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。     

一次高原强降水过程及其云物理结构的数值模拟

本文利用中尺度WRF数值模式,对2010年8月7—8日发生在青藏高原东部一次强降水过程进行数值模拟,利用常规观测资料、FY卫星云图和数值模拟结果对此次强降水过程的宏微观演变特征和降水机制进行分析。本次模拟选用Milbrandt-Yau(MY)微物理方案,有较为完整的双参数计算过程,较为全面地考虑了各类云物理过程,对云微物理结构的描述和处理精细而复杂。结果表明,此次强对流降水发生在副热带高压与南亚高压相连、中高纬短波槽分裂南下、并与西南暖湿气流相遇形成低涡切变线的有利天气形势下,西南暖湿气流带来大量水汽、降水区存在大量不稳定能量、以及低层辐合高层辐散的高低空配置为暴雨发生发展提供了必要条件。WRF模式较好地模拟出了此次强降水过程的降水落区、降水中心和降水量级,对青海平安和甘南上空云团合并过程、强对流云团范围也模拟较好。对云微物理结构的分析结果表明,此次对流云降水为冷云降水,暖层浅薄,冰相粒子丰富,其中霰粒对过冷水的碰冻能力最强,使得其含量远大于冰雪晶含量,其融化是雨水的主要来源。雪晶含量最少,或与其碰冻过冷水能力较弱有关。     

强降水云物理过程的三维数值模拟研究

利用改进的三维完全弹性强对流云模式,模拟了1998年7月21日晨发生在武汉附近的特大暴雨个例,结果显示,该模式模拟得到的降雨量与实测接近,计算得到的雷达回波强度最大值也与实际观测相一致,说明该模式对实际对流性强降水具有较好的模拟能力.在此基础上,通过冷云和暖云两种不同情况的比较分析,研究了云微物理过程在强降水形成过程中的作用.模拟结果表明,详细云物理过程的考虑对深入理解武汉这次强降水的形成过程是有意义的.该个例雨水的形成主要是暖雨过程,冰相微物理过程对该对流性强降水过程的发展和演变有重要的促进作用.在形成雨水的冷相过程中,霰的融化及其在0 ℃层下碰并云水形成雨水的过程是主要的.模式云在0 ℃层附近存在明显的雷达回波亮带,亮带中间含有强回波核和及地下挂回波.分析表明,这种强回波核和下挂回波的产生主要是由于冰相粒子在0 ℃层融化形成的,融化的冰相粒子与云滴碰并又加速雨水的产生.在这些融化的冰相粒子中,贡献最大的是霰粒.文中还分析了该强降水暴雨云维持长时间强降水的云物理机制.在低层大气温暖高湿和环境风切变有利条件下,倾斜上升气流和下沉气流之间的准稳态结构可能是暴雨强降水得以长时间维持的重要原因.     

华南冷锋云系的中尺度和微物理特征模拟分析

利用中国气象科学研究院（CAMS）中尺度云分辨模式,结合实测地面雨量、卫星和雷达资料,对发生在2004年3月31日~4月1日的华南春季冷锋降水过程进行模拟分析。模拟云带的出现时间、位置、形状与走向以及随时间的演变均与卫星观测一致。模拟的雷达回波分布同实测一致,回波主要出现在地面锋线以及锋后冷空气一侧,呈西南-东北带状分布,锋面云系的不同部位回波单体的差异很大。模拟的主要降水时段内的地面雨量分布范围以及大小同实测接近,中尺度雨带呈西南-东北带状结构,随着冷锋的移动逐渐向东南方向移动。在中尺度雨带上有4个生命史超过3小时的强降水中心,强降水中心基本都是向东略偏南的方向移动,与回波单体的移动方向一致。锋面云系的垂直运动深厚,且基本与云区对应,云系产生在低层辐合、正涡度,高层辐散和高相当位温的区域。地面锋线附近的上升速度大,云水含量高,冰相粒子的淞附和雨滴碰并云滴是云中的主要微物理过程,暖雨过程和冷雨过程都重要;而在高空锋区宽雨带部分低层为下沉气流,上升气流只出现在高层,主要是过冷云水、霰和雪晶组成的混合云,雪晶是霰增长的主要源项,降水主要由霰的融化产生,冷云降水过程比较重要。     

对流性强降水的数值模拟研究

利用中科院大气所改进的三维强降水对流云数值模式，在证明该模式可较好地模拟对流性强降水的基础上，对1998年7月21日晨发生在武汉的梅雨锋强降水个例进行模拟，深入分析云体结构、降水量等特征，研究暴雨形成的云物理机制。作为对比，另外选取了陕西旬邑的一个强降水个例进行模拟。模拟结果表明，武汉个例云发展较稳定，雨水的形成主要是暖雨过程，冷雨过程对雨水的增加有促进作用，地面无固态降水，雨滴直径、大雨滴浓度相对较大。虽然云中最大上升气流速度、各种降水粒子最大含水量以及瞬时最大雨强等都不如旬邑的强对流云个例强，但累积降水量却比旬邑的大。通过人为改变低层大气湿度的模拟结果发现，这次强降水的长时间维持与低层充沛的水汽供应密切相关。     

台风“艾利”降水的非对称结构分析

利用NASA提供的热带测雨卫星TRMM(Tropical Rainfall Measuring Mission)的高分辨率资料分析了2004年台风“艾利”降水的结构特征,发现在不同发展阶段其特征存在着很大的不同。为了分析产生降水非对称的原因,又利用NCEP(the National Centers for Environmental Prediction) 再分析资料计算了垂直积分的水汽通量矢量。结果表明,本次过程由于伴随着双台风特有的环流形势,其北侧的偏东气流和南侧的西南气流对水汽输送的作用,在台风“艾利”发展的不同时期存在很大的不同,形成了这次台风过程特有的水汽来源特点。台风对流强降水区、水汽通量最大区和强上升运动区三者的分布在台风不同发展阶段存在着较大的差异,正是水汽通量和垂直运动的非均匀分布才造成这次台风降水的非对称分布。     

雨滴谱及双偏振雷达等资料在一次强降水过程中的应用

2019年8月9日20时至13日20时,受西风槽和台风利奇马的共同影响,山东省出现了大范围的强降水,其中心在章丘站。利用多源资料研究台风雨带强降水的微物理结构特征,分析了强降水过程中章丘站的分钟降水量、雨滴谱、双偏振多普勒雷达、风廓线雷达等资料。分析发现:本次降水过程开始阶段,存在明显的冷云降水机制。降水过程中雨滴的尺度谱随时间存在明显变化。降水较强时段,雨滴谱较宽,呈现出明显的双峰结构,直径大于1 mm的雨滴数序列与分钟降水量序列相关系数达到0.956 8;降水减弱时段,谱宽逐渐变窄,呈现出明显的单峰结构,直径大于1 mm的雨滴数变少。雷达回波高度较高时段,直径大于1 mm的雨滴数比例增大,谱宽较大,并出现多峰分布。强的湿湍流团可以形成差分反射率因子大值区,它既不对应于强对流,也不对应于地面大雨滴,是由上升和下沉气流引起的湿湍团变形以及其他原因综合导致的。降水较强时段,在风廓线时间剖面0.9～1.4 km高度,出现一个风向和风速突变的薄层结构;对应该薄层,分钟雨量最强,直径大于1 mm雨滴数的比例明显偏大。分析结果为了解台风强降水的滴谱特征和微物理结构提供了参考依据。     

广东一次雷暴过程的宏微观及电特征的数值模拟

采用三维雷暴云动力-电耦合数值模式,模拟了2015年7月17日广东清远一次系统性强雷暴过程,探究此次雷暴的宏微观及电活动特征,从微物理角度出发,分析电荷结构的复杂成因。结果表明,由于水汽充足,上升气流速度大,云体高度高,小粒子随着强上升气流快速上升,迅速增长为雨滴等大粒子,降水出现早,强度大,较高的气温,使得很难产生固态降水。本次过程中,电荷结构由三极性结构逐渐演变成偶极性结构,这是由于霰的自动转化作用较强,中层霰粒在雷暴云成熟期转化为雹下落,上升气流由于强降水的发生不能维持,冰晶和霰粒子分布区域重合面积减少,非感应起电减弱,使得下部电荷结构消散。较高的电荷区高度使得云闪数目远远多于地闪数目。      

浅谈1810号台风对山东影响

利用高空、地面常规资料结合雷达及卫星图像,从环流形势、物理量场等方面探讨2018年10号台风"安比"对山东省的影响。结果表明:本次台风降水过程为"安比"自身上升运动造成,强降水云系主要出现在台风移动方向右前方。造成日照、潍坊、淄博等地出现暴雨及大暴雨。     

台风“海燕”过境海南岛数值模拟及暴雨成因诊断

利用NCEP/NCAR 1°×1°再分析资料、地面观测降水资料、FY-2E卫星相当黑体温度资料,采用WRF中尺度数值模式对2013年11月9—11日台风"海燕"过程进行数值模拟,并对期间海南暴雨天气诊断分析。结果表明:台风"海燕"携带的大量水汽,为海南暴雨提供了丰富的水汽来源;TBB梯度高值区与暴雨强度及落区有很好的对应关系。地形在暴雨过程中起到重要作用,初期台风外围偏东气流遇海南中部高山产生地形重力波,促使局地辐合上升,产生降水;随着台风靠近,风向转为偏南且风速增大,地形作用促使气流强烈抬升,在低层产生强对流中尺度系统,并与高层辐散系统配合,产生强降水。     

NUMERICAL SIMULATION OF CLOUD MICROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF LANDFALL TYPHOON KROSA

In this study,the super typhoon KROSA(2007)was simulated using a mesoscale numerical model Global and Regional Assimilation and Prediction System(GRAPES)with a two-moment mixed-phase microphysics scheme.Local rainfall observations,radar and satellite data were also used to analyze the precipitation structure and microphysical features.It was shown that low-level jets and unstable temperature stratification provided this precipitation process with favorable weather condition.Heavy rainfall centers were located in the north and east part of KROSA with the maxima of 6-hourly total rainfall during the simulation more than 100 mm.The quantities of column solid water and column liquid water were generally equivalent,indicating the important role of ice phase in precipitation formation.Results of CloudSat showed that strong convection occurred in the eyewall around the cyclonic center.According to the simulation results,heavy precipitation in the northeast part of the typhoon was mainly triggered by convective clouds,accompanied by the strongest updraft under the melting level.In the southwest part of KROSA,precipitation intensity was rather homogeneous.The ascending center occurred in high-level cold clouds,favoring the formation and growth of ice particles.     

A SENSITIVITY SIMULATION ABOUT CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES OF TYPHOON CHANCHU

With the Reisner-2 bulk microphysical parameterization of the fifth-generation Pennsylvania State University–U.S. National Center for Atmospheric Research (PSU–NCAR) Mesoscale Model (MM5), this paper investigates the microphysical sensitivities of Typhoon Chanchu. Four different microphysical sensitivity experiments were designed with an objective to evaluate their respective impacts in modulating intensity forecasts and microphysics budgets of the typhoon. The set of sensitivity experiments were conducted ...     

MICROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF THE RAINDROP SIZE DISTRIBUTION IN TYPHOON MORAKOT (2009)

Microphysical characteristics of the raindrop size distribution(RSD)in Typhoon Morakot(2009) have been studied through the PARSIVEL disdrometer measurements at one site in Fujian province,China during the passage of the storm from 7 to 10 August 2009.The time evolution of the RSD reveals different segments of the storm.Significant difference was observed in the microphysical characteristics between the outer rainband and the eyewall;the eyewall precipitation had a broader size distribution(a smaller slope) than the outer rainband and eye region.The outer rainband and the eye region produced stratiform rains while the eyewall precipitation was convective or mixed stratiform-convective.The RSD was typically characterized by a single peak distribution and well represented by the gamma distribution.The relations between the shape(μ)and slope(Λ)of the gamma distribution and between the reflectivity(Z)and rainfall rate(R)have been investigated.Based on the NW-Dm relationships,we suggest that the stratiform rain for the outer rainband and the eye region was formed by the melting of graupel or rimed ice particles,which likely originated from the eyewall clouds.     

“碧利斯”(0604)暴雨过程不同类型降水云微物理特征分析

本文利用"碧利斯"(0604)暴雨增幅过程高分辨率的数值模拟资料, 将降水分成对流降水和层云降水, 对比分析了不同类型降水云微物理特征和过程的差异, 探讨了不同类型降水对暴雨增幅的贡献, 结果指出:(1)暴雨增幅前, 降水基本为层云降水, 对流降水只存在于零星的几个小区域, 暴雨增幅发生时段, 对流降水所占比例较暴雨增幅前有显著增加, 平均降水强度达层云降水强度的3倍多。(2)暴雨增幅时段, 云系发展更加旺盛, 云中各种水凝物含量较增幅前明显增加, 其中, 对流和层云降水区云中水凝物含量均有一定程度增长, 但对流降水区增加更显著;而无论增幅前还是增幅时段, 对流降水区云中水凝物含量均要明显大于层云降水区, 并且两者的这种差异随着地面降水强度的增强而增大。(3)暴雨增幅前后, 对流降水区雨滴的两个主要来源最终均可以追踪到云水, 通过云水与大的液相粒子(雨滴)和大的固相粒子(雪)之间、以及大的固相粒子(雪和霰)之间的相互作用和转化, 造成雨滴增长, 并最终形成地面降水, 而层云降水区中与雨滴形成相关的上述主要云微物理过程明显变弱, 但层云降水区中暴雨增幅时段的上述过程又要强于增幅前, 说明层云降水对暴雨增幅也有一定贡献。     

Numerical simulations of heavy rainfall over central Korea on 21 September 2010 using the WRF model

On 21 September 2010, heavy rainfall with a local maximum of 259 mm d-1occurred near Seoul, South Korea. We examined the ability of the Weather Research and Forecasting(WRF) model in reproducing this disastrous rainfall event and identified the role of two physical processes: planetary boundary layer(PBL) and microphysics(MPS) processes. The WRF model was forced by 6-hourly National Centers for Environmental Prediction(NCEP) Final analysis(FNL) data for 36 hours form 1200 UTC 20 to 0000 UTC 22 September 2010. Twenty-five experiments were performed, consisting of five different PBL schemes—Yonsei University(YSU), Mellor-Yamada-Janjic(MYJ), Quasi Normal Scale Elimination(QNSE),Bougeault and Lacarrere(Bou Lac), and University of Washington(UW)—and five different MPS schemes—WRF SingleMoment 6-class(WSM6), Goddard, Thompson, Milbrandt 2-moments, and Morrison 2-moments. As expected, there was a specific combination of MPS and PBL schemes that showed good skill in forecasting the precipitation. However, there was no specific PBL or MPS scheme that outperformed the others in all aspects. The experiments with the UW PBL or Thompson MPS scheme showed a relatively small amount of precipitation. Analyses form the sensitivity experiments confirmed that the spatial distribution of the simulated precipitation was dominated by the PBL processes, whereas the MPS processes determined the amount of rainfall. It was also found that the temporal evolution of the precipitation was influenced more by the PBL processes than by the MPS processes.     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

A Two-Moment Bulk Microphysics Coupled with a Mesoscale Model WRF: Model Description and First Results

The Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS) two-moment bulk microphysics scheme was adopted in this study to investigate the representation of cloud and precipitation processes under different environmental conditions.The scheme predicts the mixing ratio of water vapor as well as the mixing ratios and number concentrations of cloud droplets,rain,ice,snow,and graupel.A new parameterization approach to simulate heterogeneous droplet activation was developed in this scheme.Furthermore,the improved CAMS scheme was coupled with the Weather Research and Forecasting model (WRF v3.1),which made it possible to simulate the microphysics of clouds and precipitation as well as the cloud-aerosol interactions in selected atmospheric condition.The rain event occurring on 27-28 December 2008 in eastern China was simulated using the CAMS scheme and three sophisticated microphysics schemes in the WRF model.Results showed that the simulated 36-h accumulated precipitations were generally agreed with observation data,and the CAMS scheme performed well in the southern area of the nested domain.The radar reflectivity,the averaged precipitation intensity,and the hydrometeor mixing ratios simulated by the CAMS scheme were generally consistent with those from other microphysics schemes.The hydrometeor number concentrations simulated by the CAMS scheme were also close to the experiential values in stratus clouds.The model results suggest that the CAMS scheme performs reasonably well in describing the microphysics of clouds and precipitation in the mesoscale WRF model.     

不同微物理方案对台风“利奇马”雨带模拟的影响分析

云微物理过程是影响台风降水数值模拟的关键过程。利用华东中尺度模式系统,选取Thompson与CLR两种微物理参数化方案对台风“利奇马”进行数值模拟,对比观测、卫星资料,评估两个微物理参数化方案对台风模拟的影响,结果表明:相比于Thompson方案,CLR方案对台风“利奇马”的模拟在登陆后的路径、强度、降水明显更接近观测;Thompson方案在距离台风中心约100 km形成较强的螺旋雨带,而CLR方案在距离台风中心150 km左右的位置形成了较弱的螺旋雨带。进一步的分析表明,CLR方案模拟出的外围雨带距离台风中心的距离更远,是由于CLR方案中冰、霰等冰相态水凝物下落速度更小,更有可能被推送到距离台风中心更远的位置,从而形成不同的雨带分布。      

祁连山云系云微物理结构和人工增雨催化个例模拟研究

改进了胡志晋、刘奇俊的云物理方案,并实现了与GRAPES模式的耦合;利用包括了新云物理方案的GRAPES模式对祁连山地区一次山区云降水过程进行了数值模拟,研究了祁连山地区云系的微物理结构,并开展了人工催化的数值试验研究。结果表明：（1）耦合的双参数方案能够较好的模拟此次降水范围、强度及云场分布的特点和规律;（2）新方案给出了祁连山云系的合理微观结构和它的特征;（3）播撒冰晶可以增加降雨,在云初始阶段播撒增雨范围较广,在云发展阶段播撒增雨范围较集中;（4）播撒冰晶后,云的动力结构发生了改变。     

GRAPES全球模式云方案的诊断研究

在对GRAPES全球预报系统（GRAPES_GFS）云预报性能进行诊断评估的基础上,对凝结（华）和蒸发等物理过程及对流卷出对云的影响过程进行改进和优化,旨在提高GRAPES_GFS云量及其特征量和降水的预报精度。通过研究GRAPES全球模式、欧洲中期天气预报中心（ECMWF）和美国环境预报中心（NCEP）全球模式中3种云方案原理上的区别和联系,并将GRAPES_GFS预报结果与ECMWF第5代全球再分析资料（ERA5）做对比,分析云方案改进前后云量、云含水量、柱含水量等云宏观、微观物理量,降水量、向外长波辐射等基本物理量以及物理过程对温度和湿度的反馈倾向的预报性能,在此基础上对GRAPES_GFS原云方案进行改进。结果显示,云方案改进后,GRAPES_GFS在热带地区液水预报增大,云系和水成物垂直分布更合理;云量预报与ERA5预报结果更接近,特别是高云量预报的改进,使得热带向外长波辐射预报略有改进;低纬度地区日平均总降水量略有增大,特别是热带地区格点尺度降水增多较为明显,缓解了热带区域格点尺度降水预报偏小的现象。