CWRF在中国东部季风区的应用

CWRF在中国东部季风区的应用 CWRF在中国东部季风区的应用 模拟区域的选择是区域气候模拟研究中的首要问,计算区域及侧边界处理的最优化(物理和数值上的)对区域气候模式的模拟性能有决定性的作用。物理上合理数值上连续的计算区域为尽可能准确的区域气候模拟奠定了基础,进而为发展合理的物理过程参数化提供了前提条件。因此,本文的核心内容为模拟区域的选择问题,分别从影响中国东部季风区降水的天气系统、与大尺度环流场的相关及侧边界场资料的代表性三个方面分析区域气候模式模拟区域东西南北四个边界的位置,确定中国东部季风区降水模拟的最佳计算区域,将美国伊利诺伊州立大学水文研究所梁信忠开发的CWRF(Climate extension of WRF—气候版WRF模式)应用于中国东部季风区,研究模拟区域及侧边界条件(驱动场、缓冲区位置、缓冲区处理方案)对中国东部季风区降水模拟的影响。在此基础上,对于选定的最佳模拟区域和侧边界条件,进行嵌套和水平分辨率影响试验,以研究CWRF对中国东部季风区降水模拟宜采用的方案。模式发展的最终目的是要进行相对准确的气候模拟,模拟区域确定以后,模式内部的物理过程至关重要,而对于不同的研究区域和不同的模式,各物理过程的表现并不相同,因此,对CWRF中的物理过程参数化方案进行敏感性试验,为发展适合模拟中国东部季风区降水的物理过程参数化方案提供参考。由于RegCM3为目前国内广为应用的区域气候模式,因此在相同水平和垂直分辨率下,将CWRF的模拟结果与其进行对比研究,结果表明,无论对月平均降水的空间分布型式还是区域平均降水的逐日变化,CWRF对中国东部季风区降水的模拟明显优于RegCM3,同时CWRF较成功地消除了RegCM3模拟时大量出现的数值点风暴(NPS)。 中文摘要7-8ABSTRACT8-9第一章 绪论9-25 1.1 气候模式模拟研究9-12 1.2 中国及东亚区域气候模拟研究12-20 1.3 研究的背景、创新点及内容20-25 1. 3.1 研究背景及目的20 1. 3.2 论文的主要内容20-23 1. 3.3 论文的创新性23-25第二章 WRF,CWRF模式简介25-49 2.1 模式的动力框架31-36 2. 1.1 垂直坐标系和变量32 2. 1.2 欧拉方程组的通量形式32-33 2. 1.3 考虑水汽的控制方程组33 2. 1.4 考虑地图投影、Coriolis力和曲率项的控制方程组33-35 2. 1.5 相对于参考大气的扰动控制方程组35-36 2.2 初始条件(Standard Initialization)36-39 2. 2.2 SI36-37 2. 2.3 参考大气和扰动场37-38 2. 2.4 侧边界场38 2. 2.5 海陆分布38-39 2.3 模式物理过程参数化39-49 2. 3.1 微物理过程参数化方案39-41 2. 3.2 积云对流参数化方案41-43 2. 3.3 近地层参数化方案43 2. 3.4 陆面过程43-44 2. 3.5 行星边界层44-45 2. 3.6 云—辐射相互作用45-46 2. 3.7 大气辐射过程46-47 2. 3.8 物理过程的相互作用47-49第三章 模拟区域的确定及嵌套方 案的优化49-85 3.1 影响中国东部夏季风降水的主要环流因子及天气系统51-63 3. 1.1 西太平洋副热带高压52-56 3. 1.2 南海季风涌56-59 3. 1.3 北方冷空气59-60 3. 1.4 青藏高原东移的α中尺度系统60-61 3. 1.5 高空西风急流61-63 3.2 中国及东部季风区夏季降水与大尺度环流场相关分析63-69 3. 2.1 计算方法及资料64 3. 2.2 与500hPa高度场的相关64-66 3. 2.3 与低层相对湿度的相关66-67 3. 2.4 与200hPa经向风场的相关67-68 3. 2.5 与850hPa纬向风场的相关68-69 3. 2.6 小结69 3.3 模拟区域的确定69-73 3.4 缓冲区优化处理73-83 3. 4.1 处理侧边界缓冲区的指数松弛法76 3. 4.2 ARW中的缓冲区处理方案76 3. 4.3 侧边界缓冲区的优化处理方案76 3. 4.4 几种方案的比较76-83 3.5 结论和讨论83-85第四章 侧边界条件对CWRF模拟中国东部季 风区夏季降水的影响85-117 4.1 1991和1998年5,8月天气概况85-86 4.2 数值试验方案86-88 4.3 模拟结果总体统计分析88-90 4.4 侧边界场资料的影响90-99 4.5 与大尺度场降水的比较99-102 4.6 模拟区域的影响102-115 4.7 缓冲区处理方案的影响115 4.8 结论与讨论115-117第五章 嵌套及水平和垂直分辨率对CWRF 模拟中国东部季风区夏季降水的影响117-127 5.1 试验117-118 5.2 嵌套的影响118-120 5.3 水平分辨率的影响120-123 5.4 垂直分辨率的影响123-124 5.5 结论和讨论124-127第六章 物理过程对CWRF模拟中国东部季 风区夏季降水的影响127-141 6.1 试验设计127 6.2 积云对流过程的影响127-131 6.3 行星边界层过程的影响131-132 6.4 陆面过程的影响132-136 6.5 微物理过程的影响136-139 6.6 结论和讨论139-141第七章 CWRF与RegCM3的比较141-153 7.1 模式简介141-145 7. 1.1 辐射方案141-142 7. 1.2 陆面过程142-143 7. 1.3 积云对流参数化方案143-144 7. 1.4 行星边界层物理过程144-145 7.2 资料与数值试验方案145 7.3 模拟结果分析145-149 7.4 数值点风暴(“NPS”)现象149 7.5 结论和讨论149-153第八章 结论和讨论153-157 参考文献 157-177发表论文177-178致谢178-179声明179