华南暴雨中云物理过程的数值研究

利用“海峡两岸及临近地区暴雨试验”(HU AM EX)取得的观测资料, 使用高分辨非静力平衡中尺度数值模式 M M 5 湿物理显式方案, 模拟研究了 1998 年 5 月 23～ 24 日自粤北移向南海海岸的冷锋及锋前对流云团造成的华南暴雨中的云物理过程。 结果表明, 由于对流形成的具有冰相参加的冷云过程是华南暴雨形成发展的主要云物理过程, 当对流较弱因而只有水相而无冰相的暖云过程只造成范围虽大但强度较弱的降水。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。     

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     

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。     

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。      

梅雨锋暴雨云团中冰相粒子结构和演变特征的个例数值模拟

利用非静力平衡中尺度数值模式MM5(V3-6),对2003年7月4-5日发生在江淮流域的一次中小尺度暴雨过程进行了数值模拟,主要研究结果表明,冰晶、雪和霰三种冰相粒子分别主要分布在200 hPa、300 hPa和400 hPa附近的气压层.冰晶模拟结果的偏差趋势与模式模拟的地面降水的偏差趋势是基本一致的,而霰粒子模拟结果的区域偏差的倾向则能反映模式模拟域地面降水的偏差梯度,模式对地面降水模拟的好坏与模式对冰相态粒子总体质量密度的水平分布的描述有重要的关系.对流云中冰晶和霰的密度随时间的演变与地面降水也有很好的相关性.云水与冰相粒子的碰并作用过程是形成此次中小尺度暴雨对流云中主要的微物理过程.     

一次对流云团过程结构特征的观测和模拟研究

为了解2015年8月22日发生在北京东部的一次对流云团的生消演变过程及微物理特征,使用耦合了CAMS云微物理方案的WRF中尺度云分辨模式对此次过程进行数值模拟。由于研究的对流云团尺度较小,对时空分辨率要求较高,把LAPS(Local Analysis and Prediction System)局地分析和预报系统同化多源观测资料后输出的高分辨率的中尺度分析场作为模式的初始场。将模拟结果与FY-2F卫星、北京SA波段多普勒天气雷达、地面雨量站等观测资料进行对比分析。同时,研究了对流云团中的微物理含量分布,深入分析此次过程的降水机制。结果表明:模式能够较好地模拟出对流云团在生成、发展、成熟和消散的四个不同阶段的演变规律,整个对流云系的发展持续4 h左右,对北京有直接影响的对流单体的生命时长在1 h左右;模拟的自然云云带分布和演变规律、小尺度云团的尺度、位置、形状和垂直结构都与观测资料有较好的一致性;模式也能模拟出降水落区和量级及强中心的位置。此次对流云过程主要为冷暖混合云系结构,云中过冷水丰沛,降水机制以冷云降水为主,暖区供水云对降水的发展有促进作用,霰融化为雨滴是主要的成雨过程。     

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.     

青藏高原那曲地区一次对流云降水的数值模拟

利用NCEP FNL再分析资料为初始场,通过WRF中尺度数值模式(V3.9.1版本)对2015年8月26~27日青藏高原那曲地区一次对流云降水过程进行了模拟,分析了不同积云对流参数化方案和云微物理参数化方案组合对本次降水过程中降水量、环流场、雷达反射率以及云微物理特征模拟效果的影响。结果表明:WRF模式能较好地模拟出本次降水的时空变化特征,但不同参数化方案组合各有优势,总体而言,Grell-Devenyi+SUB_YLIN和Grell-Freitas+SUB_YLIN组合模拟性能最优。本次对流云降水以冰相过程为主,雪粒子贡献最大,暖云粒子对降水的影响并不明显。从云微物理过程的时间演变可看出,性能最好的SUB_YLIN方案能合理模拟降水过程中雪粒子与冰晶粒子间的转换过程,雪粒子可在凝结过程中释放潜热促使对流运动发展,也可通过融化过程促进降水发生,对流层高层冰晶粒子凝华产生的潜热释放亦为深对流的发展创造了有利条件。      

东北地区嵌入对流过程的数值模拟分析

利用常规气象观测资料、NCEP FNL再分析资料以及中尺度WRF模式的数值模拟结果,对2010年7月1日发生在辽宁地区的一次嵌入对流云的形成、演变过程进行了分析,并对云中微物理特征进行了诊断。结果表明:WRF模式较理想地模拟出了此次对流过程。嵌入对流云是在大气上层分布有成片的层状云,低层有零星的对流泡生成的情况下,随着低层对流泡的不断发展壮大,当其伸展至层云的高度时镶嵌其中而成;嵌入的对流体在随层状云东移的过程中反复进行着并合、分裂过程,而且分裂过程中出现明显的右移性对流体的选择性加强;云系中不仅存在云水直接转化为雨水的暖云降水机制,也存在有播撒—供应的冷云降水机制,且成熟阶段冷、暖云降水机制均较为活跃;物理量场上,低层辐合高层辐散的强度在发展阶段最强,最有利云系的发展。     

Numerical Simulation of Microphysics in Meso-β-Scale Convective Cloud System Associated with a Mesoscale Convective Complex

Numerical simulation of meso-β-scale convective cloud systems associated with a PRE-STORM MCC case has been carried out using a 2-D version of the CSU Regional Atmospheric Modeling System (RAMS) nonhydrostatic model with parameterized microphysics. It is found that the predicted meso-γ-scale convective phenomena are basically unsteady under the situation of strong shear at low-levels, white the meso-β-scale convective system is maintained up to 3 hours or more. The meso-β-scale cloud system exhibits characteristics of a multi-celled convective storm in which the meso-γ-scale convective cells have lifetime of about 30 min. Pressure perturbation depicts a meso-low after a half hour in the low levels. As the cloud system evolves, the meso-low inten-sifies and extends to the upshear side and covers the entire domain in the mid-lower levels with the peak values of 5-8 hPa. Temperature perturbation depicts a warm region in the middle levels through the entire simulation period. The meso-γ-scale warm cores with peak values of 4-8oC are associated with strong convective cells. The cloud top evapo-ration causes a stronger cold layer around the cloud top levels.Simulation of microphysics exhibits that graupel is primarily concentrated in the strong convective cells forming the main source of convective rainfall after one hour of simulation time. Aggregates are mainly located in the stratiform region and decaying convective cells which produce the stratiform rainfall. Riming of the ice crystals is the predominant precipitation formation mechanism in the convection region, whereas aggregation of ice crystals is the predominant one in the stratiform region, which is consistent with observations. Sensitivity experiments of ice-phase microphysical processes show that the microphysical structures of the convective cloud system can be simulated better with the diagnosed aggregation collection efficiencies.     

上海地区几类强降水雨滴谱特征分析

用Parsivel激光降水粒子谱仪资料对2013年上海地区4—10月份期间4种类型 (层状云、对流暖云主导型、对流冷云主导型和强台风影响下的混合暖云型) 降水过程的雨滴谱特征进行了分析。通过平均雨滴谱及其拟合特征、雨滴数密度与含水量分布、雨滴尺度与速度二维谱分布等对比分析发现:各类降水中, 雨滴谱的峰值结构与雨强大小有关, 其中直径介于0.187~1.312 mm的小雨滴均出现峰值且总数最多。各尺度雨滴数密度及其比例决定了其降水量贡献比, 在冷云强降水中的雨强贡献最大的雨滴尺度要显著大于其他3种类型。雨滴谱宽按大小排列依次为对流冷云主导型、混合暖云型、对流暖云主导型和层状云。最后综合运用雨滴谱、雷达、雨量站、闪电等观测资料对9月13日对流冷云主导型降水过程进行分析后发现:在雷暴的演变过程中, 雨滴谱特征与雷达反射率因子、垂直液态水含量、自动站雨强、闪电频次等要素均有较好的相关性。冷云产生的冰晶和冰雹融化后的大雨滴进入中低层的广谱小雨滴群, 并通过破碎分裂增加了大雨滴的形成概率, 尤其是捕捉碰并过程更加快了大雨滴的增长速度, 使雨强在短时间内迅速加强。雨滴谱中各档粒子数的演变, 揭示了降水强度的变化, 用雨滴谱资料可有效弥补现有雷达定量估测降水的偏差, 且在冷云中改善明显。     

南方暴雨区内积云降水微物理过程的数值模拟

本文在给定云内上升气流速度和温度垂直分布的情况下,通过数值模拟计算了南方暴雨区内降水性积云微结构的变化情况,并讨论了云内上升气流速度、低空水汽条件以及高空冰晶数密度对降水的影响。结果表明,上升气流速度和低空水汽条件对积云降水的影响是比较明显的。      

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.     

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。     

初始冰核浓度对冷云对流性降水影响的数值试验

本文利用二维滞弹性非静力平衡云模式［1］,通过改变初始冰核浓度,研究其对冷云对流性降水的影响。模拟结果表明：增大初始自然冰核浓度,对对流强弱和云状影响不大,但对云内的微观结构有很大的影响,即云内冰粒子提前产生,云冰和雪含量增大,并且可以削弱地面累积固态和液态降水量。并分析了导致这些结果的原因以及要削弱局地暴雨,必须初始播撒大量冰核的同时,增大初始云滴浓度（CCN）。     

EVALUATION OF CONVECTIVE-STRATIFORM RAINFALL SEPARATION SCHEMES BY PRECIPITATION AND CLOUD STATISTICS

In this study,two convective-stratiform rainfall partitioning schemes are evaluated using precipitation and cloud statistics for different rainfall types categorized by applying surface rainfall equation on grid-scale data from a two-dimensional cloud-resolving model simulation.One scheme is based on surface rainfall intensity whereas the other is based on cloud content information.The model is largely forced by the large-scale vertical velocity derived from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment(TOGA COARE).The results reveal that over 40% of convective rainfall is associated with water vapor divergence,which primarily comes from the rainfall type with local atmospheric drying and water hydrometeor loss/convergence,caused by precipitation and evaporation of rain.More than 40% of stratiform rainfall is related to water vapor convergence,which largely comes from the rainfall type with local atmospheric moistening and hydrometeor loss/convergence attributable to water clouds through precipitation and the evaporation of rain and ice clouds through the conversion from ice hydrometeor to water hydrometeor.This implies that the separation methods based on surface rainfall and cloud content may not clearly separate convective and stratiform rainfall.     

“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。     

一次浙江对流云催化数值模拟试验

为了研究吸湿性催化剂、碘化银催化剂及两者的联合催化效果,利用双参数三维对流云催化模式,对浙江南部一次对流云降雨过程分别进行盐粉暖云催化、碘化银冷云催化和冷暖混合催化试验,对比研究不同催化方案对对流云降雨的可能影响。结果表明:盐粉催化导致先增雨后减雨,主要通过盐溶滴与云滴碰并增长,及雨滴碰并和霰粒子碰冻过程消耗。在上升气流区和降雨前期进行催化的增雨效果更好,30 μm粒径的盐粉催化剂量为12.5/L时,可增加降雨量17.8%。在降雨过程的不同发展阶段进行AgI催化,表现出先减雨后增雨的催化效果。盐粉和碘化银的联合催化,由于两者催化效果的不同步,使得不同吸湿性催化剂和碘化银催化剂量配置会导致不同的催化效果。当30 μm的盐粉,催化剂量12.5/L,联合碘化银100/L的冷区催化,可取得19%的增雨效果。