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边界层参数化方案在“灰色区域”尺度下的适用性评估 总被引：2，自引：0，他引：2
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-Yamada-Nakanishi-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。 相似文献
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为提高大气数值模式的模拟能力,改进大气边界层水汽、热量湍流输送计算和大雾天气的模拟效果,选用WRF三维非静力模式,采用具有局地和非局地垂直湍流尺度自适应计算能力的MYNN_SA参数化方案,对2017年12月28—29日我国华北—江淮地区的大范围浓雾过程进行了数值模拟研究,探讨从中尺度到灰区尺度分辨率范围,模式的尺度自适应大气边界层湍流参数化方案对稳定大气边界层发展、湍流输送和大雾天气模拟的影响。利用中国地面气象站观测资料和ERA5再分析数据,在接近灰区尺度的网格分辨率上,利用尺度自适应大气边界层湍流MYNN_SA参数化方案较之中尺度参数化MYNN方案,可明显改善次网格湍流输送计算,以及陆地浓雾的强度、空间分布和时间演变特征,可更精确地模拟云水混合比、逆温层和雾区的垂直结构。 相似文献
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本文以行星边界层理论为基础,设计了一个定常行星边界层湍流特征非线性模式。根据行星边界层湍流现象具有波动和团块结构的特点,在模式设计中引用了量子化概念,构造了一个适合于大气湍流运动的波函数用以闭合方程组,并在类比的意义下考察了该方案的合理性。采用WKB渐近方法与数值解相结合,对行星边界层湍流特征进行了定量分析,并且与实验资料以及其他作者的模式作了比较。结果表明,本文设计的模式有能力描述定常行星边界层内湍流运动的非线性特征。 相似文献
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WRF模式中QNSE方案的湍流长度尺度系数的调整试验研究 总被引：2，自引：0，他引：2
边界层参数化方案中湍流混合对数值模拟起着重要的作用,湍流混合作用的恰当描述对于温度、湿度、风场以及降水的准确模拟至关重要。我国长江中下游流域人口密集,暴雨灾害频发,很有必要寻找一种适合该地区降水模拟的边界层参数化方案。本文运用WRF（Weather Research and Forecasting）中尺度数值模式,以QNSE（Quasi-Normal Scale Elimination）边界层参数化方案为基础,将其中湍流混合长度尺度系数调整为可变参数。本文将Noh et al.（2003） 提出的Prandtl公式与Janji?提出的修正湍流长度尺度系数的方法相结合,通过考虑非局地项的强迫、地表稳定度与边界层高度对湍流长度尺度系数的影响,强调大气的动力结构特征与热力结构特征对湍流混合的共同影响,从而提高QNSE边界层参数化方案在不同地理环境下的模拟能力。文章通过进行长江中下游地区的典型暴雨试验,将调整参数后的QNSE方案与原方案进行比较,重点分析调整参数后的方案与原方案对关键基本气象要素场、边界层结构特征以及降水的模拟能力,并将模拟结果与观测结果进行对比,结果表明:调整参数后的方案一定程度上改进了地表温度、边界层结构以及降水的模拟效果。进一步研究表明,调整参数后的方案主要通过改变边界层混合缓解水汽混合比、位温模拟方面的误差。 相似文献
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该文在多尺度湍流理论的研究成果基础上, 将边界层湍流风谱与平均量的梯度相联系, 建立了边界层多尺度湍流参数化子模式, 之后放入MM5模式中进行了个例模拟研究, 并与MM5模式附带的M RF边界层参数化、Blackadar高分辨率边界层参数化的模拟结果进行比较和分析。结果表明, 多尺度湍流理论能够反映出实际大气边界层中热量垂直输送的规律, 将其用于中尺度数值预报模式的边界层物理过程参数化是可行的; 多尺度湍流参数化在地表层和边界层内各个层次上都着重考虑含能量最大的涡的作用以及水平热力不均匀性的影响, 因此在地形和下垫面比较复杂的区域, 对中尺度天气系统的模拟有进一步发展的前景。 相似文献
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大气边界层物理与大气环境过程研究进展 总被引：3，自引：2，他引：1
总结了近5年来中国科学院大气物理研究所大气边界层物理和大气化学国家重点实验室(LAPC)在第二代超声风速温度仪研制、城市边界层研究、复杂地形大气边界层探测与数值模拟、湍流机理研究、大气污染模式发展与应用等领域的主要进展,其中,第二代超声风速温度仪的野外对比测试结果表明其主要性能完全达到了国际先进水平;北京城市化发展使得北京325 m气象塔周边近地面流场已经具备了典型城市粗糙下垫面的流场特征,近地面夏季平均风速呈现非常明显的逐年递减趋势;北京沙尘暴大风时期湍流运动主要是小尺度湍涡运动,而大风的概率分布偏离高斯分布,风速较大的一侧概率分布呈指数迅速衰减,大风中风速很大的部分具有分形特征;珠穆朗玛峰北坡地区两次综合强化探测实验是迄今为止在青藏高原大型山地中实施的针对山地环流和物质／能量交换最为全面和连续的大气过程探测实验;白洋淀地区的观测研究表明,非均匀边界层具有一般边界层不具备的特点,无论是边界层结构还是湍流输送方面,水、陆边界层之间存在一定的差异,凸显其地表非均匀性的作用;为了解决不同尺度、不同类型的大气污染问题和实际应用,研制或发展完善了多套大气污染模式系统,包括全球大气化学模式、区域大气污染数值模式、城市大气污染数值模式和微小尺度(如街区尺度)范围内污染物输送扩散模式。 相似文献
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一、大气湍流的探测大气边界层内的湍流运动对地气系统的动量、热量与水汽输送过程,以及对大气中污染物的扩散有着决定性影响.由于大气湍流运动有很宽的尺度谱,其时间、空间分布极为复杂,在探测技术上有很多难题.除正在发 相似文献
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台风数值模拟中边界层方案的敏感性试验I.对台风结构的影响 总被引：9，自引：7，他引：2
通过比较不同边界层方案下中尺度数值模式模拟的台风地表特征量以及形势场和风场, 表明台风边界层通过摩擦混合和辐射等作用与地表产生水汽、热量和动量的交换, 并通过湍流效应和积云的夹卷作用将边界层的影响扩展至整个自由大气.对台风Dan的模拟个例表明, 由于边界层过程的差异导致台风尺度大小不同, 风场、形势场的水平和垂直分布结构都有所差异.不同边界层方案模拟的台风结构的差异必然导致强度的差异, 与此相对应, 在不同边界层方案下, Eta方案模拟的台风强度偏大; 而Burk-Thompson和Blackadar方案略次之,在没有边界层方案的情况下模拟的强度非常弱,体现了边界层过程对台风发生发展的巨大影响. 相似文献
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《高原气象》2018,(5)
北京市延庆区小海坨山将承担2022年第24届冬季奥运会部分高山滑雪、高山速降等室外赛事。由于室外赛事对近地面风场有着极其严格要求,需要提供百米内分辨率风预报产品。目前广泛使用的高分辨率(1 km)中尺度模式尚不能满足这一预报需求。本文基于中尺度气象模式(WRF)的大涡模拟(LES)功能,针对冬奥小海坨山地区构建在线耦合中-微尺度WRF-LES模式系统,采用四重单向嵌套将水平分辨率从中尺度1 km降至微尺度37 m,对发生在该地区2017年1月13日晴天大风个例开展边界层风场的精细模拟。结合观测,通过设计模式水平、垂直、地形分辨率及边界层方案敏感性试验,检验和评估了WRF-LES作为真实大气模拟工具在复杂地形区域的适用性。结果表明,由于LES能解析大气湍流中部分湍涡能量,相比普通中尺度模式WRF,百米或更高分辨率WRF-LES能捕捉更多大气小尺度运动特征,刻画出局地流场结构,获得更精细、准确的近地面风场信息。为实现精确模拟,模式需引入与水平分辨率相匹配的高分辨率地形高程数据,结合计算资源能力设置垂直网格距。模拟结果表明WRF-LES对复杂山地近地面风场具有超高分辨率模拟应用的潜力和价值,表现出较好的预报能力,可为冬奥会精细气象服务提供技术支持。 相似文献
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为了提高边界层参数化在我国复杂下垫面上的描述能力,改善边界层能量和物质输送计算和检验其数值模拟效果,本文选取WRF三维模式,采用基于我国不同下垫面上的边界层观测资料改进的新MYNN（Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino）参数化方案对2009年3月17日黄海海雾以及2011年12月4日华北地区两次大雾过程进行模拟检验,探讨边界层参数化方案对雾和边界层结构模拟的影响。参照卫星云图和探空资料,边界层内云水混合比垂直积分的水平分布的模拟能力明显提高,反映了改进的MYNN方案能够更好地模拟出两次雾过程的发生、移动和雾区空间分布,更精确的云水混合比和温度的垂直分布能更好地给出雾区的垂直结构和稳定层结,同时可改善雾区低层位温以及比湿垂直分布的模拟。 相似文献
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利用2005—2011年10次春季黄海海雾个例开展WRF模式参数化方案敏感性研究。结果表明:边界层方案对WRF模式雾区模拟结果起决定作用,而微物理方案影响较小,它主要影响海雾浓度和高度。边界层与微物理方案的最佳组合为YSU与Lin方案,最差为Mellor-Yamada与WSM5方案;Mellor-Yamada和QNSE方案模拟的近海面湍流过强,导致边界层过高,不利于海雾的发展与维持;而MYNN与YSU方案刻画的湍流强度与边界层高度合适,有利于海雾发展与维持。MYNN方案虽与YSU方案相当,但在大多数海雾个例中,后者明显优于前者,而在有些个例中却刚好相反。因此对于某一具体海雾个例而言,所用边界层方案仍需在它们之中选择最优者。这些信息可为黄海海雾WRF模式边界层与微物理方案的选择与改进提供参考。 相似文献
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The Mellor–Yamada–Nakanishi–Niino (MYNN) planetary boundary-layer (PBL) scheme is a second-order turbulence closure model that is an improved version of the Mellor–Yamada scheme based on large-eddy simulation data. It simulates PBL structure and evolution well, particularly over the ocean surface. However, when used with various underlying surfaces in China, the scheme overestimates the turbulent momentum flux and the sensible heat flux. Based on observations of surface fluxes in China, we attempt to improve the MYNN model by modifying the parameters and representation of the turbulence scale. Closure constants and empirical expressions in the diagnostic equation are chosen first, and an additional component of the turbulent heat flux is considered in the potential temperature prognostic equation to improve the surface heat-flux modelling. The modified MYNN scheme is incorporated into a three-dimensional mesoscale model and is evaluated using various underlying surface observations. Amelioration of the surface turbulent fluxes is confirmed at five observational sites in China over different land-use types. 相似文献
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In this study,an extreme rainfall event that occurred on 25 May 2018 over Shanghai and its nearby area was simulated using the Weather Research and Forecasting model,with a focus on the effects of planetary boundary layer(PBL)physics using double nesting with large grid ratios(15:1 and 9:1).The sensitivity of the precipitation forecast was examined through three PBL schemes:the Yonsei University Scheme,the Mellor?Yamada?Nakanishi Niino Level 2.5(MYNN)scheme,and the Mellor?Yamada?Janjic scheme.The PBL effects on boundary layer structures,convective thermodynamic and large-scale forcings were investigated to explain the model differences in extreme rainfall distributions and hourly variations.The results indicated that in single coarser grids(15 km and 9 km),the extreme rainfall amount was largely underestimated with all three PBL schemes.In the inner 1-km grid,the underestimated intensity was improved;however,using the MYNN scheme for the 1-km grid domain with explicitly resolved convection and nested within the 9-km grid using the Kain?Fritsch cumulus scheme,significant advantages over the other PBL schemes are revealed in predicting the extreme rainfall distribution and the time of primary peak rainfall.MYNN,with the weakest vertical mixing,produced the shallowest and most humid inversion layer with the lowest lifting condensation level,but stronger wind fields and upward motions from the top of the boundary layer to upper levels.These factors all facilitate the development of deep convection and moisture transport for intense precipitation,and result in its most realistic prediction of the primary rainfall peak. 相似文献
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This study conducted meteorological simulations in northern Colombia by analyzing different planetary boundary layer (PBL) schemes available in the numerical Weather Research and Forecasting (WRF) model. The study area included three nested domains with horizontal resolutions of 18 km, 6 km, and 2 km, with 38 vertical levels. The evolution and structure of the PBL were analyzed during the driest months (March, April, and May 2016) and in regions with the highest particulate matter concentrations. Sensitivity analysis of the WRF model was performed with two local and two non-local PBL schemes. The results were validated using observations of the surface air temperature, relative humidity, and surface wind speed collected from three meteorological stations in the area. The PBL heights were experimentally determined using radiosonde data provided by a station located in the center of the study area. Variations in PBL heights were estimated using linear regression methods and minimization of statistical errors for the bulk Richardson number, as well as analysis of vertical temperature and wind profiles. The WRF model reliably reproduced the daily values and diurnal cycles of temperature, relative humidity, and wind speed within the PBL and accounted for the influence of topography and sea breezes. Horizontal heat advection dominates the upwelling of air masses when sea breezes are active. The onshore wind direction starts to change from east to northwest, implying a decay in the land breeze regime. All schemes overestimate the mixing height and tend to underestimate surface air temperature values at night. All show wetter conditions and underestimate wind speed. Although the non-local Yonsei University (YSU) scheme shows the best performance, it also shows the largest sources of errors when determining the behavior of the surface layer during stable conditions. Relative humidity and wind speed estimates provided by the local Mellor‐Yamada‐Nakanishi‐Niino (MYNN) scheme were closer to those recorded at the meteorological stations. 相似文献
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利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对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多组数值模拟试验。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显著的影响;在降水率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、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响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湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;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,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。 相似文献
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边界层参数化方案的准确性会影响模式对近地面变量和大气低层热动力结构的模拟,对雷暴等强对流天气的预报非常重要,但边界层方案内在的不确定性使得单一预报具有局限性。为了提高对流尺度数值模式中边界层方案的预报效果,基于WRF（The Weather Research and Forecasting Model）模式,应用随机参数扰动（SPP）方法对Mellor-Yamada-Nakanishi-Niino（MYNN）边界层方案中重要的3个不确定参数进行扰动,探究了该方法对北京地区一次雷暴过程模拟的影响。同时考虑了对流尺度集合预报系统的特点,调整随机参数扰动方法的3个参量（去相关时间尺度、空间尺度和格点标准差）探究了对流尺度中对MYNN方案参数进行扰动的最优设置。结果显示:随机扰动MYNN边界层方案参数（SPPM）方法可以有效提高近地面变量和700 hPa以下低层变量的离散度,同时提高了短时强降水位置和强度的预报技巧。3个参量的试验说明,去相关时间尺度增大到12 h集合离散度有明显提高;格点标准差增大到0.20,预报技巧也略有提高;去相关空间尺度维持在默认值700 km较好,尺度过小（150 km）预报技巧明显降低。上述结果表明,在对流尺度中SPPM方法可以有效表达边界层参数化方案的不确定性,提高集合预报系统的预报技巧。 相似文献
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Sensitivity of Tropical Cyclone Intensity and Structure to Planetary Boundary Layer Parameterization
The advanced weather research and forecasting model is used to investigate the influence of planetary boundary layer (PBL) processes on intensity and structure of the storm Phailin (2013). Five simulations are conducted with five PBL schemes; Yonsei University (YSU), Mellor?Yamada?Nakanishi?Niino order2.5 (MYNN2), Assymetric Convective Model2 (ACM2), Medium Range Forecast (MRF), and Bougeault and Lacarrere (BouLac). The simulation duration includes the pre???intensification and rapid intensification phase of Phailin before landfall. Results indicate that during the pre???intensification phase, storm’s track and intensity are not much sensitivity to PBL but structural changes are noted. A significant sensitivity of track and intensity to PBL parameterizations are found during rapid intensification phase. BouLac and MRF produced two extremes with 39 hPa intense and 16 km compact storm for BouLac than MRF. Further analysis reveals an outward movement of air parcel just above the boundary layer which causes spin-down for YSU and MYNN2. BouLac is associated with stronger eddy diffusivity and moisture fluxes within the boundary layer and stronger cyclonic vorticity just above the boundary layer than other experiments. Stronger cyclonic vorticity above the boundary layer in BouLac favors intense updraft, facilitating more moisture transport from the boundary layer to upper layers aiding stronger secondary circulation and robustly intensifying the storm. A relatively deeper and drier inflow layer associated with weaker cyclonic vorticity just above the boundary layer reduces the moisture transport and weaken the secondary circulation for MRF than others. 相似文献
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Eun-Hee Lee Eunjung Lee Raeseol Park Young Cheol Kwon Song-You Hong 《Asia-Pacific Journal of Atmospheric Sciences》2018,54(1):371-384
The impact of enhanced turbulent mixing induced by radiative cooling at the top of the stratocumulus-topped boundary layer (STBL) on numerical weather prediction is examined. An additional term involving top-down turbulent mixing via in-cloud radiative cooling is applied to the Yonsei University (YSU) planetary boundary layer (PBL) parameterization scheme using a top-down diffusivity profile and cloud-top entrainment. The modified scheme is evaluated in an advection fog case over the Yellow Sea of Korea using the Weather Research and Forecasting (WRF) model and in global medium-range forecasts using the Global/Regional Integrated Model system (GRIMs). In the fog case simulation, consideration of the additional top-down mixing parameterization in the YSU PBL simulates less formation and more rapid dispersion of the fog. As a result, the modified scheme simulates a drier and warmer boundary layer and a moister and cooler layer above the PBL. The modified algorithm also improves surface temperature prediction over the Yellow Sea accompanying early dissipation of the fog. In the global medium-range forecast experiment, the modified scheme simulates overall enhanced PBL mixing over the STBL in the tropics and subtropical ocean, showing drier and warmer regions near the surface and moister and cooler regions above the PBL, resulting in prediction of reduced low level cloud amount and increased downward shortwave radiation at the surface. The modified scheme appears to improve systematic bias in temperature and humidity in the lower troposphere compared to the control simulation. 相似文献