长江中下游一次暴雪冻雨微物理过程模拟研究

根据NECP1°×1°客观再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25—29日长江中下游暴雪冻雨过程进行了数值模拟,结果表明：WRF模式可以很好地模拟出此次强降雪过程高低空环流形势演变特征以及降水带的分布。分析表明,中层西南急流对暖湿空气的输送以及低层冷空气的持续扩散为暴雪和冻雨的发生提供了很好的温度层结条件。云微物理过程特征分析表明,此次暴雪冻雨过程存在多种云系共同降水,中低空600—850 hpa强逆温层尤其是0 ℃层的存在使得雪、冰晶等冰相粒子融化形成过冷却水,是大范围冻雨形成的必要条件,同时也是区分大范围冻雨暴雪形成的重要条件。     

2008年1月南方一次冰冻天气中冻雨区的层结和云物理特征

2008年1月中下旬, 我国南方经历了四次历史罕见的冰冻雨雪天气。本文针对2008年1月25~29日的一次典型冻雨天气过程, 在实测资料、NCEP再分析资料综合分析的基础上, 利用中国气象科学研究院 (CAMS) 中尺度云分辨模式对1月28日~29日的冻雨天气过程进行了数值模拟, 研究了冰冻天气形成的大气层结及云系冻雨区云的宏微观结构特征, 初步分析了冻雨形成的云微物理过程及云物理成因。结果表明, 深厚而稳定的逆温层和低空冷层的存在是大范围冻雨出现的直接原因。此次南方冰冻过程中, 湖南和贵州两地冻雨形成的云物理机理不同, 不同冻雨区上空为两种不同类型的云, 对应两种不同的云微物理结构和大气层结结构。湖南冻雨区云层较厚, 云顶温度较低, 属于混合相云, 云中高层存在丰富的冰相粒子 (雪的比含水量最大)。湖南冻雨在 "冷—暖—冷" 层结下, 通过 "冰相融化过程" 形成, 即在锋面之上的对流层中层水汽辐合中心内形成的雪, 从高空落入暖层, 雪融化形成雨, 再下落到冷层后, 形成过冷雨滴, 最后接触到温度低于 0℃的物体或降落到地面上, 迅速冻结形成冻雨。而贵州冻雨区云层较薄, 云顶温度较高, 属于暖云, 中高层基本无冰相粒子, 低层为云水和雨水 (云水的比含水量最大)。贵州冻雨是在 "暖—冷" 层结下通过 "过冷暖雨过程" 形成的。即水汽沿锋面抬升, 在对流层中低层的水汽辐合中心内, 经过冷却凝结成云滴, 通过碰并云滴增长的雨滴下落到低空冷层, 形成的过冷却雨滴直接冻结形成冻雨。     

一次冻雨过程云物理特征的数值模拟

运用中尺度数值模式WRF3.5.1对2011年1月1日贵州境内的一次冻雨天气过程进行了数值模拟,研究了本次过程的大气层结、冻雨区云系的宏微观结构和云物理特征,初步分析了冻雨形成的云微物理过程和成因。结果表明,贵州境内的冻雨区(26°N~29°N)具有冷性和部分"冷—暖—冷"的温度层结,在高层没有显著的冰相粒子,冻雨区是相对较强的水汽辐合中心,丰富的水汽输送在冷性的环境条件下形成云滴,进而碰并产生雨滴,过冷雨水主要通过暖雨过程形成;雨滴继续下落至近地层并保持过冷雨水形式,最后接触到低于0°C的物体或地面,迅速冻结而产生地面冻雨。     

南方不同类型冰冻天气的大气层结和云物理特征研究

利用观测资料和CAMS中尺度云分辨模式,对南方3次不同类型冻雨天气过程进行模拟,重点研究了冰冻天气中冻雨区云系宏、微观结构及大气层结特征,初步分析了冻雨形成的云物理机制.结果表明:(1)逆温层的存在是冻雨发生的必要条件,低层湿度较大的逆温常与冻雨天气有关.3次冻雨过程的冻雨区都存在逆温层,其中第一、二次过程属于锋面逆温,而第三次过程属于平流逆温.可见,逆温层结有利于冻雨的发生,但逆温层的存在仅是形成冻雨的条件之一.冻雨的发生还与水汽(湿度)、风向风速、地面特征有关.低层有水汽输入到冻雨区、地面温度等于或低于0℃,有利于冻雨形成和过冷雨水的冻结.(2)冻雨的形成需要满足3个主要条件:在对流层中高层存在冻结层,冻结层下要有暖层和逆温层,近地层有一个温度＜0℃的冷却层,并且低层的冷却层相对湿度较高.中高层冻结层主要产生冰相降水粒子,中层的暖层可以确保上层降落下来的固态降水粒子(雪或霰)融化成雨滴或在融化层中直接产生液态降水.这样,雨滴下降到低空冷却层后会逐渐变成过冷雨滴,当过冷却雨滴接触到＜0℃的地面或者其他物体表面时,迅速冻结形成冻雨.(3)不同冻雨区上空存在2种不同类型的云,对应云中有2种明显不同的温度层结:混合相云中的“冷-暖-冷”层结和水云中的“暖-冷”层结.具有2种不同层结特征的不同冻雨区云系,对应2种不同的微物理结构,具有2种不同的冻雨形成的云物理机制.(4)同一类型天气系统中的冻雨区,可以存在不同的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的机制;不同类型天气系统也可以存在特征相同的冻雨区,即冻雨形成的温度层结、云的微物理结构和冻雨形成的物理机制都相同.     

2008年1月一次强降雪冰冻过程的数值模拟与分析

采用NCEP 1°×1°再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25-29日发生在长江中下游地区的强降雩冰冻过程进行数值模拟,模拟结果显示:WRF模式可以较好地模拟出此次强降雪冰冻过程高低空环流形势演变特征以及降水雨雪带的分布.诊断分析结果进一步表明,西南低空急流对水汽的输送使得长江中下游地区成为很强的湿度区,为强雨雪冰冻的发生提供了充足的水汽条件.对降雪及冻雨的云微物理过程特征分析表明,中低空-600-900 hPa逆温层的存在与降雪及冻雨的发生密切相关,固态降水粒子经0℃以上逆温层融化后形成过冷却水降落至冷的地面形成冻雨,而雪的形成过程中逆温层的温度小于0℃.     

基于云微物理过程的北方冻雨的模拟与形成机制研究

本文通过耦合AFWA(Air Force Weather Agency)冻雨参数化方案的WRF模式,对2020年冬季因暖锋引发的中国北方严重冻雨灾害个例进行了模拟,结果显示模式能够很好地模拟此次冻雨过程中降水相态的空间分布。通过分析暖锋的演变、水成物云微物理特征以及降水相态的变化,得到：在辽宁中北部—吉林中东部地区,暖锋导致中低空形成“冷—暖—冷”的温度层结,该区冻雨形成机制以“冰相机制”为主,即高空的雪花落入大于0℃暖层内融化、再降落到次冻结层后形成冻雨。同时,发现存在高空无固态水成物、逆温层内暖雨下落到次冻结层在地面形成冻雨的现象,这种新机制被定义为“暖雨机制”,更多水成物垂直剖面与同期地面观测降水相态的比对,验证了新机制的存在,并解释了该机制形成的可能原因。为更深入理解冻雨形成机理以及北方冻雨的预报、预警提供科学支撑。     

2008年1月贵州冻雨的数值模拟和层结结构分析

针对2008年初发生在贵州地区的严重冻雨过程,分别从环流背景、低空急流和水汽输送条件等方面分析了准静止锋维持的原因,并选取本次灾害最严重的第3次过程为典型个例,利用WRF模式针对准静止锋影响下的贵州冻雨进行数值模拟来研究冻雨的发生机制。模拟结果较好地反映出高低空环流形势场特征,强雨雪降水带的走向、落区,以及地面温度的分布,均与观测基本吻合。通过分析高分辨率模式的模拟结果,揭示了准静止锋上贵州地区冻雨的层结结构特征及云物质在冻雨区的分布特征。研究结果表明,贵州中部的冻雨区除一般的三层结构(包含冰晶层、暖层和冷层)外,还具有典型的两层结构特征,即:高空的固体降水粒子稀少,900~600 h Pa深厚的逆温层和0℃以上的暖层使中低空存在大量液态粒子,下落的液滴经过近地面的浅薄冷层,形成大量过冷却雨滴,而后降落至地面迅速冻结。     

不同云微物理方案对粤北冻雨的敏感性试验

基于中尺度模式MM5,分别考察了Reisner、Reisner2和Goddard三个不同云微物理参数化方案,对2008年初粤北冻雨过程的敏感性进行实验。结果表明：2008年初粤北冻雨天气过程是非对流性降水,积云对流参数化方案对冻雨的预报没有太大影响;MM5模式能较好地模拟冻雨天气过程,God—dard云微物理方案模拟结果略好于Reisner和Reisner2方案。另外还发现MM5模式能较好地模拟地面温度分布和大气逆温层的结构特征,850～650hPa是大于0℃的溶解层,雪下落到这一阶段溶解成雨水;1000～850hPa的近地层是低于0℃的冻结层,雨水下落到这一阶段时冻结,这是形成粤北冻雨的特殊逆温层结构条件。但逆温层结构只是产生冻雨天气的必要条件,而雨量的大小和降水中心的位置还与其它因子有关。     

2016年12月克拉玛依一次罕见冻雨天气过程分析

本文对2016年12月4-5日新疆克拉玛依市出现历史罕见的冻雨天气过程,通过实况观测资料的综合分析,并利用WRF区域模式进行数值模拟,分析冻雨形成的环流形势、风场、大气层结以及冻雨区云系。结果表明,大尺度环流形势为西风带上弱波动东移,配合中低层西南急流,以及冷暖气团交汇,为冻雨的形成提供了必要的天气尺度条件。本次冻雨的形成机制为融化机制,水汽输送层主要位于冰晶层,水汽受冰晶效应充分凝结后再在暖层融化,落入冷层迅速冷却为冰粒或过冷却雨滴。逆温层是冻雨发生的主要条件,并且随着逆温层减弱,降水物的相态也从冰粒转为过冷却水。本次冻雨过程与南方冻雨不同的是,克拉玛依上空在降水前期就存在强逆温,并且在冻雨发生前逆温层出现减弱再加强的变化。     

2008年初南方雨雪冰冻灾害天气的大气层结和地面特征的数值模拟

冬季的雨雪预报,尤其是冻雨的预报涉及多种尺度系统与复杂物理因素的影响。为了探讨这方面的问题,作者采用中尺度数值模式MM5对2008年初我国南方持续性雨雪、冰冻灾害天气中的1月26～29日过程做了模拟试验研究,并根据模拟结果对1月26～29日期间的水汽条件、地面特征和大气层结条件等重要环境条件进行了分析。分析指出,模拟结果能基本再现冬季这种持续性过程的降水带分布;长江或江南地区的准静止锋的存在,水汽在锋前对流层低层辐合,并沿锋面向上爬升凝结,爬升到达的高度和强水汽带的宽度与观测基本一致。模式还能再现有利于冻雨产生的层结条件,包括中层冻结层、暖层、逆温层和地面温度0℃线的位置;研究指出,利用模式输出的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。     

2008年江西省冻雨和暴雪过程对比分析

利用NCEP1°×1°逐6h分析资料和常规观测资料,从环流形势、垂直热力结构、动力抬升、水汽条件等方面着手,对2008年1月25—28日和2月1—2日江西省罕见大范围冻雨和暴雪过程进行了对比分析。结果表明,2次过程发生在相似的环流背景下,但暴雪过程的饱和湿度层更加深厚,冷空气条件、动力辐合、垂直风切变均强于冻雨过程。对流层中层的爆发性增温是冻雨、暴雪降水相态改变的关键,2次过程在925—700hPa都存在逆温层,但冻雨过程的锋面逆温更强,并在800hPa以上存在1～2km的0℃以上暖层,暖层最高温度为2～7℃;而暴雪过程整层温度均在0℃以下,不存在暖层。强降雪伴随着湿位涡的发展而加强,MPV1正中心附近的强梯度带和MPV2负斜压中心附近的密集等值线,以及深厚、强烈的上升运动对冻雨和暴雪的预报具有较好的指示意义。2次过程在低空都为辐散气流,中层辐合、高空辐散,且辐合、辐散层从高到低,从北向南倾斜分布。暴雪过程的高层辐散更强,高低空的抽吸作用更加剧烈。     

2011年与2008年贵州低温雨雪冰冻天气锋区特征对比

用常规气象观测资料和NCEP2．5°×2．5°再分析资料,对贵州2011年年初和2008年年初2次严重低温雨雪冰冻灾害期间的天气形势、冷空气、水汽和大气层结等特征进行了分析比较。结果表明：静止锋是贵州低温雨雪冰冻天气的主要天气系统;2008年较2011年冷暖空气均较强,故锋区强、锋面坡度较小,这是2008年冰冻天气强于2011年的主要原因;冻雨的发生与层结的逆温有很大关系,逆温发展的阶段均能较好地对应每一次冰冻过程;逆温强度强且长时间存在是2008年冰冻天气持续时间长的原因。2次过程中低层锋区附近有明显的水汽辐合,形成雨雪天气;对2011年降雪和冻雨过程的对比分析表明降雪与冻雨最明显的特征是降雪时层结基本无逆温,逆温层的出现是降雪转换成冻雨的重要原因。     

鹰潭市一次冻雨暴雪天气过程分析

利用常规气象资料、T213资料等,对鹰潭市2008年2月1-2日出现的冻雨、暴雪天气过程进行分析。结果表明,暴雪出现在500hPa槽前、700hPa急流轴与切变线之间、850hPa切变线附近和地面冷高压底部的区域。高空低槽东移,700hPa西南急流的南压,使得700hPa温度下降为-3．7℃,温度条件变化有利于产生降雪。中低层辐合、高层辐散及较强的上升运动,为强降雪提供较好的动力条件。850—700hPa的逆温层有利于冻雨、暴雪出现,当700hPa温度≥-1℃时,出现冻雨;当温度≤-3℃时,出现暴雪。对流层中层较好的水汽输送,是暴雪发生的重要原因之一。     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟，讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致，如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主，霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻，其次来自雪的积聚转化；霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明，碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶，加速了过冷水向冰晶的转化，过冷云水因而大量减少；催化后霰和冻滴的数浓度增大，对过冷云水的竞争增强，其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少；冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱，导致冰雹总质量进一步减少。此外，催化后降雨量也显著减少。     

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.     

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。     

双参数微物理方案的冰相过程模拟及冰核数浓度的影响试验

利用耦合Morrison 2-mon(MOR)双参数微物理方案的中尺度天气研究与预报模式(WRF)中的单气柱模式,对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比,检验MOR方案对热带对流云系的微物理特征的模拟能力。模拟结果显示:MOR方案能够较好地模拟出热带云系中液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征。地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级和时间演变趋势同观测也非常接近。对与冰晶和雪有关的云微物理特征分析之后发现:季风活跃期,冰晶主要的源汇项有凝华增长过程、沉降过程、冰晶向雪的自动转化以及冰晶被雪碰并的过程。由于冰晶主体位于温度低于―20℃的高空,因而它对雨水的形成主要是间接贡献。同时期雪的主要源汇项中,凝华增长和沉降过程占据着主导地位。雪的凝华过程消耗了大量的水汽,可能抑制了冰晶的增长。另外雪的融化过程非常强盛,是产生降水的重要因子。季风抑制期,冰相的微物理过程变得相对简单且整体削弱,以凝华升华和沉降过程为主。凝华凝冻核的数浓度(N_dep)的气溶胶敏感性试验表明:季风抑制期,高空的冰晶云的宏观和微观性质对凝华凝冻核数浓度的响应情况呈现显著的线性特征。冰晶的含量随着N_dep的增加而增加,反之降低。该时期微物理过程主要同冰晶有关,水分的分配较为简单,N_dep增加时,高空冰云中小冰晶粒子数目增多且云顶升高,使得大气顶部向外长波辐射(OLR)值减小,反之冰云主体中冰晶有效半径增加,高空的冰云更加透明,云顶更低,对 OLR值增加起促进作用。而季风活跃期,微物理过程复杂,冰晶云的宏微观特征对N_dep的响应表现出一定的不规律特征。     

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。