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气象学报 2012年第2期70卷 275-290页

作者：杨军丽沈学顺中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081

根据GCSS WG4(Global Energy and Water Cycle Experiment Cloud System Study Working Group 4)第3次个例模拟的观测数据,为GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)设计了一个可用于检验其整套物理参数化过程对夏季中纬度陆地天气过程模拟的单柱模式试验,并利用该试验考察了不同复杂度的两种陆面过程(CoLM和SLAB)对温、湿度和降水模拟的影响。整个观测时段的模拟表明,模拟的降水与观测的量级一致,位温和水汽混合比没有明显偏离观测,这说明本试验的构造是合理的。考虑到模式系统误差对长期积分结果的影响,随后选取了4个降水子时段分别进行积分。结果表明,使用CoLM方案模拟得到的累积降水量均大于使用SLAB方案的,但使用CoLM方案时出现虚假降水的概率较大。由于区域平均的初始热动力廓线比实际降水发生地区偏干,使用两个方案的模拟均对子时段3的第1个降水事件延迟24h左右,这对其在子时段3的相关系数都很小有贡献。时间平均的位温和水汽混合比误差分析表明,使用CoLM模拟的子时段1和2的对流层低层偏冷、偏湿,而其他情况下为偏暖、偏干。对流层低层位温的误差与地表气温的误差一致。此外,还发现使用CoLM模拟得到的感热通量偏小,潜热通量偏大,而使用SLAB模拟得到感热通量偏大,潜热通量偏小。对流层中高层,子时段1和4为偏冷、偏湿,对应降水偏少(使用CoLM的模拟在子时段1的降水偏多归因于虚假降水);子时段2,使用CoLM的模拟为偏暖、偏干,对应降水偏多,使用SLAB的模拟为偏冷、偏干,对应降水偏少;子时段3,使用两个陆面方案的模拟均为偏冷、偏干,对应降水偏多。

关键词： GRAPES 单柱模式 GCSS WG4 物理过程评估

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双参数微物理方案在WRF单柱模式中的模拟检验和对比研究

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高原气象 2015年第4期34卷 890-909页

作者：梅海霞沈新勇王卫国黄伟南京信息工程大学气象灾害预报预警与评估协同创新中心气象灾害教育部重点实验室南京210044 江苏省气象科学研究所南京210009 中国科学院大气物理研究所云降水物理与强风暴重点实验室北京100029 美国国家海洋大气总署环境预测中心美国马里兰20746

利用耦合Milbrandt 2-mon(MY)和Morrison 2-mon(MOR)两种双参数微物理方案的WRF中的单柱模式,对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比发现:两种双参数微物理方案能较好地模拟出TWP-ICE期间热带云系的宏观和微观的特征。模拟的降水率、地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级、时间演变趋势与观测相一致;总的液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征总体与观测以及云分辨率模式的结果也较接近。在整个时期,两种方案水云中的雨滴宏观和微观特征差异较小,而云滴混合比在两种方案之间的差别显著;冰晶对冰云的贡献在MY方案中占据主导地位,而MOR方案中雪在冰云中扮演的角色相比于在MY方案中更为重要。微观上与MY方案相比,MOR方案中的云滴是由数量更大的小云滴构成,但冰晶却是由数量较少的大冰晶粒子构成。微物理过程转换率的区别是造成两种方案冰云宏观分布特征差异的主要原因。与冰晶和雪有关的微物理过程转换分析表明:活跃期两种方案中与冰晶有关的主要微物理转换项有冰晶的凝华增长、冰晶向雪的自动转化、冰晶被雪碰并以及冰晶的沉降过程。而雪主要的转换项包含沉降和凝华过程等,其中MY方案中雪的主要转换项更为丰富。该时期两种方案冰晶和雪的主要微物理转换项的垂直分布以及量级特征的差异同冰云的宏观分布相一致。季风抑制期,两种方案中冰晶主要的源汇项包括凝华增长和沉降过程。MY方案中凝华凝冻核化也是主要的源汇项之一。抑制期MOR方案中高空的雪发展较强,参与的微物理过程较MY方案更为丰富,主要转换项比MY方案高出约一个量级。

关键词：单柱模式双参数冰晶雪微物理

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GRIST单柱模式及其在评估两套物理方案包中的应用

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气象学报 2024年第6期82卷 789-800页

作者：张萌李晓涵陈湉茹张祎航天宏图信息技术股份有限公司2035未来实验室北京100195 清华大学地球系统数值模拟教育部重点实验室/地球系统科学系北京100084 中国气象科学研究院灾害天气国家重点实验室北京100081

介绍了面向全球-区域一体化预测系统(GRIST)发展的单柱模式(GRIST_SCM)。GRIST_SCM通过将三维大气动力简化为一维计算,实现对大气柱内物理过程的独立测试和评估。基于GRIST_SCM,考察了面向天气预测应用的物理参数化包(PhysW)和面向气候... 详细信息

介绍了面向全球-区域一体化预测系统(GRIST)发展的单柱模式(GRIST_SCM)。GRIST_SCM通过将三维大气动力简化为一维计算,实现对大气柱内物理过程的独立测试和评估。基于GRIST_SCM,考察了面向天气预测应用的物理参数化包(PhysW)和面向气候模拟及气候变化预估的物理参数化包(PhysC)在刻画云降水过程时的物理过程间相互作用。基于热带暖池国际云试验,展示了两套物理参数化包对一次深对流过程的模拟性能。PhysW和PhysC都形成了与观测总体一致的云和降水演变趋势。区别在于:PhysC对降水事件生消的捕捉能力弱于PhysW,其原因是深对流触发过于频繁,产生持续弱对流降水;PhysW形成的暖云量少于观测和PhysC,主要原因是深对流对低层水汽的垂直输送较强,使得基于环境相对湿度诊断的大尺度凝结过程以蒸发为主。GRIST_SCM详细展示了两种物理参数化包对于云降水过程的刻画能力及其差异背后的物理机制。由于PhysW对流参数化能更好地捕捉降水生消过程,因此PhysW表现出比PhysC更好的降水模拟能力,而PhysC模拟的云量分布和云生消过程与观测更接近,因此展现出优于PhysW的云过程模拟能力。

关键词：单柱模式物理参数化云和降水过程模拟

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双参数微物理方案在WRF单柱模式中的对比检验

双参数微物理方案在WRF单柱模式中的对比检验

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作者：梅海霞南京信息工程大学

学位级别：硕士

云系的演变及其与大气环流和地球表面的相互作用在天气和气候系统中扮演极其重要角色。在中尺度数值模式中,显式微物理方案直接预报云中粒子的发生发展。微物理方案对物理过程的描述更加准确有利于降水预报水平的提高,利用高分辨率的数... 详细信息

云系的演变及其与大气环流和地球表面的相互作用在天气和气候系统中扮演极其重要角色。在中尺度数值模式中,显式微物理方案直接预报云中粒子的发生发展。微物理方案对物理过程的描述更加准确有利于降水预报水平的提高,利用高分辨率的数值模拟结果来研究灾害性天气的发生发展机制也更加的准确和可信。随着模式分辨率的提高,微物理方案的发展和完善工作受到越来越多的重视。在前人的工作中,由于缺乏云微物理量的观测资料,微物理方案的模拟性能难以得到直接验证,造成不同方案模拟的宏观降水场差异的深层原因也很难追溯。微物理方案中,双参数微物理方案由于具有合理的物理基础而且弥补了单参数方案过于简单和分档方案计算量过于巨大的缺陷,因而模拟效果整体较好且应用较为广泛。本文利用耦合Milbrandt2-mon (MY)和Morrison2-mon(MOR)两种双参数微物理方案的WRF模式中的单柱模式,对TWP试验(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)期间的个例进行了数值模拟和敏感性试验,所得结论可以为微物理方案的发展应用和改进提供参考依据。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比发现,两个方案均能够较好地模拟出热带云系的宏微观特征以及降水率和辐射场的量级和时间演变特征,显著的模拟误差主要出现在季风抑制期：浅对流模拟得过于活跃,高空冰云模拟偏厚。两方案中冰晶和雪的源汇项收支情况同冰云宏观分布非常匹配。其中在季风活跃期,冰相粒子的融化是产生降水的重要因子,而MOR方案中冰晶云对降水的形成主要是间接贡献。两方案模拟的冰云组成结构存在显著的差异：两个方案的冰云主要由冰晶和雪构成。MY方案模拟的冰晶在垂直方向上的分布更加深厚,而在MOR方案中,雪的发展要比MY方案更为强盛,雪对冰云的贡献更大。敏感性试验表明,雪密度(SBD)的处理方法对冰云组成结构有重要的影响：MOR方案中假定了SBD是定值,过小的SBD值会使雪的凝华增长过程得到虚假增强并消耗大量水汽,从而抑制冰晶增长；MY方案中假定SBD同雪粒子直径成反向变化,更符合观测事实,雪的增长过程相比于SBD的定值假设的情况受到抑制,因而冰晶对冰云的贡献更大。凝华凝冻核的数浓度(NIN)的气溶胶敏感性试验表明：MOR方案中,季风抑制期,高空的冰云的宏观和微观性质以及OLR对凝华凝冻核的响应情况呈现显著的线性特征,而在季风活跃期,响应情况无明显规律可循。MY方案中,无论是季风活跃期还是抑制期,微物理量以及辐射场对NIN数浓度的响应情况要比MOR方案复杂得多,响应情况同具体时段和天气条件有关。两个方案对NIN的响应情况差异主要同冰晶初始核化的参数化过程有关。

关键词：单柱模式微物理方案 Morrison2-mon Milbrandt2-mon 雪的密度凝华凝冻核

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适用于行星边界层单柱模式的研发和数值试验的初步研究

适用于行星边界层单柱模式的研发和数值试验的初步研究

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作者：郭燕玲兰州大学

学位级别：硕士

单柱模式是目前气候模式中物理过程参数化方案研究的重要手段之一,能更好地揭示其物理过程的特征和本质。论文将单柱模式应用于海洋行星边界层的研究中,针对单柱模式计算中存在的问题,提出了将有限元方法、Doolittle算法用于求解模式方... 详细信息

单柱模式是目前气候模式中物理过程参数化方案研究的重要手段之一,能更好地揭示其物理过程的特征和本质。论文将单柱模式应用于海洋行星边界层的研究中,针对单柱模式计算中存在的问题,提出了将有限元方法、Doolittle算法用于求解模式方程组和框架方案,通过编写的模式对南中国海的行星边界层进行了数值试验,使用ERA-Interim再分析资料对模拟结果进行了对比分析,初步探讨了海洋行星边界层的变化特征。研究结果表明:单柱模式框架和计算方案采用有限元方法、Doolittle算法之后,与原框架和计算方案相比提高了约51倍,较好地解决了计算速度问题,为三阶及高阶闭合方案计算在模式中的大范围应用提供了参考。论文提出的新的框架计算方案,模拟的温度、比湿、风速的结果与ERA-Interim数据相比有较好的一致性,并更好地反映了边界层的层结结构特征。模拟的长波净辐射通量无云时,随高度增加而增大,日变化在低层受低空大气影响,在下午出现一个极值区,14:00左右达到最低值;受云影响,长波净辐射通量变化与无云时相比出现了显著的差异。模拟的短波净辐射通量存在明显的日变化,无云时,日变化受低空大气影响,在下午出现一个极值区,14:00左右达到最大值;有云时,短波净辐射通量变化与无云时相比同样存在着显著的差异。模拟的比湿值受蒸发影响,在晴空状态下,随时间抬升;云发展初期其值变率较大,变化随高度存在延迟现象。模拟的液态水在日出后逐渐增大,云生成之后变化不大。从分析结果来看,新的框架计算方案能够较好地模拟行星边界层特征。

关键词：单柱模式边界层有限元方法 Doolittle算法数值模拟计算速度

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新疆夏季行星边界层参数化方案模拟特征研究

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干旱区研究 2021年第1期38卷 154-162页

作者：张海亮李火青买买提艾力·买买提依明中国气象局乌鲁木齐沙漠气象研究所新疆乌鲁木齐830002

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QNS... 详细信息

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。

关键词： WRF 单柱模式行星边界层参数化方案土壤体积含水量

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在GRAPES模式中引入夹卷过程的影响试验

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热带气象学报 2013年第2期29卷 215-220页

作者：刘羽杨学胜孙健中国气象科学研究院北京100081 国家气象中心北京100081 中国气象局武汉暴雨研究所湖北武汉430074

边界层过程是数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。针对目前GRAPES模式中MRF边界层参数化方案存在的一些问题,引入考虑夹卷过程的改进方案,并从单柱试验和实际个例试验进行了验证。Wangara单柱试验表明,改进方案产生的边... 详细信息

边界层过程是数值天气预报模式和气候模式中一个重要的物理过程。针对目前GRAPES模式中MRF边界层参数化方案存在的一些问题,引入考虑夹卷过程的改进方案,并从单柱试验和实际个例试验进行了验证。Wangara单柱试验表明,改进方案产生的边界层高度和边界层结构更合理;并在对临界Richardson数的敏感性试验的基础上,确定了适合于GRAPES模式的边界层夹卷方案。另外,对2010年第11号台风"凡亚比"进行的试验表明,改进方案的台风路径预报误差小于MRF方案,且其对降水和各物理量时空分布的描述更接近实测。

关键词：数值天气预报边界层参数化夹卷过程 GRAPES模式单柱模式

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在GRAPES模式中引入夹卷过程的影响试验

在GRAPES模式中引入夹卷过程的影响试验

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作者：刘羽中国气象科学研究院

学位级别：硕士

随着数值天气预报和计算机技术的迅速发展，数值天气预报模式的分辨率也越来越高，但模式的有限网格尺度始终不能显式分辨大气中存在的所有尺度。由于湍流运动经常活跃在比模式的水平网格更小的尺度上，因而为描述这些次网格物理过程的... 详细信息

随着数值天气预报和计算机技术的迅速发展，数值天气预报模式的分辨率也越来越高，但模式的有限网格尺度始终不能显式分辨大气中存在的所有尺度。由于湍流运动经常活跃在比模式的水平网格更小的尺度上，因而为描述这些次网格物理过程的作用，参数化的处理方式依然十分重要。换句话说就是将次网格过程使用包含可分辨的网格尺度变量的公式来表示。行星边界层代表了地表与模式最底层之间热量、动量和水汽的湍流输送，因此边界层直接影响着数值天气、气候模式的模拟性能。本文针对GRAPES模式边界层过程中MRF边界层方案的不足之处，引入了一个新的方案-YSU边界层方案，通过单柱模式和实际个例进行了两个方案的对比试验，在替代MRF方案的同时也期待提高GRPAES模式的预报效果。新方案相对于MRF方案最大的改进措施是考虑了夹卷效应的显式处理。通过Wangara单柱理想实验对两方案的检验发现，YSU方案减弱机械驱动对湍流的产生效果，同时在热力引发自由对流的状况下增强边界层中的湍流混合。白天增大的湍涡扩算系数使得边界层中气象要素混合增强，边界层中部风廓线和虚位温廓线趋于中性。边界层顶出现的向下感热通量大值区则表明，YSU方案引入的夹卷效应显式计算增强了混合层与自由大气间的夹卷作用，能够有效阻止边界层内湍流通量过分的向上传输。在此基础上确定了YSU方案中临界Richardson数取0.25时会产生更合理的边界层结构。对台风“凡亚比”的个例模拟表明，相对于MRF方案，YSU方案具有模拟复杂天气状况的良好性能，其模拟的台风路径和降水变化的误差均小于MRF方案，且物理量的时空分布更接近于分析。台风影响初期更为湿暖的大气延缓了台风的衰减速度，有利于降水的生成。台风影响后期边界层的敏感性逐渐突出，边界层内的水汽含量高而边界层之上较为干燥的特征，是由于增强的夹卷作用抑制水汽过分向上传输的结果，这缓解了MRF方案模拟的低层水汽过干的问题。进一步分析发现，YSU方案没有建立针对夜间稳定边界层的参数化。本论文中通过改进YSU方案对稳定层内速度尺度的计算，抑制了过度的混合，改善了稳定层内大气要素的时空分布特征。减小的Prandtl数能够在白天增大湍流混合。自由大气中渐进长度取消常值的设定，有效消除了从混合层开始崩溃到夜间这一阶段边界层顶之上涡旋混合的异常增大现象。

关键词：数值天气预报边界层参数化夹卷过程 GRAPES模式单柱模式

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一个单冰云微物理方案和统计云宏物理方案的性能研究

一个单冰云微物理方案和统计云宏物理方案的性能研究

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作者：李佳播中国气象科学研究院

学位级别：硕士

全球和区域综合预报系统GRIST模式是建立在球面正二十面体泰森多边形网格上的全球非静力/静力多尺度模式,实现在球面准均匀和变分辨率网格间灵活选择。耦合具有尺度自适应能力的次网格物理参数化方案对满足GRIST模式变分辨率模拟和多尺... 详细信息

全球和区域综合预报系统GRIST模式是建立在球面正二十面体泰森多边形网格上的全球非静力/静力多尺度模式,实现在球面准均匀和变分辨率网格间灵活选择。耦合具有尺度自适应能力的次网格物理参数化方案对满足GRIST模式变分辨率模拟和多尺度应用需求至关重要,其中云微物理和宏物理过程是模式网格降水和云诊断的关键过程。本研究通过在GRIST模式中引入一个单冰(SI)云微物理方案和一个高斯概率密度函数分布(Gauss-PDF)的统计云方案来改善模式的云微物理和宏物理表达,用SGRSIT单柱模式对热带暖池区域国际云试验(TWP-ICE)和1997年北美南方大平原大气辐射测量试验(ARM97)期间的两个典型个例进行了单柱模拟,结果与CAM5模式的Morrison–Gettelman(MG08)云微物理方案和Park-Bretherton-Rasch(PBR14)云宏物理方案模拟以及观测资料进行了对比分析。SI云微物理和Gauss-PDF云宏物理方案总体改善了降水、凝结和云分布的模拟,在TWP-ICE试验中成功地再现了1月25日到30日对流活跃期的高层云量,降水时间演变合理,具有适当的波动和峰值,相对于MG08和PBG14方案,融化层以下的冰水含量和液态水含量模拟结果分别减少和增加,与观测结果更好地吻合,但在对流活跃期模拟的400h Pa以上高层云量偏大。在ARM97试验中使用Gauss-PDF方案可以有效改善低云云量的模拟和极端降水。进一步改进冰层云诊断方法得到新Gauss-PDF云方案,在TWP-ICE和ARM97两个试验中高层云量明显减少,模拟效果进一步改善,同时保持了原Gauss-PDF方案对于其它物理量的改善效果。本研究进一步进行了SI方案在三维GRIST模式的三维模拟试验。结果显示,SI方案中印度洋北部,南亚地区以及高纬度开阔海域的年平均总降水模拟与观测结果更好吻合,在赤道非洲沙漠地区和极区的年平均大气层顶云辐射影响的长波和短波辐射通量也因为高云云量和低云云量的增加更接近观测结果。

关键词： GRIST模式云微物理方案云宏物理方案单柱模式

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利用GABLS2客观评估GRAPES的边界层参数化方案

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气象科技 2019年第2期47卷 276-281页

作者：杨军丽沈学顺陈炯国家气象中心北京100081 中国气象局数值预报中心北京100081

根据GABLS(Global Energy and Water Cycle Experiment Atmospheric Boundary Layer Study)的第2个个例在GRAPES(Global and Regional Assimilation and PrEdiction System)单柱模式中构造了一个试验,用于检验规定的下垫面温度强迫条件下边界层过程的昼夜循环模拟能力。然后,将模拟结果与观测和大涡模拟结果进行了比较。结果表明,在规定的下垫面温度强迫下,GRAPES模拟的2m温度基本合理。然而,对于稳定条件(夜间),GRAPES模拟的向下的感热通量比观测的大,过估10m风速和摩擦速度,过估稳定边界层高度;对于不稳定条件(白天),GRAPES模拟的向上的感热通量比观测的小,低估不稳定边界层高度,低层位温偏冷。随后的敏感试验表明,减小边界层方案中的动量和热量的背景扩散值后,GRAPES模拟的稳定条件下的10m风速和摩擦速度,以及对流边界层的风和温度的廓线更接近大涡模拟。

关键词： GABLS2 GRAPES 边界层单柱模式

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