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层状云相变潜热Nudging同化在高分辨率WRF模式中的数值模拟研究
结题报告
批准号:
41505117
项目类别:
青年科学基金项目
资助金额:
21.0 万元
负责人:
嵇磊
依托单位:
学科分类:
D0505.大气物理学
结题年份:
2018
批准年份:
2015
项目状态:
已结题
项目参与者:
周珺、肖现、马建立
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中文摘要
云中相变潜热的吸收和释放,对中小尺度云降水宏微观物理过程的发展起到至关重要的作用。已有研究表明通过Nudging技术将相变潜热同化进模式可以有效改善预报精度。然而由于云中相变潜热无法直接测量,因此其在资料同化方面的研究较少。潜热同化的关键是如何较为准确地估计出观测与模式间的相变潜热差值。本项目针对层状云降水过程,应用具有详细微物理过程的一维层状云模式和观测的雷达反射率因子场,分析得到各水物质的空间分布,对比同化时刻WRF模式的水物质场,得到各水物质的空间差值,进而计算出相变潜热差值,再根据大气热力学关系转换为位温场差值,通过Nudging技术调整格点同化时刻位温廓线的形态和强度。本方案详细考虑了冰相微物理过程以及各水物质的空间分布,更适合研究有冷云过程参与的降水系统,因此更具有物理意义,有助于提高数值模式定量降水预报的准确度,进一步认识云中热力场与微物理过程之间的相互反馈机制。
英文摘要
The absorption and release of latent heat in cloud plays very important role in macrophysical and microphysical processes of meso-micro scale cloud precipitation systems. Previous studies have already showed that latent heat nudging can effectively improve forecast accuracy. However, it is impossible to directly detect Latent heat in cloud, so the application of it in data assimilation is rare. The key of latent heat nudging is how to accurately estimate the latent heat change between observation and model in cloud. Aiming at the rainfall processes of stratiform, this research will first derive the spatial distribution of hydrometeors through observed radar reflectivity field and one dimensional stratiform cloud model including detailed microphysical processes, and then compare the derived hydrometeors field with WRF output to get the latent heat changes at Nudging time. After that, potential temperature field can be calculated by the relationship of atmospheric thermodynamics. Finally, both the scale and the shape of the potential temperature profiles are modified through the Nudging module in WRF. This method considers detailed ice phase microphysical processes and spatial distribution of hydrometeors in cloud, which has more physical significance and would improve the accuracy of precipitation forecasting of NWP models and the understanding of feedback mechanism between thermal field and cloud microphysical processes further.
水凝物相变潜热的释放和吸收,对于中小尺度云和降水系统的生消演变有着重要作用,但其无法通过直接观测得到。已有研究对云微物理量的反演以经验判断或暖雨参数化方案为主,缺乏对冰相微物理过程的考虑,且对层状降水云的研究较少,而层状降水云是我国机载云微物理探测和人工影响天气研究最关注的天气系统之一。因此,研究层状云水凝物相变潜热反演和同化,深入分析其在促进云中热动力场与微物理过程之间相互反馈的作用,具有重要的科学意义。. 本研究采用改进的基于Thompson微物理方案的一维时变层状冷云模式THO_1DS,结合S波段雷达体扫的降水云反射率因子垂直廓线,设计水凝物相变潜热增量廓线(TIPs)反演算法,并通过实时四维资料同化系统RTFDDA,将TIPs同化进WRF模式,评估上述相变潜热nudging同化方法对层状云降水预报的改进效果。将上述TIPs反演算法应用于一次北京典型的层状云降水过程,相变潜热廓线的反演结果表明:反演得到的温度增量与雷达反射率因子的观测和WRF模式预报值之差有较好的正相关;温度增量在冰水混合层的加热效应高于暖云层,结果合理。. 基于RTFDDA系统设计了七组TIPs数值同化试验,详细讨论了单时次nudging同化参数选择,快速更新循环同化(RUC)和多时次TIPs更新频次对降水预报结果的影响。结果表明:在1km水平分辨率domain上,选取20km水平影响半径,0.5-0.75小时的班时间同化窗,1分钟的观测权重更新时间的nudging参数选择,ETS评分较非同化试验(CTRL)有明显正效果,可持续4-5小时。同时,模式spin-up时间减少2小时,峰值降水出现时间与观测较为接近;与单时次同化相比,半小时间隔的RUC同化起到更好的效果。Nudging同化对层状降水云预报改进分为两个阶段:初始阶段将低层更多水汽带入冷云区,通过冰相过程产生大量冰雪晶,成熟阶段大量冰雪晶与云水碰并增长,加速形成更大的雪和霰,进一步促进了冷云过程的发展,雪和霰经过融化层,增强了雷达亮带,并转化出更多雨水。由此可见,nudging同化在云中热动力场与微物理过程之间形成了正反馈效应。
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DOI:--
发表时间:2016
期刊:气象科技
影响因子:--
作者:陈羿辰;张龙斌;金永利;马建立;嵇磊;秦睿
通讯作者:秦睿
DOI:--
发表时间:2016
期刊:高原气象
影响因子:--
作者:黄钰;阮征;郭学良;何晖;嵇磊
通讯作者:嵇磊
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