Arcgis與WRF結(jié)合制作洪水預(yù)報(bào)模型

1、Arcgis與WRF結(jié)合制作洪水預(yù)報(bào)模型WRF物理過程參數(shù)化方案簡介(WRF V2)分類：WRF相關(guān)|時(shí)間：2009-06-19 00:40|閱讀：508人/次|發(fā)布者：laiwf作者：胡向軍, 陶健紅 ,鄭飛 ,王娜,張鐵軍,劉世祥,尚大成1輻射過程參數(shù)化1.1RRTM長波輻射方案 來自于MM5模式,采用了Mlawer等人的方法。它是利用一個(gè)預(yù)先處理的對(duì)照表來表示由于水汽、臭氧、二化碳和其他氣體,以及云的光學(xué)厚度引起的長波過程。1.2Dudhia 短波輻射方案 來自于MM5模式,采用Dudhia的方法,它是簡單地累加由于干凈空氣散射、水汽吸收、云反射和吸收所引起的太陽輻射通量。采用了Step

2、hens的云對(duì)照表。1.3Goddard短波輻射方案 它是由Chou和Suarez發(fā)展的一個(gè)復(fù)雜光學(xué)方案。包括了霰的影響,適用于云分辨模式。1.4 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL)長波輻射方案 這個(gè)輻射方案來自于GFDL。它將Fels和Schwarzkopf的兩個(gè)方案簡單的結(jié)合起來了,計(jì)算了二氧化碳、水汽、臭氧的光譜波段。1. 5 Eta Geophysical Fluid Dynamics Laboratory(GFDL) 短波輻射方案 這個(gè)短波輻射方案是Lacis和Hansen參數(shù)化的GFDL版本。用Lacis和Hansen的方

3、案計(jì)算大氣水汽、臭氧的作用。用Sasamori等人的方案計(jì)算二氧化碳的作用。云是隨機(jī)重疊考慮的。短波計(jì)算用到時(shí)間間隔太陽高度角余弦的日平均。2微物理過程參數(shù)化2.1Kessler暖云方案 來自于COMMAS模式,是一個(gè)簡單的暖云降水方案,考慮的微物理過程包括:雨水的產(chǎn)生、降落以及蒸發(fā),云水的增長,以及由凝結(jié)產(chǎn)生云水的過程,微物理過程中顯式預(yù)報(bào)水汽、云水和雨水,無冰相過程。2.2Purdue Lin方案微物理過程中,包括了對(duì)水汽、云水、雨、云冰、雪和霰的預(yù)報(bào),在結(jié)冰點(diǎn)以下,云水處理為云冰,雨水處理為雪。所有的參數(shù)化項(xiàng)都是在L in等人以及Rutledge和Hobbs的參數(shù)化方案的基礎(chǔ)上得到的,某

4、些地方稍有修改,飽和修正方案采用Tao的方法。這個(gè)方案是WRF模式中相對(duì)比較成熟的方案,更適合于理論研究。2.3Eta Ferrier方案此方案預(yù)報(bào)模式平流項(xiàng)中水汽和總凝結(jié)降水的變化。程序中,用一個(gè)局域數(shù)組變量來保存初始猜測(cè)場(chǎng)信息,然后從中分解出云水,雨水,云冰,以及降冰的變化的密度(冰的形式包括雪、霰或冰雹) 。降冰密度是根據(jù)存有冰的增長信息的局域數(shù)組來估計(jì),其中,冰的增長與水汽凝結(jié)和液態(tài)水增長有關(guān)。沉降過程的處理是將降水時(shí)間平均通量分離成格點(diǎn)單元的立體塊。這種處理方法,伴隨對(duì)快速微物理過程處理方法的一些修改,使得方案在大時(shí)間步長時(shí)計(jì)算結(jié)果穩(wěn)定。根據(jù)Ryan的觀測(cè)結(jié)果,冰的平均半徑假定為溫度

5、函數(shù)。冰水混合相僅在溫度高于-10時(shí)考慮,而冰面飽和狀態(tài)則假定在云體低于-10。2.4WRF Single_Moment_3_class (WSM3) 方案該方案來自于舊的NCEP3方案的修正,包括冰的沉降和冰相的參數(shù)化。和其它方案不同的是診斷關(guān)系所使用冰的數(shù)濃度是基于冰的質(zhì)量含量而非溫度。方案包括三類水物質(zhì):水汽、云水或云冰、雨水或雪。在這種被稱為是簡單的冰方案里面,云水和云冰被作為同一類來計(jì)算。它們的區(qū)別在于溫度,也就是說當(dāng)溫度低于或等于凝結(jié)點(diǎn)時(shí)冰云存在,否則水云存在,雨水和雪也是這樣考慮的。該方案對(duì)于業(yè)務(wù)模式來說已足夠有效。2.5WSM5 方案 與WSM3類似的對(duì)NCEP5方案進(jìn)行了修正

6、,它代替了NCEP5版本。2.6WSM6 方案 該方案擴(kuò)充了WSM5方案,它還包括有霰和與它關(guān)聯(lián)的一些過程。這些過程的參數(shù)化大多數(shù)和Lin等人的方案相似,在計(jì)算增長和其它參數(shù)上有些差別。為了增加垂直廓線的精度,在下降過程中會(huì)考慮凝結(jié)/融化過程。過程的順序會(huì)最優(yōu)化選擇,是為了減少方案對(duì)模式時(shí)間步長的敏感性。和WSM3、WSM5一樣,飽和度調(diào)節(jié)按照Dudhia和Hong等人的方案分開處理冰和水的飽和過程。2.7Thompson方案 該方案改進(jìn)了較早的Reisner方案,還作了廣泛的測(cè)試。該方案還被用來做理想試驗(yàn)研究和中緯度冬季觀測(cè)資料的比較。這個(gè)方案被設(shè)計(jì)用來提高凍雨天氣情況下航天安全保障的預(yù)報(bào)。

7、3邊界層參數(shù)化方案3.1MM5相似理論近地面層方案 這個(gè)方案用了Paulson、Dyer和Webb穩(wěn)定性函數(shù)來計(jì)算地面熱量、濕度、動(dòng)力的交換系數(shù)。用Beljaars提出的對(duì)流速度來加強(qiáng)地面熱量和濕度通量。常與MRF或YSU邊界層方案聯(lián)合使用。3.2ETA相似理論近地面層方案 基于Monin-Obukhov理論,在水面上,粘性下層顯式參數(shù)化,在陸地近地面層上,粘性下層則考慮了變化的位勢(shì)高度對(duì)溫度和濕度的作用,近地面通量通過迭代途徑進(jìn)行計(jì)算,并用Beljaars修正法來避免在不穩(wěn)定表面層和無風(fēng)時(shí)出現(xiàn)的奇異性。常與ETAM-Y-J TKE邊界層方案聯(lián)合使用。3.3Eta Mellor-Yamada-

8、Janjic TKE邊界層方案此方案用邊界層和自由大氣中的湍流參數(shù)化過程代替Mellor-Yamada的2. 5階湍流閉合模型。這是將用于Eta模式中的Mellor-Yamada-Janjic方案引入該模式的一種邊界層方案,它預(yù)報(bào)湍流動(dòng)能,并有局地垂直混合。該方案調(diào)用SLAB (薄層)模式來計(jì)算地面的溫度;在SLAB之前,用相似理論計(jì)算交換系數(shù),在SLAB之后,用隱式擴(kuò)散方案計(jì)算垂直通量。3.4Medium Range ForecastModel (MRF) 邊界層方案該方案在不穩(wěn)定狀態(tài)下使用反梯度通量來處理熱量和水汽。在行星邊界層中使用增強(qiáng)的垂直通量系數(shù),行星邊界層高度由臨界Richards

9、on 數(shù)決定。它利用一個(gè)基于局地自由大氣Ri的隱式局地方案來處理垂直擴(kuò)散項(xiàng)。3.5YonseiUniversity (YSU) 邊界層方案 YSU是MRF邊界層方案的第二代。對(duì)于MRF增加了處理邊界層頂部夾卷層的方法。4積云對(duì)流參數(shù)化4.1淺對(duì)流EtaKain-Fritsch方案 在Eta模式中對(duì)Kain-Fritsch 方案進(jìn)行了調(diào)整,利用了一個(gè)簡單的云模式伴隨水汽的上升和下沉,同時(shí)包括了卷入和卷出,以及相對(duì)粗糙的微物理過程的作用。4.2Betts-Miller-Janjic方案 對(duì)Betts-Miller方案進(jìn)行了調(diào)整和改進(jìn),在一給定的時(shí)段,對(duì)熱力廓線進(jìn)行張弛調(diào)整,在張弛時(shí)間內(nèi),對(duì)流的質(zhì)量

10、通量可消耗一定的有效浮力。此方案為對(duì)流調(diào)整方案,淺對(duì)流調(diào)整是該方案的重要部分。4.3Kain-Frisch方案 此方案是KF方案的修正方案。與老的KF方案一樣,此方案也用了一個(gè)簡單的包含水汽抬升和下沉運(yùn)動(dòng)的云模式,包括卷出、卷吸、氣流上升和氣流下沉現(xiàn)象。4.4Grell-Devenyi集合方案 該方案是質(zhì)量通量類型,用不同的上升、下沉、卷入、卷出的參數(shù)和降水率。靜態(tài)控制的不同結(jié)合了動(dòng)態(tài)控制的不同,這是決定云質(zhì)量通量的方法。5陸面過程參數(shù)化5.1熱量擴(kuò)散方案 基于MM5的5層土壤溫度模式,分別是1、2、4、8和16cm,在這些層下溫度固定為日平均值。能量計(jì)算包括輻射、感熱和潛熱通量,同時(shí)也允許雪

11、蓋效應(yīng)。5.2Noah 方案 Noah陸面過程參數(shù)化是OSU的后繼版,與原先的相比,可以預(yù)報(bào)土壤結(jié)冰、積雪影響,提高了處理城市地面的能力,考慮了地面發(fā)射體的性質(zhì),這些是OSU所沒有的。5.3Rapid Update Cycle (RUC) 方案 這個(gè)方案有六個(gè)土壤層和兩個(gè)雪層。它考慮了土壤結(jié)冰過程、不均勻雪地、雪的溫度和密度差異,以及植被效應(yīng)和冠層水。6討論1)參數(shù)化的選取與模式的分辨率有關(guān),應(yīng)根據(jù)模式網(wǎng)格設(shè)計(jì)情況選取相適應(yīng)的參數(shù)化方案。如在高分辨率情況下,對(duì)流已不再完全是次網(wǎng)格尺度現(xiàn)象,這時(shí)應(yīng)考慮選擇合理的純顯式云物理方案 。對(duì)于格距小于5km的情況,一般建議不采用積云參數(shù)化方案。2)由于各種參數(shù)化方案在設(shè)計(jì)原理、復(fù)雜程度、計(jì)算耗費(fèi)機(jī)時(shí)和成熟程度等方面存在差異,研究者應(yīng)根據(jù)研究目的和計(jì)算條件等情況來綜