一次华北暴雨的云物理特征及霰雹分类对云和降水影响的数值研究

利用中尺度模式ARPS模拟了2005年7月22日一次典型华北暴雨过程的云物理特征,对比分析了高密度大冰雹下落末速度增大时对云和降水的发展演变、云系宏微观结构、垂直风场以及云系的宏观热力场的影响.结果表明,产生这次暴雨的中尺度对流系统经历了对流云团发展、加强及合并过程,其高层为冰晶、雪,中层为霰/雹、过冷云水,低层主要是雨水;霰/雹形成和融化的冷云过程对雨水的形成起重要作用.高密度大冰雹下落末速度增大时:(1)对暴雨区降水量、云的分布、厚度和含水量有较明显的影响;(2)可以引起云中高含水量区合并,累积含水量减小,含水量中心位置发生变化;(3)云系有提前进入消散阶段的趋势;(4)对云中霰/雹和雨滴的垂直分布范围及其含水量极大值影响显著,霰/雹含水量区向下延伸约1 km,雨滴含水量最大值高度也随之降低.同时霰/雹含水量减小,而雨滴含水量增加;(5)上升气流的发展受到抑制,云顶高度降低,云中含水量减小,伴随微物理过程的相变潜热也随之减小.     

北京冬季降水粒子谱及其下落速度的分布特征

为了深入探讨北京冬季云降水的微物理特征,提高雷达反演冬季固态降水的精度和冬季降水的预报水平,利用PARSIVEL（Particle Size and Velocity）降水粒子谱仪所观测的冬季降水粒子谱,结合地面显微镜粒子图像和云雷达数据,对比分析了北京海坨山地区冬季过冷雨滴、霰粒、雪花、混合态降水的粒子谱和下落速度特征,得到主要结论如下:（1）霰粒降水过程的云顶最高,整层的含水量最大,低层的退偏振比（LDR）最小,粒子更接近于球形;降雪过程的云顶最低,云中含水量最少,低层的退偏振比较大;混合态降水过程的雷达回波强度和高度特征介于两者之间,但低层的退偏振比最大;（2）在云中上升或下沉气流及湍流的影响下,过冷雨滴、霰粒和雪的下落速度均对称分布于各自理论下落末速度曲线的两侧。因此可根据粒子浓度相对于其直径和速度分布的中轴线位置,判断出该段降水过程中的主要粒子形态;（3）冬季雪花、霰粒和混合态降水粒子下落速度分布的散度较雨滴更大,其原因是由于冷云降水过程的粒子形态复杂,且固态粒子下落过程中更容易受破碎、聚并和凇附等微物理过程影响;（4）在4种降水类型中,雪的平均直径和离散度最大,雨滴最小;混合态降水粒子的总数浓度最大,雨滴的总数浓度最低,并且4种降水类型的粒子数浓度、平均直径和离散度均随降水强度的增大而增大。      

东北地区春季冷锋云系降水个例数值模拟及机理研究

本文通过常规天气资料,结合WRF中尺度数值模式,深入研究了2007年5月22～24日一次发生在东北地区的锋面云系降水过程和云宏微观结构特征以及降水产生的物理机制。模拟结果表明冷锋云系降水分布不均匀,锋前中低层有弱的上升气流,云水比含水量较大,雪和霰几乎没有。冷锋过境时,垂直速度迅速增大,中低层有下沉气流,不利于云水形成,出现云水含量几乎没有的干层区,雪水比含水量迅速增加,降水形成应是通过雪和霰的融化过程。处于锋区时,垂直速度和雪比含水量继续增大,降水的形成主要是雪的融化过程。锋后,上升气流迅速减弱,云内雪比含水量减少,降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理过程。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 I: 观测分析

利用机载云粒子测量系统等仪器对2003年7月8日冷涡云系的积层混合云探测的资料,分析冷涡云系中的微物理结构、微物理过程和降水形成机制.结果表明:在4km以上高度,2-DC粒子浓度随高度快速增加,而粒子平均直径逐渐减小,粒子在下落过程中获得了增长.积层混合云中对流云在垂直方向上出现明显的分层的微物理结构:4.6km以上高度只存在针状冰晶;4.5～3.5 km高度,存在过冷水和冰相粒子.过冷水含量较高,冰相粒子除针状冰晶外,还有少量冰雪晶聚合体或霰粒子,其中在紧靠0℃层之上的3.5km高度,主要存在冰雪晶聚合体或霰粒子.在紧靠0℃层之下,粒子为椭球形,还有一些未完全融化的冰晶,再降低200 m高度,粒子完全是球形,这里完全是雨滴.降水粒子主要是雨水.云系液态水含量十分丰富,过冷水含量最大值可达3.3 g/m3,云体上部也达到2.0 g/m3.云垂直方向上微物理结构分析表明,云中冰晶除了通过冰核核化形成外,可能还存在冰晶的繁生过程.冰晶产生后通过聚并进一步长大,撞冻过冷水也是冰雪晶增长的方式之一.在云的暖区降水粒子为雨滴,其中至少有一部分是由冰相粒子(冰晶聚合体或霰粒子)融化形成.因此冷云过程参与了降水形成过程.     

云凝结物平流输送对降水云系发展影响的数值模拟研究

大气动力学中"平流输送"是非常重要的宏观动力学过程,云凝结物的平流输送与降水云系的发展演变密切相关,它把宏观动力过程与各种云凝结物粒子的时空演变联系起来,云凝结物的平流输送可以增加或减少局地大气中云凝结物的含量,改变云凝结物的空间分布状况,影响云凝结物的微观物理过程,进而促进或抑制降水云系的发展演变.本文在数值模拟研究中.通过改变云凝结物平流输送的状况来研究宏观动力过程对云微观物理过程的影响,因而利用ARPS模式开展3个分别排除云凝结物水平平流输送、垂直平流输送和三维平流输送的敏感试验,进行关于云凝结物平流输送对降水云系发展演变影响的敏感性数值模拟研究.结果表明,云凝结物的平流输送对水汽比湿的影响很小.云凝结物的三维平流输送有利于增加降水云系中雪和霰的混合比含量,抑制云水、雨水和云冰混合比含量的增长.云凝结物的水平平流输送可以降低降水云系中云水和雨水的混合比含量,增加云冰和雪的混合比含量;云凝结物垂直平流输送的作用是增加降水云系中雨水、雪和霰的混合比含量,减少云与冰混合比含量.云凝结物三维平流输送效应的分析表明,云凝结物的三维平流输送主要通过调整云凝结物的微物理过程源汇项以及降水粒子(雨水、雪和霰)的下落末速项来改变降水云系中云凝结物的垂直结构;另外,雪的三维平流输送对雪本身的分布也有一定影响.     

山西春季层状云系数值模拟及与飞机探测对比

采用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云参数化模式对2010年4月20日山西省一次春季层状降水云系的宏微观结构,特别是垂直方向上的微物理结构进行了数值模拟和分析。利用携带云粒子探测设备的飞机对该次层状云系进行了两次云物理探测飞行,并将飞机探测所获取的数据和图像资料与数值模拟结果进行了对比研究。模拟结果显示:该次降水过程以层状冷云降水为主,云中过冷水含量丰富,云系存在明显的3层结构,地面降水主要来自于云中高层冰晶、雪、霰等冰相粒子的融化和低层云水的转化。数值模拟与飞机探测对比分析显示,高空温度、湿度和高度的配置两者基本一致,数值模拟不同高度的云粒子相态、垂直方向云水比含水量与飞机探测获取的云粒子图像和云液态水含量的垂直结构基本吻合,但数值模拟的云中各种水成物粒子出现的高度较飞机探测偏高。     

2014年夏季青藏高原云和降水微物理特征的数值模拟研究

为了加强对青藏高原（高原）云和降水微物理特征的深入认识,采用高分辨率中尺度数值预报模式（WRF）,对第三次青藏高原大气科学试验2014年7月3-25日发生的6次不同强度云和降水过程进行了数值模拟分析。研究结果表明:（1）青藏高原夏季云和降水过程具有独特性。高原夏季对流的促发机制主要是午后高原加热造成的,云和降水具有明显的日变化。午夜后,对流性降水一般转化为层状云降水,具有明显的0℃层回波亮带,并且会产生强降水。大部分对流云云顶高度超过15 km（海拔高度）,最大上升气流速度为10-40 m/s。（2）6次云过程中均具有高过冷云水含量,主要分布在0—-20℃层,冰晶含量主要分布在-20℃层以上的区域,强盛的对流云中,可出现在-40℃层以上区域;雨水集中分布在融化层之下,说明其主要依赖降水性冰粒子的融化过程;雪和霰粒子含量高,分布范围广,说明云中冰相过程非常活跃。（3）高原夏季云中水凝物的转化过程和降水的形成机理具有明显特点。霰粒子的融化过程是地面雨水的主要来源,暖雨过程对降水的直接贡献很小,但通过暖雨过程形成的过冷雨滴的异质冻结过程对云中霰胚的形成十分重要。霰粒子的增长主要依靠凇附过程以及聚并雪晶的增长过程。      

云中粒子谱形状因子变化对云及降水影响的数值研究

鉴于目前云数值模式和中尺度数值模式中云和降水过程大多用体积水参数化的方式描述,而不同模式所用的粒子谱不同或粒子谱的参数不同,用这些模式模拟研究云和降水的物理过程、降水形成机制、催化防雹和催化增雨机理以及预报降水等就遇到这样一个问题:粒子谱或谱参数不同对研究结果有何影响?因此利用中国科学院大气物理研究所的三维冰雹云催化数值模式,做雹云中粒子谱参数变化的数值试验,分析了冰雹云中雨滴谱、冰晶谱、霰谱的形状参数对降雨降雹、云中微物理过程的影响。结果表明,雨滴谱形状参数变化,对降雨形成机制基本没有影响,对与雨滴有关的物理过程有直接影响。霰谱对地面降雹量、降雹强度、雨强的影响较大,对降雨量影响较小;对冰晶、霰以及冰雹的质量和数量产生率都有明显的影响,云中的所有微物理过程均受到了不同程度的影响,对有些过程影响最为显著,它不但影响粒子的产生过程,也影响粒子的增长过程。冰晶谱对降水量的影响较小,但对各种粒子的某些形成或增长过程影响较大,有的很大。此外,冰晶谱型的变化,对不同地区云或不同个体云降水的影响程度不同,反映了滴谱谱型对云和降水影响的复杂性。利用这些研究结果,讨论了云模式的使用问题。     

霰粒子参数对强对流云降水和催化影响的数值模拟研究

本文利用三维对流云AgI催化模式, 开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性模拟试验, 以研究高凇附度时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响。敏感性试验中对七个霰微物理过程进行了调整。分析发现改变霰落速参数和霰密度, 可以引起3小时模拟的总降水量增加4.9%。催化后改变了敏感性试验中霰落速和上升气流的配置, 并影响到霰碰并云水和冰晶的过程, 及霰融化成雨水的过程。在高凇附度云中如果只增加霰密度而没有增加相应的落速系数, 将使云中霰含量大幅增加。霰参数也影响了自然云和催化云的降水效率。过量催化使得催化云的降水效率低于自然云。增加霰密度的同时也增加霰落速系数, 将使其降水效率高于对照试验, 从而影响催化效果。在高凇附度云中采用大密度和较大下落系数, 并且利用比数浓度平均落速计算霰粒子比数浓度的下落过程, 会使催化效率从25%减少到15%, 极大地改变催化效果。所以在高凇附度的暴雨个例中, 应当采用高霰密度和相应的高霰落速, 否则减雨的催化效果将会被大幅夸大。     

不同云方案对祁连山降水模拟的影响

应用MM5中尺度模式,选用4种不同云微物理方案(Dudhia简单冰相方案、Reisner混合相方案、Reisner2霰方案和Schultz微物理方案),对2002年7月12-13日祁连山区降水过程进行了数值模拟试验。模拟结果的对比分析表明,不同云微物理方案在祁连山区降水的模拟中对降水落区的模拟均偏南;除Reisner2霰方案外,其他3种方案对降水中心落点的模拟影响不大,降水中心强度对云微物理方案不敏感;显式降水和参数化降水对云微物理方案有不同程度的依赖性;云微物理过程通过影响动力条件发生发展的时间和强度,来影响强降水发生的时间和强度。通过各云微物理参数的分析发现,各物理过程中微物理参数参与降水的过程不同:对Dudhia简单冰相方案来说,雨水和云水是形成降水的主要过程;Reisner混合相方案中降水的形成主要是由于雨水、云水、雪和霰的碰并过程,冰晶的碰并相对较弱;在Reisner2霰方案中,雨水、云水、冰晶、雪和霰均参与碰并碰冻过程;Schultz微物理方案中冰晶、雪和霰的碰并过程更为重要。     

Key issues in developing numerical models for artificial weather modification

The scientific foundation of artificial weather modification is meso- and small-scale dynamics and cloud–precipitation microphysics. Artificial weather modification requires the realistic coupling of weather patterns, dynamical processes, and microphysical processes. Now that numerical models with weather dynamical characteristics have been widely applied to artificial weather modification, several key points that should not be neglected when developing numerical models for artificial weather modification are proposed in this paper, including the dynamical equations, model resolution, cloud–precipitation microphysical processes, numerical computation method, and initial and boundary conditions. Based on several examples, approaches are offered to deal with the problems that exist in these areas.     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(II):云微物理过程和地形影响

本文是祁连山夏季地形云结构和微物理过程模拟的第II部分。文中利用第I部分中祁连山夏季两个地形云降水个例的模拟结果,详细分析了地形云及其降水发展期间云微物理过程的特征及变化,并通过与平坦地面条件下模拟结果的对比,研究了云发展过程中的地形影响。研究表明,地形云中微物理过程的发展受地形影响很大,冰相微物理过程明显增强;地形影响下云的主要降水机制也受到影响甚至被改变。     

SENSITIVITY OF LANDFALLING TYPHOON STRUCTURE AND PRECIPITATION TO VARYING CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES

Typhoon KROSA in 2007 is simulated using GRAPES, a mesoscale numerical model, in which a two-parameter mixed-phase microphysics scheme is implanted. A series of numerical experiments are designed to test the sensitivity of landfalling typhoon structure and precipitation to varying cloud microphysics and latent heat release. It is found that typhoon track is sensitive to different microphysical processes and latent heat release. The cloud structures of simulated cyclones can be quite different with that of varying microphysical processes. Graupel particles play an important role in the formation of local heavy rainfall and the maintenance of spiral rainbands. Analysis reveals that the feedback of latent heat to dynamic fields can significantly change the content and distribution of cloud hydrometeors, thus having an impact on surface precipitation.     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

影响云和降水的动力、热力与微物理因素的研究概述

由于云和降水的发生、发展是大气动力、热力过程与云中微物理过程相结合的产物，因而受到这些过程的共同制约和影响。为了更加详细地了解影响云和降水的动力、热力与微物理因素，分别从3个方面概要性地进行了阐述。（1）动力作用对云和降水发展的影响：主要讨论了风切变、天气系统抬升、地形动力作用和湍流的作用等因素的作用。（2）影响云和降水发展的热力因素：分别对热力扰动、潜热的作用、辐射作用等做了分析。（3）微物理过程对云和降水发展的影响：主要从微物理过程对动力热力过程的影响、带电过程对云降水粒子的影响、以及微物理过程对云降水影响的相对重要性等方面进行讨论。并在最后扼要地指出了在研究云和降水问题时，将动力、热力过程和微物理过程结合起来研究的必要性。     

台风眼壁的云结构与降水形成机制分析

使用带有详细微物理过程的ARPS模式,对台风韦帕（Wipha）进行三重嵌套细网格模拟,利用模式结果,对台风眼壁强降水中心的云结构和降水形成机制进行分析,结果表明：冰相微物理过程是启动和形成台风眼壁暴雨的主要降水形成机制。在9000～14000 m高空,云水在很低的温度下经均质核化产生冰晶,或经非均质核化形成云冰;冰晶通过凝华增长（psfi,贝吉龙过程）、雨水收集云冰产生雪（praci）和冰晶粘附雨水成雪（piacr）过程生长为雪;霰产生主要包括4个过程：冰晶接触雨水使其成霰（piacr）、雪撞冻云水使其成霰（psacr）、雨水收集云冰转化成霰（praci）或雨水冻结为霰（pgfr）;霰粒子通过收集云冰干增长（dgaci）,霰撞冻云滴增长（dgacw）等过程生长;霰融化（pgmlt）和雪融化（psmlt）成雨水后再通过碰并云水等暖云生长过程,最后形成雨水。霰过程的强弱在雨水形成机制中很重要。（29.5°N、121.8°E）和（28.3°N、120.4°E）强降水中心冰晶转化率没有太大差别,但是（29.5°N、121.8°E）强降水中心上空冰晶通过贝吉龙过程快速成长为雪和霰,霰粒子增长过程远远强于（28.3°N、120.4°E）强降水中心,低空又有较高的云水转化率,使降水粒子在暖云中继续快速生长,冷暖云过程的有利配置使（29.5°N、121.8°E）出现较强雨水转化率。     

Impact of Cloud Microphysical Processes on the Simulation of Typhoon Rananim near Shore.Part Ⅰ: Cloud Structure and Precipitation Features

By using the Advanced Regional Eta-coordinate Model (AREM),the basic structure and cloud features of Typhoon Rananim are simulated and verified against observations.Five sets of experiments are designed to investigate the effects of the cloud microphysical processes on the model cloud structure and precipitation features.The importance of the ice-phase microphysics,the cooling effect related to microphysical characteristics change,and the influence of terminal velocity of graupel are examined.The results indicate that the cloud microphysical processes impact more on the cloud development and precipitation features of the typhoon than on its intensity and track.Big differences in the distribution pattern and content of hydrometeors,and types and amount of rainfall occur in the five experiments,resulting in different heating and cooling effects.The largest difference of 24-h rain rate reaches 52.5 mm h-1.The results are summarized as follows:1) when the cooling effect due to the evaporation of rain water is excluded,updrafts in the typhoon's inner core are the strongest with the maximum vertical velocity of-19 Pa s-1 and rain water and graupel grow most dominantly with their mixing ratios increased by 1.8 and 2.5 g kg-1,respectively,compared with the control experiment; 2) the melting of snow and graupel affects the growth of rain water mainly in the spiral rainbands,but much less significantly in the eyewall area; 3) the warm cloud microphysical process produces the smallest rainfall area and the largest percentage of convective precipitation (63.19％),while the largest rainfall area and the smallest percentage of convective precipitation (48.85％) are generated when the terminal velocity of graupel is weakened by half.     

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案, 包括11个云物理变量和31个云物理过程, 能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后, 实现了二者的耦合, 耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程, 利用耦合后的模式进行48 h模拟试验, 同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟, 着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明: CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征, 并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征, 各相态粒子的量级和分布合理, 不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验, 对新方案进行检验。