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。     

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   

集合预报方法在新疆大降水中的试验

采用多模式多物理参数化方案的集合预报方法,以GRAPES和WRF中尺度区域数值模式为基础,分别使用2个模式提供的多种物理过程参数化方案和积云参数化方案,通过敏感试验进行有效组合,形成了8个集合成员的集合预报系统。使用该系统对新疆2007年和2008年以降水为主的27场天气过程进行模拟试验,采用Ts评分和BS评分方法,对...     

边界层参数化方案对一次西北地区沙尘天气过程影响的数值模拟研究

使用耦合化学模块的高分辨率中尺度数值模式WRF-Chem3.4,结合近地层观测资料评估YSU、MYJ、QNSE、MYNN2.5和BouLac共5种边界层参数化方案对2007年3月27日西北地区一次沙尘天气过程模拟效果的影响,结果显示5种边界层参数化方案均可模拟出此次沙尘天气的发展演变过程,其中YSU和BouLac方案模...     

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...     

干旱区地膜覆盖玉米农田地表反照率动态参数化方法及其模拟效果分析

利用2015年6月1日至7月24日干旱区地膜覆盖玉米农田下垫面的观测资料,分析地表反照率在植被生长期间的变化特征及其与土壤湿度的关系。与未覆盖地膜情形的下垫面相比,地膜覆盖农田下垫面地表反照率的变化特征及其与土壤湿度的相关性具有显著性差异。为此建立了相应的地表反照率动态参数化方案,并将修改的地表反照率动态参数化方案应用到陆面过程模式Co LM中进行了3组模拟试验,分析和检验新方案在地膜覆盖农田下垫面的准确性和适用性。数值模拟结果表明:3组试验都能很好地反映陆面过程特征的日变化趋势,但是相比较而言,利用新建立的地表反照率动态参数化方案模式的模拟效果最好,明显提高了模式对向上短波和长波辐射的模拟能力,使浅层土壤温度和湿度的模拟效果有了一定的改善。因此,地表反照率动态参数化方法对干旱区地膜覆盖农田下垫面陆面过程的模拟效果有一定的改进,对今后陆面过程模式的发展和完善有较好的参考价值。     

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。     

3个陆面过程模式对一次暴雨前后的模拟性能检验与对比

利用内蒙古微气象观测蒸发试验所获得的近地层资料,驱动陆面过程模式Noah、SHAW和CLM4.0,对干旱区沙漠-草原过渡带一次罕见暴雨过程前后的陆面过程各参数进行了单点数值模拟试验,用对比分析法检验了3个陆面模式对沙漠-草原过渡带暴雨过程前后各半个月中陆面各参数的模拟性能。结果表明:3个模式都能模拟出干旱区暴雨前后湍流通量、辐射通量、土壤温湿的变化趋势。除对土壤温湿的模拟之外,Noah模拟效果最好,尤其是对潜热通量的模拟,相关系数达0.99,均方根误差仅7.89 W·m-2。3个模式对于感热通量、向上长波辐射、净辐射的模拟性能在暴雨过后有所提升,而对土壤温度的模拟性能在暴雨过后有所下降,说明3个模式更适于模拟暴雨过后较为湿润下垫面的感热、向上长波、净辐射和没有降水过程的土壤温度,且3个模式在土壤温度模拟方面考虑暴雨影响时间过短。     

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。     

Summer atmospheric boundary layer structure in the hinterland of Taklimakan Desert,China

Understanding the characteristics of the structure of desert atmospheric boundary layer and its land surface process is of great importance to the simulations of regional weather and climate.To investigate the atmospheric boundary layer structure and its forming mechanism of Taklimakan Desert,and to improve the accuracy and precision of regional weather and climate simulations,we carried out a GPS radiosonde observation experiment in the hinterland of Taklimakan Desert from 25 June to 3 July,2015.Utilizing the densely observed sounding data,we analyzed the vertical structures of daytime convective boundary layer and nighttime stable boundary layer in summer over this region,and also discussed the impacts of sand-dust and precipitation events on the desert atmospheric boundary layer structure.In summer,the convective boundary layer in the hinterland of Taklimakan Desert developed profoundly and its maximum height could achieve 4,000 m;the stable boundary layer at nighttime was about 400–800-m thick and the residual mixing layer above it could achieve a thickness over 3,000 m.Sand-dust weather would damage the structures of nighttime stable boundary layer and daytime convective boundary layer,and the dust particle swarm can weak the solar radiation absorbed by the ground surface and further restrain the strong development of convective boundary layer in the daytime.Severe convective precipitation process can change the heat from the ground surface to the atmosphere in a very short time,and similarly can damage the structure of desert atmospheric boundary layer remarkably.Moreover,the height of atmospheric boundary layer was very low when raining.Our study verified the phenomenon that the atmospheric boundary layer with supernormal thickness exists over Taklimakan Desert in summer,which could provide a reference and scientific bases for the regional numerical models to better represent the desert atmospheric boundary layer structure.     

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。     

论地表能量不平衡的原因及其解决办法

地表能量不平衡问题一直是困扰地-气相互作用的难点之一。总结国际和国内一些观测试验不同下垫面的能量平衡状况,介绍了表征地表能量平衡状况的常用统计方法,并对能量不平衡的不同因素进行了探讨。浅层土壤热储存,由气温变化、光合作用和植被热储存等引起的地上热储存,以及垂直平流都会影响地表能量平衡。此外,由于不同能量分量足迹的差异,不均匀下垫面会影响通量观测的代表性和准确性,而且还会诱发中尺度环流和大尺度涡旋等复杂大气运动,不平稳的大气状态和夜间非充分混合的湍流,同样会困扰湍流通量的观测。为此,在对湍流通量严格质量控制的基础上,从单点涡动相关（简称EC）系统的平流热通量修正、多点EC的通量空间平均和大孔径闪烁仪（简称LAS）等通量足迹较大的通量修正等方面,对能量不平衡问题提出解决办法。建议在湍流混合不充分时,利用Penman-Monteith公式计算地表潜热;并对EC水汽通量与蒸渗计观测的真实地表蒸散进行了简单讨论,提出了大型蒸渗计算地表潜热通量的可能试验方法。
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大气边界层湍流相干结构研究进展

湍流相干结构的发现是湍流研究的重大转折,它对湍流的认识和对物质、动量与能量的输送具有重要意义。本文首先回顾了大气边界层中湍流相干结构的发现过程,其次综述了其形态特征、组成结构、通量贡献以及其他特征,接着阐述了其产生的原因,详述了其典型的形成机制,然后论述了其在实践中的应用,继而综述了其检测方法,最后对全文进行了总结,并对未来的研究趋势进行了展望。     

乌鲁木齐冬季大气边界层结构特征及其对大气污染的影响

基于2005年12月11～20日乌鲁木齐每日6次的低空1.5 km的加密气象探空观测资料,分析乌鲁木齐大气边界层的风、温、混合层高度、逆温等特征。观测期内5 d是重污染,其他时间为轻微污染,重点分析由轻微污染向重污染演变的气象条件。结果表明：观测期平均混合层高度274 m;低空逆温的出现频率明显多于接地逆温,且以逆温底...