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中不同湿过程对青岛一次暴雨过程的预报性能检验

基于9 km分辨率的中尺度数值模式WRF,通过TS评分、降水空间分布和降水强度检验评估3种积云对流和7种云微物理参数化方案对2014年5月10日青岛地区的一次暴雨天气的预报性能。结果表明:在分辨率为9 km的模式中考虑KF、GD和BMJ积云对流参数化方案时,能够不同程度提高大雨和暴雨的TS评分,且GD方案模拟的降雨落区和强度更接近实况。7种云微物理方案对暴雨模拟效果相差不大,平均TS评分达到0.64,其中KESSLER方案预报性能最好,TS评分达到0.73,其次是WSM6、LIN和WSM5方案,但也大都表现出暴雨范围偏大、雨量偏强的特点。对于此次降雨过程,积云对流参数化方案的预报性能优于云微物理过程方案的表现。     

暴雨模拟中积云对流参数化方案的对比试验

利用WRF中尺度数值预报模式,选用七种微物理方案及网格嵌套技术分别与Kain-Fritsch(new Eta)、Betts-Miller-Janjic、Grell-Devenyi（简称KF、BMJ、GD方案）三种积云对流参数方案匹配,对2007年6月1—2日湖南南部的暴雨过程进行了模拟试验。模拟结果表明：选用Lin等微物理方案和三种积云方案,采用20 km的格点分辨率,基本上可以模拟这场暴雨的范围,且采用网格嵌套技术的模拟结果优于未采用嵌套的模拟结果;其中KF方案模拟的强降水位置、强度与实况比较接近;BMJ方案模拟的强降水范围偏大、强度偏强,位置偏南,上述两种方案都不同程度地存在着虚假的暴雨中心;GD方案模拟的强降水范围、强度均偏小。     

WRF模式物理过程参数化方案对酒泉地区暴雨模拟的影响

利用区域气候站逐时降水实况资料和NCEP l°×l°的6 h全球再分析格点资料,运用WRFV3.2模式,采用不同积云对流和微物理参数化方案组合对2012年6月4 5日发生在酒泉地区的暴雨过程开展了敏感性试验。从降水量和降水落区等方面对各方案组合的模拟效果进行对比分析发现:选择不同的方案组合,可以不同程度地模拟这次暴雨过程的落区范围和降水量,微物理方案的选择对模拟结果的影响较积云对流方案更敏感。18 km水平分辨率下,BMJ-WSM5方案组合模拟效果最优。通过对垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等物理量的诊断分析,可以更好地理解不同积云对流和微物理参数化方案对暴雨预报的影响。     

微物理过程和积云参数化方案对海南岛秋季暴雨模拟的影响

利用WRF(ARW)V3.6模式模拟了2010年10月5—6日发生在海南的一次秋季大暴雨过程,从降水、风场、反射率和云结构等方面分析WRF模式中3个积云参数化方案(KF,BMJ,Tied Tke)和4个微物理参数化方案(Lin et al,WSM5,WSM6,Thompson)对海南岛秋季暴雨模拟的影响。结果表明:此次秋季暴雨过程模拟对不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合是比较敏感的,不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合通过调整温湿场结构,从而影响模拟降水的时间、强度和落区。对比发现,Thompson微物理方案的组合对于降水量级的模拟更为敏感,能较合理的描述暴雨发生发展过程中的水汽输送、热力和动力条件,并通过影响雨水混合比和云水混合比的高度和大小从而影响降水。其中Thompson微物理方案和Tied Tke积云方案的组合能较好的模拟出本次暴雨过程的特征,与实测最为接近,该组合模拟的最大垂直速度和反射率区与最大云水混合比对应。另外,积云方案和微物理方案的选择不影响水汽混合比的模拟。     

基于不同参数化方案的一次梅雨锋暴雨过程的集合预报试验

针对WRF模式中各非绝热物理过程,选用不同的参数化方案,对2009年6月29—30日一次梅雨锋暴雨过程做24 h降水预报的敏感性试验,并组成18个成员做物理集合预报,分析了实况与模拟的24 h降水量及其TS评分和离散度。结果表明,WRF模式的物理集合预报可成功模拟出3个暴雨中心的位置及强度;选用Lin et al微物理方案、MRF行星边界层方案和Betts-Miller-Janjic积云对流方案对湖北省西南部地区暴雨中心的位置及强度的模拟最好;3个暴雨中心均对应于离散度的大值中心,在降水较强时段其离散度也较大;不同集合成员在某时段预报的降水量可较好体现该时段的降水概率,而由物理集合预报得到的逐时降水量则可为定时降水预报提供依据。     

不同对流参数化方案对1991年江淮暴雨的模拟对比

采用最新发布的区域气候模式RegCM3．1,分别引入Grell-AS、Grell-FC、Kuo和MIT-Emanuel 4种积云对流参数化方案,对1991年5～7月江淮地区暴雨进行模拟试验。从各月降水量的模拟来看,Grell—AS方案较好地模拟出了江淮暴雨的强度,尤其是对7月降水的强度和位置的模拟与观测非常接近;Grell—FC方案能较好地反映7月江淮暴雨的强度和位置,但对华南地区降水模拟一直显著偏强;Kuo方案能模拟大尺度降水的情况,但对强对流性降水模拟偏弱;MIT-Emanuel方案较好地反映了5月降水的空间形势,但各月降水的模拟都比观测强。从各区月平均降水的对比发现,Grell-AS和Kuo方案的模拟要优于Grell-FC和MIT-Emanuel方案。从降水的南北变动来看,Grell-AS方案较好地刻画了江淮地区雨带的强度和南北变动。高低空环流形势和整层水汽通量的分析表明,造成MIT-Emanuel方案降水模拟偏强的主要原因与水汽输送偏强有关。对4种积云对流参数化方案进行集合,其结果表明,物理过程集合方法能有效地减小物理过程参数化的不确定性对模拟结果的影响。     

不同物理过程组合对台风“尼格”的降水预报试验

以2011年第19号台风"尼格"造成的海南岛强降水为研究对象,选取WRF3.0版本中多种不同积云参数化、微物理过程,边界层和陆面过程方案等多种组合进行敏感试验,采用TS和RMS评分检验,通过分析得到结论:积云对流化参数方案的选择对于海南岛的降水模拟影响最敏感,当积云参数化方案固定时与其他各种方案组合,选取WS3,WS5,WS6微物理过程方案时,相对效果较好,陆面过程和边界层方案的选取对降水模拟效果的影响相对较小。     

多普勒雷达资料同化在福建地区暴雨过程中的模拟试验

利用中尺度模式WRFV3.5,对福建地区的一次暴雨过程进行了模式参数化方案模拟效果的敏感性试验,并同化了多普勒雷达资料进行了模拟研究。结果表明,WSM5微物理方案与BMJ积云对流方案的组合模拟大雨和暴雨量级降水的TS评分可达0.29,模拟效果优于其他各种组合。在此基础上,采用WRFV3.5三维变分系统,直接同化多普勒雷达资料,并和登陆台风的外围暴雨过程的控制试验比较,结果表明,仅同化反射率资料使得暴雨落区会向南调整,更接近于实况(TS评分提高了0.12),而仅同化径向风资料使得模拟的降水强度更趋近于实况(TS评分提高了0.13);同时同化反射率和径向风资料,使得暴雨落区及其强度的模拟最接近于实况(TS评分从0.12提高到0.28);敏感性试验的对比结果以时间间隔为3 h时模拟效果最优,6 h间隔次之。因此,合理同化雷达资料会显著改进福建登陆台风的降水模拟效果。     

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.     

基于MET检验的青海大范围降水个例参数化方案优选

利用WRF模式不同积云对流和微物理过程参数化方案对2015年8月1—3日青海省大范围降水过程进行了模拟,并利用MET(数值模式评估系统)对本次模拟结果进行了检验,结果表明:(1)此次过程,模式存在"早报"现象,尽管大部分方案预报降水量均偏多,但从降水过程中心位置和强度来看,BMJ(积云对流)/Thompson(微物理)组合方案模拟效果较为理想,Grell/WSM5和KF/Kessler次之;Grell/WSM5从降水极值点的空间分布特征和降水量级上模拟结果较为理想。(2)就空报率和漏报率的空间分布而言,空报率远高于漏报率,空报率高值区主要分布在玉树南部和海西东北部,模式对玉树地区的预报存在较大的误差。(3)用SEDS(对称极值依赖评分)评估极端降水,Grell/WSM5对极端降水的预报效果较好。(4)主观判断降水空间分布特征无法量化预报的质量,且单一的评分指数因侧重点不同无法综合评价模式的预报能力,故选用8种评分或指标进行定量评估,其结果表明,WSM5方案(微物理)的R(相关系数)较大且RMSE(均方根误差)较小,Grell/WSM5对此次降水预报效果最好,Grell/Kessler次之。综合来看,对此次降水个例Grell/WSM5组合方案为最优组合方案,参数化方案的优选有利于客观把握模式的预报能力与预报技巧,有利于提高区域数值模式在青海高原的适用性。     

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.     

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。      

中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性研究

利用PσRCM9区域气候模式, 分析了中国夏季不同强度降水模拟对不同积云对流参数化方案的敏感性。结果表明, 采用四种积云对流参数化方案, 模式能够模拟出小雨、 大雨和暴雨的雨量百分比和雨日百分比空间分布的一致性特征, 但不能模拟出中雨雨量百分比和雨日百分比空间分布的相似性, 这是由于模式不能模拟中雨雨量百分比的空间分布形式所致。还发现模拟的我国夏季降水以小雨和中雨为主, 四种积云对流参数化方案均低估了中国夏季大雨和暴雨对总降水的贡献, 尤其是在我国西部、 东北和华北地区更明显。不同积云对流参数化方案下模拟的极端强降水阈值的空间分布形式基本与观测一致, 但强度与观测存在较大差异。相比较而言, Grell方案较Kuo、 Anthes-Kuo和Betts-Mille积云对流参数化方案更适合中国东南部地区夏季极端强降水的模拟。     

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。     

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5(V3.6),选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4-5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析.研究结果表明:(1) 具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案.(2) 梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化.雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1-2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用.(3) 除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500-700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速(剧)云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子.     

不同云微物理方案对“7.21”特大暴雨模拟的对比试验

利用中尺度数值模式WRF v3.5.1中的17种不同云微物理过程参数化方案,对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程进行了对比试验。模拟结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水的模拟效果各有优势。NSSL 1-momlfo方案对中雨和大暴雨两个等级降水的模拟效果最好,降水中心值最接近实况;Eta(Ferrier)和Kessler方案分别对大雨和暴雨等级降水的模拟效果最好。总体上,能够较好地模拟出本次特大暴雨过程的方案依次为:NSSL 1-mom、NSSL 1-momlfo和Milbrandt 2-mom方案,而WDM6方案的模拟效果最差。云中水成物演变特征表明,模拟较好的方案中液态水、云冰和霰的含量较多,且随时间演变与地面降水强度的变化相一致。另外,模拟较好的方案中冰相粒子多,过冷水的范围大、含量高,有利于各相态粒子相互转化,促进冰相过程发展,致使降水量增多。     

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。     

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。