一次特大暴雨(雪)天气过程的微物理模拟

利用非静力中尺度模式MM5(V3.7)模拟了2007年3月3-5日发生在辽宁地区的一次特大暴雨(雪)天气过程.分析在相同的天气形势背景下,不同降水类型中心各种水成物的相态分布特点,重点对各种水成物的源项进行详细分析.结果表明:雨水碰并雪成雨是雨水产生的主要云微物理过程,雪、霰和云水的碰并对雨水的形成起着非常重要的作用,...     

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。      

北京一次短时局地大暴雨过程的特征及对云物理方案的敏感性数值模拟试验

云物理过程是云和降水形成的重要环节。本文针对2011年6月23日发生在北京地区的一次大暴雨过程进行了云降水与天气特征分析,并开展了WRF模式中10种不同云微物理方案对此次暴雨强度、落区和发生时间的敏感性数值模拟试验。研究结果表明,此次大暴雨是由多单体组织、合并形成深厚的中尺度对流系统,并具有明显的短时局地特征和有利的高低空、高低纬度大中尺度天气环流形势及强烈的水汽输送条件。暴雨强度、落区和发生时间的数值模拟结果对云物理方案非常敏感。不同云物理方案对累积降水量≥50 mm和≥100 mm的暴雨模拟的ETS评分显示,只有Thompson方案对此暴雨量级的评分均为正,其他方案的ETS评分均不理想,特别是对累积降水量≥100 mm的大暴雨模拟。在小时暴雨强度和发生时间方面,Thompson方案模拟效果也较好,其次是Lin方案和WSM6方案;对区域累积最大降水量和落区的模拟方面,Thompson方案和Morrison方案模拟的最大累积降水量更接近观测值,但在落区方面,一些具有完整云物理过程的单参数方案（Lin方案、WSM6方案）模拟效果较好,但模拟的最大降水量偏小。针对暖雨的双参数方案WDM6对区域平均降水模拟较好,但对暴雨极端降水模拟较差。对造成差异的原因分析表明,不同云物理方案的差异主要体现在雪和霰的参数化方面,由于采用的粒子谱分布、密度和末速度不同,导致云中粒子间的碰并和形成过程不同,大部分云物理方案模拟的霰含量高,雪含量低。这种云微物理过程的差异会导致云动力过程的反馈作用出现明显不同,但这种反馈作用的差异主要体现在降水粒子对上升气流的拖曳作用不同。尽管云中相变潜热过程对云动力过程具有很重要的影响,但不同云物理方案在相变潜热过程和温度廓线分布方面造成的差异并不明显。因此,云物理方案中考虑合理的粒子谱分布、形态和密度变化,有利于提高暴雨的模拟效果。     

太行山迎风坡降水云微物理结构数值模拟分析

利用MM5模式对太行山迎风坡暴雨过程进行了数值模拟,分析了太行山迎风坡降水的微物理结构特征及山脉对降水的影响。结果表明,降水过程既有太行山地形作用造成的暖云降水又包含汽、水、冰混合的冷云降水,当冰相粒子与液态水的中心上下接近垂直时,1 h降水量最大;地形对于降水增幅作用较大,低层东风遇太行山阻挡辐合抬升形成地形雨;地形造成的弱垂直运动将影响高层上升强度,进而改变水汽分布,并通过微物理过程使得水汽发生相变,该个例中垂直上升运动使得雪和霰相粒子迅速增长,从而导致雨滴增大并克服重力作用下降,在下落过程中捕获低层地形云中水滴变成更大雨滴降落;而在上升过程中水汽凝结释放潜热,对物理量场有一个反馈作用。     

基于多源观测资料对张家口一次雨雪天气降水相态特征的分析

利用ERA5再分析资料及云雷达、微波辐射计和SA双偏振多普勒雷达等多源观测资料,分析2020年11月17—19日张家口地区一次雨雪天气的降水相态演变特征。结果表明:在高空低槽、中低层低涡与地面倒槽配合下,高空槽后西北气流引导冷空气南下造成气温迅速下降,导致降水相态变化。过程前期整层大气均为强暖平流,且地面气温较高,降水相态为雨。18日傍晚冷平流发展强烈,各层温度迅速降低,整层变为冷层,导致降水相态转换为雪。散度和垂直速度的诊断表明降雨时段的动力强迫主要位于高层,降雪时段则主要位于低层。云雷达高分辨率资料可以反映0℃层变化,大于10 dBZ的质心变化可以指示降水强度变化,降雨时的基本速度最大可达6~8 m·s^(-1),而降雪时则小于2 m·s^(-1)。微波辐射计高分辨率时空资料可以准确判断雨雪转换时间,降水开始之前3~5 h积分水汽含量出现跃升与峰值。双偏振雷达和微波辐射计结合可以对降水粒子相态实现准确判断,可用于降水相态转换的临近预报。     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(Ⅱ):人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7～8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验,研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响.进行了不同剂量和不同高度的催化试验,详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化.结果表明:累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区.催化后累积降雪中心雪量增加,增雪区周围出现分散的减雪区.过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件.加人人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水,冰晶和雪的量值均有所增加,雪碰并冰晶过程、冰品转化过程、凝华过程是雪增长的主要过程,相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强.这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变,周围的上升运动减弱,雪的含量减少,产生了减雪区.     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(II)： 人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7~8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验, 研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响。进行了不同剂量和不同高度的催化试验, 详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化。结果表明： 累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区, 催化后累积降雪中心雪量增加, 增雪区周围出现分散的减雪区。过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件。加入人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水, 冰晶和雪的量值均有所增加, 雪碰并冰晶过程、 冰晶转化过程、 凝华过程是雪增长的主要过程, 相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强。这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变, 周围的上升运动减弱, 雪的含量减少, 产生了减雪区。     

影响云和降水的动力、热力与微物理因素的研究概述

由于云和降水的发生、发展是大气动力、热力过程与云中微物理过程相结合的产物，因而受到这些过程的共同制约和影响。为了更加详细地了解影响云和降水的动力、热力与微物理因素，分别从3个方面概要性地进行了阐述。（1）动力作用对云和降水发展的影响：主要讨论了风切变、天气系统抬升、地形动力作用和湍流的作用等因素的作用。（2）影响云和降水发展的热力因素：分别对热力扰动、潜热的作用、辐射作用等做了分析。（3）微物理过程对云和降水发展的影响：主要从微物理过程对动力热力过程的影响、带电过程对云降水粒子的影响、以及微物理过程对云降水影响的相对重要性等方面进行讨论。并在最后扼要地指出了在研究云和降水问题时，将动力、热力过程和微物理过程结合起来研究的必要性。     

2011年初湖南暴雪过程的成因和数值模拟分析

利用多种观测资料及NCEP再分析资料,对2011年1月1720日湖南一次大范围暴雪过程进行了诊断分析,并使用WRF模式对其云微物理特征及降水相态转换机制进行数值模拟,旨在探讨本次强雨雪过程降水相态变化和暴雪形成及其发展成因。结果表明：乌拉尔山前部南下的冷空气与来自孟加拉湾及南海的暖湿气流在湖南长时间交汇产生锋生强迫,在静止锋区上界形成强辐合上升运动,是湖南大范围暴雪天气持续的主要原因;强烈的上升运动和持续的水汽辐合为本次暴雪过程提供了动力、水汽条件,“冷空气楔”上爬升的暖湿气流维持时间较长,是持续性大范围暴雪产生的重要热力条件;WRF模式能较好地模拟降雪量级及强降雪落区。雪粒子的产生和发展不仅与液水比含量大小有关,还与其上空冰晶的含量及分布密切相关,雪的凝华增长、冰晶向雪的自动转化和雨水与雪碰并成雪可能是本次降雪发生、发展最主要的物理过程,冰雪粒子大值中心及强上升运动区对预报强降雪带位置有较好的指示作用。     

大气冰核浓度对对流云降水过程影响的数值模拟

在已有的三维对流云模式的基础上新植入了同质冻结和异质核化方案,结合一次山地雷暴个例,通过敏感性试验来探讨大气冰核浓度对对流云微物理过程和降水的影响。模拟结果表明:①冰核浓度的改变会对对流云的动力场及各水成物粒子产生明显作用。增加冰核浓度,冰相粒子的数浓度随之增加;同时,凝华过程中释放大量潜热导致云中上升气流增强。由于水汽含量一定,各水成物粒子"争夺"水汽,使得云滴、冰晶和霰的增长均受到抑制,难以成为较大尺寸的降水粒子。②冰核浓度的增加,"贝吉龙效应"导致云滴的尺度减小,削弱了云-雨转化过程。雨滴、云滴混合比的减小抑制了雨滴对云滴的收集。同时,小尺度的霰粒子削弱了霰融化为雨滴的物理过程,最终导致地面累积降雨量降低。