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行业专项成果综述-东亚区域数值预报业务模式关键物理过程参数化技术系统研究

发布者:张岳   来源:   发布时间:2020/10/31 9:36:34   标签:   浏览次数:2029

项目编号GYHY200806007

研究周期2008年10月-2010年10月

国拨经费254万元

项目负责人】王东海

项目骨干成员】徐祥德、薛纪善、胡志晋、许焕斌、周海光、刘英、姜智娜、丁国安、夏茹娣、高守亭、段安民、丹利、李立娟、季劲钧、孙菽芬、张霞、郑永骏、刘琨、平凡、张宏升、施晓辉、康凌

项目承担单位】中国气象科学研究院

项目协作单位】中国科学院大气物理研究所、北京大学

主要研究成果

1.   东亚区域云微物理的观测特征及其参数化方案研究

完成了GRAPES模式的云分析系统的研发与业务应用,并进行了多次降水过程的个例模拟,验证了云分析系统对地面报文云观测资料、卫星云图资料和多普勒雷达反射率因子三类数据的综合同化应用能力,并进行了长达一个月的连续试验。

在不同中尺度参数化方案比较性实验完成的基础上,通过分析已确定出发展和改进积云参数化方案的目标模式,即在选定的KF方案中,加入了云尺度的动力反馈机制及从层云中卷入的水汽及冰晶对对流触发及维持的影响,初步构造出能反映积云、层云相互作用的参数化方案,改进了对降水的模拟能力。

在分析了我国近20年来江淮流域汛期降水的基础上,确定出广义位温θ*影响江淮流域的动力因子,作为东亚区域强降水过程的积云对流动力控制机制的参数化方案;在发展的积云对流参数化方案中,充分拟合中尺度观测资料以及卫星、雷达等遥感资料,调试参数化方案中的参量及控制约束条件来优化参数化方案。将发展的方案植入到WRFGRAPES模式系统中,进行敏感性试验和东亚降水的模拟实验,调试和完善参数化方案,改进了对东亚区域降水的模拟能力。

2.   东亚区域海陆气相互作用和混合层海气耦合模型的建立

将大气模式GRAPES和海洋混合层模式OMLMNoh and Kim, 1999)进行双向同步耦合得到一个新的中尺度海气耦合模式GRAPES-OMLM。采取信息双向交换的方式来实现,具体为大气模式地面层和海洋模块表层的有关物理参量之间的交换。

又通过台风Chanchu个例的模拟研究,表明区域天气气候海洋混合层耦合模式GRAPES-OMLM能够提高台风强度和路径的模拟性能,并且揭示了局地海气相互作用对台风天气过程中海表温度、台风强度、台风结构及其移动路径的影响机理。此外,还对西北太平洋上的Ewiniar0603)台风进行了类似的模拟研究,进一步验证了考虑海气耦合后的GRAPES模式对台风天气过程模拟的优越性。

3.   东亚陆面模式AVIM中土壤冻融过程的发展

全面地分析了新疆冻土的时空变化特征,特别是在全球变暖背景下新疆四十五年以来冻土深度变化的客观事实,揭示了新疆冻土变化及其与气候变化的关系,为在陆面模式实现冻土参数化方案的改进提供了有力的事实证据和支持。

利用AVIM-GOALS耦合模式,在植被-大气双向作用背景下对耦合模式的地表通量场进行分析,模拟了陆面感热和潜热通量的时空特征,证明了耦合模式能够较合理地模拟出地表通量的纬向分布特征、陆地上感热通量和潜热通量的空间分布。又根据土壤冰、水、气共存及相变对陆面热量和水分传输过程的影响,设计了陆面土壤的冻融参数化方案,并在我国青藏高原D66站进行了验证,为后期陆面模式的发展及推广打下了基础。此外,用冻土模式结合土壤部分的两种地表热粗糙度的参数化方案(Z98方案和Y08方案)对内蒙地区的土壤温度和含水量以及地表通量进行了模拟验证。

4.   东亚典型区域大气边界层物理结构特征及其参数化方案研究

研究利用以往基金重大、重点项目、国际合作项目的外场试验资料,并考虑温度、湿度脉动测量仪器的限制,重点进行戈壁、草原、城郊和郊区四种地形的温湿度的湍流特征规律研究。研究了不同下垫面的水热输送和边界层特征,确定了不同下垫面微气象学要素特征及地表参数。还利用1998年第二次青藏高原大气科学实验(TIPEX)大气边界层加强观测站观测资料,利用湍流能量原理计算和分析了青藏高原中部地区大气边界层高度及其演变规律,并与低空探空获取的温度廓线探测结果进行对比。此外还研究了特殊天气条件下的水热输送与湍流结构。进行了一系列陆面海面过程数值模拟实验,研究了农牧交错带水热交换以及草地生产力对气候要素的响应。并通过采用湍流通量资料插补技术、稳定条件下拖曳系数、戈壁地区地表参数化、改进ADAM沙尘消减因子来改进数值模式边界层结构新技术方案。

 

成果应用情况

一、建立云分析系统模块

GRAPES模式中建立了云分析系统模块,包括观测资料预处理、三维云量场分析、湿度场与水成物调整等几个子模块。针对国内观测资料的特点,还设计了专门的资料预处理流程。基于GRAPES模式的该云分析系统实现了对地面报文云观测资料、卫星云图资料和多普勒雷达反射率因子三类数据的综合同化应用。该云分析系统能够有效的调整三维云覆盖,明显改善了初始场水汽条件,提升了GRAPES模式对降水预报的准确率。

1. 通过对强降水过程和台风登录过程个例的数值模拟,检验了云分析系统对GRAPES模式预报效果的影响,模拟结果与分析结论如下:

1)云分析系统通过对地面云观测资料、卫星红外云图、可见光云图、多普勒雷达反射率的同化,能够反演出合理的三维云覆盖状况,这样能显著改善模式初始湿度场。

2)云分析系统能够显著缩短模式的积分调整时间,明显增大了开始几小时的降水量预报,对整体的降水预报效果也有显著改善。

3)在台风登陆过程的模拟中,对比控制试验,云分析系统发挥了显著的正作用。

验证了基于GRAPES模式的云分析系统的可行性与其对地面云观测资料、卫星云图以及多普勒雷达反射率数据的同化能力,本云分析系统模块计算成本小,可实现热拔插,是一种适合业务运行的方法。目前正在开展GRAPES云分析系统的批量模拟检验,并在进一步完善中。

2. 通过利用不同积云参数化方案对2003年夏季降水的连续模拟实验,得到:

1)从统计的结果分析来看,对于强降水过程(大雨和暴雨),Kain-Fritsch Grell 方案模拟的效果较好,对于弱降水过程(小雨和中雨), Kain-Fritsch Anthes方案略好些。

2)各种参数化方案模拟结果与实际都有较大偏差,因此积云参数化方案的改进是提高降水模拟及预测的关键。

3. 通过对强降水过程和不同类型台风个例的数值模拟,检验了改进后的积云参数化方案对WRF/GRAPES模式预报效果的影响

二、建立区域天气气候与海洋混合层耦合模式GRAPESOMLM

    将大气模式GRAPES和海洋混合层模式OMLMNoh and Kim, 1999)进行双向同步耦合得到一个新的中尺度海气耦合模式GRAPES-OMLM。模式初始化之后,由GRAPES计算得到的海面风应力、净热通量(包括向下净短波辐射通量和向上的净长波辐射通量、潜热及感热通量)和淡水通量传递给OMLMOMLM由上述物理量所驱动,每积分一个时间步长得到新的SST,然后反馈给GRAPES,如此循环。GRAPES大气模式水平分辨率为0.2°×0.2°,时间步长为120秒;OMLM为一维的海洋混合层模块,垂直方向为50层,每层5米。

 

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