一次梅雨锋暴雨过程数值模拟的云微物理参数化敏感性研究

梅雨锋暴雨中的云微物理过程对降水的演变有着重要影响。本文通过WRF模式（3.4.1版本）,针对2018年6月29～30日一次梅雨锋背景下的暴雨过程进行数值模拟,分别采用了Morrison、Thompson和MY云微物理参数化方案进行对比分析,结果发现:（1）三个方案模拟的背景场在天气尺度上,都与ERA5再分析资料一致,能够模拟出有利于强降水发生的环流场。云微物理过程对梅雨期暴雨的局地环流有着显著影响,不同方案存在明显差异,本次过程中,Thompson方案模拟出更强的局地环流系统变率和上升气流。三个方案的模拟降水均有所夸大,小时降水率始终大于观测值。冰相粒子融化或雨滴搜集云滴的高估可能是造成降水模拟值偏强的重要原因之一,总体来看,Morrison方案的模拟效果相对最优。（2）冰相粒子融化、雨滴搜集云滴是雨滴增长的关键源项,蒸发则是其最重要的汇项。总的来说,雨滴对云滴的搜集量大于冰相粒子融化。但上述过程在不同方案中存在空间上的差异,从而使得模拟降水的空间分布存在差异。（3）Thompson方案中,冰相粒子融化量最大,雨滴蒸发项显著大于其它两个方案,在底层表现得最为明显。同时,该方案水汽凝结效应最强,使得雨滴搜集更多云滴。该方案模拟的雨滴最多,降水最强。该方案中凝华的主要产物为雪,且其在与过冷水碰并增长过程中占主导地位,故模拟的雪最多。（4）Morrison方案中,水汽主要凝华为雪和少量霰（冰晶忽略不计）;Thompson方案中水汽基本凝华为雪,其它冰相粒子极少;MY方案中,水汽主要凝华为雪和冰晶,冰晶总量略少于雪,但显著大于其它方案。（5）云滴在凇附过程中的总体贡献大于雨滴。Morrison和MY方案中,霰粒子搜集云滴增长的量均最大。Morrison方案中,其它凇附过程不同程度发挥作用,而MY方案中,其它凇附过程几乎可忽略不计。并且,霰粒子搜集云滴的增长量大于凝华过程产生的雪粒子总量。贝吉龙及凇附效应的差异,是不同方案中冰相粒子分布差异的关键原因之一。     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

双参微物理方案对一次强降水过程的数值试验

利用WRF模式,分别采用WDM6和Morrison双参微物理方案对2009年7月23—24日,华东地区的一次强降水过程进行数值模拟。通过对地面累积降水量、降水强度和云中微物理量分析,对比研究了以上两种双参微物理方案对降水的预报效果。结果显示两种方案都低估了强降水区域的降水强度,而且提早预报了降水发生的时间。但相比之下,Morrison方案更接近实际的观测结果,而WDM6方案的误差在50%以上。分析了云中微物理量场和参数化方案计算过程,发现由于WDM6方案对雨滴的定义不合理,在结果中存在大量小粒径的雨滴,使平均粒径远小于典型雨滴,导致雨水的下落过程中,蒸发作用的强度被高估,而沉降过程的强度被低估,因而低估地面降水。     

Effect of Different Microphysical Parameterizations on the Simulations of a South China Heavy Rainfall

A heavy rainfall event in south China was simulated by the Weather Research and Forecasting (WRF) model with three microphysics schemes, including the Morrison scheme, Thompson scheme, and Milbrandt and Yau scheme (MY), which aim to evaluate the capability to reproduce the precipitation and radar echo reflectivity features, and to evaluate evaluate their differences in microphysics and the associated thermodynamical and dynamical feedback. Results show that all simulations reproduce the main features crucial for rainfall formation. Compared with the observation, the MY scheme performed better than the other two schemes in terms of intensity and spatial distribution of rainfall. Due to abundant water vapor, the accretion of cloud droplets by raindrops was the dominant process in the growth of raindrops while the contribution of melting was a secondary effect. Riming processes, in which frozen hydrometeors collect cloud droplets mainly, contributed more to the growth of frozen hydrometeors than the Bergeron process. Extremely abundant snow and ice were produced in the Thompson and MY schemes respectively by a deposition process. The MY scheme has the highest condensation and evaporation, but the lowest deposition. As a result, in the MY scheme, the enhanced vertical gradient of condensation heating and evaporation cooling at low levels produces strong positive and weak negative potential vorticity in Guangdong, and may favor the formation of the enhanced rainfall center over there.     

积雨云微物理过程的数值模拟——(一)微物理模式

本文提出了一个比较完整的积雨云参数化微物理模式,推导了26种主要微物理过程中水汽、云滴比水量和冰晶、雨滴、霰、雹的群体比水量和比浓度的转化率,它们包括凝结(凝华)、蒸发、粒子间的碰并(撞冻)、冰晶核化、繁生、冻结、融化、云—雨、冰—霰、霰—雹的自动转化以及雹的干湿增长等。     

雨滴下落过程谱分布演变的数值模拟

利用一维雨滴分档模式,以飞机观测的空中雨滴谱和边界层气象要素廓线作为模式的初始背景场,模拟了雨滴在出云后下落过程中谱分布的演变。结果表明,一维雨滴分档模式能较好地模拟雨滴在下落过程中的蒸发、碰并和破碎过程;模拟的滴谱呈多峰分布。蒸发作用使得雨滴的直径变小,对小雨滴的消耗较大雨滴更为明显,并能增大中等大小雨滴的数浓度,但在整体上并不会改变雨滴的谱型。碰并和破碎机制可以使得雨滴谱呈现多峰分布,并增大了滴谱的谱型变化。     

暖底对流云催化的微物理和动力效应的数值模拟

为加深理解暖云底对流云降水形成的微物理机制,调查对这类对流云实施碘化银催化所能产生的微物理和动力效应,本文使用三维对流云模式(包含6种水成物:云滴、雨滴、冰晶、雪花、霰和冰雹),对2004年7月8日发生在我国江淮地区的一例对流云进行模拟,并开展碘化银催化试验。结果表明:(1)模式能够较好地模拟出实测风暴的回波结构。(2)云雨自动转化和霰粒子融化是两个最重要的成雨机制,产生的雨滴占雨滴总数量(质量)的67%(19%)和18%(57%)。(3)对流发展初期在主上升气流区进行的催化试验表明,对本例对流云播撒碘化银能够同时获得增雨和减雹的正效果。(4)催化增加的霰粒子通过竞争机制抑制了前期冰雹的形成,但增强了向雨滴的转化(通过融化机制);催化也促进了二次对流的发展,增加了入云的水汽通量和云水含量,加强了后期的云雨自动转化及碰并增长,导致后期的雨和冰雹增加,并使地面降水分布发生变化。这些结果表明,对暖底对流云进行碘化银催化能够产生微物理和动力效应。     

三江源隆宝高寒湿地不同云系降水雨滴谱特征

利用2019年5～10月布设于三江源地区隆宝高寒湿地的激光雨滴谱仪观测资料,分析高原山区夏秋季层状云降水和对流云降水雨滴微物理特征、平均雨滴谱分布、下落速度及Z-R关系.结果表明:三江源隆宝地区夏秋季对流云降水和层状云降水的雨滴微物理特征具有一定程度的相似性,对流云降水雨滴微物理参量略大于层状云降水;层状云降水和对流云...     

不同水汽条件下气溶胶对雷暴云电过程影响的数值模拟研究

为全面了解水汽在气溶胶影响雷暴云电过程中的作用,本研究在已有的二维雷暴云起、放电模式基础上,通过改变相对湿度和气溶胶初始浓度（文中气溶胶浓度均指气溶胶数浓度）进行敏感性数值模拟试验。结果表明:（1）随着气溶胶浓度升高,雷暴云产生更多的小云滴,降水过程受到抑制。而当水汽含量升高时,云滴数浓度的增长速度更快,雨滴数浓度升高,缓解了降水变弱的趋势。（2）水汽含量较低时,随着气溶胶浓度升高,更多小云滴被带入冻结层形成大量小冰晶,霰粒含量升高,雷暴云起电过程增强。气溶胶浓度升高至一定的量级（3000 cm?3）时,冰晶尺度减小和雨滴浓度降低抑制霰粒生长,雷暴云起电过程受到削弱。感应起电和非感应起电过程随气溶胶浓度升高呈先增强后减弱的趋势。水汽含量的升高促进了冰相粒子的增长,起电过程呈现持续增强的趋势,气溶胶浓度为3000 cm?3时起电率达到极值,电荷密度的增幅扩大。（3）水汽含量较低时,雷暴云难以发展成深厚的系统,气溶胶浓度变化对其影响不明显,电荷结构由三极性发展,在消散期演变为偶极性电荷结构;水汽含量较高时,雷暴云迅速发展成深厚的系统,随着气溶胶浓度升高,在雷暴发展旺盛阶段电荷分布表现为多层复杂结构。研究显示水汽含量在气溶胶浓度变化对雷暴云微物理、起电过程及电荷结构的作用中扮演重要角色。      

Cloud microphysical and precipitation responses to a large-scale forcing in the tropical deep convective regime

Summary Cloud microphysical and precipitation responses to a large-scale forcing in the tropical deep convective regime are investigated based on hourly zonally-averaged, vertically-integrated simulation data from a two-dimensional coupled ocean-cloud resolving atmosphere model. The model is forced by the large-scale vertical velocity and zonal wind observed and derived from TOGA COARE for a 50-day period. The accretion of cloud water by graupel induces growth of graupel that enhances raindrops through its melting during a weak-forcing period, whereas the large deposition rate of vapor associated with a large upper-tropospheric upward motion causes growth of snow from the conversion of cloud ice and enhancement of graupel from the accretion of snow during a strong-forcing period. The local changes of raindrops and graupel switch from the negative to positive values as the forcing strengthens in the weak-forcing case, whereas the variations of cloud hydrometeors are not sensitive to the strength of the forcing in the strong-forcing case. Phase analysis indicates that cloud water leads the surface rain rate by 1 hour. The surface rain rate can be calculated based on the conservation of vapor and cloud hydrometeors and the budget of raindrops. The vapor source and local changes of cloud hydrometeors could have impacts in the calculation of the surface rain rate. The vapor source determines the surface rain rate in the strong-forcing case whereas the cloud variations could become important in the weak-forcing case. In the budget of raindrops, the sum of the collection of cloud water by raindrops, the melting of graupel, and the evaporation of raindrops determines the surface rain rate in the strong-forcing case whereas the other rain-related microphysical processes become important in the weak-forcing case.     

伊宁春季层状云和混合云降水的雨滴谱统计特征分析

利用设在伊宁的激光雨滴谱仪获取的2013年4月的降水资料,对层状云和混合云降水粒子谱的微物理参量平均值和Gamma函数拟合结果以及Z-I关系进行对比分析。计算结果表明,伊宁地区春季降水的微物理参量普遍偏小,小滴对降水浓度的贡献达到92%以上,即降水主要以小滴为主。层状云降水的雨强、雨滴数浓度、雨滴的各类微物理特征参量的平均值均大于混合云降水。函数拟合结果表明,混合云降水的雨滴谱宽大于层状云降水的雨滴谱宽,层状云和混合云降水的雨滴谱都比较符合Gamma分布,在小滴段Gamma分布对实际谱都有一定的低估,在大于1 mm的粒径段,拟合结果有一定的偏差。还讨论了雨滴大小因子Λ和形状因子μ之间的关系以及Z-I关系,Λ-μ关系与粒子尺度有关,根据拟合的二项式得到层状云降水粒子的平均直径大于混合云降水的平均直径。     

一次冷涡过程降水的微物理机制分析

该文分析了一次冷涡天气过程中云微物理量的分布特征、降水粒子的增长机制及云下雨滴的蒸发效应。主要结果为:云系由低层暖性Sc云和冷性主体As云组成。As云底高2 km,云顶高大于5 km,云中存在比较大的过冷水区,–11.2 ℃时的过冷水含量0.21 g·m-3,但过冷水的含量分布极不均匀,大于0.05 g·m-3的过冷水区连续分布的宽度87%小于2.4 km,不利于云中冰晶的连续凇附增长;同时云下雨滴的蒸发效应大,直径小于1.0 mm的雨滴难以落到地面,因此本次过程只产生弱的降水。     

成都地区雨滴谱特征

选取成都信息工程学院气象观测场LNM激光雨滴谱仪获得的2009—2011年175次降水过程的观测资料,依据产生降水云的性质进行统计分类,基于微物理特征参量讨论了成都地区积云、积层混合云以及层状云降水雨滴谱的总体特征,同时结合3个典型个例的微结构参量进行对比分析。结果表明:成都地区积云降水和积层混合云降水的雨滴谱比层状云宽且雨滴数密度比层状云多,特别是在大雨滴和甚小雨滴部分;4种反映雨滴谱特性的特征直径从大到小依次为积云降水、积层混合云降水、层状云降水;成都地区层状云降水的雨强主要来自于小雨滴,而积云降水和积层混合云降水的雨强主要来自于大雨滴;雨强取决于大雨滴的数量,小雨滴贡献率与雨强呈负相关,中数体积直径对雨强变化有一定指示作用。对成都地区雨滴谱特征的研究,有利于进一步了解该地区降水的微物理特性及成雨机制,为降水数值预报工作积累资料和经验。     

台风贝碧嘉(1816)外围云系结构与降水特征

选取海南省海口站和屯昌站对比分析台风贝碧嘉（1816）外围云系结构和降水特征。结果表明:台风贝碧嘉（1816）影响海南岛期间,随着降水云系的发展,海口地区对流性云系发展加强,屯昌地区表现为层状云降水,两个站点雨滴谱特征存在一定的差异,海口站和屯昌站的降水均以直径小于1 mm的雨滴为主,其中屯昌站直径1~3 mm的雨滴对雨强的贡献最大;海口站雨滴数浓度随雨滴直径增大而减小,但对雨强的贡献随之增大,直径大于3 mm的雨滴对总雨强的贡献达到56.61%;海口站的特征参量曲线在时间上分布不均,表现为阵性强降水,而屯昌站的特征参量曲线起伏不大,降水比海口站小且均匀、连续;在雨滴谱演变上,海口站始终保持单峰型,屯昌站以单峰为主伴随多峰出现,当雨强增大时,两站直径1 mm范围内的雨滴数浓度随之增加,谱型迅速拓宽,大粒径雨滴出现且增多,其中海口站直径3 mm以上的雨滴端增幅更明显;两个站点雨滴谱符合Gamma分布,形状参数和斜率参数满足二项式关系。     

Analysis of the Microphysical Properties of a Stratiform Rain Event Using an L-Band Profiler Radar

This paper investigates spatial and temporal distributions of the microphysical properties of precipitating stratiform clouds based on Doppler spectra of rain particles observed by an L-band profiler radar.The retrieval of raindrop size distributions（RSDs） is accomplished through eliminating vertical air motion and isolating the terminal fall velocity of raindrops in the observed Doppler velocity spectrum.The microphysical properties of raindrops in a broad stratiform region with weak convective cells are studied using data collected from a 1320-MHz wind profiler radar in Huayin,Shaanxi Province on 14 May 2009.RSDs and gamma function parameters are retrieved at altitudes between 700 and 3000 m above the surface,below a melting layer.It is found that the altitude of the maximum number of raindrops was closely related to the surface rain rate.The maximum number of large drops was observed at lower altitudes earlier in the precipitation event but at higher altitudes in later periods,suggesting decreases in the numbers of large and medium size raindrops.These decreases may have been caused by the breakup of larger drops and evaporation of smaller drops as they fell.The number of medium size drops decreased with increasing altitude.The relationship between reflectivity and liquid water content during this precipitation event was Z = 1.69×10~4M~（1.5）,and the relationship between reflectivity and rain intensity was Z = 256I~（1.4）.     

一次强对流降水及雨水蒸发对其影响的数值研究

基于中尺度数值模式(WRF v3.4),对发生在湖北省红安地区的一次强对流降水天气过程进行了数值模拟。结果表明,此次强对流天气是在水汽充足,高层辐散、低层辐合以及不稳定能量较大的条件下发生发展的。模式模拟得到的地面累积降水和雷达反射率因子与实况相符,云下雨水蒸发过程显著。进行敏感性试验,将雨水蒸发率分别降至1/2、1/4以及完全关闭后,雷达回波强度减弱,对流演变特征发生变化。蒸发过程的减弱使得降水始发阶段以及后期消散阶段的降水强度增强,在对流旺盛阶段降水强度减弱。同时雨水蒸发过程减弱导致云中上升气流减弱,冰雪晶及霰粒子含水量极大值减小、极大值所在高度降低。可见,雨水蒸发对对流云团动力、热力结构及云微物理结构以及云物理过程均有一定程度的影响。     

Development of giant drops and high-reflectivity cores in Hawaiian clouds: numerical simulations using a kinematic model with detailed microphysics

Cores of high radar reflectivity (>50 dBZ) and raindrops larger than 4 mm in diameter were occasionally reported in warm clouds, offshore from Hawaii. A kinematic numerical model with detailed microphysics was used to study the formation of these cores and the development of the giant drops. The role of collisional and spontaneous breakup of drops was evaluated. Our results show that spontaneous breakup of raindrops restricts the formation of giant drops (D>4 mm). This could be a result of the poor parameterization of the fragment size distribution, and the probabilities of the spontaneous breakup. The inclusion of only binary breakup mechanism explained the observed radar echoes and the drop spectra. These results corroborate the hypothesis that the updrafts in the Hawaiian clouds sort out different size drops in such a way that millimeter size drops are allowed to fall in an environment deficient of smaller raindrops. In this way, the large raindrops continue to grow by collection of small cloud droplets, but have a smaller chance for collisional breakup (the efficiency for this type of breakup is small for collisions with cloud droplets). The collisional breakup of big raindrops was also found to play a significant role in the formation of giant drops. Such drops are formed following collision–breakup of large raindrops in which one of the fragments is larger than the original drops.     

山西地区一次层状云降水过程的微观特征观测分析

针对山西省2010年5月27日一次层状云降水过程,利用机载DMT探头和Parsivel激光降水粒子谱仪进行探测试验,分析了云微物理特征,并对空中和地面雨滴谱进行比较。结果显示：空中云垂直和水平结构分布不均匀,CDP、CIP探测最大粒子浓度分别为165．20、1．08cm^（-3）。地面雨滴微物理量的平均值说明本次降水是典型的层状云降水,雨强主要由雨滴数密度决定,雨滴微物理参量随时间分布不均匀。建立地面雨强,与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数眠、A的相关关系,Z-I、W-I,相关性很好,N-I、N_0-I、λ-I,相关性较差。地面平均雨滴谱较空中平均雨滴谱窄、谱型陡。结合粒子图像和雨滴特征量分析空中雨滴谱随高度的分布发现,本次降水是冷云和暖云降水共存。     

一次河南省春季层状云降水的地面雨滴谱特征

2002年4月4-5日河南省出现了层状云降水天气，临颖、孟津两站进行了地面雨滴谱观测。通过对降水过程中两站的雨滴微物理参量和雨滴谱的对比分析，指出河南层状云降水的雨滴平均直径为10～mm，雨滴数密度为10^2个／m ^3，占雨滴总数较小的大雨滴对雨强的贡献较大。锋前暖区雨滴的平均直径比锋后冷区雨滴平均直径小，雨滴数密度比锋后冷区大，但冷区降水强度大于暖区。在层状云降水过程中，暖区雨滴谱型由宽谱双峰型演变为窄谱单峰型，冷区雨滴谱型由宽谱单峰型演变为窄谱单峰型。雨滴平均直径的起伏暖区要大于冷区，这与暖区中云系结构不均匀及云中对流有关。     

山西云微物理特征的地面观测

利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪和激光降水粒子谱测量仪对山西地面的云凝结核和雨滴谱进行了观测研究.研究结果表明,云凝结核(CCN)数浓度具有明显的日变化特征,1天出现了两次峰值,数浓度日变化与气象因子、人类活动有关.降水对CCN具有冲刷作用.利用关系式NCCN=CSk拟合得到的地面CCN活化谱参数C值明显较大,k值较高,属于典型的大陆型核谱.对层状云、层积云降水雨滴微物理特征参量分析发现:3次层状云、层积云降水雨滴数密度变化范围分别为74～229 m-3、305～743 m-3,平均含水量量级分别为10-2 g/m3、10-1g/m3,最大雨滴直径分别为1.78 mm、4.7 mm.对层状云降水雨滴的数密度和雨强贡献较大的分别是小于1 mm、0.2～2 mm的雨滴;对层积云降水雨滴的数密度和雨强贡献较大的分别是0.2～2 mm、1～3 mm的雨滴.层积云出现稳定谱的比例高于层状云.从瞬时谱型分布看,层状云出现单、双、三峰多,第四、五峰值的频率比较少,层积云雨滴谱分布没有出现指数型,常有多峰.从平均谱分布看,层状云谱宽窄于层积云,层状云雨滴平均谱服从指数分布,层积云曲线呈向下弯曲的趋势.对汾阳2008年7月17日一次积层混合云降水雨滴谱资料分析发现积层混合云降水雨滴微物理量起伏大,降水雨强主要由雨滴数密度决定.相同雨强下,若有相对更多的大雨滴,雷达反射率会更大一些.随着强回波云块的过境,雨滴数浓度、雨滴谱峰值个数、谱宽均明显增大.