用积云模式模拟强对流云的数值试验

本文用考虑夹卷的一维定常积云模式模拟了川东地区两次强对流云,模式在一维定常动力学框架中引入了多种微物理参数化方案,包括云水、雨水、冰晶、雹胚的增长及碰并、转化过程。计算结果表明:云顶高、厚度、强度等宏观特征与雷达观测值相当一致,同时它还揭示了四川地区强对流云的多种微物理特征以及各种微物理过程的相对重要性和转化关系,对冰雹云和暴雨云的数值试验显示了两种云在动力学结构上和云中各种微物理过程对降水贡献的巨大差异。     

高分辨中尺度雷电预报模式GRAPES_LM的建立及其初步应用试验

为了探索雷电天气的数值预报新方法,在高分辨GRAPES_Meso中尺度预报模式中添加了各种水成物电荷密度预报方程组,同时从传统基于云模式的三维雷电模式中剥离出起电过程和放电过程参数化方案,作为中尺度模式的一种物理过程参数化方案嵌套进中尺度模式,使得整套中尺度模式包含了大气动力、雷电过程及各种物理过程,建立了大气动力-物理过程和雷电过程一体化的数值预报模式GRAPES_LM,建立的GRAPES_LM模式包含了多种复杂的微物理过程参数化方案,其中,包括中国气象科学研究院开发研制的双参数对流云参数化方案;包含了霰/雹与冰晶/雪晶碰撞回弹的非感应起电、霰/雹与云滴碰撞的感应起电及霰碰撞大云滴造成冰晶繁生的次生冰晶起电3种起电参数化方案以及最新的随机双向放电参数化。并利用美国CCOPE观测试验中的个例观测资料(1981年7月19日),进行了初步应用模拟试验,对模式的雷电数值预报的可行性进行了验证分析。结果表明,高分辨率GRAPES_LM模式对1981年7月19日的雷电过程个例做出了成功的模拟预报,较好地给出了雷暴云的动力、微物理和电过程的时空演变,雷电天气数值预报新方法的可行性得到了初步验证。     

云微物理过程对强对流风暴的影响之数值模拟研究

本文运用三维对流云模式对美国SPACE计划(South Park Area Cumulus Experiment)1977年7月19日South Park地区一例强对流风暴进行了模拟,目的是考察不同云微物理过程对风暴的影响.不同微物理方案模拟对比有助于我们加深对风暴内部微物理过程的了解.结果表明,不同微物理方案模拟的风暴内部动力场、强度有所不同.不考虑冰相过程的暖雨方案,模拟的风暴最弱;冰相过程中仅考虑冻结/融化潜热释放,模拟的风暴强度在后期稍弱.由于降水绝大部分由霰、雹转变而来,以及霰、雹粒子对运动场的影响及其相变潜热作用,冰相过程中如果不考虑霰、雹的模拟方案,模拟风暴的动力场及降水场都发生改变.     

一次热带海洋对流云微物理过程的数值模拟

为了理解微物理过程以及次生对流云对热带对流云团发展演变过程的影响,利用二维云分辨模式对2006年1月20日靠近澳大利亚西北部的印度尼西亚暖池附近的一次对流云降水过程进行数值模拟,分析了对流云发展演变不同阶段各种微物理过程的特征,尤其对次生对流的形成以及并合过程进行了深入分析.结果表明:本个例所研究的热带对流云团具有发展...     

基于WRF模式和CloudSat卫星资料对黄淮下游一次强对流天气过程的诊断分析和数值模拟

利用Cloud Sat卫星资料和WRF中尺度模式,结合NCEP再分析资料及FY2G静止气象卫星资料,研究了发生在黄淮地区的一次深对流天气过程,分析了此次过程的天气特征、动力结构,重点分析了该次强对流过程中各水成物的时空演变特征。结果表明:(1)黄淮下游地区处于副高西北边缘,温度高,湿度大,对流潜势好。在地面冷锋和低层切变线的抬升触发下,气流不断辐合上升,同时高层冷平流与低层暖湿空气为强对流的发展提供了热力不稳定条件;(2)使用静止卫星TBB产品可以很好的定位、追踪深对流系统,但单一的TBB产品无法分辨深对流云和较厚的高云。本文结合Cloud Sat卫星资料和TBB产品把剖面上的云分为3种:非对流云(NDC),一般深对流云(DC),深对流核(DCC);(3)深对流云核(DCC)位于对流系统南部边缘,在3种云中DCC中冰相粒子粒径大、数浓度多、冰水含量大,且其最大值区域都位于12 km高度附近,这一区域可能是对流云内冰晶凝华增长、凇附增长、聚并增长形成大冰相粒子的关键发生区;(4)耦合了NSSL双参方案的WRF模式对于本次过程体现了较好的模拟效果,并通过模拟再现了此次天气过程中水成物的分布特征,发现本次过程深对流云中存在过冷水累积带特征。冰核核化形成的冰晶通过碰并过程形成雪晶,霰又由雪晶碰撞冻结过冷水滴以及过冷雨滴冻结产生,之后不断增长转化形成冰雹,雹增长到足够大后降落,其中雪晶和过冷水累积带对霰(雹胚)及雹的产生及增长至关重要。     

三维对流云催化数值模式人工冰晶参数化方案的改进与个例模拟试验

在中国科学院大气物理研究所的三维全弹性对流风暴云催化数值模式(简称为IAP-CSM3D)的基础上,对模式中催化部分的参数化方案进行了改进,推导出人工冰晶与其它粒子之间相互作用的微物理过程的参数化方程。改进后的模式将催化产生的人工冰晶单独作为预报量进行处理,把人工冰晶与自然冰晶区分开,且考虑的人工冰晶谱型为双参数粒子谱,使模式更符合实际。利用改进后的模式模拟了2005年7月8日发生在辽宁省朝阳市的一次冰雹云天气过程,着重分析了催化云人工冰晶的微物理过程、空间分布和谱型,以及对冰相降水粒子的贡献。数值试验表明,自然雹云模拟结果与观测事实相吻合,说明改进后的模式对冰雹云具有较可靠的模拟能力。模拟分析表明,冻滴是该例自然雹云冰雹胚胎的主要来源,对该冰雹云进行AgI催化可明显地减少降雹量,特别是在云中冰雹形成初期进行催化防雹效果最好,既可产生最大的防雹作业效果又不至于过度减少降雨量。催化减雹的主要原因是催化显著地减少了云中冻滴向冰雹胚胎的转化总量。进一步研究发现,人工冰晶在云的不同阶段对各种冰相降水粒子的贡献是不同的。人工冰晶对雪花总质量的贡献较小,对霰总质量的贡献有所增大,而对冻滴总质量的贡献较大。模拟的冰晶粒子谱可较好地反映出人工冰晶谱型较窄,浓度较大,尺度较小的特征。     

一次冰雹天气过程的云系发展演变及云物理特征研究

利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting)的数值模拟,结合NECP/FNL再分析资料、地面、探空、多普勒雷达基数据和卫星产品等观测资料,综合分析了2014年3月30日发生在贵州省西南部的一次冰雹天气过程。研究了有利于冰雹发生的环流特征和环境条件,分析了冰雹云系的发展演变特征、云微物理结构特征,初步分析了冰雹形成的云物理机制。结果表明:此次冰雹天气是典型的低压辐合线型降雹类型,地面降雹位置位于700 hPa切变线和近地面辐合线附近及南侧;发生此次冰雹过程的对流云系经历了对流云系的初生阶段、合并加强阶段、成熟降雹阶段和东移阶段。贵州地区上空对流云系的微物理结构具有混合相云特征,高层为冰晶、雪,中层为云水、霰,低层为雨水、冰雹。霰和云水是形成雨水和冰雹的主要来源,霰撞冻过冷云水和霰的自动转化是冰雹形成的主要微物理机制。     

一次对流云团过程结构特征的观测和模拟研究

为了解2015年8月22日发生在北京东部的一次对流云团的生消演变过程及微物理特征,使用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度云分辨模式对此次过程进行数值模拟。由于研究的对流云团尺度较小,对时空分辨率要求较高,把LAPS(Local Analysis and Prediction System)局地分析和预报系统同化多源观测资料后输出的高分辨率的中尺度分析场作为模式的初始场。将模拟结果与FY-2F卫星、北京SA波段多普勒天气雷达、地面雨量站等观测资料进行对比分析。同时,研究了对流云团中的微物理含量分布,深入分析此次过程的降水机制。结果表明:模式能够较好地模拟出对流云团在生成、发展、成熟和消散的四个不同阶段的演变规律,整个对流云系的发展持续4 h左右,对北京有直接影响的对流单体的生命时长在1 h左右;模拟的自然云云带分布和演变规律、小尺度云团的尺度、位置、形状和垂直结构都与观测资料有较好的一致性;模式也能模拟出降水落区和量级及强中心的位置。此次对流云过程主要为冷暖混合云系结构,云中过冷水丰沛,降水机制以冷云降水为主,暖区供水云对降水的发展有促进作用,霰融化为雨滴是主要的成雨过程。     

苏北一次强降雹过程的数值模拟研究

应用中科院大气所研制的三维弹性冰雹云模式,对2003年7月19日发生在苏北地区的一次冰雹云过程进行了数值模拟研究,再结合天气形势、雷达回波和天气实况资料分析了这次冰雹云发生发展的过程及其微物理结构的变化,发现该模式能较好地模拟该例冰雹云*过程,碰并增长是云中各种水物质主要的形成和增长方式,雹的增长主要来源于霰的自动转化。     

一次冰雹天气的数值模拟及地形敏感性试验研究

利用中尺度模式对2020年3月23日贵州一次强冰雹天气过程进行了数值模拟研究,并与观测的雷达回波、卫星反演结果和冰雹落区进行比较,在此基础上探讨了地形对冰雹云的影响。地形敏感性试验结果表明,地形的变化会改变降雹的空间分布,地形增高会导致贵州西部偏南风增强,加强辐合,降雹前期垂直速度迅速升高,输送更多的过冷水,使雪晶、霰含量增加,有利于雹云的发展增强和冰雹的形成,使地面累积降雹量增加,地形降低反之。     

对流云降水过程中地形作用的数值模拟

该文利用地形追随坐标三维云模式，对湖北的一次对流降水过程进行了平坦地面和理想斜坡地形的模拟试验。结果发现平坦地面模拟的回波强度、最大降水强度和累积降水都与实况有相当的差距。理想地形的对流过程虽然不能模拟出对流群中多单体的生消过程，但最大降水强度和累积降水都比平坦地面的大，更接近实测结果。模拟试验表明，在地形坡度较大时，会产生较强的上升气流，从而使系统对流发展旺盛，产生较大的降水和较强的回波。所以在模拟山区和丘陵地带的对流系统时，采用地形坐标并考虑地形将会改善模式的模拟结果。     

基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型

基于谱分析原理提出了雷达回波强度面积谱的概念及算法,利用宁夏银川多普勒天气雷达回波资料,分析了不同性质降水云的雷达回波强度面积谱,并根据不同性质降水云雷达回波强度面积谱特征,提出了基于雷达回波强度面积谱识别降水云类型的方法,利用强回波面积（回波强度不小于40 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比和基本降水回波面积（回波强度不小于20 dBZ的回波面积）占总回波面积百分比作为降水云类型判别的主要因子,提炼出基于雷达回波强度面积谱特征参数的层状云、积层混合云、对流云等不同类型降水云的判别指标,建立了基于雷达回波的降水云类型自动判识模型。利用该模型对2016-2017年6次强降水过程进行了降水云类型判别试验,模型准确判别出6次强降水过程中2次为对流云降水、4次为混合云降水,判别结果较好地反映了降水云类型,验证了判识方法的可行性。     

梅雨锋云系内对流回波与层状回波的研究

本文利用1998年“淮河流域能量与水分循环试验（HUBEX）”所获得的大量雷达资料及遥测雨量计计资料，细致分析了淮河流域梅雨锋云系的结构，根据层状云和对流云在雷达回波图中的不同特征，本文提出用松散系数D（反映云系结构疏松程度）来区分大范围云带中的降水云类型，同529张PPI资料统计表明，若D＞0．17则说明该区结构松散，降水属于层状云降水，D≤0．17时，云区是对流性降水，由于梅雨锋水具有明显的不均匀结构特征，其中锋面对流云带和强下挂回波带是造成强降水的主要原因，在用地面雨量资料和雷达资料对地面降水进行短时（3小时以内）校正时，针对不同的降水类型采用不同的Z－R关系比用同一种Z－R关系的校正精度大约提高4％。     

高分辨率GRAPES模式中云微物理方案对强降水的模拟和诊断研究

利用高分辨率GRAPES—Meso中双参数云微物理方案,对我国两次强降水过程进行数值模拟,并与模式中WSM6和NCEP5方案进行对比分析,结合多种观测资料,诊断评估方案的预报性能.同时研究伴随强对流性降水中的关键云物理过程。个例研究表明,对流发展旺盛的云团中,冰相粒子尤其是霰粒子对对流的发展与降水起着主导作用,霰的融化是强降水的主要来源,而周围的层状云区域霰粒子的分布极少,主要受雪的融化与暖云降水的影n向。双参数方案模拟的雨带走向、范围和降水强度与实况拟合较好,同时在对流单体的最大回波高度与强度、冰晶的分布与云砧结构等方面也具有一定优势,但冰晶含量和回波顶高度略低于观测,这都为双参数方案的优化与业务应用提供重要的支持。     

在梅雨锋云系内层状云回波结构及其降水的不均匀性

本文介绍了梅雨云系中层状云的不均匀结构,分析了层状云中不均匀亮带和下挂强回波的特征以及结构不均匀的层状云的降水特征。     

辽宁省7～8月降水回波特征

为配合辽宁省夏季人工催化积云试验,沈阳、鞍山雷达和雨量站网在2002~2003年7~8月进行了系统的观测。本文利用雷达资料,分析了辽宁夏季降雨回波类型,并重点研究了积层混合云降水的主要特征。结果得出,辽宁夏季冷涡天气系统降水和江淮梅雨一样,以积层混合云降水为主,大到暴雨常属于强积层混合云降水。     

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.     

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。     

积层混合云结构特征及降水机理的个例模拟研究

积层混合云是我国一种重要的降水系统, 其降水既有对流云又有层状云特征。基于积层混合云的重要性, 本文利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting Model), 结合三维粒子运行增长模式对2012年5月29日北京地区的一次积层混合云降过程进行了模拟研究。模拟的降水与雷达回波与实测结果基本一致。在此基础上, 重点分析了混合云系中积状云与层状云各自的微物理结构特征与降水的发生机理等。结果表明:降水过程云内存在着明显的“播种—供给”机制, 层状云中“播种—供给”机制相对简单。而对流云区中由于降水粒子可以发生上下多次的循环增长, “播种—供给”机制可在云的上下层间双向进行, 云中粒子群可以增长得更大。在积层混合云中, 在低层, 层状云中已有的水凝物粒子进入内嵌的积云块中, 而在高层水成物粒子又从积云中落到层云中, 积层混合云系充分发挥了积云和层云各自的优势, 从而降水效率较高。     

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.