其统计集合预测模型的改进

通过对"滑动相关——逐步回归——集合分析"短期气候预测方法的研究及其业务应用进行了综述。从深入分析气候预测对象与影响因子关系不稳定性问题入手,提出物理统计与集合分析相结合的气候预测建模理念,设计了"滑动相关——逐步回归——集合分析"气候预测模型。在改进该预测方法的过程中,先后提出了"交叉建模"集合预测思路,建立了"持续异常"与"转折影响"不同因子信息拓展方案,构建了"原始序列"与"去线性趋势"不同建模方案,再对最优模型进行集成分析。近8 a该方法参与国家气候中心全国汛期预测、全国秋季初霜冻初日预测,试用效果良好。在新疆地方气候预测服务中广泛应用,包括降水、气温、积温、热量指数、界限温度初终日期、沙尘日数的预测等。该方法在极端气候事件指数、应用气候指数的预测领域具有应用潜力。     

荒漠下垫面陆面过程模式中重要参数的修正及模拟效果分析

通过对内蒙古阿拉善左旗荒漠下垫面观测数据的分析和模拟,重新修正了陆面过程模式Co LM中的重要参数值和参数化方案,并按照不同的组合方式设计了控制实验和敏感性实验,对比分析重要参数对该下垫面陆气相互作用的敏感性。主要结论有:(1)基于Monin-Obukhov相似性理论的最大频数法,优化了地表动力学粗糙度,重新计算和选择符合研究区域地表热力学粗糙度和土壤热导率的参数化方案;(2)参数优化和参数化方案修正后,提高了Co LM模式对土壤温度,感热通量和地表净辐射的模拟能力;(3)改善前后Co LM模式的模拟值与观测值对比表明,地表动力学与热力学粗糙度和土壤热导率分别在春夏季和秋冬季对地表温度影响较大,感热通量在夏半年主要对地表动力学粗糙度敏感,而土壤热导率对其影响很小。     

对陆面过程模型CoLM中关键参数的修正

通过对塔克拉玛干沙漠腹地观测数据的分析和模拟,重新修正了陆面过程模型CoLM中的关键参数值和参数化方案。① 采用涡动相关数据和Monin Obukhov理论,对地表动力学粗糙度重新计算;为提高地表比辐射率的精度,采用两种不同的方法进行计算和比较;将地表反照率参数值校正为符合年际变化的参数化方案;重新选择符合沙漠环境的地表热力学粗糙度参数化方案;改变相同的10层土壤导热率为不同值。② 经过参数值的校正与参数化方案的修正,改善了CoLM在沙漠地区对地表通量、地表和土壤温度模拟的缺陷;③ 改善后的CoLM模拟值与观测值的标准误差小于改善前,但不同季节模拟改善效果存在差异,总体上冬季的标准误差小于其他季节。     

最优子集回归在武威市降水预报中的应用

选用Micaps下发的ECMWF 0～120 h格点场资料,使用差分法、天气诊断、因子组合等方法构造出能反映本地天气动力学特征的预报因子库.根据大气环流产生降水的物理机制不同,将天气形势分为西北气流型、西南气流型和不规则型3种,分别对预报因子和预报量进行线性0,1标准化处理,采用Press准则初选冈子,最优子集回归建立武威市6个站点不同天气类型的0～120 h降水预报方程,用多因子概率权重回归预测其降水概率.预报方程的降水和晴雨拟合率达0.742,0.783;投入业务试用后,0～120 h降水和晴雨预报准确率Ts 达0.653,0.813.说明该预报模型对降水天气预报能力强.其预报能力超过或接近日常业务预报,为地市级客观预报提供了有效的指导产品.业务系统与MICAPS对接,实现全自动化,输出的预报产品客观、定量.     

21世纪青藏高原气候时空变化评估

在对比分析IPCC第4次评估报告所采用的23个气候模式输出、ERA40再分析气温资料和GPCP降水资料的基础上,运用选取的11个模式输出资料,以集合平均的方法,结合动力降尺度数据,分析中等排放情景下21世纪青藏高原气温和降水变化的时空分布。11个模式集合结果表明：相对于2008年而言,21世纪中期青藏高原年均气温和降水...     

基于EMD和IDAR的灌区年降水量预测研究

针对降水量这样一种非线性、非平稳序列,研究经验模态分解方法(EMD)和信息扩散近似推理方法（IDAR）在年降水量预测中的组合应用,解决资料序列不充分情况下的区域降水量预测问题。首先,通过EMD方法对具有典型非线性与非平稳特征的年降水量时间序列进行处理,分解出包含原信号不同特征尺度的分量数据系列;然后应用信息扩散近似推理技术对各降水量分量间的复杂非线性关系进行描述,建立当前趋势以及相邻年份之间的预测规则,并进行预测。以文献案例灌区长系列降水资料为样本进行实例计算,并与其它预测方法进行了对比。结果表明：基于EMD和信息扩散近似推理的预测方法效果较好,误差绝对值和为1.30,优于人工神经网络、线性自回归方法以及单纯信息扩散近似推理的统计结果。同时,为了验证该方法的适用性,将该方法应用于文峪河灌区的降雨量预测,取得了满意的效果。研究中发现：信息扩散近似推理可将样本点转换成模糊集,部分弥补了由于数据的不完备性所造成的信息空白,并可将矛盾模式转换成兼容模式。而EMD方法可有效分解具有非线性、非平稳特征的降水序列,保留其原序列在空间（或时间）各种尺度上的分布规律。两者结合对解决样本不完备的非平稳序列的预测问题是非常有价值的。通过与其它预测方法比较,发现该模型能够很好地光滑样本数据以及能够较好地发掘知识,有较高的预测精度和推广应用价值。     

南疆水面蒸发量研究

南疆位于新疆南部,降水稀少、蒸发强烈,水面蒸发是河川径流水量损失的主要组成部分。农业是经济的主要支柱和优势产业,而南疆的农业是灌溉农业,渠系众多,水面蒸发量损失较大,合理地预测水面蒸发量是有效利用水资源和促进农业发展的基础。利用南疆近30年来的气象资料,分析了南疆的月平均气温、湿度、水汽压等与月水面蒸发量的关系,结果表明气温和月水面蒸发量相关性均较好,可建立用气温资料预测水面蒸发量的模型。通过随机选取的测站月气温资料对模型进行了验证,计算结果表明模型误差小,模型有实用价值。     

甘肃临夏州双低油菜产量动态气候模型

采用数理统计和多元回归方法,主要分析了临夏地区油菜气候生态条件以及气候条件对油菜产量及其构成因素的影响。发现影响该地区油菜生长发育的主要气候要素为降水、气温和日照;根据临夏地区双低油菜不同生长阶段所需气候条件,把双低油菜从春播到成熟,划分为五个生育期,建立了气候生态适生种植区划综合指标体系和各生育期时空动态气候预测模式,实现双低油菜产量气象预测。