雷达反射率因子在中尺度云分辨模式初始化中的应用Ⅱ：数值模拟试验

将反演的云微物理量和垂直速度采用"牛顿连续松弛逼近"(Nudging)技术应用到GRAPES模式中,对一次梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟。通过设计不同的试验方案,分别对水汽、液态水和垂直速度对Nudging效果以及预报结果的影响进行了考察。研究发现,采用Nudging初始化方法,可使背景场与观测反演资料相协调,实现了模式中对流的热启动,模式预报的开始时刻就产生降水,缩短Spin-up时间。水汽对降水至关重要,对降水的强度和持续时间都有重要影响;云水、雨水和垂直速度决定了初始时刻对流的强弱分布并产生降水;水平风场决定了系统的移动方向,对预报降水的落区有重要影响。模式比较成功地模拟了6 h的降水过程,中尺度天气系统的时空特征比较明显,对流中心上升速度最大值约2.0 m/s,云水含量400 hPa以上较大,最大值约1.5 g/kg,雨水含量500 hPa以下较大,最大约3.0 g/kg,底层辐合高层辐散。反演资料对降水的影响随预报时间的增加而减弱,预报1 h之内反演资料有明显影响,3 h之后的预报则主要依赖模式自身。鉴于仅使用一部雷达资料的反射率因子资料,雷达资料没有覆盖整个模式区域,天气系统被截断,反演和同化过程还采用了一些经验参数方法等原因,数值模拟结果与雷达观测之间还存在一定的差异,有待于更深入的研究。     

静力平衡模式在中尺度大气模拟中的适用性问题

静力平衡模式是目前数值天气预报的主要模式。近年来随着模式分辨率的提高,非静力平衡模式在中国的研制和ＭＭ５等模式的引进,从理论研究和应用的角度看,有必要对这两种模式在中尺度大气模拟中的适用性问题作细致的分析研究。本文从理论上分析了静力平衡假定下重力波频率模拟的误差,指出其相对误差随Δｘ增大成平方的减少。当Δｘ≥２０ｋｍ时,相对误差小于４％,当Δｘ≤１０ｋｍ时,相对误差可能大于１６％。和一般顾名思义的概念不同,静力模式计算的重力波频率被夸大,计算的垂直加速度也由于略去惯性项而夸大。推导的准静力平衡模式,对静力平衡模式作了惯性项订正,个例试验也肯定了上述结果。     

中尺度山脉对流群的动力和微物理数值模拟

大山脉春夏季受太阳加热和地形抬升作用易于形成对流过程。为研究这类对流特点，在沙特阿拉伯ＡＳＩＲ山区组织了一个ＳＡＣＰＥＸ实验计划。本文应用中国强风暴实验室ＭＢＧ（ＭＥＳＯ—Ｂｅｔａ＆Ｇａｍｍａ）非静力模式，选取适当模拟通道模拟了该计划中１９９０年５月３日一次对流降水过程。模拟结果揭示了大山脉气流强迫与对流环流相互作用的一些基本特点，展示了大山脉对流过程多种复杂的宏微观特征及其生消演变。包括山坡激发对流，大对流对小对流的抑制，云自然引晶效应等，并指出在这类对流系统中ＣＣＮ浓度对其降水类型的重要影响。此外，本文还进行了采取细致的雹云微物理参数化和采用简单的暖云微物理参数化的对比试验，结果表明两者模拟的动力场差别甚小，而云形态和降水发展有明显差异。上述结果总体上与该个例外场观测一致。     

三维弹性套网格中尺度(β-γ)大气模式的检验和实例研究

应用文献[1]建立的中尺度(β-γ)大气模式,模拟了强对流风暴、过山气流与降水、及山谷风和海陆风等重要中小尺度天气过程,研究了各个过程的发展特点,检验了模式各部分功能。模拟结果与实际观测、国外模拟结果和概念模型相当一致,表明模式方程、物理参数化、地形坐标系和套网格设计等对局地天气过程中复杂的云过程、下垫面强迫和地形效应具有较强的模拟能力,适用于各种局地天气过程的模拟研究。文中对各个个例模拟结果进行了初步分析,揭示了它们的结构特征和演变机理,并指出了模式的一些缺点和未来进一步完善的方向。     

测量山区云下气流的简易方法

山地和积云云外气流的观测对于云物理研究和人工降水试验具有重要的意义。双经纬仪基线观测方法的精度较高,但所需人力物力很多,而且由于山头遮挡等问题而不易实施。1965年8月,我们在庐山山顶用加尾平衡气球的方法,用一架测风经纬仪观测了山地积云云下气流,取得了一些初步结果。发现处于发展阶段的淡积云云下为辐合上升气流,升速平均为2米/秒,且有一定的日变程;处于消散阶段的积云云下     

积云暖雨过程及其盐粉催化的参数化数值模拟

我国南方夏季浓积云和积雨云前期的自然成雨过程中,暖雨过程(没有冰相参与的凝结、碰并过程)起着主要的作用。多年来我们进行的盐粉催化积云的人工降雨试验,其作用原理也在于影响积云的暖雨过程。在数值模拟中必须对暖雨过程提出比较切合实际的可用的数值模式。     

积云形成暖雨的条件

本文用积云暖雨模式,计算了不同云底温度、升速和微结构特征条件下,积云通过暖雨过程形成降雨所需要的云厚。计算结果同我国江西九江及世界不同地区的积云降水云厚实测资料相比相当一致。世界上一些有资料地区积云降水云厚的差别很大,按本文计算结果,升速往往起着主要的作用,其次是微结构特征和云底温度。文中用在九江观测到的积云升速和降水资料,得出了云作升速和积云降水云厚的关系,同本文计算结果大致符合。     

CAMS云微物理方案的改进及与WRF模式耦合的个例研究

本文在中国气象科学研究院(CAMS)双参数云微物理方案的基础上,增加气溶胶粒子的活化过程,改进原方案中的水汽混合比、云水混合比及云滴数浓度的预报方程,实现对各种水成物(包括云水)的混合比和数浓度的预报.此外,改进后的CAMS云方案被成功耦合到了WRF v3.1中尺度模式.本文利用耦合模式对2009年4月23~24日发生在我国北方地区的一次降水天气过程进行了模拟,将新方案的模拟结果与WRF自带的3个微物理方案进行了比较.结果显示,新方案能够合理地描述地面降水特征,其模拟的雨带分布范围与实测接近,降水中心的强度和位置优于其他3个方案.新方案模拟的云滴数浓度与WDM6方案基本一致,表明加入的气溶胶活化过程是合理的.新方案模拟的其他水成物粒子数浓度与Morrison方案相比有时会有量级的差别,说明粒子数浓度的模拟目前还存在着很大的不确定性,这也是云微物理模式进一步发展的难点.