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.     

地形动力作用对华北暴雨和云系影响的数值研究

为了进一步研究地形对华北暴雨的影响,本文从云微物理学的角度出发,选取了2005年7月22～24日的一次华北暴雨过程为研究对象,利用中尺度数值模式ARPS,通过地形高度敏感性试验,详细讨论了地形高度变化对流场、云及降水微物理过程的影响.结果表明:地形高度变化对水平和垂直流场的大小和分布都有较大影响;地形高度增加有利于迎风坡附近水平风场辐合和垂直上升运动发展,这对云的垂直和水平发展影响都很大,尤其是对中高层云的发展影响最明显,并且能明显扩大地面降水的分布范围,地面最大降水量也有所增多.这主要是由于地形高度增加后能促进中高层云水的产生,尤其是零度层之上的过冷云水含量的增多,这大大促进了冰相粒子(雪和霰)的增多,从而使得以冷云过程为主的此次降水过程中,冰相粒子融化形成的雨水含量增多.虽然地形高度的增加会抑制云系发展前期的暖云过程,但对冷云过程有持续加强作用,而且不会明显改变云内降水的形成机制,冷云过程依然是降水的最大贡献项,总体上促进了云和降水的发展.     

北京“7.21”特大暴雨云降水结构及云雨转化特征

利用多普勒雷达资料、FY-2E静止卫星和MODIS极轨卫星反演产品,研究2012年7月21日北京特大暴雨的云降水结构及云雨转化特征。结果表明:降水过程三阶段的云降水垂直结构不同。1)在暖区对流降水阶段,降水以暖雨机制启动,雨滴在暖区存在深厚的碰并增长过程,暖雨过程对降水起主要贡献。随着云体的发展,冷雨过程加剧。T-Re分析表明,-10℃层以下云滴凝结碰并显著,-10℃层以上为深厚的冰相增长带,云顶以冰相大粒子为主,云水向雨水转化迅速。2)在锋面对流降水阶段,降水系统为高度组织化的"低质心"强降水液态MCC(Mesoscale Convective Complex)系统。回波强度在冰水混合层增长较快,冻结层是此阶段成雨微物理的关键层。降水粒子在暖云区碰并增长较快,而蒸发或破碎过程并不显著。3)在锋后降水阶段,0℃层附近冰晶粒子与云水的碰并增长较为明显。前期降水存在明显的雨滴蒸发过程。随着云体的发展,暖区云水含量较少,降水粒子不能有效碰并增长。     

天津城市环境对一次局地降水过程影响的模拟研究

采用中尺度气象模式WRF结合自动站观测资料,对天津城区及附近发生的一次局地降水过程进行数值模拟和敏感性试验,研究了城市环境(城市地表、城市大气污染)对降水发生发展的影响。结果表明:城市地表引起的热岛环流,叠加海风环流后,改变了辐合线的位置和强度,直接影响了对流降水的发生及落区。城市大气污染状况可影响对流发展后的强度及降水量,敏感性试验结果显示气溶胶浓度增大后区域平均降水量增加约25%;气溶胶的增雨效应主要表现在可增进对流云中液态水和冰相物质含量,增多的液态水物质被强的上升气流抬升到较高处冻结形成冰晶,这一过程中增多的凝结潜热又可促进对流发展,最终导致地面总降水量增多,研究个例中气溶胶浓度增加可使潜热加热率最大增加110 K·h~(-1)。     

鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟

为了深入研究对流云降水微物理过程特征,为局地对流降水预报和人工增雨提供更多的参考依据,利用三维双参数对流云模式,使用常规单站探空资料,开展湖北两北部山地夏季对流降水实例的批量数值模拟,使用地面降水量和雷达回波资料检验模拟效果,统计分析降水微物理过程特征,归纳总结冰相粒子的形成、增长机制,以及液念水和冰相粒子的相互转化机制。结果表明：（1）对流云模式能够较好地模拟实际对流降水的一些宏观微观特征;（2）当地夏季主要是对流冷云降水,冰相过程是形成降雨的主要物理过程;（3）冰相过程巾过冷水、霰、冰晶之间的相互转化过程是主要的冷云降水形成机制。     

宁夏固原市一次对流性天气的数值模拟

利用WRF模式和1°×1°的NCEP再分析资料,对2007年7月14日宁夏固原市发生的一次强对流天气进行了数值模拟,并分析了此次强对流天气的有利环流形势、物理量场分布以及雷达回波特征。结果表明:(1)WRF模拟的降水区较实况略偏东南,且降水量偏大;(2)WRF模拟的高层辐散和中低层辐合配置、"喇叭口"探空曲线与对流性降水区较为符合;(3)霰、雪是雨水形成的主要来源,云水又是雪和霰增长的主要来源;(4)云滴数浓度对对流云降水及水成物分布有重要的影响。增加云滴数浓度,前期可使对流云产生的累计降水量和范围均有减少,后期高浓度状况下存在大量冰相粒子,造成累计降水量及范围大于低、中浓度的降水;增加云滴数浓度,云水含量增加,前期雨水、冰晶、霰含量减少,后期雨水、冰晶、霰含量增多。     

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明:气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

一次东北冷涡降水过程的数值模拟研究

应用中国科学院大气物理所设计开发的三维冰雹云(IAP)模式 ,使用2002年7月12日20时沈阳探空资料 ,对当日降水过程进行模拟研究。结果表明 ,这是 1次以冰相过程为主的冷云降水过程 ,前期云中对流较强 ,降水以冰雹为主 ;后期对流减弱 ,持续降雨。低层风切变和气旋存在是产生持续降雨的主要条件 ;微物理过程中 ,霰粒子的融化是降雨的主要因素 ,其次是雨水对云水的碰并收集     

利用WRF-Chem模式模拟分析人为气溶胶对台风Fitow(1323)强度及降水的影响

利用气象与化学模块在线耦合的模式WRF-Chem V3.5(Weather Research and Forecasting Model coupled to Chemistry Version 3.5) 对1323号台风Fitow进行了模拟,设计无人为排放源、含人为排放源和人为排放源增加的三组模拟试验,对比分析了人为气溶胶对台风的影响。结果表明:人为气溶胶对台风移动路径影响较小。人为气溶胶增加,台风强度减弱,台风主体总累积降水量减少,靠近陆地阶段台风主体降水率减少。气溶胶的增多可提供更多的凝结核,台风外围云水增加,更多的云水可上升至冻结层以上形成过冷水,促进冰相粒子的形成,释放的潜热增加,使外围对流增强,降水增加。台风外围对流的发展,使低层入流的暖湿空气更多的在外围上升,向台风中心的入流减弱,眼墙的发展减弱,降水减少,台风强度减弱。台风外围的对流发展弱于眼墙的对流,降水仍以眼墙区为主,使累积降水量和降水率整体上表现为减少。     

一次东北冷涡降水过程的数值模拟研究

应用中国科学院大气物理所设计开发的三维冰雹云(IAP)模式，使用2002年7月12日20时沈阳探空资料，对当日降水过程进行模拟研究。结果表明，这是1次以冰相过程为主的冷云降水过程，前期云中对流较强，降水以冰雹为主；后期对流减弱．持续降雨。低层风切变和气旋存在是产生持续降雨的主要条件；微物理过程中，霰粒子的融化是降雨的主要因素，其次是雨水对云水的碰并收集。     

对流尺度数值预报中的云物理初始化方法改进及个例试验

通过在云初始化方案中增加由地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据,同时增加层云云冰、云水计算方案,改进云分析方法,并基于第2代华东快速更新循环同化模式预报系统,针对2015年4月28日华东强对流个例,进行对比试验,分析了改进的云初始化方案对云分析结果和模式预报效果的影响。试验表明:在云分析中增加对流判据,使得平均40%左右的云分析格点判定为非对流格点,对流格点分布与正的感热通量分布相似,在陆地上有显著日变化。在对流和层云格点判定之后,增加层云云冰、云水计算方案分析层云格点,显著地减小了模式初始场的云冰、云水混合比,有效地减弱了模式积分初始阶段云冰、云水含量的剧烈调整,尤其是在陆地区域。采用改进的云初始化方案进行预报,可以减少模式前1 h和前6 h的降水强度;尤其在个例的循环试验中,强降水中心强度和面积的预报比原方案显著减弱。      

一次典型暴雨的TRMM卫星观测及特征分析

利用TRMM卫星探测结果来探讨2010年6月23日发生于湖南一次局地大暴雨的云物理特征.结果表明:(1)强降水系统由一个主降水云团和多个零散降水云团组成,降水系统中对流降水所占面积比层云降水面积小但对总降水量的贡献超过层云降水;(2)可降水冰的丰富区与强的对流上升区域相吻合,云水、云冰对降水产生的影响不大,可降水冰的强...     

Evaluation of cloud and precipitation parameterization using a single-column model: A TWP-ICE case study

Cloud and precipitation parameterization schemes are evaluated, and their sensitivity to the method and/or parameters used to determine cloud physical processes is examined using a singlecolumn version of the Unified Model (SCUM). In the experiment for TWP-ICE, cloud fraction is overestimated (underestimated) in the upper (lower) troposphere due to the wet (dry) bias. The precipitation rate is well simulated during the active monsoon period, but overestimated during the suppressed monsoon and clear skies periods. In the moist convection scheme, trigger condition and entrainment process affect the lower tropospheric humidity through the impact on convective occurrence frequency and intensity, respectively. Strengthening the trigger condition and using the adaptive entrainment method alleviate the low-level dry bias. In the microphysics scheme, more large-scale precipitation is produced with prognostic rain, due to rain sedimentation considering vertical velocity of rain drop, than with diagnostic rain. Less ice/snow deposition with the prognostic two-ice category results in lower ice water content and upper-level cloud fraction than with the diagnostic splitting method for the twoice category. In the cloud macrophysics scheme, the prognostic cloud fraction and cloud/ice water content scheme produces a larger cloud fraction and more cloud/ice water content than the diagnostic scheme, mainly due to detrainment from moist convection (cloud source) that surpasses the effect of convective heating and drying (cloud sink). This affects temperature by influencing the radiative, convective, and microphysical processes. The experiment with combined modifications in cloud and precipitation schemes shows that interaction between modified moist convection and cloud macrophysics schemes results in more alleviation of the cold bias not only at the lower levels but also at the upper levels.     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。     

暖底对流云催化的微物理和动力效应的数值模拟

为加深理解暖云底对流云降水形成的微物理机制,调查对这类对流云实施碘化银催化所能产生的微物理和动力效应,本文使用三维对流云模式(包含6种水成物:云滴、雨滴、冰晶、雪花、霰和冰雹),对2004年7月8日发生在我国江淮地区的一例对流云进行模拟,并开展碘化银催化试验。结果表明:(1)模式能够较好地模拟出实测风暴的回波结构。(2)云雨自动转化和霰粒子融化是两个最重要的成雨机制,产生的雨滴占雨滴总数量(质量)的67%(19%)和18%(57%)。(3)对流发展初期在主上升气流区进行的催化试验表明,对本例对流云播撒碘化银能够同时获得增雨和减雹的正效果。(4)催化增加的霰粒子通过竞争机制抑制了前期冰雹的形成,但增强了向雨滴的转化(通过融化机制);催化也促进了二次对流的发展,增加了入云的水汽通量和云水含量,加强了后期的云雨自动转化及碰并增长,导致后期的雨和冰雹增加,并使地面降水分布发生变化。这些结果表明,对暖底对流云进行碘化银催化能够产生微物理和动力效应。     

城市化对珠江三角洲强雷暴天气的可能影响

通过对2004年8月11日午后发生在珠江三角洲地区的一次强雷暴天气的高分辨数值模拟，研究了城市化发展可能对雷暴活动的影响问题，主要考察了与城市土地利用类型改变相关的“城市热岛”的形成和演变特征，城区粗糙度增大可能引起的低层辐合的增强过程，及其与雷暴发展强度变化的关系。结果表明:模拟的雷暴发展和演变过程与这一地区城市化的发展有密切的联系。引进了更加真实的关于珠江三角洲地区的土地利用类型资料之后，耦合了陆面模式Noah LSM的MM5模式可以更加成功地模拟出强雷暴天气的发展和演变过程。雷暴系统移经主要城市区后在珠江口西岸的增强过程与这一地区“城市热岛”的效应有关。中午时热岛开始形成于广州城区的上空，之后向南移动，范围扩大。另外，城区粗糙度增大引起的低层辐合增强可能在雷暴发展和演变过程中也起到了作用。模拟的与城市影响有关的低层辐合主要位于500 m以下的近地面层，开始时形成于城市的上风方向，并在下风方向增强， 由此引起的强烈上升运动有利于新的对流的启动和发展，促使雷暴强度增强。     

一次基于风廓线雷达观测的北京夏季降水的垂直观测研究

本文利用风廓线雷达数据反演了降水云体的大气垂直速度、雨滴下落末速度等云动力特征和云水混合比、雨水混合比等云微物理参数,并结合天气雷达、探空、自动站、雨滴谱仪和微波辐射计等数据对2020年5月7～8日发生在北京市海淀区的一次夏季降水过程进行垂直综合观测.结果表明:垂直探测仪器观测及其反演的数据可以获得降水云体的详细动力参...     

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5(V3.6),选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4-5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析.研究结果表明:(1) 具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案.(2) 梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化.雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1-2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用.(3) 除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500-700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速(剧)云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子.     

对流性降水云微波辐射特性

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式, 对2003年7月9日宜昌地区一次典型的中尺度降水中心的对流性降水云微波辐射特性进行研究。结果表明:MM5模式模拟的降水量和落区与实况一致,模拟的水凝物廓线也与TMI反演值接近,85.5 GHz通道辐射亮温与TMI实测情况相近。85.5 GHz通道亮温与地面雨强相关性很弱, 受云中云冰和雪花的散射降温作用显著, 由于其他粒子的综合作用以及斜角观测造成的位置偏移, 霰粒子对该通道亮温散射作用不明显。19.35 GHz通道亮温随雨强增加先升温后降温; 与霰粒子含量表现出明显的负相关关系。37.0 GHz通道亮温随雨强的增加而降温, 雨强大于20 mm/h后达到饱和, 主要受雨水降温作用影响。倾斜观测比天顶垂直观测产生更低的亮温低值中心, 且频率越高, 低值中心的偏移越严重。