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。      

不同分辨率和云微物理方案对华中暴雨模拟的影响分析

利用中尺度模式WRF对2016年6月30日—7月1日华中地区一次暴雨过程进行数值模拟试验,探讨不同分辨率和云微物理方案对降水的影响,结果表明:(1)模拟雨带与实况基本一致,但模拟暴雨范围偏小;总雨区模拟对分辨率更为敏感,大暴雨区模拟对分辨率和云微物理方案均很敏感;采用不同分辨率时,降水模拟能力受云微物理过程与积云参数化共同影响。TS评分显示,12 km分辨率和Lin微物理方案组合对特大暴雨模拟效果最好。(2)不同云微物理方案模拟各水凝物粒子发展和演变主要取决于其本身特点。Lin方案多云冰和霰、少雪;Thompson方案多雪,几乎不含云冰和霰;Morrison方案3种冰相粒子分布较为均匀,Lin方案模拟冰相粒子含量被低估,而Thompson方案和Morrison方案模拟冰相粒子含量被高估。(3)不同方案模拟上升气流强弱将影响水凝物粒子分布,在系统成熟期,Lin方案模拟上升气流直立,中高层向后出流弱,冰相粒子集中;Thompson方案和Morrison方案模拟倾斜上升气流在中高层向后出流强,大量冰相粒子被带出而不能形成有效降水。     

台风螺旋雨带云结构和降水形成机制研究

应用数值模式结果,选择台风登陆后两个不同时次螺旋雨带中两个强降水中心,对台风螺旋雨带的云结构和降水形成机制进行诊断分析.结果发现螺旋雨带云结构和降水形成机制有如下特点:在9～13 km高空范围内冰晶的非均质核化非常活跃,冰晶转化率高于台风眼壁暴雨数倍,但是冰晶通过贝吉龙过程生长为雪、雪通过凝华增长生长为霰的过程相对台风眼壁很弱,螺旋雨带雨水形成微物理机制以霰粒子融化成雨水(pgmlt)为主,冰相粒子转化率大值区位于垂直上升气流大值区,8 km高度霰收集雪(dgacs)干增长是最主要的冰相粒子生长过程,与北方层状云比较,螺旋雨带暴雨冷云中的凝华过程和撞冻过程非常活跃.螺旋雨带云水凝结过程呈双峰型,位于7～8 km高度冷云区的云水凝结峰值较大,暖云区0.5～1.5 km高度云水凝结峰值次之.     

GPS ZTD资料同化对台风“利奇马”模拟的影响研究

2019年超级台风“利奇马”对我国东部地区造成了巨大灾害,针对台风“利奇马”,研究GPS ZTD资料同化对于台风“利奇马”登陆后降水预报的影响。在进行GPS ZTD资料同化试验前,采取了稳定性检查、极值检查、双权重检查、偏差订正检查等质量控制方法以改善资料的同化应用水平。模拟试验结果表明在同化探空、风廓线等常规资料基础上,增加质控GPS ZTD有效改善了初始场的水汽条件,使得低层水汽辐合更强,从而改进了台风外围雨带的预报。并且通过循环同化能够改善初始环流场,进而改进了台风路径的预报使得台风主体降水的位置得到改善。     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

WRF模式中微物理和积云参数化方案的对比试验

为了研究微物理参数化方案对珠江三角洲(简称珠三角)降水模拟的影响,利用WRF中尺度数值预报模式,在3 km模式分辨率下,在微物理方案为WSM6方案条件下,选用KF、BMJ、GD以及G3等四种积云参数化方案对2010年5月14日广东珠三角地区的一次暴雨过程进行了模拟试验。结果显示,KF方案对于降水带和降水量的模拟与实况较为一致。在积云参数化方案为KF条件下,分别选用Kessler、Lin et al、WSM 3、WSM5、Ferrier(New eta)和WSM6等6种微物理方案再次对这次暴雨过程进行模拟试验,模拟结果的对比分析表明:选用Lin et al微物理方案时,模式较好地模拟出了强降水雨带的位置和降水强度;而其他5种参数方案的模拟效果均不好,降水量明显偏小,雨带位置偏差较大;同时对低空急流、K指数和上升速度等物理量分析可知,Lin et al方案能较好地模拟出降水实况。     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

利用多种卫星研究台风“艾云尼”宏微观结构特征

利用FY-2C静止卫星、TRMM卫星和Cloudsat卫星分析了台风"艾云尼"的发展演变过程以及台风眼区、外围雨带降水和云的宏、微观结构特征。结果表明,台风发展的不同阶段、不同位置及台风降水的垂直廓线具有不同特征,台风降水云系的5 km高度存在不连续的亮带结构并且亮带以上云系发展较为旺盛,台风云系中的冰水含量和冰粒子数浓度等微观物理参量分布特征对分析台风降水具有一定的帮助。多个卫星的共同观测可以为深入研究台风内部结构、发展演变及降水提供重要的观测实事。     

2014年南京青奥会开幕式日降水过程数值模拟研究

为评估2014年南京青奥会开幕式日的人工催化消减雨作业效果,利用中尺度数值模式WRF对当日的云降水过程和催化作业开展数值模拟。本文系第一部分工作。首先对常用的八种云微物理方案的降水模拟效果进行评估,进一步选取Thompson和Milbrandt-Yau两个微物理方案对此次降水过程的云系结构和降水形成机制进行对比分析。模拟结果表明,采用Thompson和Milbrandt-Yau两个方案模拟的云系结构和降水形成的微物理机制是一致的。开幕式当天影响奥体场馆的降水由弱的积层混合云系产生,降水过程以冰相微物理过程为主。雪的融化是雨水的主要源项,Thompson方案中雪的融化对雨水的贡献率为72%,Milbrandt-Yau方案为60%,蒸发则是雨水的主要汇项,Thompson方案中蒸发对雨水的消耗率达94%,Milbrandt-Yau方案为95.6%。     

MM5模式中不同对流参数化方案的比较试验

应用MM5中尺度模式, 在60、20和10 km模式分辨率下, 分别选用4种不同对流参数化方案 (KUO方案、GRELL方案、KAIN-FRITSCH方案和BETTS-MILLER方案, 以下简称KU、GR、KF和BM方案) 对1996年8月3~4日石家庄暴雨过程进行数值模拟试验.模拟结果的对比分析及其与观测的比较表明:主要雨带位置对参数化方案并不是十分敏感, 但随分辨率提高, 雨带分布特征的模拟更接近实况; 当分辨率提高到10 km时, 虚假的降水中心也明显增加; 模拟的暴雨中心强度随分辨率的提高而增强并随参数化方案的不同有所变化, 但均比实况偏弱.分析还发现, MM5模式的GR、KF及BM方案的次网格降水对总降水的贡献率随分辨率的提高而减小, 而KU方案的情况则呈现出不合理的缓慢增加态势.虽然4种方案下模拟的水平环流特征有较好的一致性, 但模拟的云物理特征和垂直运动特征还是存在一定差别的, 这种差别对定点、定量降水和天空状况、地面气温、湿度等要素的准确预报都会产生影响.因此, 在预报和模拟中应考虑预报和研究对象的特点来选择对流参数化方案.     

A STUDY OF THE INFLUENCE OF MICROPHYSICAL PROCESSES ON TYPHOON NIDA (2016) USING A NEW DOUBLE-MOMENT MICROPHYSICS SCHEME IN THE WEATHER RESEARCH AND FORECASTING MODEL

The basic structure and cloud features of Typhoon Nida (2016) are simulated using a new microphysics scheme (Liuma) within the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Typhoon characteristics simulated with the Liuma microphysics scheme are compared with observations and those simulated with a commonly- used microphysics scheme (WSM6). Results show that using different microphysics schemes does not significantly alter the track of the typhoon but does significantly affect the intensity and the cloud structure of the typhoon. Results also show that the vertical distribution of cloud hydrometeors and the horizontal distribution of peripheral rainband are affected by the microphysics scheme. The mixing ratios of rain water and graupel correlate highly with the vertical velocity component and equivalent potential temperature at the typhoon eye-wall region. According to the simulation with WSM 6 scheme, it is likely that the very low typhoon central pressure results from the positive feedback between hydrometeors and typhoon intensity. As the ice-phase hydrometeors are mostly graupel in the Liuma microphysics scheme, further improvement in this aspect is required.     

SENSITIVITY OF LANDFALLING TYPHOON STRUCTURE AND PRECIPITATION TO VARYING CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES

Typhoon KROSA in 2007 is simulated using GRAPES, a mesoscale numerical model, in which a two-parameter mixed-phase microphysics scheme is implanted. A series of numerical experiments are designed to test the sensitivity of landfalling typhoon structure and precipitation to varying cloud microphysics and latent heat release. It is found that typhoon track is sensitive to different microphysical processes and latent heat release. The cloud structures of simulated cyclones can be quite different with that of varying microphysical processes. Graupel particles play an important role in the formation of local heavy rainfall and the maintenance of spiral rainbands. Analysis reveals that the feedback of latent heat to dynamic fields can significantly change the content and distribution of cloud hydrometeors, thus having an impact on surface precipitation.     

Impact of Cloud Microphysical Processes on the Simulation of Typhoon Rananim near Shore.Part Ⅱ:Typhoon Intensity and Track

The impact of cloud microphysical processes on the simulated intensity and track of Typhoon Rananim is discussed and analyzed in the second part of this study.The results indicate that when the cooling effect due to evaporation of rain water is excluded,the simulated 36-h maximum surface wind speed of Typhoon Rananim is about 7 m s-1 greater than that from all other experiments; however,the typhoon landfall location has the biggest bias of about 150 km against the control experiment.The simulated strong outer rainbands and the vertical shear of the environmental flow are unfavorable for the deepening and maintenance of the typhoon and result in its intensity loss near the landfall.It is the cloud microphysical processes that strengthen and create the outer spiral rainbands,which then increase the local convergence away from the typhoon center and prevent more moisture and energy transport to the inner core of the typhoon.The developed outer rainbands are supposed to bring dry and cold air mass from the middle troposphere to the planetary boundary layer (PBL).The other branch of the cold airflow comes from the evaporation of rain water itself in the PBL while the droplets are falling.Thus,the cut-off of the warm and moist air to the inner core and the invasion of cold and dry air to the eyewall region are expected to bring about the intensity reduction of the modeled typhoon.Therefore,the deepening and maintenance of Typhoon Rananim during its landing are better simulated through the reduction of these two kinds of model errors.     

Impact of Cloud Microphysical Processes on the Simulation of Typhoon Rananim near Shore. Part II: Typhoon Intensity and Track

The impact of cloud microphysical processes on the simulated intensity and track of Typhoon Rananim is discussed and analyzed in the second part of this study. The results indicate that when the cooling effect due to evaporation of rain water is excluded, the simulated 36-h maximum surface wind speed of Typhoon Rananim is about 7 m s⁻¹ greater than that from all other experiments; however, the typhoon landfall location has the biggest bias of about 150 km against the control experiment. The simulated strong outer rainbands and the vertical shear of the environmental flow are unfavorable for the deepening and maintenance of the typhoon and result in its intensity loss near the landfall. It is the cloud microphysical processes that strengthen and create the outer spiral rainbands, which then increase the local convergence away from the typhoon center and prevent more moisture and energy transport to the inner core of the typhoon. The developed outer rainbands are supposed to bring dry and cold air mass from the middle troposphere to the planetary boundary layer (PBL). The other branch of the cold airflow comes from the evaporation of rain water itself in the PBL while the droplets are falling. Thus, the cut-off of the warm and moist air to the inner core and the invasion of cold and dry air to the eyewall region are expected to bring about the intensity reduction of the modeled typhoon. Therefore, the deepening and maintenance of Typhoon Rananim during its landing are better simulated through the reduction of these two kinds of model errors.     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅱ:云微物理参数化对强度和路径的影响

在分析云微物理参数化对云结构和降水特征的影响的基础上,研究云微物理参数化过程对台风"云娜"强度与路径的影响.结果表明:云微物理过程对台风强度和路径有一定影响,其中不考虑雨水蒸发冷却效应后,比其他试验最终地面最大风速强7 m/s以上,但此时登陆地点误差最大,与对照试验偏离150 km左右.我们还从螺旋雨带结构变化及环境风切变影响角度分析台风临近登陆时强度模拟减弱的原因,发现过强的外围螺旋雨带以及环境风场垂直切变对于台风的加深、维持是不利的,他们可能会造成"云娜"临近登陆时强度的下降.不难看出,云微物理过程可以加强甚至产生外螺旋雨带,当外围雨带发展加强之后,可以引起局地辐合强度增强,从而限制了大量水汽和能量向台风内核输送,从而会导致台风强度下降.此外,外围螺旋雨带的发展,还可以从对流层中层带来干冷空气入侵行星边界层;而当入流边界层中雨水下落时,其自身的蒸发也会使周围气块温度下降;这些干冷气团在入流气流的输送下进入台风内核,从而对云墙产生了"冷侵蚀",最终引起台风强度下降.因此,减小上述两方面的模拟误差,应能改进台风"云娜"登陆过程中强度的模拟效果.     

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案, 包括11个云物理变量和31个云物理过程, 能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后, 实现了二者的耦合, 耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程, 利用耦合后的模式进行48 h模拟试验, 同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟, 着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明: CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征, 并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征, 各相态粒子的量级和分布合理, 不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验, 对新方案进行检验。     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅰ:云微物理参数化对云结构及降水特征的影响

首先对AREM模式模拟的台风基本结构和云结构进行验证,检验了模拟结果的可靠性.在此基础上,设计了5组试验来研究云微物理参数化方案对台风"云娜"云结构及降水特征的影响.试验设计主要突出冰相云微物理过程、云微物理特征引发的冷却效应以及霰下落速度的重要性.结果表明:云微物理参数化过程对云的发展和降水特征的影响更为显著.各试验的水凝物分布和强度不同,降水类型和强度存在较大差异,由此引起的云中热力结构也有较大区别;在所有试验方案中,24 h降水率最大差异为52.5 mm/h.云微物理过程对云和降水特征的具体影响表现在:(1)如果不考虑雨水蒸发冷却效应,此时台风内核上升运动强度最强(达到-19 Pa/s),雨水和霰粒子增长最明显,相对于对照试验增量分别为1.8和2.5 g/kg.(2)霰和雪的融化对于螺旋雨带中雨滴的增长十分重要,但他们可能不是云墙中雨水形成的主导因子.(3)不同方案的降水模拟特征也存在较大差别,采用暖云参数化后,降水区域最小,但其中对流降水比例最大(63.19%);霰落速减半后,降水区域最大,其中非对流降水比例也最大(51.15%).     

Impact of Different Cloud Microphysics Parameterization Schemes on Typhoon Intensity and Structure

The impact of different cloud microphysics parameterization schemes on the intensity and structure of the Super-strong Typhoon Rammasun (1409) in 2014 is investigated using the Weather Research and Forecasting model version 3.4 with eight cloud microphysics parameterization schemes. Results indicate that the uncertainty of cloud microphysics schemes results in typhoon forecast uncertainties, which increase with forecast time. Typhoon forecast uncertainty primarily affects intensity predictions, with significant differences in predicted typhoon intensity using the various cloud microphysics schemes. Typhoon forecast uncertainty also affects the predicted typhoon structure. Greater typhoon intensity is accompanied by smaller vortex width, tighter vortex structure, stronger wind in the middle and lower troposphere, greater height of the strong wind region, smaller thickness of the eyewall and the outward extension of the eyewall, and a warmer warm core at upper levels of the eye. The differences among the various cloud microphysics schemes lead to the different amounts and distributions of water vapor and hydrometeors in clouds. Different hydrometeors have different vertical distributions. In the radial direction, the maxima for the various hydrometeors forecast by a single cloud microphysics scheme are collocated with each other and with the center of maximum precipitation. When the hydrometeor concentration is high and hydrometeors exist at lower altitudes, more precipitation often occurs. Both the vertical and horizontal winds are the strongest at the location of maximum precipitation. Results also indicate that typhoon intensities forecast by cloud microphysics schemes containing graupel processes are noticeably greater than those forecast by schemes without graupel processes. Among the eight cloud microphysics schemes investigated, typhoon intensity forecasts using the WRF Single-Moment 6-class and Thompson schemes are the most accurate.     

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。