“16·7”华北极端强降水过程对流尺度集合模拟试验不确定性分析

基于4km水平分辨率的WRF-ARW中尺度模式,对2016年7月19日华北地区的极端暴雨过程进行了不同降水微物理过程的对流尺度集合模拟试验。结果表明:各个成员模拟降水的强度、时空分布与观测实况较为接近,但也具有明显的不确定性。通过邻域检验的ETS评分、相关系数和均方根误差等指标进行评估表明,采用Morrison方案和WSM6_P2方案的集合成员表现较好,对流尺度集合模式在降水强度和准确度较全球数值模式预报有一定提升。频率检验表明集合预报在50 mm以下量级的预报存在过量预报的倾向,而100 mm以上的强降水预报相对偏弱。不同降水物理过程的集合成员在高空急流和地面气旋等关键天气尺度系统的发展过程中表现出明显的不确定性;通过降水量与整层可降水含量,低层相对涡度和垂直运动等诊断量的联合分析表明,集合成员可分为强降水集合和弱降水集合两类,其中强降水集合拥有较强的对流性回波、较明显的对流性下沉以及较强的地面冷池,强的潜热反馈也导致对流层中层出现相对较大的正位涡异常,并进一步影响天气系统发展。弱降水集合成员降水以暖云降水为主,对流性上升和地面冷池相对较弱,但较为接近本次以稳定性暖云降水为主的天气过程。检验模拟雷达回波表明双参量降水物理方案在反映层云回波亮带和层云与对流核的分离特征上更为清晰合理。利用WSM6物理方案参数设置的敏感性试验表明,不同参数组合设置的预报成员分别表达了强对流风暴和暖云强降水两种性质的强降雨过程,对于一次特定天气过程中的对流系统发展能够预计到更多的不确定性,展现了对流尺度集合预报的优越性。     

天津地区080625强对流天气过程的分析

强对流降水是天津地区重要的灾害性天气,为了研究该类天气发生发展的动力学、热力学机制,利用NCEP/NCAR再分析资料和FY-2C卫星逐时TBB资料对2008年6月25日天津的强对流降水过程进行研究,然后利用WRF（weather research and forecasting）中尺度数值模式对该次强对流降水过程进行数值模拟和诊断分析。结果表明：中尺度露点锋是该次强对流降水的重要机制,其对应的低层气流辐合所形成的强烈上升运动及相对应的强烈发展的对流云团,是此次天津强对流降水的直接影响系统;对流有效位能等参数的变化非常好地反映出此次强降水天气的发生和发展特征;较大的相对螺旋度与此次强对流天气的发生对应也较好。由此认为,中尺度露点锋锋生的动力学、热力学过程是此次强对流降水天气发生发展的重要机制。     

积层混合云数值模拟研究(Ⅱ)──云相互作用及暴雨产生机制

用文（Ⅰ）积层混合云数值模式及暴雨云的平均大气层结模拟研究了暴雨积层混合云的演变过程、两种云的相互作用、云体结构及降水特征，并分析了暴雨产生的物理原因。结果表明，在积层混合云中，当对流发展时其周围层状云减弱甚至消散，层状云的降水强度随着离开对流云距离增大而增大。数值试验说明：层状云给积云提供良好的发展条件，饱和的环境及伴随层状云的辐合场使对流云具有长生命期、产生持续性的高强度降水和间歇性的特高强度降水；积层混合云是一非常有效的降水系统，这些及冰相微物理过程是暴雨产生的主要物理原因。     

一次冰雹天气强对流(雹)云演变及超级单体结构的个例模拟研究

利用WRF中尺度数值模式,模拟了2005年5月31日发生在北京的冰雹强对流过程,成功地再现了冰雹天气发展过程中起重要作用的冷涡底部的小槽、低层暖湿舌、地形辐合线等中尺度系统;模拟的地面降水、强对流(雹)云移动路径与实况基本符合;模拟的一个长生命史强对流(雹)云的演变及单体结构与北京多普勒雷达观测的沿城市中轴线的雹云相似,具有超级单体概念模型给出回波墙-有界弱同波区(穹窿)-悬挂回波结构、对峙的倾斜上升下沉气流、分裂右移发展等特征.基于数值模拟结果,结合雷达观测,重点分析了这块雹云的演变过程,解剖了超级单体三维动力、热力及回波结构.     

物理初值化与短时强对流降水数值模拟研究

ADAS(ARPS Data Assim ilation System)云综合分析采用的是一种物理初值化技术。本文以ARPS(Advanced Regional Pred iction System)云综合分析为基础,设计了一组非常规资料的应用试验,应用ARPS模式对一次典型的短时强降水个例进行了数值模拟研究。结果表明:(1)在ADAS云分析中引入雷达及卫星资料可对湿度场的水平、垂直结构有一定的调整,改善了与对流降水有重要关系的高湿区的分析;(2)引入雷达和卫星资料的云综合分析,可以明显改善强降水发生时间相对迟缓以及模拟前期降水量偏少和降水覆盖面积偏小的现象,使模拟降水场与实际观测较为接近;(3)物理初值化能有效提取非常规资料中的云微物理信息,提高了模式初值质量,从而明显改善模式对强对流降水系统的短时模拟效果。     

一次低槽冷锋暴雨数值模拟和诊断分析

利用常规气象观测资料、GPS可降水资料、地闪定位资料以及NCEP 1°×1°再分析格点资料,对2011年7月2—3日山东中北部地区一次低槽冷锋暴雨天气过程进行分析,进一步采用中尺度模式WRF 对此次降水过程开展了高分辨率数值模拟,并对模拟资料进行了诊断分析。得到如下结果：（1）此次降水过程具有强降水持续时间短,短时降水强度大、局地性强等特点,在空间和时间上都具有明显的中尺度特征。（2）整个强降水期间,负地闪占绝对优势,负地闪出现在强对流发展的整个阶段,正地闪出现在强对流减弱消散阶段。云顶温度越低,负地闪越密集,当系统减弱,正地闪迅速增加。当云顶亮温（TBB）下降到最低值,负地闪频数达到极大值时,降雨强度也达到最大。GPS可降水量在暴雨监测和预报中具有重要作用。（3）利用模拟结果的分析显示,散度、涡度和垂直速度的分布与对流系统的发生、发展较一致。     

一次强降水天气过程的数值模拟

利用MM5中尺度非静力模式对2007年6月29日发生在贵州省的强降水天气过程进行数值模拟分析,并着重研究了强降水天气过程中伴随的云场及基本反射率的发展演变。结果表明:中尺度模式MM5对此次强降水过程有较好地模拟能力。高低层含水量高值区的发展演变基本一致,高值中心的出现与云水向雨水转化的时间一致。500hPa高含水量区的出现可加大低层的雨水含量,对降水的组织和维持有重要作用。模拟的雷达基本反射率因子能较好地反映强对流回波的生消演变,为强对流天气的临近预报提供一种有效的方法。     

WRF模式云参数化方案对一次深对流系统模拟的验证和改进

使用中尺度数值模式WRF中的双参数云微物理方案WDM6针对2008年台风“凤凰”登陆过程中造成的强降水进行数值模拟,通过卫星模拟器利用MTSAT-1R和TRMM卫星观测的红外云顶黑体亮温TBB、PR雷达反射率资料使用统计方法验证模拟结果。通过修改云水向雨水自动转化过程、冰晶核化过程、雪和霰的下落末速度、雪和霰的截距进行敏感性试验,减小模拟结果和卫星观测结果的差异。研究结果表明:WDM6方案模拟的台风“凤凰”登陆后的降水,强对流云系及对流柱状雷达回波基本符合实况,但模拟结果局部偏强。WDM6方案模拟产生了较多的浅对流云,低估了对流云系的出现频率。不同云类型模拟的雷达回波均偏强,对流云系雷达回波垂直分布接近观测。敏感性试验结果说明修改WDM6方案中云水向雨水自动转化率有效地改善了模拟效果。同时发现云滴初始数浓度影响云水向雨水自动转化率并最终影响云系结构和雷达反射率的模拟结果,过高的云滴初始数浓度会使模拟结果变差。     

两类强对流天气过程的模式模拟及其比较

基于雷达探测数据和地面天气现象,应用MM5模式对冰雹大风和龙卷两类强对流天气过程进行数值模拟,分析模式模拟回波和雷达实际回波,研究模拟的微物理和动力特征,探讨两类强对流天气微物理和动力特征差异之间的可能原因。结果表明:(1)在雷达回波的模拟方面,两类强对流天气过程的模拟效果较好,模拟的雷达回波具有一定的可靠性。(2)冰雹大风过程的微物理模拟说明,雪晶位于0℃层以上;与雨水情况相对应的回波带等值线较为密集;云水含量主要分布在0℃层以下,呈分散分布形态;雨水含量在0℃层上下皆有分布。由龙卷过程的微物理模拟可知,云水含量主要分布在0℃层以下,基本连片分布;雨水含量在0℃层以下有所分布,但主要分布在0℃层以上,且数值大,等值线密集;云冰含量也是呈现零星分布。(3)从动力特征的模拟来看,强对流天气过程对应于强的上升运动,但是较强的上升运动区域并不分布在回波带的固定位置。     

基于多雷达观测和数值模拟的中天山北坡夏季降水过程研究

基于微雨雷达、Ka波段云雷达、C波段天气雷达和微波辐射计等仪器的观测资料对2019年7月27日中天山地区一次局地对流云降水过程的精细结构及演变过程进行分析,并结合WRF高分辨率数值模式模拟结果研究了热力不稳定结构及风切变层对云发展的影响。结果表明：此次降水过程中天山北坡区域受到地形热力强迫,形成爬坡气流,并与翻越天山山脉的偏南气流在局部形成对流;雷达观测发现,由于天山山区受到高空西风的控制,局地产生的对流云团不足以突破中天山北坡上空的风速较大的西南气流或偏西气流,低层的偏北气流被高层气流夹带而转向形成风切变层。降水发生后,低层对流云团被限制在风切变层以下,云顶平整且高度较低,风切变层对对流云团存在明显的抑制作用。通过分析模拟结果,此次降水过程中风切变层对中天山北坡降水云的发展及热力不稳定变化影响十分重要,高层西南风对相当位温的平流输送使得风切变层上空更倾向于热力不稳定,同时使其下方更倾向于热力稳定从而抑制低层对流而促进高层对流的发展。当低层对流云团强度不足以突破其上空因垂直风切变导致的稳定层结,对流便会被局限于垂直风切变层以下,使得降水强度减弱。     

一次东北冷涡云降水垂直结构特征分析

利用辽宁阜新国家站(121.7458°E,42.0672°N)的毫米波云雷达(8 mm)和微雨雷达(12.5 mm)对2020年8月12-13日东北冷涡影响下的一次降水过程进行了观测,分析了云降水的垂直结构特征并探讨了降水机制。结果表明：本次过程中,云水平方向发展不均匀,以层状云和层积混合云为主,云内有时还嵌有对流泡。云降水阶段性变化明显,先后出现了层状云降水、层积混合云降水和对流云降水。层状云降水和层积混合云降水均表现出明显的亮带特征,但层积混合云降水的雷达回波强度、回波顶高和降水强度明显大于层状云降水。对流云降水的雷达回波会因强降水而产生明显衰减,因此回波顶高不能表示出实际的云顶情况。层状云降水阶段,云雷达反射率随高度降低增长缓慢,雨滴在下落过程中受蒸发和碰并的共同作用,反射率降低。与层状云降水相比,层积混合云降水的碰并效应强,且由于前期降水对近地面的增湿作用,使云下蒸发弱。对流云降水阶段,反射率的增长主要发生在冰水混合层,有利于大滴的产生,拓宽了云滴谱,提高了碰并效率。     

安徽滁州夏季一次飑线过程的雨滴谱特征

选取2014年7月31日安徽滁州一次飑线过程,使用地基雨滴谱仪资料分析此次过程的雨滴谱特征。根据雷达回波和地面降水强度将这次降水过程划分为对流降水、过渡性降水和层云降水,并以10 mm·h-1为临界值将对流降水进一步划分为对流前沿降水、对流中心降水、对流后沿降水。结果表明:对流中心降水、过渡性降水、层云降水的质量加权直径均比较稳定,平均值分别为1.8 mm, 1.0 mm, 1.7 mm。对流降水的标准化截距相比层云降水更大。对流中心降水各粒径段雨滴数浓度均较高;层云降水小雨滴浓度较低,且有少量大雨滴;过渡性降水由小雨滴组成。当雨水含量相同时,层云降水的质量加权直径相比对流降水更大。当雨强相同时,层云降水的反射率因子相比对流中心降水更大。更为精细的降水类型划分可有效改善Z-I关系。     

台风“莫兰蒂”登陆前后微物理特征研究北大核心

基于厦门市2016年9月14—15日S波段双偏振雷达资料,研究了2016年第14号台风“莫兰蒂”登陆前后降水特征以及它们的差异。结果表明:台风“莫兰蒂”登陆过程经历了登陆前缓慢减弱、登陆后快速减弱、登陆后缓慢减弱3个阶段。登陆前,台风螺旋雨带中对流旺盛,发展高度高,冷云过程较强,0℃层以上存在大量的冰晶。0℃层以下,粒子破碎比较严重,降水以小滴为主。登陆后快速减弱阶段,受地形影响,台风内区发展高度升高。登陆后快速减弱阶段,螺旋雨带发展高度降低,0℃层上冰相粒子数量减少,0℃层以下,粒子之间的碰并增长和蒸发过程明显,降水以中小雨滴为主,暖云过程占主导。     

三维雷达反射率资料用于层状云和对流云的识别研究

基于层状云和对流云的雷达反射率分布的三维形态特征，提出了识别层状云和对流云的6个候选识别参数，它们分别是:组合反射率及其水平梯度，反射率因子等于35 dBZ的回波顶高及其水平梯度、垂直累积液态水含量及其密度。通过分析候选识别参数分布图和选取的反射率垂直剖面图，用人机交互方式挑选“真实的”层状云和对流云区，统计这6个候选识别参数分布的概率密度特征；最后确定把分布概率密度更集中的组合反射率水平梯度、35 dBZ的回波顶高的水平梯度和垂直累积液态水含量密度作为识别参数，利用模糊逻辑法进行层状云和对流云的识别。用三个个例进行了识别试验，并把用模糊逻辑法识别的结果与用改进的巅峰值法识别的结果进行了比较，结果表明:用模糊逻辑法和改进的巅峰值法都能合理地识别大部分层状云和对流云；由于改进的巅峰值法只考虑了反射率分布的二维形态特征，它容易把对流核的外围识别成层状云，把厚实的层状云识别成对流云，而考虑了反射率分布的三维形态特征的模糊逻辑法在这两个方面有很大改善。     

沿海地区一次中尺度对流系统闪电活动及降水结构

利用TRMM卫星的测雨雷达,微波成像仪,闪电成像仪等探测数据,研究了2010年8月5日发生在江苏北部一次中尺度对流系统(MCS)的降水结构和闪电活动之间的关系.结果表明:MCS在发展阶段,对流云降水面积与层状云降水区相当;在减弱阶段,层状云降水区面积远大于对流云降水区.MCS的生命史中,大部分闪电发生在对流云区,仅有少数闪电发生在层状云区,在减弱阶段闪电多发生在对流云和层云的过渡区中.发生闪电的层云和对流云降水垂直廓线表明:在MCS的发展成熟和减弱中在4 km高度,层云降水率都达到最大值;在对流云降水区中发生闪电主要与对流云上空含丰富的冰相粒子和对流云发展厚度(顶高达17 km)有关.研究还表明闪电数目最大值一般回波强度在35～45 dBz之间,并非回波越强闪电越多.闪电主要发生在40～50 dBz之间,且明显向强回波区趋近,这对我们利用雷达回波预警闪电落区具有一定的参考意义.     

两个中尺度对流系统的降水结构和闪电特征

对两个处于不同发展阶段的中尺度对流系统(MCS)降水结构的分析结果表明,处于初生至发展阶段的MCS,对流降水和层云降水的面积比相对较大,处于成熟至消亡阶段的MCS的相对较小。本文进一步分析了这两个MCS个例在6km高度处的雷达回波特征及其和闪电的关系,结果表明处于初生至发展阶段的MCS的绝大部分事件(闪电资料的一种)集中发生在MCS中的强对流单体回波区,而对处于成熟至消亡阶段的MCS,事件集中发生在对流区和对流云向层云转化的回波区。     

石家庄地区反射率因子垂直廓线特征分析

利用自动雨量计数据整理成的10 min一次的雨量资料和s波段多普勒天气雷达体积扫描强度数据,对石家庄地区2004～2007年4次天气过程的实时雷达反射率因子垂直廓线的特征进行了分析.结果表明:层状云和混合性降水反射率因子垂直廓线有明显的零度层亮带;短时强降水过程的反射率因子垂直廓线不存在零度层亮带.冰雹过程中反射率凼子垂直廓线变化较大,降雹前反射率因子的极大值在中上层,降雹发生时反射率因子的极大值高度下降,降雹后反射率因子的极大值减弱.降雪过程的反射率因子垂直廓线零度层亮带不明显.在石家庄西部山区,由于零度层亮带的影响.对层状云和混合性降水回波强度和降水量估计偏高.对短时强降水过程的地面降水估计用反射率因子垂直廓线的方法比最低仰角法更加准确,在均匀性降水中可较好地改善地面雨量估算结果,有利于在山区和无雨量计的地区判断强对流天气的发生、发展和估算降水量的大小.     

上海地区几类强降水雨滴谱特征分析

用Parsivel激光降水粒子谱仪资料对2013年上海地区4—10月份期间4种类型 (层状云、对流暖云主导型、对流冷云主导型和强台风影响下的混合暖云型) 降水过程的雨滴谱特征进行了分析。通过平均雨滴谱及其拟合特征、雨滴数密度与含水量分布、雨滴尺度与速度二维谱分布等对比分析发现:各类降水中, 雨滴谱的峰值结构与雨强大小有关, 其中直径介于0.187~1.312 mm的小雨滴均出现峰值且总数最多。各尺度雨滴数密度及其比例决定了其降水量贡献比, 在冷云强降水中的雨强贡献最大的雨滴尺度要显著大于其他3种类型。雨滴谱宽按大小排列依次为对流冷云主导型、混合暖云型、对流暖云主导型和层状云。最后综合运用雨滴谱、雷达、雨量站、闪电等观测资料对9月13日对流冷云主导型降水过程进行分析后发现:在雷暴的演变过程中, 雨滴谱特征与雷达反射率因子、垂直液态水含量、自动站雨强、闪电频次等要素均有较好的相关性。冷云产生的冰晶和冰雹融化后的大雨滴进入中低层的广谱小雨滴群, 并通过破碎分裂增加了大雨滴的形成概率, 尤其是捕捉碰并过程更加快了大雨滴的增长速度, 使雨强在短时间内迅速加强。雨滴谱中各档粒子数的演变, 揭示了降水强度的变化, 用雨滴谱资料可有效弥补现有雷达定量估测降水的偏差, 且在冷云中改善明显。     

一次中尺度强降水天气过程分析

利用常规观测资料、卫星云图、自动站气象观测资料和多普勒雷达等资料,对2011年6月16日玉林市南部一次中尺度强降水过程进行天气动力学和中尺度分析,结果表明:这次暴雨是在有利的大尺度环流下产生,通过中尺度系统激发而产生的。高空低槽和低空切变辐合是强降水产生的前提条件,中尺度对流云团强烈发展是强降水产生直接原因;分析红外云图的TBB、多普勒雷达反射率和基本速度、地形条件等方面都很好地阐述了本次强降水的暴雨中心。