GRAPES全球模式次网格对流过程对云预报的影响研究

50 km分辨率下的GRAPES全球模式对赤道及低纬度地区云水、云冰、云量和格点降水的预报较实际观测偏少。为解决这一问题,在模式原有的格点尺度云方案基础上,将次网格对流过程的影响作为源汇项,加入到云水、云冰和总云量的预报方程中。结合云和地球辐射能量系统(CERES)与热带降雨测量(TRMM)等卫星云观测资料,进行了改进后的云方案与原云方案预报结果的对比分析。结果显示,考虑了对流对格点尺度云含水量和云量预报的影响后,GRAPES全球模式预报的云和格点降水在赤道及低纬度地区有明显改善,水凝物含水量和总云量的预报结果与实况较为接近,格点降水在总降水中的比例由原来的5%提高到25%。研究进一步表明,次网格对流过程对格点尺度云和降水的影响取决于上升气流质量通量的分布和强度,上升气流的质量通量在对流活动强烈的低纬度热带地区较强,其最大值出现在650—450 hPa高度,因此,次网格对流的卷出过程对中云的影响最为明显。对高云和低云也有一定程度的影响,使云顶变高,云底变低。     

GRAPES全球模式浅对流过程和边界层云对低云预报的影响研究

在GRAPES全球模式云方案中加入浅对流卷出过程和边界层云对云水（冰）、云量的影响,改进模式低云预报,模拟比较改进前后预报结果,并与CERES（云和地球辐射能量系统）及YOTC（热带对流年科学计划）资料进行对比分析。结果表明：考虑浅对流卷出过程和边界层云后,主要增加了模式700 hPa以下低云量及低云中液态水凝物含量,改进后的结果与实际观测更接近。其中边界层层积云主要影响大气边界层顶附近较薄的一层云,影响厚度不超过200 hPa,浅对流卷出过程对云水和云量大小的影响与边界层云相当,而影响厚度则更广,对地面到700 hPa间的低云都会产生一定影响。进一步研究表明,由于低云预报的改进促进了地表和大气层顶云长短波辐射强迫的预报,云的辐射强迫得以增加。     

云物理初始化对一次强对流天气数值预报的影响研究

基于第二代华东快速更新循环同化预报模式系统,针对2015年4月28日华东强对流天气,分析了云初始化对强对流数值预报的作用和影响。有无云初始化试验对比结果表明,在循环系统中使用云初始化,能够显著提高0~6 h的降水预报评分,强降水的位置预报更接近实况。云初始化能较好地改善初始场水凝物的质量分布,提供较准确的相关对流系统的初始信息,改进强对流区域内水凝物的预报效果,有效避免了模式初始阶段的降水滞后现象,缩短了模式由于初始微物理信息缺失引起的“spin-up”时间。而积分6 h以后的结果与无云初始化的结果差别不大。      

T213L31全球模式云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨量级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析。发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多。可分辨尺度降水偏多的可能原因有：土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷。鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进。包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化方案的闭合由“动力型”改为对流有效位能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算。改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生。采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较。结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在。中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效上降水的TS评分增加,预报偏差降低。     

T213L31全球模式的云和对流参数化方案改进试验

针对中国业务中期数值预报模式T213对中雨最级以上的降水预报空报比较明显的问题,文中对此模式预报的降水进行了诊断分析.发现T213模式预报的总降水分布主要是由可分辨尺度降水决定的,且在降水偏多最明显的地区,可分辨尺度的降水即超过或达到了观测的总降水,表明降水空报的主要原因在于可分辨尺度降水偏多.可分辨尺度降水偏多的可能原因有:土壤湿度初始化、云变量的初始化和直接产生降水的云与对流参数化方案存在一定的缺陷.鉴于前两者是目前国际上的难点,文中针对第3个方面的可能原因进行了分析和相应的改进.包括在对流方案之前增加一次云方案的调用;对流参数化办案的闭合由"动力型"改为对流有效化能调整闭合;更复杂的对流触发机制;改进冰沉降和降水通量计算.改进的主要目的是使对流参数化方案更活跃,从而减少格点尺度对流的发生.采用改进的方案,进行了敏感性试验和2005年夏季的连续滚动同化预报试验,并与中国区域400个标准站的降水观测和GPCP的全球降水观测进行了比较.结果表明,改进的方案无论是对中国区域还是全球夏季平均的降水分布预报都好于业务,但四川省和赤道东太平洋降水偏多的问题依然存在.中国区域的降水统计检验还表明,除小雨外,其他量级在大部分时效七降水的Ts评分增加,预报偏差降低.     

积云参数化方案中云底质量通量的限制及在高分辨率模式中的应用

对SAS积云参数化方案中的云底质量通量进行限制并将其应用到华南区域高分辨率模式降水预报中,分别对强对流个例和弱对流个例进行模拟和比较,分析了限制云底质量通量之后的积云参数化方案对模式降水预报的影响,并探讨了不同大小的云底质量通量限制对预报结果的敏感性。试验结果表明,对积云参数化方案进行闭合时采用不稳定能量释放假设要比原来的准平衡闭合假设更适用于中小尺度模式。对积云参数化方案的云底质量通量进行限制以后可以有效地消除对流参数化在高分辨率模式中引起的虚假降水,同时又能够合理地引入一些次网格尺度的弱对流的影响,从而改进模式的降水预报效果。敏感性试验结果表明,随着云底质量通量限制程度的变弱,对流参数化方案对模式降水预报的影响会逐渐增强;在一定大小范围内的云底质量通量限制下,强对流个例的总降水量预报结果对于不同大小的限制不如弱对流个例敏感。对两种不同的云底质量通量限制方式进行比较发现,在云底质量通量较大时完全关闭对流参数化方案可以更有效避免对流参数化引起的虚假降水。      

LAPS云分析中卫星资料的应用及对GRAPES模式短时预报的影响

通过2013年5月16日广东暴雨个例,利用LAPS分析系统在GRAPES背景场的基础上融合了地面、探空、雷达和卫星资料,比较了LAPS分析系统是否融合卫星资料的云微物理变量(云水、雨水、云冰、云雪)差异;进一步对比讨论了模式提前6 h滚动预报与LAPS反演的云微物理变量的异同,在此基础上探讨了两者对模式降水预报的影响。结果发现,LAPS分析系统融合了卫星资料后,能较好地再现中尺度云团的形态和强度,且能减少一些云微物理变量(云水、云冰、云雪)的虚假中心,大值中心与强降水中心吻合较好;模式滚动预报与LAPS反演的云微物理变量水平和垂直分布差异较大,后者的分布形态基本与观测降水、雷达回波相似,大值中心与强降水中心吻合较好;从两者对模式降水预报的效果来看,LAPS分析的云微物理变量作为模式初始场中的云参数,能改善模式1 h的降水预报,而模式滚动预报的云微物理变量对模式降水预报基本没改善。      

对流参数化与微物理过程的耦合及其对台风预报的影响研究

在SAS（Relaxed Arakawa-schubert Scheme）对流参数化方案中引入对流云和层状云的相互耦合机制,并通过一个台风个例对改进前后两种方案的预报效果进行了比较。试验结果表明：对于台风这种对流云和层状云相互作用非常强烈的天气系统,在对流参数化方案中引入对流云和层状云的耦合机制可以有效地提高模式对台风路径的预报水平,但是对于台风强度的预报效果不明显。考虑对流参数化和微物理过程耦合后模式的参数化降水变弱而格点降水增强,与NCEP再分析资料的对比发现,改进方案对于台风外围的大尺度温度场和湿度场的预报会有所改进,但仍然存在偏干偏冷的现象。对雨和雪的不同处理方式、不同云底条件以及是否考虑雨雪的卷入抬升三个方面进行了敏感性试验,发现72 h内模式预报结果对这些因素的差异不是很敏感。从多个个例的统计结果来看,新方案对台风路径预报的改进效果是比较稳定的。     

FY-4A闪电资料在对流天气数值预报中的影响研究

利用GRAPES云分析系统,对2019年8月4—5日发生在山西省中北部的太行山区域强对流降水过程进行了分析和数值试验,重点分析引入FY-4A的闪电成像仪(lightning mapping imager event,LMIE)资料对模式计算的雷达反射率、云微物理变量和降水预报的影响。试验结果表明:加入LMIE资料计算得到的雷达回波更接近实测雷达回波,并且对云水、云冰和雪等云微物理要素进行了调整,使发生闪电区域的云微物理要素的含量显著增加,云微物理要素的极值中心一般与闪电活跃区域分布一致。云信息初始化可以有效提高24 h以内的降水预报准确率,减弱数值模式的spin-up现象;加入LMIE资料后,可以进一步提高1～12 h降水预报准确率。     

物理守恒律保真全球谱模式辐射—云—对流过程的改进

辐射—云一对流相互作用的正确和合理描述是改进湿物理过程描述和数值模式的重要方面.在一个物理守恒律保真的全球模式中引入描述更细致的云参数化方案和辐射参数化方案,对6个30天实时资料数值积分进行分析.结果表明,通过云参数化方案中云描述的细化,改进了模式对云分布、云量、以及云水、云冰不同相态的模拟;辐射方案中对这些云水物质的...     

基于对流云/层状云划分的云分析方法改进

本文基于实况融合降水和雷达反射率因子,采用模糊逻辑法提出了一个新的对流云/层状云判别方法,进而改进了GSI（Gridpoint Statistical Interpolation）同化系统中的云分析方案（简称CUST方案）。以2019年6月19日影响浙江的一次梅雨过程为例,利用WRF（Weather and Forecast Research）模式与GSI同化系统开展了逐小时循环同化试验,分析了CUST方案对降水的模拟改进作用和可能影响过程,并与其他方案进行了对比,探讨了CUST方案的应用效果。结果表明:（1）新提出的CUST方案可较为准确地划分对流云和层状云,以此作为判别因子改进GSI同化系统中的云分析方案切实可行。（2）CUST方案在对流区域采用对流云分析方案,在非对流区域采用层云分析方案,减小了单纯对流云方案在非对流区域的空报现象、以及单纯层云方案在强对流区域的漏报现象,有效提升了短时降水的模拟能力。（3）CUST方案对模式起报初期（6 h甚至3 h内）的改进效果较为明显,且对小雨量级的改进幅度要大于大雨量级。（4）与基于地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据的混合云分析方案（简称CSW方案）相比,CUST方案基于实况资料划分的对流云/层状云更为合理,模拟的降水结果占优,说明CUST方案方法有较好的应用前景。     

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。     

Vertical Structures of Convective and Stratiform Clouds in Boreal Summer over the Tibetan Plateau and Its Neighboring Regions

Cloud is essential in the atmosphere, condensing water vapor and generating strong convective or large-scale persistent precipitation. In this work, the relationships between cloud vertical macro- or microphysical properties, radiative heating rate, and precipitation for convective and stratiform clouds in boreal summer over the Tibetan Plateau (TP) are analyzed and compared with its neighboring land and tropical oceans based on CloudSat/CALIPSO satellite measurements and TRMM precipitation data. The precipitation intensity caused by convective clouds is twofold stronger than that by stratiform clouds. The vertical macrophysics of both cloud types show similar features over the TP, with the region weakening the precipitation intensity and compressing the cloud vertical expansion and variation in cloud top height, but having an uplift effect on the average cloud top height. The vertical microphysics of both cloud types under conditions of no rain over the TP are characterized by lower-level ice water, ice particles with a relatively larger range of sizes, and a relatively lower occurrence of denser ice particles. The features are similar to other regions when precipitation enhances, but convective clouds gather denser and larger ice particles than stratiform clouds over the TP. The atmospheric shortwave (longwave) heating (cooling) rate strengthens with increased precipitation for both cloud types. The longwave cooling layer is thicker when the rainfall rate is less than 100 mm d^?1, but the net heating layer is typically compressed for the profiles of both cloud types over the TP. This study provides insights into the associations between clouds and precipitation, and an observational basis for improving the simulation of convective and stratiform clouds over the TP in climate models.     

低层对流嵌入到高层云系的模拟研究

嵌有对流的层状云系兼有两种云的特征并且降水效率较高, 具有重要的研究意义。本文结合观测资料, 利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)模拟了2010年7月1日发生在东北地区的一次大范围强降水天气过程, 并对其中两个较典型的嵌入对流个例进行了详细分析。分析发现这两个嵌入对流都是由低层对流嵌入到高层云系所形成, 其中由对流云和位于其正上方的层云所形成的嵌入对流发展更加旺盛并给地面带来更强降水。以这两个个例为基础, 通过其与模拟区域内的普通对流云和层云相比较发现:相对于孤立对流云, 嵌入对流内的对流云生命期更长、低层水汽辐合更强、云内液水含量更大, 不稳定能量更多集中在低层;而在液水含量相当的两个嵌入对流中固态水含量的不同对降水强度影响较大;另一方面, 在嵌入对流发展的过程中嵌入对流内层云的垂直尺度扩大、含水量增加、降水强度增强, 从降水机制来看其云内固态和液态水含量都随嵌入对流发展逐渐增大, 而单纯层云内的上述变化均不明显。     

云粒子的破碎对积层混合云微物理参量测量的影响

由层状云和镶嵌在层状云中的对流单体组成的积层混合云系是一种重要的降水系统,为研究云粒子破碎对积层混合云系中对流较强区域和层云区域中的云微物理参量测量影响的差异,本文提出了一个时变阈值的破碎粒子识别方法,并利用该方法研究了破碎云粒子在层云区域与对流区域对云微物理参量测量影响的异同。经研究发现破碎粒子对粒子谱影响在小粒径端（500 μm以下）和大粒径（1000 μm以上）两端都存在,其中在层云区,破碎粒子在小粒径端的主要影响位于300 μm以下,而在对流云区,主要影响的小粒径段位于500 μm以下。就整体平均而言,破碎粒子对对流云区粒子谱的影响要比对层云区的影响高出20%以上。在粒子数浓度测量上,破碎粒子对整个层云区粒子数浓度影响的平均值是4.56倍,对整个对流云区粒子数浓度影响的平均值是8.47。与层云区相比,破碎云粒子对对流云区的粒子数浓度影响更大,其影响程度就平均而言接近2倍的关系。在冰水含量测量上,破碎粒子对整个层云区冰水含量测量影响的平均值是1.34倍,对整个对流云区冰水含量测量影响的平均值是1.74倍。与层云区相比,破碎云粒子对对流云区的冰水含量测量影响大约增加了30%。     

基于TRMM卫星探测的南海及周边地区降水、云和潜热特征的比较研究

利用1998—2013年热带测雨卫星（TRMM）3A12资料,对南海及其周边地区降水、云和潜热的三维特征及其变化进行了对比研究,把南海及其周边地区分为四个区域:华南地区、中南半岛、马来群岛、南海。结果表明:（1）地面降水率EOF分析的第一、二模态方差贡献率分别为57.16%和8.72%,第一模态向量场均为正值,降水呈现南多北少的分布特征;第二模态向量场体现了降水变化南北反相的特征,马来群岛降水变化与其他三个区域反相。从两个模态时间系数序列看出,1998—2005年整个区域降水总体减少,区域降水北部增多南部减少;2005—2013年整个区域降水总体增多,区域降水南部增多北部减少。（2）南海及其周边地区降水夏秋季多,春冬季少,降水中心春夏季北移,秋冬季南撤,其中马来群岛夏季降水最少,冬季最多;其它三个区域都是夏季降水最多,华南和中南半岛冬季最少,南海春季最少。（3）赤道附近对流降水为主,23 °N以北区域层云降水为主,5~23 °N之间区域两种类型降水比例随季节变化,其中陆地降水比例随季节变化明显,特别是华南地区陆地夏季对流降水比例大于50%,冬季层云降水比例大于80%;海洋对流降水所占比例普遍大于50%,随季节变化小。（4）云冰、云水含量水平分布大值区与降水大值区相对应;二者随高度先增加后减少,云冰在13 km高度达到最大值,云水在2.5 km高度达到最大。春冬季,马来群岛云冰含量最大;夏秋季,南海云冰含量最大。云水含量在四个季节都以南海最大。（5）潜热加热率水平分布大值区与降水大值区相对应;随高度呈双峰分布,峰值分别出现在1~2 km高度和4 km高度处,春冬季马来群岛潜热加热率最大。      

珠三角城市环境对对流降水影响的模拟研究

采用具有2 km分辨率的中尺度气象模式WRF及其耦合的单层城市冠层模式,以及Thompson云微物理方案,针对广州市附近发生的一次对流风暴过程,模拟研究了城市环境包括城市地表性质变化、城市空气污染可能引起的云粒子浓度增大现象对对流降水发展的影响问题.结果表明城市地表引起的热岛和干岛效应,可造成城市边界层高度升高,有利于城区附近辐合流场形成和不稳定能量增大.模拟结果显示,城市地表作用可在广州市南北各形成一个对流有效位能CAPE增大的辐合区,模拟对流降水回波起始发展于这些具有高不稳定能量的辐合区,并与观测雷达回波特征相一致,反映出城市地表对对流的起始发展及其发生位置有更直接作用.对流发展起来后,敏感试验反映出高云粒子浓度 (污染) 情形中有更多降水形成,降水增多可达20%以上.诊断分析发现降水增多与对流云中有更多雨水及过冷却云水形成有关系.增多的云水雨水通过相应的由于潜热释放增加引起的强上升运动被传送到较高层次,引起云中冻结过程及液态水和冰相物质之间的相互作用增强,从而导致更多冰相物质形成、降落地面降水增多.     

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.     

华北太行山东麓一次稳定性积层混合云飞机观测研究:对流云/对流泡和融化层结构特征

对云中微物理过程的研究是研究云降水形成过程和人工影响降水的重要基础,目前对积层混合云的对流区/对流泡中的微物理结构了解甚少。本文利用河北省“十三五”气象重点工程——云水资源开发利用工程的示范项目（2017～2019年）“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”飞机和地面雷达观测数据,重点分析研究了2017年5月22日一次典型稳定性积层混合云对流泡和融化层的结构特征。研究结果表明,此次积层混合云高层存在高浓度大冰粒子,冰粒子下落过程中的增长在不同区域存在明显差异,在含有高过冷水含量的对流泡中,冰粒子增长主要是聚并和凇附增长,而在过冷水含量较低的云区以聚并增长为主。由于聚并增长形成的大冰粒子密度低,下落速度小,穿过0℃层时间更长,出现大量半融化的冰粒子,使融化现象更为明显。镶嵌在层状云中的对流泡一般处于0℃～-10℃（高度4～6 km）层之间,垂直和水平尺度约2 km,最大上升气流速度可达5 m s-1。对流泡内平均液态水含量是周围云区的2倍左右,小云粒子平均浓度比周围云区高一个量级,大粒子（直径800 μm以上）的浓度也更高。在具有较高过冷水含量的对流泡中降水形成符合“播撒—供给”机制,但在过冷水含量较低的区域并不符合这一机制。     

NUMERICAL SIMULATION STUDY OF CLOUD INTERACTION AND FORMATION MECHANISM OF HEAVY RAIN IN MIXED CONVECTIVE-STRATIFORM CLOUD

Using the numerical model of mixed convective-stratiform clouds(MCS)in the paper(Hong1997)and the averaged stratification of torrential rain processes,the evolution processes,interaction of the two kinds of clouds,structure and the precipitation features in the MCS toproduce heavy rain are simulated and studied,and the physical reasons of producing torrential rainare analysed.The results indicate that the stratiform cloud surrounding the convective cloudbecomes weakened and dissipates in the developing and enhancing of the convective cloud,and therainfall rate and water content in the stratiform cloud increase as the distance from the convectivecloud becomes larger.The numerical experiments find out that the stratiform cloud provides abenificial developing environment for the convective cloud,i.e.,the saturated environment and theconvergence field in the stratiform cloud help to lengthen the life cycle of the convective cloud,produce sustained rainfall with high intensity and intermittent precipitation with ultra-highintensity.These and the ice phase microphysical processes are the main factors for the torrentialrain formation and the MCS is a very effective precipitation system.