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。     

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。     

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(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.     

GRAPES_GFS不同湿物理过程对云降水预报性能的诊断与评估

积云对流和云微物理是数值天气预报模式中最为重要的两类湿物理过程,它们共同影响云和降水的预报性能。通过采用CMAP降水资料和MODIS、MLS及Cloud Sat卫星云观测资料对全球中期数值预报模式GRAPES_GFS中这两类湿物理过程参数化方案的不同组合所预报的降水场和云宏微观场进行诊断和评估,以揭示其对云和降水的预报性能。结果表明:(1)云微物理方案是中高纬度地区总降水预报差异的主因,三种云微物理方案预报的降水强度为SINCEP3NCEP5。赤道及低纬地区降水差异主要是由积云对流方案引起的,KF_SI组合与CMAP降水最为一致。(2)SI方案和NCEP3方案在中纬度地区格点降水要显著多于混合相云NCEP5方案;与SAS方案和KF方案相比,BM方案使与其组合的云方案产生的格点降水明显偏少。(3)BM方案产生的对流降水要明显多于SAS方案和KF方案,中高纬地区SAS方案和KF方案预报的对流降水基本一致,在低纬地区SAS方案对流降水最少。(4)NCEP5方案预报的云顶温度与MODIS观测吻合较好,NCEP3方案和SI方案预报的云顶温度要较实况偏暖。三种对流方案预报的云顶温度冷暖关系为SASBMKF,BM和KF预报的云顶温度与实况较为接近。(5)NCEP5方案预报的积分云水与卫星观测最为接近,两种简冰方案显著偏少,尤以SI方案偏少最多。SAS和KF方案能较好的预报积分云水的空间分布,但其量值较观测偏大,BM方案预报的积分云水在低纬度地区偏少明显。(6)所有方案组合预报的卷云较MLS卫星观测显著偏少,混合相云方案对卷云预报较简冰方案具有一定优势,BM方案偏少最显著。(7)全球平均而言,KF对流方案和NCEP5云微物理方案对GRAPES_GFS的云和降水预报性能较其他降水物理方案具有一定优势。     

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.     

巨核对暖云降水影响的模拟研究

利用耦合了新的暖云参数化方案的中尺度模式(MM5),研究了暖云降水中巨核的作用.在这个暖云方案里,先假定一个三模态的气溶胶正态对数分布,然后考虑对流、扩散、云滴和雨滴的核化(非核化)过程,再由气溶胶质量的预报量显式地计算出气溶胶的数浓度.选择了华北地区2005年6月25～26日的一次弱冷锋过程,并以此研究了巨核对云和降...     

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。     

亚洲地区云量参数化的对比试验及云的影响

本文首先分析了亚洲地区气候云量及相对湿度的分布事实。然后,利用一有限区域模式,1979年FGGE资料和我们综合的实测云量资料等,对选用或修改了的6种云量诊断方案,就1979年冬、春及夏季的4次个例进行了对比试验。最后还针对四川‘81.7’特大暴雨个例,按有无云两种方案,作了48小时预报试验。结果表明,在6种云量诊断方案中,以考虑了亚洲地区特点的ECMWF修正方案和气候云量修正方案对云区及云量的诊断效果最好。另外,云的影响对大范围短期预报虽不重要;但可对局部地区的短期天气变化有一定影响。即模式云量增加后对流层中低层温度升高,抑制陆上对流发展,预报的降水量减少。     

不同云微物理参数化方案对舟曲"8.8"暴雨过程模拟的影响

利用NCEP 每6h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用Kessler 方案、Lin 方案和Morrison 双参数方案等3 种云微物理参数化方案,对2010 年舟曲"8.8"特大暴雨天气进行了数值模拟试验,以分析不同参数化方案对降水特征、物理量特征和云微物理特征模拟的影响.结果表明,此次暴雨过...     

EVALUATION OF CONVECTIVE-STRATIFORM RAINFALL SEPARATION SCHEMES BY PRECIPITATION AND CLOUD STATISTICS

In this study,two convective-stratiform rainfall partitioning schemes are evaluated using precipitation and cloud statistics for different rainfall types categorized by applying surface rainfall equation on grid-scale data from a two-dimensional cloud-resolving model simulation.One scheme is based on surface rainfall intensity whereas the other is based on cloud content information.The model is largely forced by the large-scale vertical velocity derived from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment(TOGA COARE).The results reveal that over 40% of convective rainfall is associated with water vapor divergence,which primarily comes from the rainfall type with local atmospheric drying and water hydrometeor loss/convergence,caused by precipitation and evaporation of rain.More than 40% of stratiform rainfall is related to water vapor convergence,which largely comes from the rainfall type with local atmospheric moistening and hydrometeor loss/convergence attributable to water clouds through precipitation and the evaporation of rain and ice clouds through the conversion from ice hydrometeor to water hydrometeor.This implies that the separation methods based on surface rainfall and cloud content may not clearly separate convective and stratiform rainfall.     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF CLOUD INTERACTION AND FORMATION MECHANISM OF HEAVY RAIN IN MIXED CONVECTIVE-STRATIFORM CLOUD

Using the numerical model of mixed convective-stratiform clouds(MCS)in the paper(Hong1997)and the averaged stratification of torrential rain processes,the evolution processes,interaction of the two kinds of clouds,structure and the precipitation features in the MCS toproduce heavy rain are simulated and studied,and the physical reasons of producing torrential rainare analysed.The results indicate that the stratiform cloud surrounding the convective cloudbecomes weakened and dissipates in the developing and enhancing of the convective cloud,and therainfall rate and water content in the stratiform cloud increase as the distance from the convectivecloud becomes larger.The numerical experiments find out that the stratiform cloud provides abenificial developing environment for the convective cloud,i.e.,the saturated environment and theconvergence field in the stratiform cloud help to lengthen the life cycle of the convective cloud,produce sustained rainfall with high intensity and intermittent precipitation with ultra-highintensity.These and the ice phase microphysical processes are the main factors for the torrentialrain formation and the MCS is a very effective precipitation system.     

MIXED-PHASE STRATIFORM CLOUD SYSTEM MODEL AND CASE MODELING ON TWO LOW-LEVEL MESOSCALE VORTICES

We introduced the two-parameter stratiform cloud model of Hu and Yan (1986) into the mesoscale model of Anthes et al.(1987),and reprogramed the latter,then constructed a three-dimensional stratiform cloud system model which includes three phases of water and detailed cloud physical processes.For the stability and accuracy of calculation in a larger time step,we accepted a set of hybrid-schemes for all and the time split scheme for some of the cloud physical processes,and proposed a parameterized method which calculates different types of phase change processes simultaneously,and designed the falling schemes of particles following the Lagrangian method.We used a dry model,a cumulus parameterization model,a two-phase explicit scheme model,and the model presented here to simulate two low-level mesoscale vortices,compared and analysed the simulating capability of these models.The results show that in simulation of the circulation structure of meso-vortex,the structure of cloud system,and surface precipitation,the model presented here is more reasonable and closer to the observations than other models.     

变步长显式完全平方守恒差分格式

综合隐式完全平方守恒差分格式和显式瞬时平方守恒差分格式的优点，针对一类非线性发展方程构造了一种通过自动调节时间步长来保持平方守恒性的显式差分格式。它基于加小耗散的思想，但又与小耗散法有所不同。本文取的耗散项不是一般的人工耗散，而是取能够弥补由于时间离散所产生的截断误差的所谓（时间）协调耗散。因此，该格式具有较高的时间精度。在数值试验中，该类格式可取得满意的效果。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

EFFECTS OF STRATIFORM CLOUD ON THE DEVELOPMENT OF CUMULUS CLOUD AND ITS PRECIPITATION

Based on the two-dimensional slab-symmetric model of cumulus clouds established by the authors,thedevelopment of the cumulus cloud and its precipitation in environments with and without the stratiform cloudpresent has been simulated numerically in almost the same atmospheric stratification.Results show that thepresence of the stratiform cloud has a significant effect on the development of the cumulus cloud and theincreae of its precipitation.The rainfall may increase by scveral to tens of times.It is believed that theconvective-stratiform mixed cloud system may be important for producing heavy to torrential rain.This isin good agreement with what has been observed in the Meiyu frontal cloud system in recent investigations