微物理过程参数化方案对辽宁一次暴雪的数值模拟差异分析

利用WRFv3.9.1中尺度数值模式,采用Lin、WSM6、Thompson、WDM6四种微物理过程参数化方案对2007年3月4日辽宁特大暴雪过程进行了数值模拟研究。使用61个国家级气象站降水观测资料,评估了模式对此次降水过程的模拟能力,对比分析了不同微物理过程参数化方案模拟降雪过程中相态变化和水成物空间分布的差异。结果表明:4种微物理过程参数化方案均能模拟出与CloudSat卫星反演反射率分布相接近的结果,其中Thompson方案模拟的回波顶更高,向北伸展的范围也更大,其他3种方案回波顶高均在8 km附近。4种方案对降水落区的模拟略有差异,整体来看WSM6方案对本次降水的极值中心位置,以及不同降水量级的TS评分整体都优于其他3种参数化方案。降水相态模拟与观测的对比分析发现,WSM6、Lin和WDM6三种方案均能够模拟出雨雪分界线不断南压的过程且雨雪分界线位置准确,而Thompson方案对辽宁南部地区雨转雪时间模拟偏晚。从云微物理特征上看,4种方案均能模拟出大气低层存在的雨水粒子,其中WDM6方案模拟的雨水含量明显较其他3种方案更多,Thompson方案模拟出更多的雪粒子和最少的霰粒子,Lin方案霰粒子南北范围广、伸展高度高,WSM6和WDM6两种方案模拟出较少的霰粒子,这两种方案模拟的云冰高度也更低,正是各种水成物空间分布的差异决定了不同微物理过程参数化方案对降水量和降水相态模拟的差异。      

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

不同云方案对祁连山降水模拟的影响

应用MM5中尺度模式,选用4种不同云微物理方案(Dudhia简单冰相方案、Reisner混合相方案、Reisner2霰方案和Schultz微物理方案),对2002年7月12-13日祁连山区降水过程进行了数值模拟试验。模拟结果的对比分析表明,不同云微物理方案在祁连山区降水的模拟中对降水落区的模拟均偏南;除Reisner2霰方案外,其他3种方案对降水中心落点的模拟影响不大,降水中心强度对云微物理方案不敏感;显式降水和参数化降水对云微物理方案有不同程度的依赖性;云微物理过程通过影响动力条件发生发展的时间和强度,来影响强降水发生的时间和强度。通过各云微物理参数的分析发现,各物理过程中微物理参数参与降水的过程不同:对Dudhia简单冰相方案来说,雨水和云水是形成降水的主要过程;Reisner混合相方案中降水的形成主要是由于雨水、云水、雪和霰的碰并过程,冰晶的碰并相对较弱;在Reisner2霰方案中,雨水、云水、冰晶、雪和霰均参与碰并碰冻过程;Schultz微物理方案中冰晶、雪和霰的碰并过程更为重要。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

宁夏固原市一次对流性天气的数值模拟

利用WRF模式和1°×1°的NCEP再分析资料,对2007年7月14日宁夏固原市发生的一次强对流天气进行了数值模拟,并分析了此次强对流天气的有利环流形势、物理量场分布以及雷达回波特征。结果表明:(1)WRF模拟的降水区较实况略偏东南,且降水量偏大;(2)WRF模拟的高层辐散和中低层辐合配置、"喇叭口"探空曲线与对流性降水区较为符合;(3)霰、雪是雨水形成的主要来源,云水又是雪和霰增长的主要来源;(4)云滴数浓度对对流云降水及水成物分布有重要的影响。增加云滴数浓度,前期可使对流云产生的累计降水量和范围均有减少,后期高浓度状况下存在大量冰相粒子,造成累计降水量及范围大于低、中浓度的降水;增加云滴数浓度,云水含量增加,前期雨水、冰晶、霰含量减少,后期雨水、冰晶、霰含量增多。     

不同云微物理方案对上海特大暴雨模拟影响的分析

利用中尺度数值预报模式WRF3.5,采用36、12和4 km三重嵌套,在积云参数化方案为BMJ条件下,选用WSM5、WSM6和Lin三种云微物理参数化方案,对发生在上海地区的两次典型特大暴雨（简称“0913”和“0825”）进行模拟试验和对比分析,探讨不同云微物理参数化方案对上海暴雨模拟的影响。结果表明:三种方案总体上都较好地模拟出两次特大暴雨过程,但在降水落区、降水中心、降水强度等方面仍存在差异。再利用地面自动站、观测站的实测雨量以及自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据,结合K指数、相对湿度、垂直速度和涡度散度等物理诊断量,从降水落区、降水中心和降水强度等方面对三种云微物理参数化方案的模拟结果进行对比分析。此外,通过对三种方案主要参数的比较以及三种方案模拟的冰、雪、霰粒子混合比的垂直廓线对相应的模拟结果进行解释。结果显示:WSM5微物理方案能更好地模拟出强降水的范围,其模拟的降水量较实测偏大;WSM6方案模拟的降水落区略有偏移,降水量偏小;Lin方案模拟的降水落区偏移较大。      

WRF模式不同云微物理参数化方案对东亚夏季风模拟影响的研究

利用WRF v3.2.1模式,采用其中5种云微物理参数化方案对2007—2011年的东亚夏季风气候进行了模拟研究,结果显示:5种方案均能较好地模拟出我国东部地区夏季降水的基本分布,但各方案对降水中心强度及其分布的模拟仍然存在明显的差异,总体来看,WDM6方案模拟的东亚夏季降水强度明显比其他4种方案大,而Morrison方案对降水的模拟总体效果好于其他4种方案。从云微物理角度来看,5种云微物理参数化方案均能比较合理地描述云水、雨水及冰相粒子的空间分布状态。其中,WSM3方案计算的云水、雨水质量混合比明显比其它方案大,WDM6方案计算的云水质量混合比则较小,而Morrison方案计算的雨水质量混合比较小,再者该方案冷云中霰粒子浓度偏小,因而Morrison方案在粤闽两省的夏季日降水量模拟比其他方案小,从而与TRMM观测结果更为接近。采用5种云微物理参数化方案均能较好地模拟出春、夏季西太平洋副高、雨带和大气水凝物在东亚地区的季节进退过程。5种方案模拟的雨水粒子浓度分布和中纬度雨带在南北进退过程中的位置较为吻合,两者均跟随西太平洋副高北进、南退。对于中低纬度存在的大降水中心来说,其位置少动,并且与该地区存在的的冰晶、雪晶粒子的高值中心具有较好的对应关系,说明在中低纬度地区,与热带对流相伴随的较高层次的冰相粒子数的浓度是决定降水强弱的关键因素。     

青藏高原那曲地区一次对流云降水的数值模拟

利用NCEP FNL再分析资料为初始场,通过WRF中尺度数值模式(V3.9.1版本)对2015年8月26~27日青藏高原那曲地区一次对流云降水过程进行了模拟,分析了不同积云对流参数化方案和云微物理参数化方案组合对本次降水过程中降水量、环流场、雷达反射率以及云微物理特征模拟效果的影响。结果表明:WRF模式能较好地模拟出本次降水的时空变化特征,但不同参数化方案组合各有优势,总体而言,Grell-Devenyi+SUB_YLIN和Grell-Freitas+SUB_YLIN组合模拟性能最优。本次对流云降水以冰相过程为主,雪粒子贡献最大,暖云粒子对降水的影响并不明显。从云微物理过程的时间演变可看出,性能最好的SUB_YLIN方案能合理模拟降水过程中雪粒子与冰晶粒子间的转换过程,雪粒子可在凝结过程中释放潜热促使对流运动发展,也可通过融化过程促进降水发生,对流层高层冰晶粒子凝华产生的潜热释放亦为深对流的发展创造了有利条件。      

不同密度霰对2008年海南秋季持续性强降水模拟的影响

利用WRF模式对海南2008年秋季持续强降水进行月尺度模拟,并基于WDM6微物理方案研究不同密度霰对强降水模拟及其云微物理过程的影响。结果表明:（1）不同密度霰对降水强度模拟影响较大,LDG（小密度霰）试验海南东部和北部两个降水中心强度减小,HDG（大密度霰）试验东部降水中心强度减小,北部降水强度增大。（2）随着霰密度增大,强降水时期高层霰含量减少,0 ℃层以下霰含量增多。雨水主要来自霰和雪向雨水的转化,其中霰向雨水转化量最大,对降水贡献最大,并随着霰密度增大霰向雨水转化量增多。（3）随着霰密度增大,暴雨及以下降水范围减小、大暴雨及以上降水范围增大;单位格点降水率增大,大暴雨及以上降水贡献增大。随着降水强度增大,小密度霰收集雨水量增多,霰向雨水净转化量减少,对降水贡献减小;大密度霰融化量明显增多,霰收集雨水量增幅较小,霰向雨水净转化量增大,对降水贡献增大。      

云微物理对一次吉林暖区降水过程的影响

本文运用WRF3.9区域数值模式模拟了2017年7月13日吉林省永吉县暖区暴雨,较好地再现了此次暴雨过程的中尺度对流系统的单体触发、线状对流群触发、组织化发展以及弓状回波等典型阶段的细致过程;在此基础上,分析了造成暖区降水的中尺度对流系统的云微物理特征,探讨了其影响暖区降水的可能机制。结果表明:吉林永吉暖区降水发生在东北冷涡主导的有利的多尺度环境配置下,引发暖区降水的中尺度系统主要是冷云系统,暖区范围大,过冷水分布位置高,冰晶粒子与过冷水并存,并存区的“播种”效应使得其下方生成大量霰。雨水质量收支及热量收支分析表明:暖区降水系统的触发及组织化阶段,雨水的主要来源是云滴碰并增长,主要汇项是冰晶对雨水的收集;而弓状回波阶段,降水的主要源项除了云滴碰并增长之外,霰融化作用也起到关键的作用,降水主要汇项在低层为雨水蒸发,高层为霰对雨滴的收集;暖区降水的主要热源是水汽凝结潜热释放,主要冷却项是雨水和云水的蒸发。弓状回波阶段,其前部的入流与地面冷垫上方的后向入流汇合后将水汽带入高层;“播种”效应使距地面8 km高度附近的霰粒子含量显著增多,该高度与水汽凝结释放大量潜热形成的高温区重合,故霰粒子大量融化为雨水,产生强降水过程。     

高分辨率GRAPES模式中云微物理方案对强降水的模拟和诊断研究

利用高分辨率GRAPES—Meso中双参数云微物理方案,对我国两次强降水过程进行数值模拟,并与模式中WSM6和NCEP5方案进行对比分析,结合多种观测资料,诊断评估方案的预报性能.同时研究伴随强对流性降水中的关键云物理过程。个例研究表明,对流发展旺盛的云团中,冰相粒子尤其是霰粒子对对流的发展与降水起着主导作用,霰的融化是强降水的主要来源,而周围的层状云区域霰粒子的分布极少,主要受雪的融化与暖云降水的影n向。双参数方案模拟的雨带走向、范围和降水强度与实况拟合较好,同时在对流单体的最大回波高度与强度、冰晶的分布与云砧结构等方面也具有一定优势,但冰晶含量和回波顶高度略低于观测,这都为双参数方案的优化与业务应用提供重要的支持。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

两类双参数云微物理方案对夏季强降水事件模拟能力的对比研究

运用中尺度WRF模式,分别采用Morrison(MOR)和Milbrandt-Yau(MY)双参数化云微物理方案,对2010年7月20—21日辽宁省的一次强降水过程进行模拟,通过对比分析两个方案所对应的地表累积降水量、降水强度、云中微物理量的模拟结果,评估两个双参数方案对强降水事件的模拟能力及主要微物理过程的差异。结果表明,在对雨带和强降水中心的位置上,MOR方案的模拟能力优于MY方案,但MY方案对强降水中心强度模拟能力则优于MOR方案;两方案对强降水宏观特征的模拟差异在一定程度上体现了它们在微物理具体方案上的差异,相比MY方案而言,MOR方案模拟降水发展期的垂直水汽通量高,使得雪晶的凝华增长、碰连增长增强,从而导致MOR方案的冰晶含量低,雪晶含量高,通过雪晶的凇附作用形成的霰含量也比MY方案高,霰的凇附增长消耗了大量过冷水,使冷云中云滴(过冷水)含量减少; MOR方案模拟得到的600 hPa到地表的雨滴直径均为1 mm,与实际雨滴直径的观测值不符,需要未来进一步开展研究,对原方案进行优化。     

超强台风“威马逊”(2014)云微物理特征的模拟与对比分析

采用中尺度数值模式WRFv3.5对2014年超强台风“威马逊”进行数值模拟。利用雷达、卫星、自动站逐时降水资料,对比单参数WSM6云方案和双参数WDM6云方案在模拟台风路径、强度、降水分布及水成物含量上的差异,分析雨滴粒子的谱型特征及微物理源、汇项对云中雨水含量的影响。与上海台风研究所的最佳路径数据对比显示,两方案均较好地模拟出了台风“威马逊”的移动路径,WDM6方案的整体路径误差更小;模拟的强度差异则较为显著,WDM6方案的海平面最低气压值偏高,强度偏弱。两方案模拟的累积降雨分布虽与自动站实测资料基本一致,但WDM6方案模拟的强降水概率偏高,弱降水概率偏低。两方案模拟的对流区雪、霰、雨水含量均大于TRMM卫星反演结果,且WDM6方案的对流云较多,总体雨水含量偏高;两方案均模拟出了雷达回波分布的整体特征,但眼区尺度偏大,WDM6方案在融化层以下缺少眼墙之外的弱回波区且大于39 dBz的强回波区偏多,同样显示了雨水含量（或尺度）偏大。由于WDM6方案为暖雨（云、雨水）双参数模式,对云滴活化、云雨转换及云、雨谱型有一定的改进,其能较合理地模拟出雨滴谱随台风发展的演变特征;模拟显示,云、雨滴的收集碰并及固态粒子的融化是雨水的主要源项,WDM6方案增加了云雨水自动转化率及雨水碰并云水率,导致该方案的空中雨水含量偏高,且随高度的降低快速减小;此外,由于WDM6方案使用简单的寇拉公式进行云滴活化,初始云凝结核数的变化即可造成雪、霰、云雨水含量的改变,故建议在具体大气气溶胶条件下,对方案中的云滴生成参数化过程做相应的调整。     

台海地区一次冬季冷锋降水过程的数值模拟

利用WRF中尺度模式,结合FY-2E卫星云图和常规气象资料,对台海地区一次冬季冷锋降水过程进行了数值模拟研究.结果表明:1)微物理方案对台海地区冬季冷锋降水过程的模拟具有敏感性,Milbrandt双参数微物理方案能较好地再现云系层次结构、冰相降水过程及其云系的对流发展,24 h累积降水量模拟结果优于其他微物理方案.2)锋区的降水粒子(雨水、雪晶和霰)混合比大于锋后,锋区雨带集中在地面锋线的中段,锋后雨带偏向冷区的西南段.3)锋区附近云系受低空急流及台湾岛中部高山地形抬升共同作用,在迎风坡形成强降水中心,对应空中霰含量高值区.4)低空高相当位温、强辐合、正涡度和对流性不稳定与高空强辐散和负涡度的配置是本次冷锋云系维持与发展的重要原因.     

一次飑线过程的云微物理参数化方案数值试验及其成因分析

利用WRF模式6种适合高分辨率且包含多种固态水成物粒子的云微物理参数化方案,分别对2012年5月16日江苏北部一次飑线过程进行数值试验,结果表明:LIN方案模拟的飑线回波反射率、强降水TS评分、结构和强度等均要优于其余5种微物理参数化方案。分析不同参数化试验结果中不同水成物粒子占比随时间的变化特征,并针对LIN方案采取敏感性试验和水成物转化微物理过程分析指出,在此次飑线过程中的各水成物粒子中,霰/雹粒子占比最大,是降水过程中最重要的粒子;地面降水直接来源是雨水,雨水主要来源于中层霰/雹粒子的融化,小部分来源于云水的自动转化;中层霰/雹粒子最主要来源是通过雨霰转化过程中的雨水撞冻冰雹微物理过程,其次是霰撞冻云水的微物理过程,而冰相物质雪晶和云冰的碰并、撞冻和自动转化过程微乎其微。