下曳气流在积云对流中的作用

利用国家气象中心高分辨率有限区域业务预报模式（ＨＬＡＦＳ）对有无下曳气流的积云参数化方案进行了对比试验,通过对积云内容各物理量及大尺度物理量场的诊断分析研究下曳气流对积云对流发生发展的作用以及对大尺度热力,动力场的影响。结果表明：（１）下曳气流具有湿冷的特征,主要出现在强对流时段时流层中下层;（２）下曳气流的引入,促进了模式中强积云对流的发生发展,并在更高更多的空间层次上更强地加热及干化环境大气,     

积云参数化方案中云底质量通量的限制及在高分辨率模式中的应用

对SAS积云参数化方案中的云底质量通量进行限制并将其应用到华南区域高分辨率模式降水预报中,分别对强对流个例和弱对流个例进行模拟和比较,分析了限制云底质量通量之后的积云参数化方案对模式降水预报的影响,并探讨了不同大小的云底质量通量限制对预报结果的敏感性。试验结果表明,对积云参数化方案进行闭合时采用不稳定能量释放假设要比原来的准平衡闭合假设更适用于中小尺度模式。对积云参数化方案的云底质量通量进行限制以后可以有效地消除对流参数化在高分辨率模式中引起的虚假降水,同时又能够合理地引入一些次网格尺度的弱对流的影响,从而改进模式的降水预报效果。敏感性试验结果表明,随着云底质量通量限制程度的变弱,对流参数化方案对模式降水预报的影响会逐渐增强;在一定大小范围内的云底质量通量限制下,强对流个例的总降水量预报结果对于不同大小的限制不如弱对流个例敏感。对两种不同的云底质量通量限制方式进行比较发现,在云底质量通量较大时完全关闭对流参数化方案可以更有效避免对流参数化引起的虚假降水。      

修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究 Ⅱ:三种积云方案的积云对流活动及MFS方案相关参数的敏感性试验

作者在“修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究I方案介绍及对1991年洪涝过程的模拟”论文中提出的质量通量方案成功地植入区域气候模式RegCM2的基础上，对比分析质量通量方案MFS，Kuo方案和Grell方案对积云对流活动的模拟，结果表明质量通量方案较好地模拟了积云对流活动过程。针对质量通量方案中的一些参数，如云水向雨水的转换率、混合卷入率、混合卷出率和下沉气流的强度等进行了一系列的敏感性试验，试验结果表明积云对流活动对这些参数比较敏感，因此提高这些参数的准确性是改进积云对流参数化方案的重要内容之一。     

修正的ECMWF质量通量积云参数化方案的预报试验

用一个有限区域业务预报模式，以１９９５年７—８月西北地区几次大范围的降水天气过程为试验个例，对经过修改的ＥＣＭＷＦ质量通量积云参数化方案和模式中的原Ｋｕｏ型积云参数化方案进行了共１３例４８ｈ的批量对比预报试验。结果显示：质量通量方案能给出比Ｋｕｏ型方案更合理的积云降水落区；质量通量方案对模式预报≥１０．０ｍｍ的降水有一定的改进，并提高了各种降水等级的预报效率评分值     

WRF中不同积云对流参数化方案对青岛降水预报影响的对比分析

1~10 km水平分辨率是中尺度模式是否采用积云对流参数化方案的"灰色带"。基于青岛市气象局9 km分辨率WRF模式,分别选择KF、GD和BMJ三种积云对流参数化方案对青岛5次大范围降雨过程进行预报试验,分析比较不同积云对流参数化方案对青岛地区降水预报效果的影响。结果表明,这三种积云对流参数化方案对不同量级的降雨具有不同的预报性能:BMJ对小雨预报性能最佳;没有考虑积云对流参数化过程的控制试验对中雨的预报效果最好,KF方案次之;GD方案对大雨和暴雨预报效果均较好。对稳定性降水,GD方案对沿海站点降雨量预报效果较好,KF方案则对内陆站点预报性能较好;对对流性降水,BMJ方案无论是在沿海站点还是在内陆站点都有比较好的预报效果。在降雨空间分布上,对稳定性降水过程,各试验方案均模拟出了小于50 mm的降雨区,对大于100 mm强降雨区,GD方案具有较好的预报效果;对对流性降水过程,BMJ方案预报效果整体较好。     

公里尺度分辨率WRF模拟梅雨暴雨对积云对流参数化的敏感性试验研究

本文利用中尺度模式WRF V4.0.2(Weather Research and Forecasting Model,Version 4.0.2)对浙江省两次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,分别选用WSM6和Thompson云微物理方案、YSU和MYJ边界层方案、以及11种对流参数化方案进行试验,探究不同积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨的1 km高分辨率预报的影响,结果表明：（1）在对各试验的降水预报评估过程中,使用传统点对点方法和邻域法都能客观表现出各试验的预报水平,而邻域检验法能更客观地评估模式对小范围强降水的预报水平。（2）三类积云对流方案（包括：无积云对流方案、传统积云对流方案和尺度自适应积云对流方案）都能较好地模拟出小雨降水的发生情况,但随着降水强度增强至暴雨、大暴雨量级时,尺度自适应的积云对流方案对降水的预报结果有明显改善。（3）在不同微物理和边界层组合方案下,尺度自适应积云对流方案的模拟结果差异更显著,而传统积云对流方案的模拟结果的效果差异不明显。（4）在1～10 km的“灰色区域”范围内,当网格分辨率逐渐提高到1 km时,尺度自适应积云对流方案较传统积云对流方案对模式的预报结...     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

大气凝结水汽汇、凝结潜热作用与积云对流参数化

从引入包含质量(水汽)源、汇的连续方程出发,重新推导出大尺度凝结降水和积云对流凝结降水之水汽汇起作用的热力学方程,从而重新给出气压、气温预报方程及地面气压与高空位势高度预报方程。发现,在此基础上,才能实现凝结3个作用:气块水汽质量流失与气压降低;气块虚温降低;加热气块;和通过大气运动方程,实现大气凝结潜热“热机”作功。这时,对于预报气压、气温场,积云对流参数化方案中的参数在凝结3个作用中保持一致。否则,通过积云对流参数化方案,虽可以近似实现对于预报气压和气温场的凝结3个作用,但不可能调好参数的降水物理特性及其时空分布特征。且对于静力模式预报地面气压和高空位势高度场,不可能实现上述的第一凝结作用。最后表明,当模式分辨率提高到只用降水显式方案、不再用积云对流参数化方案后,则必须引入包含水汽源、汇的连续方程。因在热带海洋面上的水蒸发过程,水汽进入大气将改变地面气压场,且蒸发潜热可分为内潜热(水汽内能)和外潜热(水汽压力能),内潜热立即成为大气热能的一部分,而外潜热直接对大气层作功,使得大气位能增加。文中研究了大气中的大尺度凝结降水和积云对流凝结降水对气压场与位势高度场的影响。一般积云对流参数化方案都已考虑内潜热对大气的加热作用,但还须考虑因凝结与降水造成地面气压场及高空位势高度场的变化,后者应是外潜热作用的结果。在上述研究过程中,必须引入考虑凝结作用的连续方程,且最终可以改变有降水(包括大尺度凝结降水和积云对流凝结降水)发生时的数值预报模式动力框架。     

WRF模式对青藏高原南坡夏季降水的模拟分析

利用中尺度数值模式WRF研究积云对流参数化方案、网格嵌套技术和模式分辨率对陡峭的青藏高原南坡夏季降水模拟的影响。对2006年7月青藏高原南坡地区降水的模拟分析表明:降水对积云对流参数化方案的选择很敏感,不同方案模拟的结果差异显著,采用Grell-Devenyi质量通量方案时的模拟效果优于其他方案。在此基础上,通过5种试验方案比较发现,使用积云对流参数化方案、提高模式分辨率和应用网格嵌套技术能改善降水强度和空间分布的模拟,组合使用时模拟的降水与观测资料更接近。它们均能改进风场,使得水汽的输送和辐合过程的模拟更加准确;还能影响大气的垂直加热状态,导致不同的对流发生,使垂直速度的分布趋于合理。未使用积云对流参数化方案时,大气湿度偏小,而模式分辨率和网格嵌套技术对大气湿度的影响不大。      

修正的质量通量积云对流方案及其模拟试验研究Ⅰ:方案介绍及对1991年洪涝过程的模拟

文中在综合比较各类积云对流参数化方案优缺点的基础上 ,主要参考陈伯民等修正的ECMWF质量通量积云参数化方案 ,对其进行简化和修改 ,发展了一个质量通量积云对流参数化方案 ,文中表示为 MFS(Mass Flux Scheme)。MFS是一种综合型的方案 ,既考虑了大尺度水汽辐合的重要性 ,又考虑了积云中的上升运动、下沉运动、环境中的补偿下沉运动 ,以及卷入、卷出和蒸发等 ,用总体云模式来描述积云与环境的相互作用 ,同时考虑了深对流和浅对流。将 MFS植入 NCAR区域气候模式 Reg CM2中 ,对 1 991年 5～ 7月江淮地区特大降水过程的夏季风气候特征和变化进行了模拟 ,并与 NCAR Reg CM2选用 Kuo方案 ,在同样初、边值条件和其它物理过程选择下的模拟结果进行了对比分析。分析结果表明 ,植入 MFS后的模式能够模拟这次极端的降水气候事件。在某些方面 ,如地表气温 ,降水的模拟上 ,植入 MFS后的模式的模拟结果要比原模式的结果更合理     

对流降水云中大气垂直运动反演及个例试验

为深入认识对流降水云结构及动力特征,基于降水频段调频连续波5520 MHz垂直指向雷达(VPR-CFMCW),使用地面至15 km高度的反射率因子及径向速度,建立对流降水云中大气垂直运动的反演方法,分析对流垂直结构及大气垂直运动随高度分布的演变特征.对在广东龙门测站探测的2019年4月20-22日前汛期4次对流降水进行...     

Revisiting the parcel method and CAPE

Although the parcel method and the convective available potential energy (CAPE) are widely used to predict the strength and height of convection, they ignore the pressure perturbation and fail to explain strong updrafts observed in tropical cyclones and hurricanes without CAPE, or deep, strong warm downdrafts in hurricane eye-walls, tropopause folds, or downslope winds leeward of mountains. Those phenomena can be explained by the Bernoulli equation that conserves the sum of kinetic energy, potential energy and enthalpy in an inviscid fluid. Our analytic and numerical results also show how, in a moist stable environment without CAPE, updrafts and clouds can develop against negative buoyancy. Deep warm downdrafts can also form in cloud-free regions or areas without significant evaporative cooling from precipitation.     

A study of microphysical properties within a precipitation system using wind profiler spectra

This study investigates microphysical properties from wind profiler Doppler spectra observed within a precipitation system that produced high rainfall rates up to 40 mm hr^?1 near the southern coast of the Korean Peninsula on 25～26 June 2010. A 1290-MHz wind profiler located in the National Center for Intensive Observation of Severe Weather at Boseong, Korea, observed a widespread stratiform region and short-lived convective cells from 1850 UTC 25 to 0200 UTC 26 June 2010. By using a spectral model applied to observed profiler spectra, rainfall parameters and raindrop size distributions were retrieved below a melting layer during this period. Three representative periods during precipitation were selected based on intensities of bright band and characteristics in vertical profiles of radar reflectivity and Doppler velocity. During a brief convective period (～30 min), radar reflectivity tended to be proportional to vertical air motion (positive upward), suggesting that updrafts up to ～3 m s^?1 over a large vertical extent through the melting layer probably contributed to increasing rainfall rates at the surface. In reflectivityrainfall rate distributions, large drop spectra (high reflectivity) were analyzed within downdrafts and small drop spectra (low reflectivity) within updrafts, similar to the large and small drop spectra but found in stratiform and convective regions, respectively, in previous studies. This indicates that the degree of spread between reflectivity and rainfall rate may be strongly dependent on positive and negative magnitudes of vertical air motion. For three categories of vertical air motion (i.e., updrafts, neutral, and downdrafts), physical relations between the retrieved rainfall parameters were examined.     

风切变对边界层对流影响的大涡模拟研究

利用"西北干旱区陆-气相互作用野外观测实验"加密观测期间在敦煌站的观测资料以及大涡模式,模拟了对流边界层的发展,以及示踪物从混合层向残留层传输的时空变化。模拟的对流边界层的结构及演变特征与实测结果基本一致。进一步通过有风切变和无风切变的敏感性数值试验,研究了风切变对垂直速度、位温和示踪物浓度的水平分布以及示踪物传输高度的影响。研究结果表明,在有风切变的试验中(甚至风切变仅存在于近地层中),对流边界层的增长加强,而且示踪物被传输的高度也较高。与浮力驱动的对流边界层相比,由浮力和风切变共同驱动的边界层中上升气流较弱而下沉气流较强,但前者的上升气流与下沉气流的分布在垂直方向上更为倾斜。由于夹卷作用的增强,浮力和风切变共同驱动的对流边界层较浮力驱动的对流边界层暖。在夹卷层,浮力和风切变共同驱动的边界层对流的上升气流和下沉气流都比浮力驱动的边界层对流中的强,而且垂直速度的概率密度函数分布也较对称,其位温和示踪物浓度的概率密度函数分布也比浮力驱动的边界层中的平直。对湍流动能收支的分析也表明风切变对湍流动能有重要影响,尤其对夹卷层中的湍流动能切变产生项影响较大。示踪物浓度的概率密度函数垂直分布显示,浮力驱动的边界层中示踪物浓度随高度变化较小,而浮力和风切变共同驱动的边界层中示踪物浓度随高度递减,但是示踪物传输的高度比较高。     

Sea-Salt Aerosol Effects on the Simulated Microphysics and Precipitation in a Tropical Cyclone

We investigate the effects of sea-salt aerosol(SSA) activated as cloud condensation nuclei on the microphysical processes, precipitation, and thermodynamics of a tropical cyclone(TC). The Weather Research and Forecasting model coupled with Chemistry(WRF-Chem) was used together with a parameterization of SSA production. Three simulations, with different levels of SSA emission(CTL, LOW, HIGH), were conducted. The simulation results show that SSA contributes to the processes of autoconversion of cloud water and accretion of cloud water by rain,thereby promoting rain formation. The latent heat release increases with SSA emission, slightly increasing horizontal wind speeds of the TC. The presence of SSA also regulates the thermodynamic structure and precipitation of the TC.In the HIGH simulation, higher latent heat release gives rise to stronger updrafts in the TC eyewall area, leading to enhanced precipitation. In the LOW simulation, due to decreased latent heat release, the temperature in the TC eye is lower, enhancing the downdrafts in the region; and because of conservation of mass, updrafts in the eyewall also strengthen slightly; as a result, precipitation in the LOW experiment is a little higher than that in the CTL experiment.Overall, the relationship between the precipitation rate and SSA emission is nonlinear.     

Hydrodynamic Instability of the Periodic System of Updrafts and Downdrafts in the Atmosphere

The linear hydrodynamic instability of the spatially periodic system of updrafts and downdrafts in a stably stratified atmosphere is studied. Such formulation of the problem is used to simulate the cloud systems observed in the atmosphere, when the zones of updrafts correspond to clouds and those of downdrafts correspond to intercloud intervals. A rather unexpected conclusion was made that the consideration of turbulent viscosity and thermal conductivity of the atmosphere as well as of radiative cooling leads to the instability at the Richardson numbers exceeding the critical value of 1/8 for the nondissipative case.     

季尺度副热带高压中心内降水分析

利用10年NCEP/NCAR逐日再分析资料和GPCP-1DD降水资料,依据频次分析,研究了季节尺度副热带高压(副高)中心内降水分布的特点。研究结果表明:副高中心内四季均存在降水,其中夏季副高中心降水频次为40%—80%,而其他季节副高中心降水频次不超过50%;季平均副高中心降水率冬季约1—2mm/d、夏季不超过4mm/d,它对局地总降水的贡献变化在30%—90%,其中,夏季的贡献基本为50%—90%,其他季节的多数区域贡献一般不超过40%。统计表明,夏季副高中心上升运动频次变化范围为25%—75%,其他季节上升运动频次在25%以下。研究结果还发现夏季西太平洋副高中心频次约30%出现在中国东部大陆,相应的降水频次及上升运动频次分别为25%和15%,从而形成夏季中国东部一种独特的降水天气形势,即500hPa副高控制下的降水。另外,文中还指出副高中心内降水有一半以上出现在500hPa存在上升运动的情况下,而半数以下的降水出现时,500hPa存在下沉运动,前者降水可能为深厚性质,而后者则可能表明为浅薄降水。     

青藏高原那曲地区一次对流云降水过程的特征分析

利用雨滴谱和Ka波段毫米波云雷达等资料,针对2020年7月21日发生在那曲地区的一次对流云降水过程进行特征分析。结果表明:此次强对流云降水过程表现出明显的日变化特征,对流云在傍晚达到最强。强对流区内存在明显的上升气流和下沉气流,降水最强时雷达回波达到40 dBZ以上,降水过程中最大云顶高度为12 km,最小为720 m。那曲地区Gamma分布相对于M-P分布更适用于对流云小直径粒子（0~1 mm）的雨滴谱拟合,随着粒子直径增大,降水越来越不稳定。      

微降水雷达测量精度分析

利用数值模拟的方法,讨论了利用微降水雷达MRR(Micro Rain Radar)雷达功率谱密度反演降水参数时,MIE散射(米散射)效应、垂直气流(包括上升气流、下沉气流)对数浓度N、雷达反射率Z、雨强I、液态含水量LWC等参数的影响。MIE散射主要影响直径为1.20~4.00 mm的粒子,MIE散射效应影响的N、Z、I、LWC偏差的平均值分别为2.74 m-3 mm-1、1.47 d BZ、0.0061 mm h~(-1)、0.0004 g m-3。下沉气流使反演液滴直径偏大,上升气流使得反演的液滴直径偏小,下沉气流的影响更大,尤其是对低层影响大于高层。例如,在300 m高度上,当液滴直径为2.67 mm时,下沉气流为2.00 m s-1时,理论上反演的直径为8.07 mm,超出了MRR探测的阈值,其相对误差值能接近200%。下沉气流使得反射率谱向大粒子方向平移,且谱型展宽;上升气流则相反。将MRR资料与同步观测的THIES雨滴谱仪数据进行比对,分析MRR资料的可靠性。选取2015年4月1日01~12时(协调世界时)山东济南的一次降水过程,将MRR在300 m高度上反演的雷达反射率因子、雨强、数浓度、中值体积直径与雨滴谱仪资料进行对比。结果表明:两种仪器探测的Z、I、N、中值体积直径D0在时间序列上都有较好的吻合度,变化趋势和幅度相近,Z、I、D0的平均偏差分别为1.19 d BZ、0.34 mm h~(-1)、0.36 mm。MRR反演的I值偏大,而粒子直径偏小,分析了产生偏差的主要原因,除了探测系统偏差、分析方法本身存在的偏差外,上升气流导致的偏差不容忽视。这些结果初步验证了微降水雷达观测的功率谱密度及其反演方法的可靠性。     

Impacts of aerosol chemical composition on microphysics and precipitation in deep convection

Aerosols affect precipitation by modifying cloud properties such as cloud droplet number concentration (CDNC). Aerosol effects on CDNC depend on aerosol properties such as number concentration, size spectrum, and chemical composition. This study focuses on the effects of aerosol chemical composition on CDNC and, thereby, precipitation in a mesoscale cloud ensemble (MCE) driven by deep convective clouds. The MCE was observed during the 1997 department of energy's Atmospheric Radiation Measurement (ARM) summer experiment. Double-moment microphysics with explicit nucleation parameterization, able to take into account those three properties of aerosols, is used to investigate the effects of aerosol chemical composition on CDNC and precipitation. The effects of aerosol chemical compositions are investigated for both soluble and insoluble substances in aerosol particles. The effects of soluble substances are examined by varying mass fractions of two representative soluble components of aerosols in the continental air mass: sulfate and organics. The increase in organics with decreasing sulfate lowers critical supersaturation (S_c) and leads to higher CDNC. Higher CDNC results in smaller autoconversion of cloud liquid to rain. This provides more abundant cloud liquid as a source of evaporative cooling, leading to more intense downdrafts, low-level convergence, and updrafts. The resultant stronger updrafts produce more condensation and thus precipitation, as compared to the case of 100% sulfate aerosols. The conventional assumption of sulfate aerosol as a surrogate for the whole aerosol mass can be inapplicable for the case with the strong sources of organics. The less precipitation is simulated when an insoluble substance replaces organics as compared to when it replaces sulfate. When the effects of organics on the surface tension of droplet and solution term in the Köhler curve are deactivated by the insoluble substance, S_c is raised more than when the effects of sulfate on the solution term are deactivated by the insoluble substance. This leads to lower CDNC and, thus, larger autoconversion of cloud liquid to rain, providing less abundant cloud liquid as a source of evaporative cooling. The resultant less evaporative cooling produces less intense downdrafts, weaker low-level convergence, updrafts, condensation and, thereby, less precipitation in the case where organics is replaced by the insoluble substance than in the case where sulfate is replaced by the insoluble substance. The variation of precipitation caused by the change in the mass fraction between the soluble and insoluble substances is larger than that caused by the change in the mass fraction between the soluble substances.