WRF模式中不同参数化方案对华中地区一次强降水天气过程模拟的影响

【目的】利用中尺度数值模式WRF(V3.6.1)和NCEP的FNL资料,模拟2013年7月5-6日华中地区的一次强降水天气过程。【方法】通过WRF模式中2种积云对流参数化方案和3种云微物理参数化方案的6种不同组合,考察不同微物理和积云对流参数化方案对此次降水过程模拟的影响,将模拟结果和24 h累计降水实况以及雷达回波观测进行对比分析。【结果】发现采用不同微物理和积云对流参数化方案的组合都能大致模拟出降水的落区和发展趋势,但模拟的强降水中心的位置和强度与实况相比存在一定偏差。【结论】总体来说,KFN方案与Kessler方案的组合以及G3方案与Lin方案的组合的模拟效果较好。结合ETS评分,不同的参数化方案对不同等级降水模拟的效果不同,整体模拟效果比较稳定的是WSM6方案和G3方案的组合。     

MM5中尺度模式在内蒙古地区一次降水过程中的数值模拟

采用中尺度数值模式MM5,嵌套北京大学和中国科学院人工影响天气所改进后的云微物理过程方案,对2016年4月1—2日发生在内蒙古的降水过程进行模拟与验证,将MM5模式的预报产品与实况资料进行对比发现,MM5模式对内蒙古的天气过程具有一定的预报能力。模拟结果表明:针对受高空低槽影响的内蒙古东部地区的降水过程,综合云和降水预报产品的云系发展演变特征、云系宏观特征、云垂直结构和性质、降水场检验分析,模式较好地预报出了此次降水过程。在云系的发展演变、移动路径、云系垂直结构、降水落区和雨量等方面的预报效果较好,而对内蒙古东部地区云系性质、云系覆盖范围、降水范围与观测结果还有一定差距。其中可降水量的预报能够把握住可降水量的大值区和高值中心等;云水含量和冰晶浓度的预报能给出不同高度层上不同位置上的变化情况;云场的预报所涉及的云的范围、边界形状和趋势预报均同实际情况相符,说明模式对云的预报是可信的;降水的预报与实际情况十分吻合,降水的落区、降水的等级以及降水预报的准确率等均能较好地反映出实际的情况。因此MM5模式用于内蒙古地区的降水预报是可行的,但本文中MM5模式对降水的模拟结果与实况相比仍然偏大,其原因可能与模式的初始场和边界条件的处理有关,以及与所用资料的精度也是有一定联系。     

一次江西特大暴雨过程的数值模拟

[目的]探讨特大暴雨的形成机制,并揭示特大暴雨的成因。[方法]采用常规报文资料作为初始场,运用改进的中尺度REM模式,对2010年6月16～20日一次江西特大暴雨过程进行了数值模拟和诊断分析,研究了改进的中尺度模式对此次暴雨过程的降水模拟能力,探讨特大暴雨的形成机制,揭示特大暴雨的成因。[结果]这次特大暴雨是一次典型的梅雨暴雨,500 hPa东亚大槽槽后、700 hPa华北低涡后冷平流与强盛稳定的副高西北侧西南气流汇合,导致梅雨锋在江南北部维持;梅雨锋的稳定和西南暖湿气流的异常强盛,使暴雨的水汽、动力、热力条件十分充足,非常有利于触发中尺度对流系统强烈发展;强盛水汽输送及辐合上升运动、中层弱冷空气活动、高层强辐散等多种因素的共同影响导致了特大暴雨发生;改进的中尺度模式对降水场模拟结果与实况基本相似,模式对暴雨的位置、强度、中心均有较好的模拟;物理量分布和局地中心对暴雨预报有明显的指示意义。[结论]该研究为提高暴雨预报能力提供参考。     

多普勒雷达资料同化对山东“4·28”飑线过程的数值模拟

利用美国俄克拉何马大学风暴分析和预测中心开发的中尺度ARPS模式及其资料分析和同化系统ADAS,将山东省济南齐河、临沂和连云港3部多普勒雷达基数据资料同化进ARPS模式中,对山东“4·28”飑线过程进行了数值对比试验。结果发现,模式采用热启动的方式可以模拟出此次飑线过程,对飑线造成的降水的强度和落区预报也较好。雷达资料同化对飑线地面中尺度系统的模拟有明显的改进作用,尤其是在前2～3h效果非常明显,使模拟的地面雷暴高压和风场更接近实况。使用雷达资料进行同化循环,连续地将多部多普勒雷达资料同化到数值模式中,可以明显改进对飑线系统结构的模拟,较初始时刻同化雷达资料对飑线的模拟效果更好。因此,使用雷达资料进行快速分析和同化进行强对流天气预报是可行的,但模拟的降水偏强,这与雷达资料同化对于大范围暴雨预报的改进作用是不同的。     

一次中尺度低压降水机理分析

结合大尺度环流背景、区域自动站实况资料、雷达基本反射率产品和径向速度产品、风廓线雷达产品,对2010年9月下旬上海一次层云降水过程进行中尺度分析。发现在此次层云降水过程中,近地面中尺度低压环流活动与降水强度变化关系密切。使用多普勒天气雷达径向速度产品和风廓线雷达产品,可以捕捉到近地面中尺度低压环流的活动,且与降水情况对应较好。     

一次梅雨锋暴雨过程中陆面影响的数值模拟研究

[目的]数值模拟一次梅雨锋暴雨过程中的陆面影响。[方法]用耦合了NOAH陆面模块的中尺度大气非静力模式GRAPES-Meso,模拟了2005年7月6～8日江淮流域一次梅雨锋暴雨过程,通过有无陆面过程的敏感性试验,研究了陆面过程对梅雨锋暴雨的影响。[结果]耦合NOAH陆面过程后,GRAPES-Meso能模拟出梅雨锋降水和大气低层西南急流的日变化特征。陆面过程对降水启动、强度和分布的模拟都有改进,其中,对降水启动模拟的改进尤为明显,较好地改善了模式的spin-up问题。不考虑陆气交换,则模式的降水启动非常慢,模拟的降水强度演变与实况差异很大,且不能模拟出降水和西南急流的日变化特征。[结论]陆面过程对此次江淮梅雨过程有重要影响。     

两次强降水过程数值模拟的对比分析

该文利用中尺度WRF模式,结合实况探空资料,对2次强降水过程进行数值模拟的对比分析,结果表明:不同试验的模拟结果中于高原模拟的大值雨带范围偏大,而盆地的大值雨带整体向西南偏移。模拟结果中出现误差原因之一都表现为500h Pa高度场上出现低压中心偏移;在温度和水汽的垂直廓线中,高原和盆地的模拟结果都与实况探空站的变化趋势一致。不同点表现为:温度和水汽模拟的垂直廓线中,高原的平均误差小于盆地。     

鲁西南辐射雾和平流雾过程数值模拟检验

用MM5中尺度数值模式模拟鲁西南一次辐射雾和平流雾过程,检验对雾有较大影响的近地层湿度、风、温度等要素预报效果。结果表明,48 h内相对湿度模拟结果与实况变化趋势基本一致,模拟逆温层对预报雾有较好参考价值,地形对10 m风场的影响24 h内模拟效果也较好。     

不同对流参数化方案对暴雨过程影响的模拟试验

利用WRF中尺度数值预报模式,选用2种对流参数化方案Kain-Fritsch（new Eta）和Betts-Miller-Janjic,分别对2008年8月24～26日上海地区的暴雨过程进行了模拟试验。结果表明,应用WRFV3.1中尺度模式模拟暴雨过程采用网格嵌套技术时,细网格对降水的中心极值模拟效果更好。Kain-Frisch方案可能针对雨区分布效果较好,但对雨区落区存在偏差。Betts-Miller-Janjic方案对降水落区和分布都有较好的体现。     

青海省一次降水过程的数值模式预报及误差分析

基于高空实况和数值模式资料,对2020年5月5-6日期间发生在青海省的一次降水天气过程就降水实况、各模式降水落区、降水及温度预报偏差等方面进行了分析,结果表明:EC模式预报相对稳定,GRAPES-GFS与实况更靠近,NCEP模式预报仍然偏弱。对于降水落区预报来说GRAPES-GFS的24h预报降水落区和降水量级更准确,对于降水和最高、最低气温预报准确率,整体来看GRAPES3km准确率最高,其次是GRAPES-GFS,再次是EC-thin, NCEP准确率最低。     

2种降水模式对2次降水过程的对比分析

利用T639模式与日本模式的降水数值预报,对2008年7月的2次降水天气过程进行对比分析。结果发现,日本模式与T639模式的36和60h实效预报情况较好,降水落区和降水强度基本可以信任。2008年7月6日过程T639模式和日本模式东北地区的36h时效日累积降水预报除对暴雨区的位置有偏差外,降水带的落区和量级与实况较为一致;2008年7月24日过程的36和60h实效的预报效果与实况大体一致。但从2次过程的84h预报情况来看,降水落区和降水强度均有较大偏差。     

WRF数值预报模式气象资料的同化处理与对比分析

应用WRF中尺度数值预报模式及其同化模块（WRFDA）对常规观测资料和青岛市气象台多普勒气象雷达资料进行同化试验。以山东半岛2009年7月8日夜间一次暴雨天气过程为例。首先,以7月8日00：00（文中所有时间均为国际时间）NCEP再分析资料为初始场,对00：00的常规观测资料进行同化,积分36 h;其次,将上述试验积分12 h后对7月8日12：00的常规观测资料和多普勒雷达资料进行循环同化试验,并积分24 h。将以上同化后得到的初始场结果和数值预报场结果分别进行对比分析,结果表明：常规观测数据的同化对初始场各层的风、温度、水汽等要素均有影响,但对雨水混合比影响较小;多普勒雷达资料的同化,使初始场的对流层中低层水汽增加,高层水汽减少,并且使中低层雨水混合比增大;多普勒雷达资料对初始场各层的风均有明显影响。多普勒雷达资料对初始场的调整比常规观测资料大一个量级以上,同时同化上述2种数据后显示,风、水汽、雨水混合比结果明显趋近于单独同化雷达数据的结果。以00：00为初始场同时同化常规观测资料并积分36 h的结果,对较大范围的强降水落区的修正效果最好：同化前降水中心位置和降水量与实际观测结果比较相差较大;同化后降水中心和降水量都与实况比较接近,但模式没有模拟出青岛地区小范围的暴雨天气。同化12：00雷达资料后,模式模拟的青岛地区的降水落区与降水量均与实况接近。试验结果说明,同化常规观测资料对中尺度环流形势有较好的改善,能较好地模拟出大范围的降水落区,但对小尺度的系统模拟效果较差;同化多普勒雷达资料对中小尺度强对流天气的模拟效果较好,但仅适用于短时临近预报;而循环同化可以将两者的优点相结合,综合利用2种资料能改善模拟效果,增加预报结论的可靠性。     

鲁西南一次暴雨过程分析及数值模拟

采用美国MM5v37非静力中尺度模式对菏泽市2009年7月12～14日的暴雨天气过程进行数值模拟,利用模式输出的时空分辨率较高的资料,对此次降水的水汽条件、温度条件、不稳定条件、风场等进行分析。结果表明,中低层水汽的辐合作用是暴雨天气发生的必不可少的条件;高空强辐散、低空强辐合及对应的强上升运动是造成此次暴雨的动力学机制;低空西南气流对这次暴雨的产生和发展起着重要的作用。MM5对这次暴雨过程有较强的模拟能力,细网格输出的物理量能较好地揭示这次暴雨产生的机制。对次级环流分析的模拟表明,高低空急流的稳定维持使高低空急流产生2个独立的次级环流,在高空激流出口区、间接环流的北侧形成上升气流,有利于降水天气的发生发展。模拟出的暴雨降水中心位置基本与实况吻合。     

MODIS植被资料在模拟华东地区一次降水中的应用

采用中尺度模式WRF 3.7版本及NCEP FNL资料作驱动场,利用最新的高分辨率MODIS资料(MODIS03)提高WRF模式对区域降水的模拟能力,就2003年6月下旬我国华东地区的一次强降水事件进行48 h短期天气模拟。结果表明,利用最新MODIS03资料的土地利用率可以减少降水误差,植被覆盖率会增加降水量,但同时替换土地利用率和植被覆盖率的LG03试验的模拟结果最接近实测资料。不同的陆面信息可以直接影响地表蒸发量及水汽通量散度的模拟结果。通过分层的水汽通量散度可以看出,不同的陆面信息模拟的水汽辐合主要在地表气压到850 h Pa产生差异,并最终影响降水模拟结果。     

湖南一次暴雨灾害的中尺度特征及可预报性研究

利用常规和加密观测资料、雷达资料和NCEP再分析资料,对湖南省2018年夏季一次农业致灾暴雨过程的中尺度特征和不同数值预报模式的预报能力进行分析。结果表明,暴雨过程由锋面降雨和暖区降雨两种形态组成,两种形态均无明显的急流出现。超过40 dBZ强降水回波带位置稳定,形成明显的列车效应,超过50 dBZ的多个强回波单体不断生消发展,低质心降水回波、中低层下暖上冷的大气不稳定层、较高的VIL是强降水发生的有利条件。中尺度滤波实验能较好分离出中尺度天气系统,不同方案效果不同。对于锋面降雨,大尺度模式和中尺度模式均对降水落区的预报效果较好,而中尺度模式对降水强度的模拟更为准确。对于暖区局地强降雨,大尺度模式预报偏差大,且不稳定,中尺度模式能捕捉一些信息,可在天气预报中参考。     

基于WRF模式对西安夏季不同性质降水的数值模拟检验

[目的]了解WRF模式对西安地区夏季不同性质降水的预报能力。[方法]基于西安地区气象观测站的实况数据、Micaps观测资料、WRF实时预报数据,采用西安市气象台业务化运行的WRFV3.1对2011年7月21日和8月15日2次强对流天气过程及9月5~6日区域性暴雨过程进行模拟分析。[结果]在暴雨预报中,模式对暴雨雨带走向、落区、强度、强降雨中心位置以及强降水出现的时间段均与实况基本吻合,也可以较为准确地预报暴雨中对流层中低层风场的演变;在短时局地强降水中,模式对于降水的落区、发生时间有较为准确的预报,预报时效可达24~36 h。[结论]WRF模式能够对西安地区夏季不同类型降水进行预报,为气象服务提供较为准确的预报支持。     

高原和盆地强降水过程的数值模拟

该文利用中尺度WRF模式,分别对高原和盆地的一次强降水过程进行模拟,探讨模式在两地的模拟能力和产生误差的原因,结果表明:模拟结果显示两地小雨的TS评分都在0.5以上,而其他量级降水的评分较低;TS评分结果中高原的微物理过程随着不同的积云参数化过程而表现出不同的优劣性,而盆地表现为一致的Lin方案优于Ferrier方案。高原和盆地模拟结果的平均误差呈现出相反的变化特征。     

我国降水气候的数值模拟

我国大部分地区受季风的影响,自春季始,雨带由华南向北推进,初夏雨带在江淮流域,盛夏到达我国北方。８月下旬以后雨带南撤。对于这种降水北进南退的气候特征,运用５种全球气候模式对我国及邻近地区的月降水进行模拟,分析了降水带随季节的移动以及区域降水气候的变化;同时与观测实况进行了比较。结果表明,高分辨的全球气候模式对区域降水气候有一定的模拟能力。     

冷涡衰退阶段对流性降水预报技巧分析

利用实况观测资料、欧洲中心细网格模式预报场资料和东北中尺度数值模式预报场资料,针对2015年5月在东北冷涡后部的阵性降水过程进行了详细分析,结果表明:重点分析500 h Pa高空场形势,判断有无冷空气补充南下的形势,即高空横槽转竖的高空形势场,同时判断低空有无西南气流带来暖湿气流。根据实况可以看出,当同时出现西南气流和高空槽转竖时,漏报率较大;当无明显的暖湿气流时,需判断高空是否有明显强烈的冷空气南下,若有,漏报率较大,若没有,空报率也较大;当低空有明显的暖湿气流时即使850 h Pa存在明显切变,若没有高空形势场的配合,空报率也较大。当高空500 h Pa没有明显系统过境时,需要重点分析700 h Pa有无切变存在,即中空有无干冷空气入侵,当700 h Pa存在切变时,降水的漏报率较大;若不存在,降水的空报率较大。检验数值模式结果表明:在欧洲中心细网格预报降水量≥1.0 mm时,需要重点分析冷空气的补充南下和西南气流带来的暖湿空气,实况中出现降水的概率较大;在1.0 mm降水时,欧洲中心细网格预报参考价值较低,实况中不出现降水的概率较大。     

广州GRAPES模式与EC模式广西地面要素预报检验评估——以2019年汛期为例

采用TS评分、ETS评分、漏报率、空报率和预报偏差等方法对2019年4—9月GRAPES广州华南中尺度模式和ECMWF模式20∶00起报的0～24h (简称24h)和24～48h (简称48h)累积降水进行对比检验评估,同时应用平均误差、平均绝对误差、均方根误差和预报偏差等方法对2个模式地面温度和风进行对比检验评估。结果表明:GRAPES对小雨的预报能力明显优于EC,而中雨以上降水,EC效果较好;对于24h大雨以上降水的发生频率,EC预报更接近实况,对于24h和48h其它量级降水的发生频率,GRAPES具有更好的参考性;对于地面气温预报,2种模式总体均比实况偏低,白天时段GRAPES预报效果好于EC,夜间时段EC更好;对于地面风的预报,EC效果好于GRAPES,2种模式均为u风预报偏小,V风偏大。