湿地边界层通量影响热带气旋登陆维持和降水的数值试验

用MM5v3模式及其TC Bogus方案对台风Nina(7503)在中国大陆上的维持加强过程进行模拟,并通过各种敏感性试验,研究了饱和湿地对热带气旋在大陆上维持和降水的影响。结果表明:湿地边界层内各通量对登陆热带气旋的强度、结构及其降水具有明显影响。潜热通量和感热通量均有利于热带气旋的维持和加强,其中潜热输送的作用显著,感热输送的作用较小。潜热和感热通量有利于热带气旋雨带螺旋结构的维持,对台风降水分布有明显影响,动量通量对热带气旋风场有显著的削弱作用,是其能量耗散、低压填塞的主要原因,但对台风降水具有局地增幅作用。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(II):云微物理过程和地形影响

本文是祁连山夏季地形云结构和微物理过程模拟的第II部分。文中利用第I部分中祁连山夏季两个地形云降水个例的模拟结果,详细分析了地形云及其降水发展期间云微物理过程的特征及变化,并通过与平坦地面条件下模拟结果的对比,研究了云发展过程中的地形影响。研究表明,地形云中微物理过程的发展受地形影响很大,冰相微物理过程明显增强;地形影响下云的主要降水机制也受到影响甚至被改变。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(Ⅱ): 云微物理过程和地形影响

本文是祁连山夏季地形云结构和微物理过程模拟的第Ⅱ部分.文中利用第I部分中祁连山夏季两个地形云降水个例的模拟结果, 详细分析了地形云及其降水发展期间云微物理过程的特征及变化, 并通过与平坦地面条件下模拟结果的对比, 研究了云发展过程中的地形影响.研究表明, 地形云中微物理过程的发展受地形影响很大, 冰相微物理过程明显增强;地形影响下云的主要降水机制也受到影响甚至被改变.     

凝结潜热加热对台风降水分布的影响

本文计算7504号台风大尺度稳定性降水和积云对流降水所产生的凝结潜热加热作用,讨论它们对登陆台风降水强度和分布的影响。发现凝结潜热加热对台风的结构和降水起很重要的作用,是影响台风降水的最重要的物理过程,由此引起的垂直运动基本上决定了整个垂直运动场的分布,与实际降水分布配合甚好。其中,大尺度稳定性降水决定了台风降水的范围与分布,但在台风暴雨区,降水强度不够,这些地区,由于存在明显的辐合上升运动,对流活动活跃,对流性降水加热显著,对该区降水起了补充和加强作用。     

华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究

针对2005年7月22日的发生于华北的暴雨中尺度对流系统,在用中尺度ARPS模式数值模拟和分析云场、动力场以及微物理过程释放的潜热垂直分布和作用特征的基础上,通过改变主要微物理过程潜热做敏感性数值试验,研究和分析了潜热对云系发展演变、云系宏观动力场、水汽场、云场和降水的影响,总结出云暖区潜热的影响途径。结果表明,在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。不同物理过程潜热加热的云层高度不同:高层起加热作用的主要为水汽凝结、云冰初生和雪凝华增长、霰撞冻云水过程;中层起加热/冷却作用的主要为水汽凝结、霰/雹融化过程;低层雨水的蒸发过程起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水。忽略霰/雹融化潜热,相当于增加云系暖区潜热,促进了低层气旋性环流的形成,增强了低层动力场的辐合,使得低层辐合区增多、增强;中低层水汽通量辐合区增多、面积扩大,明显地促进了对流云系的发展,增大了含水量和覆盖范围,云系的降水量显著增加,强降水区覆盖范围扩大。即使减少20%的凝结潜热,云系的发展也受到极大抑制,没有气旋性环流生成,低层辐合区缩小、强度降低,水汽通量辐合区也同样缩小、强度降低,云系对流发展减弱、含水量降低,因此,降水量大为减小,降水范围也显著缩小。此外,微物理过程潜热还影响到此次中尺度对流系统发展演变过程,改变了云系的形态、影响到系统的移动和系统中对流云团的发展强度和分布情况。     

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。     

理想地形下不同云微物理方案对登陆台风降水增幅影响的数值研究

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式,在理想岛屿地形条件下设计了云的微物理冰相过程中水凝物中有霰和无霰的两个对比试验,考察了台风登陆时复杂冰相和简单冰相对台风移动路径、强度和降水增幅的影响。结果表明：1）云微物理过程中有霰的复杂冰相过程时,具有更强烈的云“播撒”效应,因而对台风降水具有明显增幅作用。2）当台风受到理想地形作用时,地形对云“播撒”效应引起的增幅作用具有放大作用,此时台风眼墙非绝热加热量形成明显增强中心,使得台风降水增幅明显。3）当台风登陆时,云微物理冰相过程使得台风越山时存在向西北指向的涡度变化倾向。     

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。     

用GPROF算法反演降水强度和水凝物垂直结构

对NASA应用于TMI的业务降水反演算法(GPROF算法)作了简单分析，并对采用该算法反演的2002年夏季我国湖南常德地区的暴雨结构和2001年7月上旬袭击中国香港地区的尤特台风结构进行了分析。对常德暴雨个例，用地面雷达数据作为实况资料进行了真实性检验。检验结果表明:该算法的整体反演效果较好，可较好地反演常德地区的地面雨强及降水结构，雨区的反演精度与降水性质有关。对尤特台风个例，将反演结果与测雨雷达的反演产品进行了定性比较，结果表明:二者反映的降水结构基本一致；GPROF算法反演的潜热垂直结构也较好地反映了台风的热力结构。最后对算法可能的改进方向进行了讨论。     

江南地面热通量对江淮气旋暴雨影响的模拟研究

通过对一次江淮气旋暴雨个例的数值模拟，研究地面热通量与大尺度流型结合作用对气旋降水系统的影响。过程前期存在南北两大片地面热通量正值区，北片位于气旋所在处及其前方，南片位于上游低空急流处。模拟比较两片地面热通量的作用发现，前期南片地面热通量，特别是强潜热通量，通过与其上空低空急流的共同作用，对后期下游江淮气旋降水系统的加强起着更为重要的作用。对其机制的初步探讨表明：由地面通量进入低层大气的水汽，通过西南气流向长江中下游输送，改变下游大气的温湿结构，并通过积云对流和层状云雨潜热释放等非绝热过程，促进后期气旋降水系统的发展     

WRF模式中微物理和积云对流参数化方案对台风“莫拉克”模拟敏感性分析

基于WRF模式,研究了不同微物理和积云对流参数化方案对0908号台风"莫拉克"的路径移动、强度变化和降水过程模拟的敏感性。结果显示,积云对流参数化方案对台风"莫拉克"的路径和强度模拟起主导作用,采用Kain-Fritsch积云对流方案模拟的72 h平均路径误差较小;降水量的模拟主要取决于微物理参数化方案,而降水分布的好坏更依赖于积云对流参数化方案,而采用Thompson微物理和Grell-Devenyi积云对流方案的试验导致累积降水极值的偏干误差较大。积云对流方案对环境场和潜热释放模拟存在差异,导致路径和强度、温度廓线和垂直运动的模拟结果不同,而微物理方案对不同相态降水粒子的垂直分布结构模拟存在差异,从而导致降水模拟的差别。此外,由不同试验构造的集合平均能减少单个成员模拟路径和降水的不确定性,特别在强降水方面能减小空报数和漏报数,提高TS评分,改善模拟效果。     

城市阻碍效应对局地台风降水的影响

城市阻碍效应是城市化影响降水形成过程的可能物理机制之一,在于其改变了风场、风场辐合,甚至改变了天气系统本身,进而改变了湿度平流,最终影响城市降水的落区、强度。风速越大,城市阻碍效应越明显。现有关于下垫面对台风降水影响研究主要着重分析地形及地表状况对台风降水落区及强度的影响,但对作为下垫面因子之一的城市对台风降水的影响作用考虑明显不够。全面系统回顾国内外有关城市阻碍效应对降水影响研究进展,以及下垫面对台风降水影响研究进展。上海是我国城市化程度最高的城市,同时平均每年受到2～3个台风影响。已有研究关注到了城市阻碍效应对上海局地台风降水影响作用,但是,对于表征台风降水的城市阻碍效应还存在明显不足。最后具体给出了未来有关城市阻碍效应在上海局地台风降水研究中的应用思考。     

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅰ:云微物理参数化对云结构及降水特征的影响

首先对AREM模式模拟的台风基本结构和云结构进行验证,检验了模拟结果的可靠性.在此基础上,设计了5组试验来研究云微物理参数化方案对台风"云娜"云结构及降水特征的影响.试验设计主要突出冰相云微物理过程、云微物理特征引发的冷却效应以及霰下落速度的重要性.结果表明:云微物理参数化过程对云的发展和降水特征的影响更为显著.各试验的水凝物分布和强度不同,降水类型和强度存在较大差异,由此引起的云中热力结构也有较大区别;在所有试验方案中,24 h降水率最大差异为52.5 mm/h.云微物理过程对云和降水特征的具体影响表现在:(1)如果不考虑雨水蒸发冷却效应,此时台风内核上升运动强度最强(达到-19 Pa/s),雨水和霰粒子增长最明显,相对于对照试验增量分别为1.8和2.5 g/kg.(2)霰和雪的融化对于螺旋雨带中雨滴的增长十分重要,但他们可能不是云墙中雨水形成的主导因子.(3)不同方案的降水模拟特征也存在较大差别,采用暖云参数化后,降水区域最小,但其中对流降水比例最大(63.19%);霰落速减半后,降水区域最大,其中非对流降水比例也最大(51.15%).     

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。     

台风“桑美”的数值模拟和地形敏感性试验

用WRF模式对0608号台风“桑美”进行了数值模拟研究,较为成功地模拟出了台风路径和降水,但模拟的台风中心气压远高于实况。为研究“桑美”登陆期间地形的抬升作用对其降水及结构的影响,通过改变特定区域内的地形高度设计了一组敏感性试验。结果表明,台风登陆过程中地形抬升作用对台风降雨量有显著的增幅作用;台风中心位势涡度、气流垂直上升速度、水平水汽通量散度明显增大;地形抬升机制在台风登陆时刻达到最强。     

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.     

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。     

不同海表面温度对南海台风“杜鹃”的影响试验

采用水平分辨率0.25 °×0.25 °的日平均和周平均的卫星微波成像仪(TMI)和卫星微波辐射计(AMSRE)的海温资料(TMI-AMSRE SST)作为下强迫源,利用中尺度数值模式MM5对南海过境台风"杜鹃"进行了模拟.试验结果表明:台风中心附近SST的差异会导致大气风场的差异,从而使模式对SST有比较快速而且明显的响应;不同的SST对台风的强度和路径都有一定的影响,而对台风降水和台风中心附近潜热通量有明显的影响;不同SST对台风的影响主要是通过改变海-气潜热通量来实现的.     

热带测雨卫星综合探测结果之"云娜"台风降水云与非降水云特征

为了解降水云与非降水云相应的微波信号、云水、雨水及潜热特征,文中利用热带测雨卫星搭载的测雨雷达、微波成像仪及红外辐射计探测的匹配融合结果,就2004年8月“云娜”台风进行了个例分析研究。结果表明:“云娜”台风过程中深厚降水云占79%,中云和低云降水仅分别占10.6%和10.4%;非降水低云所占比例最大(45.5%),高云其次(34.1%)。降水云中大粒子居多,非降水云粒子有效半径分布宽。深厚降水云中冰、水含量成正比;中等厚度降水云中的冰含量相对稳定,但液态水含量变化大;深厚和中等厚度非降水云中的冰、水含量皆成反比。对降水率、气柱潜热、气柱云水和云冰沿台风径向分布的分析结果发现,台风生成前的低压中心附近降水率和气柱总潜热比随后时次均大,表明降水释放潜热对“云娜”台风的形成起到了非常重要的作用;在台风形成后,降水率和气柱总潜热自台风云墙向外减小;随着台风的成熟,降水率和气柱总潜热沿台风径向分布趋于稳定。潜热廓线分析表明,深厚降水云潜热释放在对流层中上部(3 km以上),最大潜热高度约4.5 km。对降水云和非降水云的冰、水含量平均垂直廓线分析表明,深厚和中等厚度的降水云中水粒子含量具有相似的平均廓线,最大值(约0.03 g/m3)位于4—5 km高度,降水低云中的水粒子含量最大值(约0.07 g/m3)位于4 km高度;对于非降水云,3种不同高度的潜热廓线、水和冰粒子含量廓线相似,反映了TRMM反演算法对这些参数的反演仍存在缺陷。