Sensitivities of tornadogenesis to drop size distribution in a simulated subtropical supercell over eastern China

ABSTRACT Numerical simulations with the Advanced Regional Prediction System （ARPS） model were performed to investigate the impact of microphysical drop size distribution （DSD） on tornadogenesis in a subtropical supercell thunderstorm over Anhui Province, eastern China. Sensitivity experiments with different intercept parameters of rain, hail and snow DSDs in a Lin-type microphysics scheme were conducted. Results showed that rain and hail DSDs have a significant impact on the simulated storm both microphysically and dynamically. DSDs characterized by larger （smaller） intercepts have a smaller （larger） particle size and a lower （higher） mass-weighted mean fall velocity, and produce relatively stronger （weaker） and wider （narrower） cold pools through enhanced （reduced） rain evaporation and hail melting processes, which are then less favorable （favorable） for tornadogenesis. However, tornadogenesis will also be suppressed by the weakened mid-level mesocyclone when the cold pool is too weak. When compared to a U.S. Great Plain case, the two microphysical processes are more sensitive to DSD variations in the present case with a higher melting level and deeper warm layer. This suggests that DSD-related cloud microphysics has a stronger influence on tornadogenesis in supercells over the subtropics than the U.S. Great Plains.     

基于地面雨滴谱资料分析层状云和对流云降水的特征

根据由声雨滴谱仪器测量得到的雨滴谱资料,结合降水云的结构来将降水云系划分成为对流云降水云系和层状云降水云系.分析这两种降水云系中的稳定雨滴谱特征,包括雨滴谱的各种特征直径(平均直径Dm、众数直径Dd、平均体积直径Dv、优势直径Dp、中数直径Dna和中数体积直径Dn)、峰值结构和Z-R关系等.通过对这些量的分析,进一步分析划分降水云系的判据.     

东北冷涡天气系统的雨滴谱特征

为了对东北冷涡天气下的人工增雨作业和效果评估提供背景资料,采用GBPP-100型地面雨滴谱仪在辽宁对2002年7—8月和2003年7—8月几次冷涡降雨过程进行了观测。利用观测资料,分析了东北冷涡天气系统下层状云、积层混合云和积雨云降雨的微物理特征、各微物理参数随时间的变化以及各参量间的相关性。用Г分布函数拟合了这三类云降雨的平均雨滴谱,分析了Г分布函数中各拟合参数随时间的变化以及各拟合参数与雨滴各微物理参量间的相互关系。     

吉林省一次层状云降水宏微观特征的观测研究

利用长春2004年7月5日一次降水过程的飞机观测资料,结合天气图、卫星云图及雷达回波等资料,综合分析了本次热带气旋影响下降水过程中云系的宏微观特征.研究表明,降水性层状云微观垂直结构配置可以分为4个发展层:云顶附近是核化和凝华增长区;-4～-7 ℃为云滴和冰粒子活跃增长层;0～-4 ℃为固态粒子聚合及云滴蒸发层;0 ℃层以下是雨滴碰并增长和云滴凝结增长区.2D-P观测的粒子的平均直径、最大直径、峰值直径的峰值集中在融化层附近,与融化层回波亮带对应.用同一种形式的密度分布函数N(r)=mrfexp(-ar br2-cr3)来拟合暖层小云滴、大云滴和雨滴的谱分布,拟合结果与观测的谱分布吻合较好,拟合出的平均直径、均方根直径、数浓度以及含水量与观测值也较接近,相对误差小.     

Relationship between cloud characteristics and radar reflectivity based on aircraft and cloud radar co-observations

Cloud properties were investigated based on aircraft and cloud radar co-observation conducted at Yitong, Jilin, Northeast China. The aircraft provided in situ measurements of cloud droplet size distribution, while the millimeter-wavelength cloud radar vertically scanned the same cloud that the aircraft penetrated. The reflectivity factor calculated from aircraft measurements was compared in detail with simultaneous radar observations. The results showed that the two reflectivities were comparable in warm clouds, but in ice cloud there were more differences, which were probably associated with the occurrence of liquid water. The acceptable agreement between reflectivities obtained in water cloud confirmed that it is feasible to derive cloud properties by using aircraft data, and hence for cloud radar to remotely sense cloud properties. Based on the dataset collected in warm clouds, the threshold of reflectivity to diagnose drizzle and cloud particles was studied by analyses of the probability distribution function of reflectivity from cloud particles and drizzle drops. The relationship between reflectivity factor (Z) and cloud liquid water content (LWC) was also derived from data on both cloud particles and drizzle. In comparison with cloud droplets, the relationship for drizzle was blurred by many scatter points and thus was less evident. However, these scatters could be partly removed by filtering out the drop size distribution with a large ratio of reflectivity and large extinction coefficient but small effective radius. Empirical relationships of Z-LWC for both cloud particles and drizzle could then be derived.     

粒子下落末速度和粒子谱形参数对降水模拟影响的数值研究

数值模式能否准确地对降水过程进行预报,很大程度上取决于云微物理参数化方案能否准确地对云内的物理过程进行描述。目前显式云微物理参数化方案中对粒子的下落速度、不同直径粒子的浓度分布两方面的微物理特征,分别使用质量加权下落末速度和粒子谱进行描述。因此,参数化方案中不同的描述方式直接影响数值模式对降水过程的模拟结果。本文使用耦合了一种新的体积水法双参数云微物理参数化方案的WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）3.5.1版本对发生在2013年5月8日的一次华南强降水过程进行模拟,分别对Ferrier和Locatelli两种质量加权下落末速度计算方法,以及常数参数和根据东亚地区实际观测结果改进的谱形参数两种粒子谱形参数设置的模拟结果进行分析,并对他们的四组参数组合预报结果进行评估。结果表明:（1）质量加权末速度的改变对降水强度有一定影响;（2）粒子谱形参数对模拟降水的强度和发展都有明显的影响,且谱形参数对本次降水模拟的影响强于下落末速度的影响;（3）Ferrier质量加权末速度和改进的谱形参数的组合试验组对降水的预报效果,相对其他三组试验有较明显的优势。     

山西云微物理特征的地面观测

利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪和激光降水粒子谱测量仪对山西地面的云凝结核和雨滴谱进行了观测研究.研究结果表明,云凝结核(CCN)数浓度具有明显的日变化特征,1天出现了两次峰值,数浓度日变化与气象因子、人类活动有关.降水对CCN具有冲刷作用.利用关系式NCCN=CSk拟合得到的地面CCN活化谱参数C值明显较大,k值较高,属于典型的大陆型核谱.对层状云、层积云降水雨滴微物理特征参量分析发现:3次层状云、层积云降水雨滴数密度变化范围分别为74～229 m-3、305～743 m-3,平均含水量量级分别为10-2 g/m3、10-1g/m3,最大雨滴直径分别为1.78 mm、4.7 mm.对层状云降水雨滴的数密度和雨强贡献较大的分别是小于1 mm、0.2～2 mm的雨滴;对层积云降水雨滴的数密度和雨强贡献较大的分别是0.2～2 mm、1～3 mm的雨滴.层积云出现稳定谱的比例高于层状云.从瞬时谱型分布看,层状云出现单、双、三峰多,第四、五峰值的频率比较少,层积云雨滴谱分布没有出现指数型,常有多峰.从平均谱分布看,层状云谱宽窄于层积云,层状云雨滴平均谱服从指数分布,层积云曲线呈向下弯曲的趋势.对汾阳2008年7月17日一次积层混合云降水雨滴谱资料分析发现积层混合云降水雨滴微物理量起伏大,降水雨强主要由雨滴数密度决定.相同雨强下,若有相对更多的大雨滴,雷达反射率会更大一些.随着强回波云块的过境,雨滴数浓度、雨滴谱峰值个数、谱宽均明显增大.     

不同天气系统宁夏夏季降雨谱分布参量特征的观测研究

利用 1982— 1984年 6～ 9月份在 7个气象站 2 0 0次观测获取的 6 0 5 3份滴谱资料 ,分析了宁夏雨滴谱及有关物理量的特征。宁夏地区夏季降水平均雨滴空间浓度数为 2 85个·m-3 ,平均谱可以描述为N(Di) =2 0 9.2exp(- 2 .6 335Di)。文中给出了不同雨强下的平均谱分布及谱参数的演变和影响降水的 3种环流形势下的平均滴谱特征 ,还分别建立了雷达反射率因子Z与雨强、雨滴落地动能通量和雨水含量之间的相关关系。这些资料可用于雷达定量测定降水和区域降水量、水土保持和生态环境建设     

Microphysics of clouds at Kleiner Feldberg

During a field measuring campaign at Kleiner Feldberg (Taunus) in 1990, microphysical characteristics of clouds have been measured by Forward Scattering Spectrometer Probes (FSSP). The aim was to study the influence of aerosol and meteorological factors on droplet size and number. The results are: More mass in the accumulation size range of the aerosol leads to more droplets in stratocumulus clouds and to higher soluble masses in droplets of stratus clouds. However, the aerosol distribution was coarser in the stratus clouds compared to the stratocumulus clouds. Within the first 200 m from cloud base, the droplets grow while their number decreases. The growth results in a stable size of about 14 µm diameter over a large distance from cloud base in many stratocumulus clouds. Two types of mixing processes were observed: processes with reductions in the number of droplets (inhomogeneous mixing) and with reductions in the size of the droplets (homogeneous mixing).     

山西地区一次层状云降水过程的微观特征观测分析

针对山西省2010年5月27日一次层状云降水过程,利用机载DMT探头和Parsivel激光降水粒子谱仪进行探测试验,分析了云微物理特征,并对空中和地面雨滴谱进行比较。结果显示：空中云垂直和水平结构分布不均匀,CDP、CIP探测最大粒子浓度分别为165．20、1．08cm^（-3）。地面雨滴微物理量的平均值说明本次降水是典型的层状云降水,雨强主要由雨滴数密度决定,雨滴微物理参量随时间分布不均匀。建立地面雨强,与雷达反射率因子Z、雨水含量W、雨滴数浓度N、Gamma分布的谱参数眠、A的相关关系,Z-I、W-I,相关性很好,N-I、N_0-I、λ-I,相关性较差。地面平均雨滴谱较空中平均雨滴谱窄、谱型陡。结合粒子图像和雨滴特征量分析空中雨滴谱随高度的分布发现,本次降水是冷云和暖云降水共存。     

延安层状云暖层中水凝物粒子的谱分布

分析了2003年9月延安上空机载PMS探测的层状云资料，发现延安层状云暖层中水凝物粒子的谱分布可以用一种形式的分布密度函数来表示。用这种函数拟合小云滴、大云滴和雨滴的谱分布，拟合结果与观测的谱分布较为一致，其特征值相关系数大于0．945，拟合出的平均直径、均方直径、均立方直径以及浓度与观测值也较接近，其相对误差小，拟合谱能表现出谱型特征。     

伊宁春季层状云和混合云降水的雨滴谱统计特征分析

利用设在伊宁的激光雨滴谱仪获取的2013年4月的降水资料,对层状云和混合云降水粒子谱的微物理参量平均值和Gamma函数拟合结果以及Z-I关系进行对比分析。计算结果表明,伊宁地区春季降水的微物理参量普遍偏小,小滴对降水浓度的贡献达到92%以上,即降水主要以小滴为主。层状云降水的雨强、雨滴数浓度、雨滴的各类微物理特征参量的平均值均大于混合云降水。函数拟合结果表明,混合云降水的雨滴谱宽大于层状云降水的雨滴谱宽,层状云和混合云降水的雨滴谱都比较符合Gamma分布,在小滴段Gamma分布对实际谱都有一定的低估,在大于1 mm的粒径段,拟合结果有一定的偏差。还讨论了雨滴大小因子Λ和形状因子μ之间的关系以及Z-I关系,Λ-μ关系与粒子尺度有关,根据拟合的二项式得到层状云降水粒子的平均直径大于混合云降水的平均直径。     

青海两次多单体降雹过程的雹谱分布特征

利用三维冰雹分档数值模式研究了1979年7月20日和8月5日青海西宁两次多单体降雹发生发展过程中云内微物理结构及雹谱演变特征。结果表明:1)云水、雨水的比含水量随雹云的发展呈先增长后减少的特点,两次个例的冰雹主要通过过冷雨滴冻结而形成,其增长方式是凝华及碰并过冷云水。2)雹谱谱宽与上升气流有关,个例一中倾斜上升气流有利于冰雹循环增长,雹谱较宽;个例二中没有倾斜上升气流,不利于冰雹循环增长,雹谱较窄。     

伊犁河谷汛期一场短时强降水雨滴谱特征分析

利用常规地面、高空资料、新一代天气雷达资料、雨滴谱资料,对2012年8月3日发生在伊犁河谷的一次较大范围暴雨的天气背景、雷达回波特征和降雨微物理特征等进行深入分析。结果表明,200hPa西西伯利亚西风槽、500hPa中亚低涡和地面冷锋是这次强降雨过程的主要影响系统。河谷喇叭口地形对气流的机械挤压、东高西低地形对对流的触发、地形强迫抬升对对流和降水的增强具有重要影响。这场降水过程属于积层混合云降水,其中大面积的层状云中嵌有多个对流云团,这些云团连接在一起就构成了对流性雨带,通过对暴雨雨滴谱演变分析得出,这次暴雨主要降水由对流性云团造成,对流云团微物理结构存在明显的不均匀性,其中存在多个强降水中心,其水平尺度多维持在10km左右,持续时间维持在5分钟到10分钟之内,降水集中且雨滴数浓度较高,一般在1000m-1个以上,雨滴谱宽及分布差异很大,小于1mm粒子数浓度很高,对雨强的贡献占两成以上。     

降雨型滴谱与反射率因子及雨强关系研究

利用C＋＋Builder对激光降水粒子谱仪的原始雨滴谱数据进行解码,应用M-P分布对2008年6月8—9日庐山的一次降雨过程进行拟合。结果表明,M-P分布的拟合曲线与雨强有关,但不利于对比分析雨滴谱。以无量纲粒子直径和无量纲粒子密度分布的自然对数为自变量和因变量,建立M-P分布、线性最小二乘拟合、Γ分布的雨滴谱拟合关系式,通过误差分析得到Γ分布相对最优。比较雨滴谱反演的回波强度和南昌雷达观测取样点上的回波强度,发现它们随时间的变化趋势大体一致,但反演的回波强度略大于雷达观测。按平均直径、中数体积直径对降雨进行分类,分别建立层状云和对流云降雨的反射率因子和雨强之间的关系式（Z-I关系式）,2种降雨类型关系式的系数存在明显的不同。     

利用微雨雷达研究一次冷锋云系降水的垂直结构分布及演变特征

本文利用河北邢台测站Ka波段微雨雷达（MRR）观测到的一次冷锋云系降水过程分析降水的垂直分布及演变特征。将MRR观测结果与天气雷达、地面雨滴谱仪、雨量计观测结果进行对比以检验MRR数据的可靠性。同时将MRR与雨滴谱仪和激光云高仪结合,研究了不同相对湿度阶段特征量、雨滴谱的平均垂直分布特征和降水特征量随时间、高度的演变特征。结果表明:MRR与雨量计及雨滴谱仪累计雨量结果较为接近,趋势一致。MRR 200 m雨强值与地面雨滴谱仪雨强值偏差最小,平均偏差为0.05 mm h?1,相关系数为0.93。相比雨滴谱仪,MRR观测到的小滴数浓度出现高估,大滴数浓度出现低估,中滴数浓度较为一致。降水在云内和云外受不同微物理过程影响,垂直变化特征不同。降水初期平均反射率和雨强在云底以下明显减小,小滴和中滴平均数浓度明显减小,蒸发作用影响较强。而在其余时间段在云内随高度降低平均反射率和雨强略有增加,小滴平均数浓度变化较小,中滴大滴平均数浓度增加,表明云内有云滴与雨滴间的碰并发生。而在云外低层,随高度降低平均有效直径明显增加,平均雨滴总数浓度明显减小,小滴平均数浓度显著减小,大滴平均数浓度显著增加,表明在云外低层雨滴间的碰并作用较强。     

一次中小尺度强降水火箭增雨作业效果评估

分析了2003年7月23夜间至24日,衡水市受副热带高压外围强西南气流及弱冷空气共同作用下出现的一次小尺度强雷雨天气。介绍了实施火箭人工催化增雨作业情况,在作业同时进行了雨量、雨滴谱、雷达和闪电定位观测,利用常规天气图资料、雷达观测资料、闪电定位仪和雨滴谱、雨量等观测资料,对此次天气过程进行了分析,并采用作业区和非作业区对比的方法,就增雨效果从雨量、雨滴谱及秩和检验(Wilcoxon氏法)等方面进行了效果分析,结果显示:在局地强对流云系含水量丰沛,云顶高度高,云层温度低,过冷水区浓厚,同时垂直风切变有利于AgI粒子的结晶和扩散时,作业时机宜选择在降雨初期云中能量聚集尚未释放时,可进一步提高增雨作业效果。     

Rainfall Microphysical Properties of Landfalling Typhoon Yagi (201814) Based on the Observations of Micro Rain Radar and Cloud Radar in Shandong,China

The development and evolution of precipitation microphysical parameters and the vertical structure characteristics associated with Typhoon Yagi(201814) are analyzed in the city of Jinan, Shandong Province based primarily on the observations of a micro rain radar(MRR), a cloud radar, and a disdrometer. The precipitation process is further subdivided into four types: convective, stratiform, mixed, and light precipitation according to the ground disdrometer data, which is in agreement with the vertical profile of the radar reflectivity detected by the MRR. Vertical winds may be the main source of MRR retrieval error during convective precipitation. Convective precipitation has the shortest duration but makes the largest contribution to the cumulative precipitation. Collision-coalescence is the main microphysical process of stratiform precipitation and light precipitation below the bright band observed by the MRR. It is worth noting that as Typhoon Yagi(201814) transformed into an extratropical cyclone, its raindrop size distributions no longer had the characteristics of maritime precipitation, but become more typical of the characteristic of continental precipitation, which represents a very different raindrop size distribution from that which is normally observed in a landfalling typhoon.     

宁夏盛夏层状云降水雨滴谱特征分析

利用1982年7月在宁夏银川机场地面4次观测获取滴谱资料, 分析了宁夏夏季层状云雨滴的瞬时和平均谱及有关物理量的特征,总结出了层状云降水的一些主要特征.文中给出了4次降水的平均谱分布及谱参数的演变,进行了M-P分布的拟合分析,得出雨滴谱基本符合M-P分布.还分别建立了雷达反射率因子、雨强和雨水含量之间的相关关系,并分析了层状云降水的特点以及与积雨云、混合云的特征量进行对比,总结出三种降水的不同之处.