CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案, 包括11个云物理变量和31个云物理过程, 能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后, 实现了二者的耦合, 耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程, 利用耦合后的模式进行48 h模拟试验, 同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟, 着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明: CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征, 并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征, 各相态粒子的量级和分布合理, 不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验, 对新方案进行检验。     

GRAPES模式中物理过程时间计算精度对降水预报的影响

对数值模式物理过程与动力框架耦合方案进行了分析, 在GRAPES模式中引进了ECMWF模式中的Wedi (1999) 耦合方案, 此方案考虑了两个时间层物理过程的影响, 即将上游点和到达点物理过程的影响同时反馈到动力框架中, 它是二阶时间精度的耦合方案, 比原一阶精度耦合方案更加合理和准确。利用GRAPES模式, 设计了Wedi耦合方案与原耦合方案的连续数值试验。试验结果表明, 在逐日降水预报中, Wedi耦合方案与原耦合方案降水预报的T评分 (Threat score) 互有高低, 但差别不大; 预报的降水量可能有较小的变化, 但不能使预报降水的等级出现本质的改变。但对其平均后的分析可知, 新引进的Wedi耦合方案对预报降水评分具有正的贡献。即新耦合方案完善和改进了GRAPES模式, 对提高模式的降水预报准确率具有正效果。     

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。     

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模式不同云物理方案对短期气候模拟的影响

在胡志晋、刘奇俊云物理方案的基础上，研制了GRAPES模式的云降水显式方案。用不同云物理方案开展了短期气候（月尺度）过程的模拟试验，并与地面观测资料和NECP再分析资料进行了对比分析。模拟的结果表明，耦合了云降水显式方案的GRAPES模式较好地模拟出了中国地区降水、温度、云量、长短波辐射的特点和分布规律。气候模拟中冰相过程和暖云过程模拟的降水、温度、云量和辐射差异较大，不同相态的水凝物及其分布对辐射特征有较大的影响，混合相云物理方案的模拟结果与实况更为吻合，应使用混合相云物理方案进行短期气候的模拟。     

污染气溶胶对山西一次降水过程影响的数值模拟

利用耦合Morrision双参数物理方案的WRF(Weather Research and Forecasting)中尺度数值模式,对发生在2007年6月13日山西地区的一次强降水过程进行了模拟,并对清洁和污染背景下气溶胶对云微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析.结果显示:污染背景下,降水区域没有明显变...     

SWCWARMS模式及GRAPES模式对西南区域降水预报检验对比分析

使用2014年5~12月西南四省(区)一市每日08时统计的24h雨量观测资料,对SWCWARMS和GRAPES模式降水进行站点统计检验。主要结论为:针对每日08时起报,SWCWARMS模式除24h中雨和48h大暴雨外SWCWARMS模式ETS评分在其它时次及其它量级降水上均高于GRAPES模式,但SWCWARMS模式空报和系统偏差较多;针对每日20时起报,SWCWARMS模式ETS和TS评分均高于GRAPES模式;除小雨外SWCWARMS模式空报率略高于GRAPES模式。从2014年10次西南涡过程统计检验可见,两模式对强降水过程即主要影响贵州的三次过程评分高于四川和云南的西南涡降水过程,24h降水评分在多个时次多个量级上优于GRAPES模式。SWCWARMS模式在汛期表现优于GRAPES模式,SWCWARMS模式对小雨、中雨和大雨有较强的预报能力,但对强降水预报能力有待改进,对中雨及以上量级降水空报率较高,而对小雨漏报多于GRAPES模式。     

新疆中强天气过程GRAPES区域模式降水预报检验

利用2009年新疆地面气象观测站的实况降水资料和GRAPES区域模式的降水预报产品,根据降水预报产品在新疆实际天气预报业务工作中的应用制定检验方案,对GRAPES区域模式12 h降水预报产品进行检验。结果表明:GRAPES区域模式的降水落区位置和落区面积预报准确率北疆高于南疆,降水落区位置预报偏南的概率比较高;各时效降水中心强度预报易偏强,随预报时效延长其准确率呈降低趋势。     

GRAPES模式对我国一次强降水过程的数值模拟

采用我国新一代数值预报模式GARPES,利用T 213资料和探空资料,对2004年我国夏季的一次强降水过程进行24、48h预报试验,结果表明：GRAPES模式对降水预报有指导作用,特别是对大范围、强降水的预报效果较好。GRAPES模式24h的预报比48h的预报更加准确。     

GRAPES全球集合预报初始条件及模式物理过程不确定性方法研究

为描述GRAPES全球模式初始条件的不确定性,基于适合集合预报应用的GRAPES全球奇异向量技术,依据大气初始误差符合正态分布的特征,采用高斯取样奇异向量来构造全球集合预报初始扰动,在此基础上建立了GRAPES全球集合预报系统(GRAPES-GEPS)。利用GRAPES全球同化分析场,对采用初始扰动的GRAPES-GEPS连续试验预报结果进行检验和分析。结果表明:GRAPES-GEPS中高度场、风场及温度场预报的集合离散度能有效快速增加,集合平均均方根误差与集合离散度的关系合理;相对控制预报的均方根误差,集合平均的预报优势在预报中期非常显著。为进一步体现GRAPES-GEPS中模式物理过程的不确定性,发展了模式物理过程倾向随机扰动技术(SPPT)。试验结果表明:SPPT方案的应用有效提高了GRAPES-GEPS在南、北半球和热带地区等压面要素预报的集合离散度,同时一定程度减小了集合平均误差,进而改进了集合平均误差与集合离散度的关系,其中SPPT方案在热带地区的改进最为显著。本文发展的基于奇异向量的初始扰动方法和模式扰动SPPT方案在中国气象局2018年12月业务化运行的GRAPES-GEPS中得到了应用。     

层状云系催化增雨的中尺度模拟研究

利用PSU/NCAR中尺度模式MM5研究层状云碘化银催化后的区域外效应.在MM5中双参数显式云物理方案基础上,采用显式方法加入碘化银粒子的成核机制,建立碘化银粒子比含水量和数浓度预报方程.通过增加催化过程的程序模块,建立起一个中尺度人工催化系统.采用三重嵌套到3.3 km格距模拟了一次层状云系大范围降水,此个例-5℃到-10℃上碘化银催化试验结果表明碘化银在高空风的作用下向下风方输送并影响云内的微物理过程,碘化银持续作用时间为3h.大多数碘化银主要起凝华核作用,催化后冰晶增加主要靠凝华过程.催化后3h内在下风方区域80 km到240 km有10％～30％的增雨,出现催化区域外效应.     

一次层状云降水过程微物理机制的数值模拟研究

层状云由于在水平上较为均匀, 可以用一维模式来模拟其云微物理过程。因此, 本文使用一个包含详细微物理过程的一维层状云分档模式结合地面Doppler雷达、 PMS观测资料, 对2007年7月1日吉林省一次锋面抬升引起的层状云降水系统进行了模拟研究。计算结果详细地刻画了水滴、 霰、 雪花和冰晶粒子谱分布、 含水量在垂直高度上的分布与变化, 并定量分析了该例中冰晶层、 混合层和暖层中凝华、 凝结、 碰并等微物理过程对粒子谱型的影响, 以及冰晶层、 混合层和暖层对地面降水的贡献率。结果表明, 在该例中, 冰晶层对混合层的播撒以直径D＜300 μm的小冰晶粒子为主。从混合层播撒D＞100 μm的水滴粒子以及未完全融化的冰晶粒子对暖层中小云滴粒子的碰并收集作用较强, 同时, 一部分降水粒子在暖层内可通过随机碰并机制产生。三层云对降水的贡献分别为3.5%、 38.5%和58%。三层云中若缺少混合层, 地面降水仅为0.475 mm/h, 谱宽920 μm, 且雨滴粒子数浓度较高; 若无暖层, 降水时间滞后, 雨强增加缓慢, 地面降水达0.807 mm/h, 雨滴粒子谱宽达1500 μm; 无冰晶层时, 降水强度与三层俱全时的模拟结果基本一致, 降水及雨滴谱的改变非常微弱。     

气溶胶对冰雹云物理特性影响的数值模拟研究

利用RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)数值模式,研究了气溶胶数浓度的改变对半干旱地区春季出现的一次较大范围的降雹天气云微物理特性和降水过程的影响,模拟结果表明:(1)气溶胶对云中液态含水量垂直分布影响明显.气溶胶浓度改变使云中水成物的空间分布发生调整.(2)清洁大气环境...     

催化对降水区域外效应的中尺度数值模拟

The Fifth-Generation NCAR/Penn State Mesoscale Model (MM5) has been used to investigate the extra-area effects of silver iodide (AgI) seeding on stratiform clouds performed at the supercooled layer.A bulk two-moment microphysical scheme and the new software package for silver iodide are incorporated in MM5.Extra conservation equations are applied to trace the seeding agent,which is transported along the flow field and interacts with the supercooled cloud fields.In this study,the model was run using three nested grids,with 3.3 km × 3.3 km horizontal resolution in the finest grid.The model results showed that seeding with AgI at the 5 to 15℃ levels had microphysical effects on the simulated clouds and that the simulation produced a longer-lasting seeding effect because of the transport of the seeding agent by upper-level winds.Most of the AgI particles acted as deposition nuclei,and the deposition nucleation process contributed mostly to additional cloud ice formation in this study.The results showed that more precipitation results from seeded than unseeded case,and the precipitation was redistributed downwind of the target.Augmented precipitation (varying from 5% to 25% downwind) was confined in space to within 250 km of the seeding target and in time to the 3-h period after initial seeding.     

GRAPES模式对2008年两次强降水过程的数值预报检验

利用GRAPES_meso中尺度模式和三维资料变分同化系统,以国家气象中心T213L31全球模式预报结果作为第一猜场,在对我国南方地区的探空、地面站、自动气象站和13部雷达观测径向风进行同化的基础上,对2008年6月中旬造成南方多个省份大暴雨的一次冷锋过程和7月底在福建登陆的8号(凤凰)台风的数值预报结果进行了热力和动力检验,并对模式预报降水和降水系统的结构进行了分析,总结了冷锋系统中对流降水产生的有利条件和维持机制、以及台风登陆后的结构演变,发现这次冷锋具有较强的斜压性和锋区对流不稳定性,热力动力结构与梅雨锋类似。台风凤凰登陆后减弱为热带低气压,虽然受地面摩擦影响和水汽供应的减少而导致螺旋云系减弱,但热力结构依然清晰,暖心结构被削弱,呈现高层偏暖和低层偏冷、抑制对流发展的热力结构。通过分析,初步验证了GRAPES_meso模式对这两个个例强对流降水系统的刻画能力,但仍然有必要进行更多更细地检验。     

Numerical Simulation and Evaluation of a New Hydrological Model Coupled with GRAPES

Hydrological processes exert enormous influences on the land surface water and energy balance, and have a close relationship with human society. We have developed a new hydrological runoff parameterization called XXT to improve the performance of a coupled land surface-atmosphere modeling system. The XXT parameterization, which is based upon the Xinanjiang hydrological model and TOPMODEL, includes an optimized function of runoff calculation with a new soil moisture storage capacity distribution curve(SMSCC). We then couple XXT with the Global/Regional Assimilation Prediction System (GRAPES) and compare it to GRAPES coupled with a simple water balance model (SWB).For the model evaluation and comparison, we perform 72-h online simulations using GRAPES-XXT and GRAPES-SWB during two torrential events in August 2007 and July 2008, respectively. The results show that GRAPES can reproduce the rainfall distribution and intensity fairly well in both cases. Differences in the representation of feedback processes between surface hydrology and the atmosphere result in differences in the distributions and amounts of precipitation simulated by GRAPES-XXT and GRAPES-SWB. The runoff simulations are greatly improved by the use of XXT in place of SWB, particularly with respect to the distribution and amount of runoff. The average runoff depth is nearly doubled in the rainbelt area, and unreasonable runoff distributions simulated by GRAPES-SWB are made more realistic by the introduction of XXT. Differences in surface soil moisture between GRAPES-XXT and GRAPES-SWB show that the XXT model changes infiltration and increases surface runoff. We also evaluate river flood discharge in the Yishu River basin. The peak values of flood discharge calculated from the output of GRAPES-XXT agree more closely with observations than those calculated from the output of GRAPES-SWB.     

气溶胶对云宏微观特性和降水影响的研究进展

气溶胶—云—降水相互作用是当今大气科学研究的热点和前沿问题.概述性地回顾了气溶胶对云宏微观特性和降水影响的研究进展,分别讨论了气溶胶对层状云、对流云等典型云系的动力和微物理过程的影响,总结了国内外研究关于气溶胶对云宏微观特性影响的可能的物理解释.回顾外场观测及数值研究表明,气溶胶对云液态水含量、地面降水及光学厚度的影响...     

Numerical Simulation of the Influence of Drop Size Distribution Shape on Cloud and Precipitation

At present,parameterization methods to describe cloud and precipitation processes are widely used in cloud and mesoscale models,but with different drop size distributions.When precipitation formation mechanism,weather modification technique,and mechanism of hail suppression with seeding are studied by using these models,a question that needs to be addressed is：what is the influence of different drop size distributions and related parameters on cloud and precipitation？In this paper,by using a three-dimensional hail cloud numerical model developed by the Institutes of Atmospheric Physics,Chinese Academy of Sciences, we performed numerical experiments with varied drop size distribution parameters for two hail storms,and analyzed the influence of shape parameters（ar,ai,and ag）of raindrops,ice crystal,and graupel size distributions on rainfall,hail amount,and microphysical processes in clouds.The results show that the variation of ar has no effect on precipitation formation on the whole,but affects directly the production rates for the physical processes related to raindrop.The ag variation has a less obvious effect on rainfall amount,but has a significant effect on hail amount,hailfall rate,and rainfall intensity.It impacts noticeably on the generation rate of the number and mass of ice crystal,graupel,and hail,and also to various degrees on all the microphysical processes in clouds.The ag variation also influences the growing process of the hydrometeors.The effects of the ai variation on part of the generation and growing processes of all the hydrometeors are significant,and even dramatic,such as the collection process of cloud water to rain through melting ice crystal（T CLcir）.However,for clouds located in different geographic regions,the variation of ai has different effects on precipitation,which reflects the complexity of the impact of drop size distribution on cloud and precipitation.At last,some issues about the application of cloud models are also discussed.     

暖底积云自然降水过程和 人工催化个例数值模拟

利用一维积雨云双参数模式模拟福建省的暖底积云自然降水过程和催化过程。模拟结果表明:暖云催化影响了降水的演变过程,不仅使总降水量增加,而且改变了降水的分布,使降水提前出现。冷云催化对降水过程没有发生明显的影响。对催化云和自然云云水和雨水含量的模拟表明:暖云催化使云中碰并过程提前出现,导致催化云中云水含量明显少于自然云中的云水含量:催化云雨水含量先是明显大于自然云中的雨水含量,随后明显小于自然云中的雨水含量。