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【引用】WRF物理过程参数化方案简介(WRF V2)  

2011-07-09 23:56:42|  分类: 天气学教学参考 |  标签: |举报 |字号 订阅

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作者:胡向军,  陶健红 ,郑飞 ,王娜,张铁军,刘世祥,尚大成

 

1 辐射过程参数化
1.1 RRTM长波辐射方案
     来自于MM5模式,采用了Mlawer等人的方法。它是利用一个预先处理的对照表来表示由于水汽、臭氧、二化碳和其他气体,以及云的光学厚度引起的长波过程。


1.2 Dudhia 短波辐射方案
       来自于MM5模式,采用Dudhia的方法,它是简单地累加由于干净空气散射、水汽吸收、云反射和吸收所引起的太阳辐射通量。采用了Stephens的云对照表。


1.3 Goddard短波辐射方案
       它是由Chou和Suarez发展的一个复杂光学方案。包括了霰的影响,适用于云分辨模式。


1.4 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL)长波辐射方案
     这个辐射方案来自于GFDL。它将Fels和Schwarzkopf的两个方案简单的结合起来了,计算了二氧化碳、水汽、臭氧的光谱波段。


1. 5 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL) 短波辐射方案
      这个短波辐射方案是Lacis和Hansen参数化的GFDL版本。用Lacis和Hansen的方案计算大气水汽、臭氧的作用。用Sasamori等人的方案计算二氧化碳的作用。云是随机重叠考虑的。短波计算用到时间间隔太阳高度角余弦的日平均。
2 微物理过程参数化
2.1 Kessler暖云方案
   来自于COMMAS模式,是一个简单的暖云降水方案,考虑的微物理过程包括:雨水的产生、降落以及蒸发,云水的增长,以及由凝结产生云水的过程,微物理过程中显式预报水汽、云水和雨水,无冰相过程。


2.2 Purdue Lin方案
微物理过程中,包括了对水汽、云水、雨、云冰、雪和霰的预报,在结冰点以下,云水处理为云冰,雨水处理为雪。所有的参数化项都是在L in等人以及Rutledge和Hobbs的参数化方案的基础上得到的,某些地方稍有修改,饱和修正方案采用Tao的方法。这个方案是WRF模式中相对比较成熟的方案,更适合于理论研究。


2.3 Eta Ferrier方案
此方案预报模式平流项中水汽和总凝结降水的变化。程序中,用一个局域数组变量来保存初始猜测场信息,然后从中分解出云水,雨水,云冰,以及降冰的变化的密度(冰的形式包括雪、霰或冰雹) 。降冰密度是根据存有冰的增长信息的局域数组来估计,其中,冰的增长与水汽凝结和液态水增长有关。沉降过程的处理是将降水时间平均通量分离成格点单元的立体块。这种处理方法,伴随对快速微物理过程处理方法的一些修改,使得方案在大时间步长时计算结果稳定。根据Ryan的观测结果,冰的平均半径假定为温度函数。冰水混合相仅在温度高于-10℃时考虑,而冰面饱和状态则假定在云体低于-10℃。


2.4 WRF Single_Moment_3_class (WSM3) 方案
该方案来自于旧的NCEP3方案的修正,包括冰的沉降和冰相的参数化。和其它方案不同的是诊断关系所使用冰的数浓度是基于冰的质量含量而非温度。方案包括三类水物质:水汽、云水或云冰、雨水或雪。在这种被称为是简单的冰方案里面,云水和云冰被作为同一类来计算。它们的区别在于温度,也就是说当温度低于或等于凝结点时冰云存在,否则水云存在,雨水和雪也是这样考虑的。该方案对于业务模式来说已足够有效。


2.5 WSM5 方案
  与WSM3类似的对NCEP5方案进行了修正,它代替了NCEP5版本。


2.6 WSM6 方案
  该方案扩充了WSM5方案,它还包括有霰和与它关联的一些过程。这些过程的参数化大多数和Lin等人的方案相似,在计算增长和其它参数上有些差别。为了增加垂直廓线的精度,在下降过程中会考虑凝结/融化过程。过程的顺序会最优化选择,是为了减少方案对模式时间步长的敏感性。和WSM3、WSM5一样,饱和度调节按照Dudhia和Hong等人的方案分开处理冰和水的饱和过程。


2.7 Thompson方案
  该方案改进了较早的Reisner方案,还作了广泛的测试。该方案还被用来做理想试验研究和中纬度冬季观测资料的比较。这个方案被设计用来提高冻雨天气情况下航天安全保障的预报。
3 边界层参数化方案
3.1 MM5相似理论近地面层方案
    这个方案用了Paulson、Dyer和Webb稳定性函数来计算地面热量、湿度、动力的交换系数。用Beljaars提出的对流速度来加强地面热量和湿度通量。常与MRF或YSU边界层方案联合使用。


3.2 ETA相似理论近地面层方案
    基于Monin-Obukhov理论,在水面上,粘性下层显式参数化,在陆地近地面层上,粘性下层则考虑了变化的位势高度对温度和湿度的作用,近地面通量通过迭代途径进行计算,并用Beljaars修正法来避免在不稳定表面层和无风时出现的奇异性。常与ETAM-Y-J TKE边界层方案联合使用。


3.3 Eta Mellor-Yamada-Janjic TKE边界层方案
此方案用边界层和自由大气中的湍流参数化过程代替Mellor-Yamada的2. 5阶湍流闭合模型。这是将用于Eta模式中的Mellor-Yamada-Janjic方案引入该模式的一种边界层方案,它预报湍流动能,并有局地垂直混合。该方案调用SLAB (薄层)模式来计算地面的温度;在SLAB之前,用相似理论计算交换系数,在SLAB之后,用隐式扩散方案计算垂直通量。


3.4 Medium Range ForecastModel (MRF) 边界层方案
该方案在不稳定状态下使用反梯度通量来处理热量和水汽。在行星边界层中使用增强的垂直通量系数,行星边界层高度由临界Richardson 数决定。它利用一个基于局地自由大气Ri的隐式局地方案来处理垂直扩散项。


3.5 YonseiUniversity (YSU) 边界层方案
    YSU是MRF边界层方案的第二代。对于MRF增加了处理边界层顶部夹卷层的方法。
4 积云对流参数化
4.1 浅对流EtaKain-Fritsch方案
    在Eta模式中对Kain-Fritsch 方案进行了调整,利用了一个简单的云模式伴随水汽的上升和下沉,同时包括了卷入和卷出,以及相对粗糙的微物理过程的作用。


4.2 Betts-Miller-Janjic方案
    对Betts-Miller方案进行了调整和改进,在一给定的时段,对热力廓线进行张弛调整,在张弛时间内,对流的质量通量可消耗一定的有效浮力。此方案为对流调整方案,浅对流调整是该方案的重要部分。


4.3 Kain-Frisch方案
    此方案是KF方案的修正方案。与老的KF方案一样,此方案也用了一个简单的包含水汽抬升和下沉运动的云模式,包括卷出、卷吸、气流上升和气流下沉现象。


4.4 Grell-Devenyi集合方案
    该方案是质量通量类型,用不同的上升、下沉、卷入、卷出的参数和降水率。静态控制的不同结合了动态控制的不同,这是决定云质量通量的方法。
5 陆面过程参数化
5.1 热量扩散方案
    基于MM5的5层土壤温度模式,分别是1、2、4、8和16cm,在这些层下温度固定为日平均值。能量计算包括辐射、感热和潜热通量,同时也允许雪盖效应。


5.2 Noah 方案
    Noah陆面过程参数化是OSU的后继版,与原先的相比,可以预报土壤结冰、积雪影响,提高了处理城市地面的能力,考虑了地面发射体的性质,这些是OSU所没有的。


5.3 Rapid Update Cycle (RUC) 方案
    这个方案有六个土壤层和两个雪层。它考虑了土壤结冰过程、不均匀雪地、雪的温度和密度差异,以及植被效应和冠层水。
6 讨论
1)参数化的选取与模式的分辨率有关,应根据模式网格设计情况选取相适应的参数化方案。如在高分辨率情况下,对流已不再完全是次网格尺度现象,这时应考虑选择合理的纯显式云物理方案 。对于格距小于5km的情况,一般建议不采用积云参数化方案。


2)由于各种参数化方案在设计原理、复杂程度、计算耗费机时和成熟程度等方面存在差异,研究者应根据研究目的和计算条件等情况来综合判断、对比选择。如对中尺度系统的考察,积云参数化需包括湿下沉气流、中上层的云卷出和非降水性浅对流,显式云物理方案则需同时加入含有水相和冰相的预报方程, 以计入水负荷、凝结蒸发、冻结融化和凝华升华的影响。


3)由于模式在区域预报的效果与参数化方案的适应性至关重要,目前很多参数化方案对中小尺度系统描述能力不足,所以开发适合本地域特点的参数化方案意义重大。

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