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大气科学 2018年第1期42卷 52-69页

作者：刘梦娟张旭陈葆德上海区域高分辨率数值预报创新中心上海200030 上海中心气象台上海200030 中国气象局上海台风研究所上海200030

随着数值预报模式分辨率的提高,当模式网格距与含能湍涡的长度尺度相当时,模式动力过程可解析一部分湍流运动,而剩余的湍流运动仍需参数化,此时便产生了湍流参数化的"灰色区域"问题。对传统的PBL(Planetary Boundary Layer)... 详细信息

随着数值预报模式分辨率的提高,当模式网格距与含能湍涡的长度尺度相当时,模式动力过程可解析一部分湍流运动,而剩余的湍流运动仍需参数化,此时便产生了湍流参数化的"灰色区域"问题。对传统的PBL(Planetary Boundary Layer)方案在"灰色区域"下的适用性评估,是改进PBL方案以使其能够适应分辨率变化的前提和基础。本研究基于干对流边界层的大涡模拟试验,比较了WRF(Weather Research and Forecast Model)模式中四种常用的边界层参数化方案[YSU(Yonsei University)、MYJ(Mellor-Yamada-Janjic)、MYNN2.5(Mellor-YamadaNakanishi-Niino Level 2.5)、MYNN3)]在"灰色区域"尺度下的表现。研究表明,混合层内总热通量对所使用的参数化方案和水平分辨率均不敏感。不同参数化方案中次网格与网格通量的比例表现出对水平网格距不同的依赖性。局地PBL方案(MYJ、MYNN2.5)在混合层内的平均位温随网格距减小而增大,次网格通量随网格距减小而减小,较参考湍流场对次网格通量有所低估。YSU方案的非局地项几乎不随水平格距改变而变化,对次网格通量的表征并未表现出较强的分辨率依赖性,且过强的非局地次网格输送使混合层内温度层结呈弱稳定,抑制了可分辨湍流输送,不易于激发次级环流。MYNN3方案的非局地次网格通量(负梯度输送项)随网格距减小而减小,使其对次网格通量的表征具有较好的分辨率依赖性。PBL方案在"灰色区域"尺度下的适用性与具体分辨率有关。以分辨率500 m为例,四种PBL方案中不存在一种最佳方案,能对边界层的热力结构和湍流统计特征均有准确的描述。

关键词：边界层参数化方案灰色区域大涡模拟非局地输送

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边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风(1614)登陆阶段影响的数值模拟研究

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大气科学 2020年第5期44卷 935-959页

作者：王叶红赵玉春厦门市气象局海峡气象开放实验室厦门361012 中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室(LASG) 北京100029 福建省灾害天气重点实验室福州350001

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率(1.33 km)数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风"莫兰蒂"(1614)登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构... 详细信息

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率(1.33 km)数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风"莫兰蒂"(1614)登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:(1)"莫兰蒂"台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 ms-1及241 mm;(2)Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;(3)Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;(4)综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;(5)不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;(6)不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。

关键词：台风边界层参数化方案数值模拟热通量

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边界层参数化方案对台风SANBA初生阶段影响的数值模拟研究

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热带气象学报 2016年第3期32卷 346-357页

作者：温晓培隆霄张述文李丹华兰州大学大气科学学院甘肃兰州730000

台风的形成和发展与边界层中低涡扰动的形成和发展密切相关。利用中尺度WRF模式,采用数值敏感性试验的方法来研究不同边界层方案对台风SANBA初生阶段的移动路径、强度及物理量场分布等方面的影响,结果表明:在台风形成初期,不同边界层方... 详细信息

台风的形成和发展与边界层中低涡扰动的形成和发展密切相关。利用中尺度WRF模式,采用数值敏感性试验的方法来研究不同边界层方案对台风SANBA初生阶段的移动路径、强度及物理量场分布等方面的影响,结果表明:在台风形成初期,不同边界层方案对模拟的SANBA台风的强度和路径具有明显影响;未引入Bogus方案时,采用QNSE和ACM2边界层参数化方案的模拟结果与最佳路径资料最为接近。采用Bogus方法在初始场中引入热带扰动有关信息后,五种边界层参数化方案模拟的台风路径均有显著改进,其中QNSE和ACM2方案对台风路径和强度模拟结果的改进效果较其他几种边界层参数化方案的模拟结果改进小,说明这两种边界层参数化方案对SANBA台风发展初期边界层过程的处理较完善,能够较好地处理边界层过程和边界层热带扰动的形成和发展;对比分析表明由于不同边界层参数化方案对边界层过程处理的差异,导致SANBA台风发展到强盛阶段时近地层的有关物理量及自由大气中的物理场分布出现一定的差异,即使模拟效果较好的QNSE与ACM2边界层参数化方案模拟的台风垂直结构之间也存在一定的差异。数值试验也表明MYJ参数化方案对此次台风的模拟效果最差,在进行相关研究时应慎用该边界层参数化方案。

关键词：天气学台风边界层参数化方案 Bogus方案初生阶段

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边界层参数化方案对降水预报的影响

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应用气象学报 2006年第B08期17卷 11-17页

作者：陈炯王建捷国家气象中心北京100081 北京市气象局北京100089

利用新一代WRF模式模拟了2003年7月8—10日的江淮暴雨,就WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验。发现分辨率为20 km时,WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度。采用边界层方案显然比不采用边界层方案的模... 详细信息

利用新一代WRF模式模拟了2003年7月8—10日的江淮暴雨,就WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验。发现分辨率为20 km时,WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度。采用边界层方案显然比不采用边界层方案的模拟效果好,但是MYJ方案与MRF方案相比并没有明显的优越性。另外发现边界层物理过程对格点尺度降水影响很小,模式主要通过边界层物理过程和积云对流过程之间的耦合,来改善对流性降水的模拟。

关键词： WRF模式边界层参数化方案格点尺度降水对流性降水

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边界层参数化方案对不同性质降水模拟的影响

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高原气象 2010年第2期29卷 331-339页

作者：肖玉华何光碧顾清源高文良四川省气象台四川成都610071 中国气象局成都高原气象研究所四川成都610072

利用MM5模式的4种边界层方案(ETA方案、MRF方案、Blackadar方案、Gayno-Seman方案),对2008年9月22～27日发生在四川盆地先是对流性,后来是稳定性的暴雨过程进行了该4种不同边界层方案的数值模拟比较试验。整体而言,ETA方案对雨带的预报... 详细信息

利用MM5模式的4种边界层方案(ETA方案、MRF方案、Blackadar方案、Gayno-Seman方案),对2008年9月22～27日发生在四川盆地先是对流性,后来是稳定性的暴雨过程进行了该4种不同边界层方案的数值模拟比较试验。整体而言,ETA方案对雨带的预报能力较差,但对对流性降水有一定的预报能力;MRF方案对雨带(特别是稳定性降水)的预报能力相对最强;Blackadar方案对后24h强降水最具能力,且对对流性和稳定性降水的预报能力没有太大差别;Gayno-Seman方案对后24 h强降水预报能力较差。边界层对物理量场的影响随时间增大。在预报积分的前10 h以内,各方案的涡度、相对湿度、垂直速度等物理量预报几乎无异;积分10～24 h,它们的量值间出现差异;24 h后,不同方案的预报不仅量值上有差异,甚至变化趋势都不尽相同。高度场受边界层的影响最小,受边界层方案影响最大的是U场,V场受边界层的影响呈高度和时间的分段函数,湿度场受到的影响有明显的时间滞后性特征。对于温度场而言,600 hPa似乎是温度场受边界层影响的一个拐点,边界层影响在通过600 hPa后改变了影响规律。

关键词：边界层参数化方案不同性质降水数值模拟

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两种边界层参数化方案模拟热带气旋Megi(2010)路径差异的机理分析

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地球物理学报 2017年第7期60卷 2545-2555页

作者：王雨星钟中孙源胡轶佳中国人民解放军理工大学气象海洋学院南京211101 南京大学江苏省气候变化协同创新中心南京210093

本文利用中尺度数值模式WRF,分别采用YSU和MYJ两种边界层参数化方案对2010年超强台风Megi的移动路径进行了模拟,研究了热带气旋(TC)路径模拟对边界层方案的敏感性,并从模拟TC尺度差异所造成的影响角度揭示了模式边界层方案影响TC路径的... 详细信息

本文利用中尺度数值模式WRF,分别采用YSU和MYJ两种边界层参数化方案对2010年超强台风Megi的移动路径进行了模拟,研究了热带气旋(TC)路径模拟对边界层方案的敏感性,并从模拟TC尺度差异所造成的影响角度揭示了模式边界层方案影响TC路径的机理.结果表明:由于两种方案对边界层垂直混合作用过程的描述不同,两个试验模拟的低层水汽垂直输送存在差异.相对于能很好模拟出Megi路径的MYJ方案,YSU方案模拟的TC外围螺旋雨带更活跃,造成TC尺度增大,引起TC中心北侧外围气压梯度和径向风速增加,使得由副高向TC中心输送更多的质量,造成副高异常减弱,从而导致由副高主导的引导气流发生改变,最终使得采用YSU方案模拟的Megi路径出现提前转向.

关键词：边界层参数化方案台风路径数值模拟 WRF模式

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晴天及阴天条件下WRF模式中几种边界层参数化方案的对比分析研究

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地球物理学报 2017年第3期60卷 924-934页

作者：王成刚沈滢洁罗峰曹乐严家德姜海梅南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室南京210044 上海市嘉定区气象局上海201821

利用WRF模式中5种常用边界层参数化方案(ACM2、YSU、BouLac、MYJ和MYNN2.5)及美国能源部大气辐射观测试验(ARM)寿县综合观测数据(2008年8—12月),对比分析了晴天及阴天条件下,不同参数化方案对典型农田下垫面气象要素及边界层结构的模... 详细信息

利用WRF模式中5种常用边界层参数化方案(ACM2、YSU、BouLac、MYJ和MYNN2.5)及美国能源部大气辐射观测试验(ARM)寿县综合观测数据(2008年8—12月),对比分析了晴天及阴天条件下,不同参数化方案对典型农田下垫面气象要素及边界层结构的模拟效果,结果表明:(1)模式对于云层状况的模拟,非局地方案ACM2和YSU方案优于局地方案.(2)对于近地层气象要素,晴天和阴天条件下均是ACM2方案对于2 m温度和比湿的模拟效果最好,MYJ方案对于风向风速的模拟效果最好.(3)对于位温及比湿垂直廓线的模拟,晴天和阴天条件下均是非局地方案(ACM2和YSU)对白天的模拟效果优于局地方案;ACM2方案对夜间弱稳定层结和逆湿结构的模拟最优;(4)对于风速垂直廓线的模拟,白天不稳定条件下,晴天条件MYJ方案最优,阴天MYNN2.5方案的模拟效果最好;夜间弱稳定条件下,晴天条件ACM2方案与观测值之间的偏差最小,阴天YSU方案模拟效果最好;(5)总体而言,在对典型农田下垫面进行模拟时,晴天和阴天条件下均是ACM2方案更具优势.

关键词：晴天阴天 WRF模式边界层参数化方案 ARW试验寿县站

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边界层参数化方案对台风“烟花”北上阶段模拟影响的差异比较

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海洋预报 2023年第4期40卷 107-121页

作者：邢蕊杨健博庄庭王庆元邱晓滨田梦天津市海洋气象重点实验室天津300074 天津市滨海新区气象局天津300457 天津市气象科学研究所天津300074 天津市气象探测中心天津300061 天津市气象台天津300074

利用中尺度数值预报模式(WRF)中的8种边界层参数化方案(ACM2、Boulac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU),采用高分辨率数值试验的方法研究不同边界层参数化方案对台风“烟花”(2021)北上影响环渤海区域阶段的路径、强度、降水及动热力结... 详细信息

利用中尺度数值预报模式(WRF)中的8种边界层参数化方案(ACM2、Boulac、GBM、MYJ、MYNN、QNSE、UW、YSU),采用高分辨率数值试验的方法研究不同边界层参数化方案对台风“烟花”(2021)北上影响环渤海区域阶段的路径、强度、降水及动热力结构等方面的模拟差异。结果表明:台风北上后的路径模拟对边界层参数化方案较敏感,其中Boulac方案模拟的路径误差最小,随着积分时间延长,各试验的路径差异也越来越显著;由于台风北上阶段强度较弱,模拟的最低气压绝对误差总体偏小,基本分布在2~6 hPa之间;各试验对累积降水极值大小和位置的模拟存在较大差异,通过分析24h累积降水的TS评分可知,Boulac方案在中雨以上量级的模拟中表现最优,而ACM2方案则在大雨及暴雨以上量级的模拟中表现最优;各试验对于台风动热力结构的模拟存在差异,其中动力结构的差异更加明显,并且低层大气比高层大气差异更显著。造成这种差异的原因可能是由于各方案对边界层热通量以及动热力结构的模拟存在差异,并通过边界层顶的夹卷过程将这种差异引入高层大气。

关键词：边界层参数化方案北上台风数值模拟环渤海区域

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边界层参数化方案对暴雨模拟结果的影响研究

边界层参数化方案对暴雨模拟结果的影响研究

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作者：周彦均南京信息工程大学

学位级别：硕士

我国暴雨灾害频繁,通过研究暴雨的中尺度结构,可以揭示暴雨的演变过程,并了解其发生发展的物理机制,成为气象工作者亟待解决的问题。其中行星边界层过程是关键的问题,边界层过程引起的水汽、动量、热量垂直输送影响和制约着暴雨的发生... 详细信息

我国暴雨灾害频繁,通过研究暴雨的中尺度结构,可以揭示暴雨的演变过程,并了解其发生发展的物理机制,成为气象工作者亟待解决的问题。其中行星边界层过程是关键的问题,边界层过程引起的水汽、动量、热量垂直输送影响和制约着暴雨的发生发展。因此,在对强降水天气的数值模拟中,边界层参数化方案是十分重要的一部分。本文利用WRF模式分别耦合YSU、MYJ、ACM2和MRF边界层参数化方案分别对2013年5月和2013年7月的长江地区两次暴雨案例进行模拟实验。此外,为了检验边界层参数化方案的重要性,本研究也使用无边界层方案(NOPBL)对这次暴雨进行了模拟。通过与实测数据进行对比和分析,本文检验了这五种不同的实验设计对降水落区,总量,基本气象要素的模拟能力。综合模拟结果表明,NOPBL产生了最大的偏差,ACM2和MRF次之,MYJ的方案对于小雨与大雨的模拟最优的,而YSU对不同强度暴雨模拟的正确率都较高。最后,本文将模拟方案较好的MYJ与不同陆面过程参数化方案：NOAH、SLAB方案进行比较,着重研究了不同陆面过程方案对雨强中心、降水落区、垂直速度、水汽通量散度及θx场的影响,得到MYJ边界层参数化方案和NOAH陆面过程方案组合配置对北京7月21日的暴雨的模拟效果较好。

关键词：数值模拟边界层参数化方案降水 WRF模式陆面方案

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边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨湍流交换特征模拟的影响

边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨湍流交换特征模拟的影响

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作者：马铮南京信息工程大学

学位级别：硕士

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对于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了多组数值模拟试验,对比了不同方案对于降水以及边界层动力热力结构的模拟效果,同时对暴雨期间边界层热通量输送、湍流动能变化与... 详细信息

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对于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了多组数值模拟试验,对比了不同方案对于降水以及边界层动力热力结构的模拟效果,同时对暴雨期间边界层热通量输送、湍流动能变化与收支特征进行了分析并对不同方案模拟得到的特征进行了比较。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为显著的影响;在降水率以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、假相当位温的垂直分布产生影响,直接影响了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热通量输送与湍流动能垂直分布,经分析发现该特征与局地较强的垂直风切变以及近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用,其中BouLac方案的各收支项都偏小,而GBM方案的湍流输送项在TKE收支中起到了重要作用;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以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,一定程度上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。就此个例而言,MYNN Level-3方案的模拟效果较为理想。

关键词：梅雨锋暴雨边界层参数化方案热通量湍流动能

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