一次华北冬季弱降水系統的雪晶分析

雪晶形状与气象条件之间存在着一定的关系,用雪晶形状的观测可以反推高空气象条件,许多研究者多以此作为研究云和降水系统的一项工具,我们在研究华北冬春季降水过程的工作中进行了这种观测,本文描述1963年2月16日比较典型的华北弱天气系统降雪过程中的北京雪晶形状的变化序列,并对这个系统的云系结构进行了一些讨论。     

雪晶摄影

雪晶摄影是利用现代摄影技术对雪晶进行观测研究的一种手段.过去对雪晶的观测,偏重于观测它的形态美,而现在发现它不仅千姿百态,而且具有很大的科学研究价值.应用雪晶摄影资料可以研究不少气象物理问题.例如: (1)进行各种天气形势条件下晶型的普查; (2)研究它们的形态结构和大小分布,有助于了解降雪云的高度、厚度、温度、     

雪晶

冬季来临,我国大部分地区都会下雪。洁白的雪花,象银花朵朵,象玉屑缤纷,徐徐飘落到地面。小小的雪晶,以它变化多端的对称图案,早就引起人们极大的兴趣。这些美丽的雪晶是怎样形成的呢?它们的各种特征说明什么气象问题呢?     

春季吉林地区层状冷云中冰晶的形成与雪晶增长特点

1963年春季,利用铝箔取样技术对吉林地区的降水性层状冷云中的冰晶、雪晶进行了飞机观测。本文摘要给出云中冰晶与雪晶浓度的空间分布、雪晶形状和温度与晶体浓度的关系、雪晶直径随高度的变化以及在一次探测中观测到的雪晶谱的变化特点等观测结果。并根据这些资料对云中冰晶的形成、增长和云中固态含水量大小等问题做了初步分析。     

1963年4-6月吉林地区降水性层状冷云中的冰晶与雪晶

1963年4—6月,在吉林地区15次降水性层状冷云的飞行中,用铝箔取样器观测了云中的冰晶与雪晶,共取得432份样品资料。本文将利用这些资料,研究降水性层状冷云中冰晶与雪晶的一般特征。其结论有:(1)云中冰晶(直径为1.1—0.3毫米)的平均浓度为26.2个升~(-1),雪晶(平均直径为1毫米)的平均浓度为0.18个升~(-1);(2)浓度频率的分布较集中,大多集中出现于平均值的一倍以内;(3)云中冰晶与雪晶的平均状况与云顶温度及高度密切相关,云顶温度愈低,高度愈高,云中冰晶与雪晶的平均浓度愈大;(4)云中不同温度或不同高度处的冰晶与雪晶状况是不同的。     

不同辐射传输方案对中尺度降水影响的对比分析

在MM5非静力稳定中尺度气象模式中引进了建立在δ-4流近似和相关-k分布基础上的对云水、雨水、冰晶和霰的辐射特性进行详细描述的辐射传输方案。新建立的辐射传输方案和MM5中原有的辐射传输方案在华南暴雨中的模拟结果相互比较，并与天气实况的对比表明:辐射在中尺度暴雨中起着重要的作用；辐射传输方案对云辐射特性描述的准确程度对于地面降水影响是明显的；不同的辐射传输方案对地面降水的影响存在较大的差异，并且这些差异在白天比在夜间明显；辐射传输过程对地面降水影响的差异主要表现在降水中心上，而对降水的地理分布改变很小；相对而言，不同的辐射传输方案之间对短波描述的差异对地面降水的影响明显，而对长波描述差异的影响不大；新辐射传输方案能够在一定程度上改进MM5对中尺度降水的模拟能力。     

自然云中冰晶生成的核化过程及雪晶对过冷云滴的撞冻

鉴于冰晶过程在自然降水形成中的作用十分重要,对冰晶形成的物理过程曾进行过大量研究。由于自然云中冰晶的生成受大气热力、动力学条件及微物理过程等多因子制约,因而在自然云中研究冰晶的形成过程有很大困难,至今有关冰晶生成的核化过程的外场研究仍极少。室内实验可以在控制某些云物理条件下进行,但有些条件(过冷云维持时间、过冷云滴谱等)很难进行逼真的模拟。雪晶对过冷云滴的撞冻是雪粒子的重要增长过程之一;有关雪晶对过冷云滴的撞冻效率,已持续进行多年的室内实验与理论研究。这些研究工作中,都对雪晶形状做了不同程度的简化,对自然云中的雪晶撞冻过程的研究仍极少。     

雪晶尺度与质量的相关

由于雪晶形态各异,冰在其所占空间中的充填程度有很大差别;因此,雪晶最大轴径与其质量的相关十分复杂。早在30年代已对此有过较系统的研究,经几十年来的不断补充,目前已对不同形态的雪晶,及其凇附程度得出一系列关系式。但由于雪晶     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

中尺度模式中辐射作用的敏感性试验

在中尺度区域气候模式RIEMS中通过考虑和不考虑辐射对大气温度变化的影响来研究中尺度气象过程对辐射的敏感性。结果表明,在月尺度上,辐射可以引起平均约2℃的温度差,从而影响气压形势场和中尺度气象过程,进而影响降水。但在日尺度上,辐射的作用可以不计。     

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%).     

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.     

2010年6月中旬浙闽赣地区暴雨特征和冰云热力效应的数值模拟分析

以2010年6月19日发生在浙闽赣地区的一次强降水过程为例,利用中尺度WRF模式进行模拟,用模拟资料对该地区降水收支特征和冰云热力作用进行分析。依据局地水汽/热量变化项、水汽/热量辐合辐散项和云凝物辐合辐散项这3个因子可将降水分为8类,其中局地水汽变干和大气变暖、水汽辐合和热量辐散以及云凝物辐合时,降水强度(雨强)最强,而局地水汽变湿和大气变冷、水汽辐合和热量辐散以及云凝物辐合时,降水覆盖率最大。冰云热力效应包括辐射和潜热两部分。基准试验与敏感性试验对比分析表明冰云辐射减弱降水,而冰云潜热增强降水。热量收支对比分析发现冰云辐射造成辐射冷却的减弱在对流层中低层随高度增加,减弱大气不稳定和降水;而冰云潜热造成潜热增强在对流层中高层随高度减小,增强大气不稳定和降水。     

Relative effects of solar and infrared radiative forcing in a mesoscale model

A new efficient parameterization scheme for solar short-wave radiative heating, as a component of the net radiative effects in the atmosphere, is tested in a three-dimensional mesoscale model. This model is designed with moist convective processes in mind, so that the radiative parameterization (solar plus thermal infrared) are interactive with the cloud field. Previous work by the authors with only an infrared scheme has demonstrated that cloud-radiation interactions are characterized by strong cloud-top cooling, leading to upper cloud-layer destabilization. The effects of including solar heating are to modulate the strength of the strong infrared cooling, thereby leading to weaker interactions between clouds, radiation, and mesoscale fields. The present study shows that even on the mesoscale and for relatively short time-spans, radiative processes in the presence of clouds are not negligible.As a further step, a simple fractional cloud cover parameterization is introduced and the model response is compared with results omitting this parameterization.     

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。      

Numerical study of the impact of cloud droplet spectral change on mesoscale precipitation

The change of cloud droplet spectra can modify the microphysics and radiative processes of the atmosphere, which in turn affects surface precipitation. In this paper, the impact of cloud droplet spectral change (CDSC) on mesoscale precipitation is studied by simulating two cases, a South China Storm on June 8, 1998 and a Yangtze River Storm on July 22, 2002, and employing the MM5V3 with newly developed, dual-parameterized explicit moisture scheme coupled to. The results show that CDSC has a slight influence on rainfall distribution/pattern, but can significantly change the precipitation intensity, especially the position and intensity of the precipitation centers. The effects of CDSC are more distinct in the daytime and have an obvious diurnal cycle on rain rate. Precipitation increase (decrease) due to CDSC is ascribed to the relative upper radiative cooling (heating) and lower radiative heating (cooling) in the daytime atmosphere.     

Impact of cloud microphysical processes on hurricane intensity, part 2: Sensitivity experiments

Summary Seven different microphysical sensitivity experiments were designed with an objective to evaluate their respective impacts in modulating hurricane intensity forecasts using mesoscale model MM5. Microphysical processes such as melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors, suppression of evaporation of falling rain, the intercept parameter and fall speed of snow and graupel hydrometeors are modified in the existing NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) microphysical parameterization scheme. We studied the impacts of cloud microphysical processes by means of track, intensity, precipitation, propagation speed, kinematic and thermodynamic vertical structural characteristics of hurricane inner core. These results suggest that the set of experiments where (a) melting of snow, graupel and cloud ice were suppressed (b) melting of snow and graupel were suppressed and (c) where the evaporation of rain water was suppressed all produced most intense storms. The major findings of this study are the interconversion processes such as melting and evaporation among hydrometeors and associated feedback mechanism are significantly modulate the intensity of the hurricane. In particular an experiment where the melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors was eliminated from the model parameterization scheme produced the most explosively intensified storm. In the experiment where rain water evaporation was eliminated from the model, it produced a stronger storm as compared to the control run but it was not as strong as the storms produced from absence of melting processes. The impact on intensity due to variations made in intercept parameters of the hydrometeors (i.e., snow and graupel) were not that evident compared to other experiments. The weakest storm was noted in the experiment where the fall speeds of the snow hydrometeors were increased two fold. This study has isolated some of the factors that contributed to a stronger hurricane and concludes with a motivation that the findings from this study will help in further improvement in the design of sophisticated explicit microphysical parameterization for the mesoscale non-hydrostatic model for realistic hurricane intensity forecasts.     

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。      

物理过程参数化方案对中尺度暴雨数值模拟影响的研究

利用中尺度非静力MM 5模式和中国 2 0 0 1年 8月的 4个暴雨个例 ,研究了非绝热物理过程对中国暴雨动力和热力场预报的影响 ,深入分析了对流参数化方案在中尺度暴雨预报中的作用 ,讨论了利用模式扰动方法开展中国暴雨集合预报的可行性。结果表明 ,在短期数值预报中 ,非绝热物理过程对高度场预报影响较小 ,但边界层方案和对流参数化方案对产生暴雨的 3个基本条件即水汽通量散度、垂直速度、不稳定层结的影响很明显。不同对流参数化方案所预报的中尺度热力、动力场离差的结构特征与所预报降水的离差特征相似 ,且主要是在模式积分初期迅速增加 ,其后即趋于稳定。对中国热力场较均匀的暴雨过程 ,可以通过扰动模式的边界层和对流参数化方案 ,构造集合预报模式