一个改进的垂直-倾斜对流参数化方案研究

In order to make up the weaknesses of the current slantwise convective parameterization scheme, this project is going to study a new scheme of slantwise convective parameterization which has better interactional relationship between the vertical convection and slantwise convection, and which is more suitable for high resolution NWP model than the old scheme. The advance slantwise convective parameterization scheme assumes that convection eliminates the environment Slantwise Convective Available Potential Energy (SCAPE) over an advective time, which is similar to the assumption used in the Kain-Fritcsh cumulus parameterization. The calculation of SCAPE is based on the new method derived in a three dimensions parcel theory by Gray in 2001. The advance scheme will be accomplished in GRAPES model based on the Kain-Fritsch cumulus parameterization. Using the unified vertical-slantwise convective parameterization scheme, several experiments should be carried out to verify the unified scheme compared with the observations. Furthermore, some sensitive tests that investigate the effect of some key parameters are also undertaken to get optimum value range of the key parameters used in the GRAPES model under the china local weather condition.

本项目针目前对倾斜对流参数化方案的不足，尝试采用倾斜对流有效位能（SCAPE）释放的闭合假设，并使用最新的SCAPE计算方法，提出一种使倾斜对流与垂直对流之间的协调性更好，适用范围更广的倾斜对流参数化方案。以现有的Kain-Fritsch方案为基础，将倾斜对流参数化方案引入到我国数值预报模式GRAPES模式中。利用天气个例对改进方案进行数值模拟检验，并对倾斜对流参数化方案中的关键参数进行敏感性试验。研究分析关键参数在模式中的作用，以及倾斜对流与其他物理过程之间的协调性，获取适用于我国天气特征的合理参数取值，优化改进参数化方案，从而为提高GRAPES的预报性能提供科学依据。

本项目首先收集整理了项目研究的相关数据资料，建立了相关的个例资料库。对GRAPES模式的水汽平流方案改进，引入PRM方案，提高了模式的计算精度。利用GRAPES_MESO模式，对2009年1月和7月降水进行数值模拟，对比分析了KF和BMJ两个积云参数化方案的预报性能，结果表明在冬季，两种方案对GRAPES_MESO模式的预报性能影响差异较小（图略）。在夏季，两种方案对模式回报效果的影响表现差异明显，总体上KF方案要优于BMJ方案。进一步对KF方案的触发机制进行了改进，引进了两种改进方案，并提出了一种综合方案。对三种改进方案的数值模拟试验表明，改进方案都不同程度地减少了原方案中模拟的一部分虚假降水；引进的两种方案分别在台风强度和台风路径上较原方案有改善，而我们提出的第三种方案则在台风强度和路径上都有改善。为了了解GRAPES模式在倾斜对流方面的刻画能力，我们采用EC高分辨率分析资料和NCEP再分析资料，针对2015年8月2-4日的一次华北锋面带状降水过程天气个例进行模拟，对模拟的降水过程中的对流稳定度、惯性稳定度和对称不稳定进行了分析，并诊断出CSI区域。采用倾斜对流有效位能（SCAPE）释放的闭合假设，在GRAPES模式中实现了一种垂直-倾斜一体化参数化方案。利用次一体化参数化方案进行实际天气个例模拟试验，试验结果表明，一体化改进方案在对对称不稳定的表现方面确实有改善。