Nudging方法对西北干旱区降水和近地面风速模拟的改进——以强降水和四月份风速为例

摘要

本文利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式中的牛顿松弛逼近（Nudging）方法，同化NCEP的FNL（Final Operational Global Analysis data）资料，分析了Nudging同化方法对中国西北干旱区夏季三次降水过程和春季近地面风速的模拟改进效果及其原因。通过与MERRA2（The Modern-Era Retrospective analysis for Research and Applications，version 2）再分析资料对比，进一步对比分析了Spectral Nudging和Grid Nudging两种不同同化方案对西北干旱区近地面风速和降水的模拟性能。本文得到的主要结论如下： （1）对比西北干旱区夏季降水过程的模拟结果表明，未同化时模式对降水的落区和量级的模拟不准确，加入两种同化方法后，Spectral Nudging 方法对西北干旱区强降水的落区和降水大值中心的模拟均有明显的改进，且改进效果优于Grid Nudging方法。 （2）加入两种同化方法后，模式对近地面风速的模拟均有改进。700 hPa的温度和相对湿度的增量大，是模式模拟降水改进的主要原因。 （3）WRF 模式对西北干旱区近地面风速的模拟较观测存在系统性的偏高，采用Nudging同化方法后，可以有效地减小WRF模式对近地面风速模拟偏高的系统性误差。Grid Nudging方法模拟的近地面风速大小及其Weibull分布的统计特征与观测值最为接近，均方根误差、偏差以及平均绝对误差也最小，表明Nudging同化方法是改进西北干旱区近地面风速的有效途径，Grid Nudging方法的改进效果优于Spectral Nudging方法。 （4）WRF模式模拟的近地面风速与近地面温度的变化存在密切的关系，近地面温度变化较强烈的时候，模拟误差较大，当温度较低时，模拟误差较小，模式的模拟能力较强。加入两种同化方法后，模式模拟误差降低，Grid Nudging方法的模拟误差小，对模式模拟能力的改进效果显著。 （5）进一步分析日尺度上的理查逊数变化可知，模式对午后不稳定层结的模拟效果较好，误差最小，在中性和稳定层结时模式的模拟效果一般。相比之下， Grid Nudging方法模拟的误差小于Spectral Nudging方法，且对大气不稳定状态模拟效果较好，Grid Nudging方法对模式模拟的改进能力更强。 （6）模式模拟的结果与MERRA2再分析资料相比，近地面风速模拟准确率较高，同时，模式对有降水发生时的模拟效果较好。

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