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.     

一次梅雨锋上MCS云微物理过程及降水形成机制

选取2004年6月23日一次梅雨锋MCS暴雨过程,在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5(V3.6)进行了数值模拟.对于可分辨尺度的降水,采用Reisner霰显式方案,对云内微物理过程特别是对各种水成物的源项进行了详细分析.结果表明:冷云过程是此次降水的主要云物理过程.云中以霰和雪为主要的降水元,尤其霰的作用最大.在强降水时段,雨水的主要源项都与霰有关,霰的生长过程中冰相粒子与过冷水的碰并以及霰的凝华过程最为重要.零度层上方存在着丰富的过冷水,最大的云水含量中心也在过冷层中.在过冷层中冰相粒子主要通过凝华过程和碰并过程增长,MCS发展强盛期冰晶与过冷水的碰并增长要大于液水的蒸凝过程的增长.最后给出了本次梅雨锋上MCS降水云系的三层云结构及微物理过程模型.     

山东降水云系微物理结构数值模拟和播云条件分析

利用MM5V3.5中尺度数值模式和现有基本气象业务资料,对主要影响山东的2003年4月17日春季暴雨和2002年10月24~25日秋季冷锋降水过程进行数值预报,在预报效果较为理想的基础上,利用模式输出资料,特别是利用Reisner霰方案计算的云水、雨水、冰晶、雪和霰比含量数值,分析了中尺度对流云系不同发展阶段、冷锋层状云系不同部位的云降水微物理结构特征和差异,展示了背景场动力、热力和水汽输送等条件在云降水过程中的主导作用,并分析了降水云层可进行人工催化的条件。     

中尺度模式中各种湿物理过程的数值模拟

利用PSU／NCAR的MM5对1999年6月下旬发生在江淮流域的梅雨锋暴雨进行数值模拟试验，研究MM5中不同湿物理过程中对MM5模拟梅雨锋暴雨的影响。试验结果显示：中尺度模式MM5能一定程度再现一些观测的中尺度特征，对流参数化方案对网格格距的大小比较敏感；显式云物理方案考虑冰相后可明显改善模式对暴雨的模拟能力，尤其是采用Reisner包含霰的混合相双变参数谱方案的双重嵌套网格对降水量的模拟取得较好的效果。     

对华南对流云中过冷云水-飞机积冰的直接气象因子的中尺度数值预报试验

利用“海峡两岸及临近地区暴雨试验”（HUAMEX）加密观测资料和MM5湿物理显式方案模拟研究了1998.5.23-24自粤北移向南海海岸冷锋前对流云团中的云物理过程，给出了造成飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的空间分布和随时间演变及其与水汽、冰相（冰晶、霰、雪）、垂直气流的相互关系。结果显示，当对流较强因而产生冰相后，由于冰粒子与过冷水间的碰并及过冷水滴蒸发，过冷水迅速减少；当对流较弱因而只有液相云水而无冰相加入时，过冷云水维持。模拟试验显示具有完善湿物理显式方案的高分辨非静力平衡中尺度数值模式MM5可用于对飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的数值预报。     

2008年初江西中部冰雪风暴过程的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所研制开发的三维对流云模式,对2008年2月1日江西省中部的一次冰雪风暴过程进行了数值模拟。模拟方案分方案A和方案B,方案A云中水物质包括水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰共6类,方案B云中水物质包括水汽、云水、雨水、冰晶、雪共5类。对比分析两种方案的模拟结果表明,模式微物理过程中不包括霰粒项模拟结果更接近实际情况,冰晶在雪产生的初始阶段起着主要作用,但以后时段风暴内的冰晶效应使风暴内过饱和水汽在雪片上的凝华增长过程中起着主要作用。     

区域冷锋降水微物理机制研究

20世纪利用一维层状云模式对2002年4月4~5日河南省冷锋降水过程进行了模拟。数值模拟结果显示,此次冷锋降水属于冷云降水过程,冷锋前后云中主要以冰相粒子为主,云中水质粒自上而下的空间分布依次为冰晶、雪、云水、霰、雨水。冷锋前后,各种水质粒有着不同的含量及数密度,但形成水质粒的主要微物理过程都表现为:冰晶数密度的增加主要依靠核化、繁生,大部分雪主要靠凝华、撞冻过冷云水和冰晶增长,霰的质量增加主要靠撞冻雪、过冷云水和雪自动转化而来,大部分的雨水是由霰融化而来,因而此次冷锋降水机制表现为“水汽—雪—霰—雨水”。     

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.     

用MM5模式Reisner霰方案对华南暴雨的数值模拟

利用MM5中尺度数值模式对1998年6月8～9日华南暴雨进行了模拟，用Re—isner在方案模拟了可分辨尺度降水，详细分析了暴雨的微物理过程。结果表明，Re—isner在方案对华南暴雨具有较好的模拟能力。在降水最大时段，霰和云水是形成雨水的主要来源，云水的碰冻是产生霰的主要微物理过程。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.     

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。     

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。     

梅雨锋暴雨中云物理过程的观测和数值模拟

Cloud micro-physical structures in a precipitation system associated with the Meiyu front are observedusing the balloon-borne Precipitation Particle Image Sensor at Baoshan observatory station, Shanghaiduring June and July 1999. The vertical distributions of various cloud particle size, number density, andmass density are retrieved from the observations. Analyses of observations show that ice-phase particles(ice crystals, graupel, snowflakes, and frozen drops) often exist in the cloud of torrential rain associatedwith the Meiyu front. Among the various particles, ice crystals and graupel are the most numerous, butgraupel and snow have the highest mass density. Ice-phase particles coexist with liquid water dropletsnear the 0℃ level. The graupel is similarly distributed with height as the ice crystals. Raindrops belowthe 0℃ level are mainly from melted grauple, snowflakes and frozen drops. They may further grow largerby coalescence with smaller ones as they fall from the cloud base. Numerical simulations using the non-hydrostatic meso-scale model MM5 with the Reisner graupel explicit moisture scheme confirm the mainobservational results. Rain water at the lower level is mainly generated from the melting of snow andgraupel falling from the upper level where snow and graupel are generated and grown from collection withcloud and rain water. Thus the mixed-phase cloud process, in which ice phase coexists and interacts withliquid phase (cloud and rain drops), plays the most important role in the formation and development ofheavy convective rainfall in the Meiyu frontal system.     

南京"03.7"大暴雨中云物理过程的数值模拟研究

利用三维全弹性、双参数化对流云模式和南京站探空资料，对南京“03．7”特大暴雨过程进行了数值模拟研究，着重分析产生这次大暴雨的云物理机制。模拟结果表明，此次暴雨属于积雨云降水，其中云雨碰并是最主要的成雨过程，贡献率达到74％，其次是霰／雹融化，占22％，说明此次降水以暖雨过程为主。通过暖雨过程对比试验表明，虽然冰相过程对雨水的贡献较小，但加入冰相过程能使模拟结果更接近云的实际情况。     

华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究

针对2005年7月22日的发生于华北的暴雨中尺度对流系统,在用中尺度ARPS模式数值模拟和分析云场、动力场以及微物理过程释放的潜热垂直分布和作用特征的基础上,通过改变主要微物理过程潜热做敏感性数值试验,研究和分析了潜热对云系发展演变、云系宏观动力场、水汽场、云场和降水的影响,总结出云暖区潜热的影响途径。结果表明,在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。不同物理过程潜热加热的云层高度不同:高层起加热作用的主要为水汽凝结、云冰初生和雪凝华增长、霰撞冻云水过程;中层起加热/冷却作用的主要为水汽凝结、霰/雹融化过程;低层雨水的蒸发过程起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水。忽略霰/雹融化潜热,相当于增加云系暖区潜热,促进了低层气旋性环流的形成,增强了低层动力场的辐合,使得低层辐合区增多、增强;中低层水汽通量辐合区增多、面积扩大,明显地促进了对流云系的发展,增大了含水量和覆盖范围,云系的降水量显著增加,强降水区覆盖范围扩大。即使减少20%的凝结潜热,云系的发展也受到极大抑制,没有气旋性环流生成,低层辐合区缩小、强度降低,水汽通量辐合区也同样缩小、强度降低,云系对流发展减弱、含水量降低,因此,降水量大为减小,降水范围也显著缩小。此外,微物理过程潜热还影响到此次中尺度对流系统发展演变过程,改变了云系的形态、影响到系统的移动和系统中对流云团的发展强度和分布情况。     

一次飑线过程的云微物理参数化方案数值试验及其成因分析

利用WRF模式6种适合高分辨率且包含多种固态水成物粒子的云微物理参数化方案,分别对2012年5月16日江苏北部一次飑线过程进行数值试验,结果表明:LIN方案模拟的飑线回波反射率、强降水TS评分、结构和强度等均要优于其余5种微物理参数化方案。分析不同参数化试验结果中不同水成物粒子占比随时间的变化特征,并针对LIN方案采取敏感性试验和水成物转化微物理过程分析指出,在此次飑线过程中的各水成物粒子中,霰/雹粒子占比最大,是降水过程中最重要的粒子;地面降水直接来源是雨水,雨水主要来源于中层霰/雹粒子的融化,小部分来源于云水的自动转化;中层霰/雹粒子最主要来源是通过雨霰转化过程中的雨水撞冻冰雹微物理过程,其次是霰撞冻云水的微物理过程,而冰相物质雪晶和云冰的碰并、撞冻和自动转化过程微乎其微。     

青海省秋季一次对流云人工增雨的数值模拟

利用中国气象科学研究院的三维对流云数值模式，模拟了青海省2002年秋季一次对流云过程，分析了青海省秋季对流云云体发展的动力学特点和微物理特征。数值模拟结果表明，青海省秋季的对流云降水几乎全部是由霰的融化形成的，而自然云中冰晶含量少、冰霰自动转化形成霰胚的过程非常微弱。但采用合适的方法催化以后，冰晶的核化、繁生量增加，通过冰霰自动转化过程形成大量霰胚，霰胚再通过其他冷云微物理过程迅速增长，融化成降水。催化后各种微物理机制都比催化前活跃，同时催化改变了云体的动力场分布，在动力过程和微物理过程的相互促进下，使增雨取得了很好的效果。     

高分辨率GRAPES模式中云微物理方案对强降水的模拟和诊断研究

利用高分辨率GRAPES—Meso中双参数云微物理方案,对我国两次强降水过程进行数值模拟,并与模式中WSM6和NCEP5方案进行对比分析,结合多种观测资料,诊断评估方案的预报性能.同时研究伴随强对流性降水中的关键云物理过程。个例研究表明,对流发展旺盛的云团中,冰相粒子尤其是霰粒子对对流的发展与降水起着主导作用,霰的融化是强降水的主要来源,而周围的层状云区域霰粒子的分布极少,主要受雪的融化与暖云降水的影n向。双参数方案模拟的雨带走向、范围和降水强度与实况拟合较好,同时在对流单体的最大回波高度与强度、冰晶的分布与云砧结构等方面也具有一定优势,但冰晶含量和回波顶高度略低于观测,这都为双参数方案的优化与业务应用提供重要的支持。