GRAPES模式不同云物理方案对短期气候模拟的影响

在胡志晋、刘奇俊云物理方案的基础上，研制了GRAPES模式的云降水显式方案。用不同云物理方案开展了短期气候（月尺度）过程的模拟试验，并与地面观测资料和NECP再分析资料进行了对比分析。模拟的结果表明，耦合了云降水显式方案的GRAPES模式较好地模拟出了中国地区降水、温度、云量、长短波辐射的特点和分布规律。气候模拟中冰相过程和暖云过程模拟的降水、温度、云量和辐射差异较大，不同相态的水凝物及其分布对辐射特征有较大的影响，混合相云物理方案的模拟结果与实况更为吻合，应使用混合相云物理方案进行短期气候的模拟。     

"99.6"梅雨锋暴雨云和降水物理过程的中尺度数值模拟

用MM5(V2)中尺度非静力数值模式对长江中下游地区的梅雨锋降水的云和降水进行模拟研究。对于可分辨尺度的降水，采用Reisner霸显式方案；对云内微物理过程特别是对各种水成物的源汇项进行了详细分析，以期深入了解梅雨锋云系内部的云物理过程。     

显式云物理方案的研究进展

回顾了近年来显式云物理方案的研究进展。显式云方案主要有体积水方法和详细微物理方法(分档法)。体积水方法有单参数和双参数两种谱描述方法,根据模式预报变量和物理过程的不同,可以分为暖云方案、简单冰相方案和复杂冰相方案。详细的微物理方法由于预报变量繁多、计算量巨大而一般多应用于研究工作。不同的模式,有不同的显式云方案,并不是粒子分类越复杂模拟效果就越好,需要根据研究的重点、计算资源的许可选择使用不同的物理方案。物理过程参数化需要建立在理论和实验研究的基础上,因此应加强这方面的理论和实验研究,使物理参数化具有更坚实的物理基础。     

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点.中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点.对流云模式都采用显式过程,但不同模式的湿过程有一定的差别,有各自的微物理特点,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析.     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟（Ⅱ）暴雨和云的模拟

在HLAFS业务数值预报模式的动力框架下，利用文章(I)所述的显式云降水方案，对一次暴雨过程和伴随着的云物理过程进行了模拟研究和分析。模拟结果表明，显式方案对降水落区和强降水中心位置的预报较原HLAFS的大尺度饱和凝结方案有明显改进。模式能合理地揭示出暴雨发生、发展过程中的云系演变规律和云物理过程。冰相过程对降水、中尺度热力和动力场有明显影响，特别是冰相过程有利于降水的早期的形成速率。与卫星TBB资料的对比分析表明，引进显式方案后，模式能较合理地模拟出云系的轮廓、位置、范围、强度、生消和移向，模式模拟出的云顶温度与卫星测量出的云顶温度较为一致。     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中, 显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程,特别是对云降水过程的模拟能力.详细介绍了这三套云降水方案的物理过程,以及与动力框架的耦合.     

一个简化的混合相云降水显式方案

该文提出一个新的混合相云降水显式方案,它预报2个云物理量,即云水（冷区为过冷云水）和降水（冷区为冰雪,暖区为雨）,考虑了7种云物理过程。文中给出了详细的方程组,可以作为一个子程序供大、中尺度天气模式使用。该方案还与详细微物理显式方案和暖云方案作了实例模拟比较。     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(II)暴雨和云的模拟

在HLAFS业务数值预报模式的动力框架下,利用文章(I)所述的显式云降水方案,对一次暴雨过程和伴随着的云物蓝砸淮伪?雨过程和伴随着的云物泪果表明,显式方案对降水落区和强降水中心位置的预报较原HLAFS的大尺度饱和凝结方案有明显改进.模式能合理地揭示出暴雨发生、发展过程中的云系演变规律和云物理过程.冰相过程对降水、中尺度热力和动力场有明显影响,特别是冰相过程有利于降水的早期的形成速率.与卫星TBB资料的对比分析表明,引进显式方案后,模式能较合理地模拟出云系的轮廓、位置、范围、强度、生消和移向,模式模拟出的云顶温度与卫星测量出的云顶温度较为一致.     

1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。     

"98.5"华南前汛期暴雨云微物理场数值模拟分析

为了进一步理解暴雨发生过程中云微物理场的演变和云微物理过程与动力、热力过程的相互作用,利用非静力中尺度数值模式MM5对1998年5月23~24日的华南暴雨过程进行了模拟,并详细分析了模拟结果。分析结果表明:利用混合冰相显式物理方案比其它方案模拟的降水更接近实际情况;云微物理场的模拟显示没有雪出现,这可能是华南降水云微物理的特点;每小时降水量有先减弱后又增强的趋势,暴雨过程中云的各微物理量的变化趋势与其一致;云的发展与良好的热力动力条件互相作用、共同加强,由南风带来的充足的水汽和热量为其发展提供前提条件,凝结潜热使上升运动向更高处伸展。     

MM5模式显式微物理方案的对比分析

介绍了MM5中的显式云物理方案，详细分析了Goddard,Reisner和Schultz方案的物理过程特点和存在的不足。这些云物理方案的多个微物理过程的描述不是很合理，对粒子的自动转化过程都采用阚值，且对雪、霰和雨的数浓度只进行诊断计算。Reisner方案的物理过程相对全面，预报量也较多，但仍存在一定的不足。通过对1992年Andrew台风个例的模拟，发现尽管Reisner方案的物理过程比Goddard和Schultz方案全面，但模拟的台风眼最低气压和地面最大风速并没有优势。所以单一物理过程描述的改善不一定立即带来模式预报成效的提高，因为预报能力取决于整个模式系统的科技水平以及各子程序之间的匹配。     

河南省春季一次层状云降水云系结构和降水机制的数值模拟

利用PSU/NCAR的MM5中的双参数显式云物理方案,模拟了2007年河南省春季一次层状云降水过程,模拟结果显示,降雨主要落区和强度与观测一致.24 h降雨预报的TS评分较高.模式输出的雷达反射率与郑州站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带.在成功降水模拟的基础上,分析了云系不同部位结构特征和粒子质量通量分布,发现雨水的形成在不同部位依靠不同的过程.郑州站云的垂直结构和降水微物理过程研究表明,降水机制符合"播种一供给"机制,降水形成主要依靠雪的融化和暖云微物理过程,暖云对整层降水起主要作用,暖云微物理过程是形成降水的更有效方式.     

西北地区一次层状云降水云物理结构和云微物理过程的数值模拟研究

利用MM5中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟结果显示对小雨的预报评分较高,对中雨以上评分低而且位置有一定偏差,即对层状云降水模拟效果较好。模式中增加了雷达反射率的计算,与延安站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在0℃层亮带。采用三层模型解释模拟的层状云降水形成机制和过程:第一层为冰晶区,无过冷水;第二层存在过冷水,为各种冰相粒子增长区,第一层和第二层的分界不固定;第三层和第二层的分界在0℃,为暖云。第一层对第二层播种冰晶,第二层为第一层播种下的冰晶供给过冷水,使冰晶快速增长;第二层对第三层播种雪和霰,使其在第三层融化成雨,第三层同时消耗云水。模拟给出了三层模型层状云场的空间结构,延安站不同时刻微物理量垂直分布和各种水凝物粒子的生成源项分析揭示了三层模型降水形成机制和主要微物理过程。三层模型可以完整和全面地解释层状云降水形成机制和过程。     

祁连山云系云微物理结构和人工增雨催化个例模拟研究

改进了胡志晋、刘奇俊的云物理方案,并实现了与GRAPES模式的耦合;利用包括了新云物理方案的GRAPES模式对祁连山地区一次山区云降水过程进行了数值模拟,研究了祁连山地区云系的微物理结构,并开展了人工催化的数值试验研究。结果表明：（1）耦合的双参数方案能够较好的模拟此次降水范围、强度及云场分布的特点和规律;（2）新方案给出了祁连山云系的合理微观结构和它的特征;（3）播撒冰晶可以增加降雨,在云初始阶段播撒增雨范围较广,在云发展阶段播撒增雨范围较集中;（4）播撒冰晶后,云的动力结构发生了改变。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(I):模式云物理方案和地形云结构

对三维非静力中尺度模式ARPS的云降水微物理方案进行了改进,利用改进后的ARPS模式模拟了祁连山地区夏季的两个地形云个例,通过对各自模拟结果的对比分析并结合实况资料研究了夏季祁连山地区地形云的发展状况、动力场特征、降水特征以及云微物理结构特征。研究结果表明,地形云的发展受地形影响很大,地形的抬升促进了云和降水的发展,地形的作用也改变了地面降水特征,使云的宏、微观物理结构发生较大变化。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(Ⅰ): 模式云物理方案和地形云结构

对三维非静力中尺度模式ARPS的云降水微物理方案进行了改进, 利用改进后的ARPS模式模拟了祁连山地区夏季的两个地形云个例, 通过对各自模拟结果的对比分析并结合实况资料研究了夏季祁连山地区地形云的发展状况、动力场特征、降水特征以及云微物理结构特征.研究结果表明, 地形云的发展受地形影响很大, 地形的抬升促进了云和降水的发展, 地形的作用也改变了地面降水特征, 使云的宏、 微观物理结构发生较大变化.     

双参数云物理方案中谱形参数作用分析和数值模拟试验

云物理参数化方案中,各种粒子通常采用Г谱分布函数n(D)=N0Dαexp(-λD)。双参数方案中谱参数截距N0和斜率λ通过预报给出,谱形参数α设为固定值。为了讨论谱形参数的作用,理论上分析了谱形参数取值对沉降过程和微物理源汇项的影响。利用MM5模式中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟针对雨滴谱的谱形参数rα不同取值分别做了试验。模拟结果基本符合理论分析,谱形参数rα变化时模拟出的地面降水和云的宏微观特征有差异。     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

一次梅雨锋上MCS云微物理过程及降水形成机制

选取2004年6月23日一次梅雨锋MCS暴雨过程,在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5(V3.6)进行了数值模拟.对于可分辨尺度的降水,采用Reisner霰显式方案,对云内微物理过程特别是对各种水成物的源项进行了详细分析.结果表明:冷云过程是此次降水的主要云物理过程.云中以霰和雪为主要的降水元,尤其霰的作用最大.在强降水时段,雨水的主要源项都与霰有关,霰的生长过程中冰相粒子与过冷水的碰并以及霰的凝华过程最为重要.零度层上方存在着丰富的过冷水,最大的云水含量中心也在过冷层中.在过冷层中冰相粒子主要通过凝华过程和碰并过程增长,MCS发展强盛期冰晶与过冷水的碰并增长要大于液水的蒸凝过程的增长.最后给出了本次梅雨锋上MCS降水云系的三层云结构及微物理过程模型.     

各种非绝热物理过程在中尺度模式中的作用

随着中尺度模式水平分辨率的不断提高,考虑加入尽可能合理的各种非绝热物理过程极为重要。如积云参数化需包括湿下沉气流、中上层的云卷出和非降水性浅对流。显式云物理方案需同时加入含有水相和冰相的预报方程,以计入水负荷、凝结蒸发、冻结融化和凝华升华的影响。本文首先从实测角度介绍上述物理过程在产生中β尺度环流结构的作用,然后通过一些敏感性数值试验来阐述它们如何帮助成功模拟不同的中尺度对流系统。这些物理过程的相对作用取决于网格距大小或可分辨尺度垂直运动的强度。当网格距在20～50 km之间,本文特别强调积云参数化和显式云物理方案的同时使用。最后对各种非绝热物理过程的耦合以及中尺度模式的局限性作了适当讨论。