云凝结核浓度对WRF模式模拟飑线降水的影响：不同云微物理参数化方案的对比研究

采用WRF模式模拟一次影响中国广东省的飑线过程, 分别选取Morrison、 Thompson07、 Thompson09和WDM6云微物理方案实施了四组试验, 每组试验包括不同云凝结核（CCN）浓度的三次模拟, 称为 “低浓度”、 “中浓度” 和 “高浓度”, 将模拟区域划分为深对流、 浅对流和层云区域, 对比分析四组试验中CCN浓度变化对模拟的总降水量、 不同区域降水率和不同区域面积的影响, 进一步分析了云微物理过程、 动力环流强度等受CCN浓度变化的影响。发现: （1） 由于不同云微物理过程与CCN浓度有着直接或间接的联系、 不同云微物理过程之间存在复杂的关联、 云微物理过程与动力环流之间发生非线性耦合, 采用不同的云微物理方案导致模拟的CCN—降雨影响既有相似、 也有差异; （2）模拟的CCN—降水影响在采用Thompson09和Thompson07方案时更显著, 采用WDM6方案时最小; （3）四组模拟试验均出现CCN浓度增加延迟降水产生、 初期降水减弱的情况, 在模拟后期降水量也随着CCN浓度增加而减小, 而飑线成熟阶段CCN—降水影响更加复杂。     

云凝结核浓度对南京地区一次冰雹云过程影响的数值研究

采用WRF模式与包含了云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)浓度和霰雹密度预报的NSSL(National Severe Storm Laboratory,国家强风暴实验室)微物理方案,模拟不同CCN初始浓度条件下南京地区的一次冰雹云过程,分析不同CCN初始浓度影响下冰雹云过程的宏微观演变特征,以及对流发展不同阶段的水凝物粒子及流场、温度场的垂直分布特征。研究发现:1)较大的CCN初始浓度虽然抑制了前期对流降水,但对后期对流降水的产生有促进作用;2)CCN初始浓度的增加使得模拟雷达回波的强回波区域(大于40 dBz)缩小,中等强度区域(小于40 dBz)扩张。3)CCN初始浓度增大不利于对流发展初期云雨自动转化过程的发生,但是促进了冰晶与雪的产生,使得冰雹含量峰值出现的时间推迟。4)CCN浓度增大抑制了雨水产生,间接使得霰粒子更倾向于干增长,平均密度更小;5)较大的CCN浓度促使冰雹云单体的发展时间增长。     

云凝结核浓度对北京一次降水过程影响的数值模拟

利用WRF v3.6.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案对北京奥运会期间的一次降水过程进行了模拟,通过3组数值试验对比分析了高、中、低云凝结核浓度对降水的影响。数值试验结果显示:(1)在云凝结核浓度较低的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量增加,且增加的幅度相对较低;在云凝结浓度较高的情况下,云凝结核浓度增加使24 h累积降水量减少,且减少的幅度相对较高。(2)从地面雨强分布来看,不同的云凝结核浓度对暴雨、大雨、中雨、小雨的影响均体现在降水强度上,对降水位相的影响不显著。(3)云凝结核浓度的变化对低云量的影响与其对降水的影响相一致,故低云量是影响降水的一个重要因素。     

不同云微物理方案对上海特大暴雨模拟影响的分析

利用中尺度数值预报模式WRF3.5,采用36、12和4 km三重嵌套,在积云参数化方案为BMJ条件下,选用WSM5、WSM6和Lin三种云微物理参数化方案,对发生在上海地区的两次典型特大暴雨（简称“0913”和“0825”）进行模拟试验和对比分析,探讨不同云微物理参数化方案对上海暴雨模拟的影响。结果表明:三种方案总体上都较好地模拟出两次特大暴雨过程,但在降水落区、降水中心、降水强度等方面仍存在差异。再利用地面自动站、观测站的实测雨量以及自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据,结合K指数、相对湿度、垂直速度和涡度散度等物理诊断量,从降水落区、降水中心和降水强度等方面对三种云微物理参数化方案的模拟结果进行对比分析。此外,通过对三种方案主要参数的比较以及三种方案模拟的冰、雪、霰粒子混合比的垂直廓线对相应的模拟结果进行解释。结果显示:WSM5微物理方案能更好地模拟出强降水的范围,其模拟的降水量较实测偏大;WSM6方案模拟的降水落区略有偏移,降水量偏小;Lin方案模拟的降水落区偏移较大。      

热带深对流云砧数值模拟及云凝结核数浓度对其影响的初步试验

利用中国科学院大气物理研究所发展的三维强风暴模式,对Egrett Microphysics Experiment with Radiation Lidar and Dynamics（EMERALD）试验期间的一次长寿命热带深对流个例进行对流产生、发展、消亡过程以及云砧的数值模拟,并与实测资料［包括C波段双线偏振雷达图像资料、机载云粒子成像仪（CPI）探测的云砧卷云微物理特性以及激光雷达探测的云砧宏观特性资料］进行了细致的对比,然后通过改变模式中最大云滴数浓度进行有关云凝结核数浓度影响云砧卷云冰晶含水量和数浓度的敏感性试验。模式较好地模拟出系统的一些重要宏观特征,如爆发性增长阶段、各高度雷达水平反射率因子的最大值、对流云主体移动方向、云砧底部和顶部高度。对云砧冰相粒子含水量、数浓度以及平均直径等微观特征的模拟结果与实测也比较接近。对于本文个例而言,异质核化为冰晶形成的最主要方式,其次为过冷云滴的均质核化。敏感性试验结果表明:当云凝结核数浓度增加时,爆发性增长阶段的垂直速度减小,使得对流云从中低层向高层的水物质输送量减少,从而使云砧卷云冰晶的数量减少。     

2007年夏季我国西北地区云凝结核的观测研究

利用连续气流纵向热梯度云凝结核仪对我国西北地区2007年夏季空中和地面的云凝结核(CCN)进行观测研究,并对观测结果进行了对比分析。飞机观测资料表明,西北地区的CCN主要来源于地面,近地层浓度较高,CCN浓度随高度增加而减少。污染城市上空的CCN比一般地区上空浓度高,浓度随高度变化趋势相同;地面观测结果显示,CCN具有明显的日变化,与人类活动、气象因子和下垫面相关;污染地区和清洁地区的CCN浓度在相同过饱和度下差异很大,在低过饱和度下浓度相差可达一个量级。根据关系式N=CSk拟合得到的地面CCN活化谱参数,银川地区的C值明显较大(2200),k值较高(约0.7),表明银川地区具有大陆性特征;而祁连山地区C值较低(2200)、k值较高(约0.77),属清洁型大陆性特征。     

背景云凝结核对台风“莫拉克”降水微物理过程影响的数值研究

利用WRF模式设计两个数值试验:敏感性试验（背景场云凝结核浓度为2 000 cm-3）和控制试验（背景场云凝结核浓度为300 cm-3）模拟气溶胶对登陆台风“莫拉克”(2009年第8号台风)降水的影响。结果显示大量气溶胶进入外围雨带中起到云凝结核作用,凝结水汽生成水滴,释放潜热有利于对流发展;气溶胶含量增多引起水滴半径减小,雨滴生成的时间加长,降水时间延后;大量液态水上升至冻结高度以上发生相变释放潜热,固态水物质含量增多;台风外围雨带的中小尺度对流云团增强,降水增加。      

"98.5"华南前汛期暴雨云微物理场数值模拟分析

为了进一步理解暴雨发生过程中云微物理场的演变和云微物理过程与动力、热力过程的相互作用,利用非静力中尺度数值模式MM5对1998年5月23~24日的华南暴雨过程进行了模拟,并详细分析了模拟结果。分析结果表明:利用混合冰相显式物理方案比其它方案模拟的降水更接近实际情况;云微物理场的模拟显示没有雪出现,这可能是华南降水云微物理的特点;每小时降水量有先减弱后又增强的趋势,暴雨过程中云的各微物理量的变化趋势与其一致;云的发展与良好的热力动力条件互相作用、共同加强,由南风带来的充足的水汽和热量为其发展提供前提条件,凝结潜热使上升运动向更高处伸展。     

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...     

WRF模式不同云参数化方案的暴雨预报能力检验及集成试验

利用WRFV3. 6的8种微物理方案和6种积云参数化方案对湖北及其周边地区夏季12次暴雨过程进行回报,分析各种方案对暴雨预报的影响。结果显示,各种方案均能较好地预报出降水过程,但其降水强度和范围存在一定差异。当积云参数化方案为KF方案时,对Lin、WSM6、Thompson、Morrison 2-mom、CAM5. 1、WDM5、WDM6、NSSL 2-mom微物理方案做敏感性试验,发现CAM 5. 1方案优于其他7种微物理方案,M orrison 2-mom次之。当微物理方案为CAM 5. 1时,对KF、BM J、GD、SAS、G3D、Tiedtke积云参数化方案做敏感性试验,发现在不同量级降水预报中,6种积云参数化方案各有优劣。综合考虑,GD、SAS、Tiedtke积云参数化方案优于其他3种方案。在此基础上开展多方案集成试验,结果表明集合平均(ensemble mean,EMN)在一定程度上可以减少预报误差,降低单个成员预报的不确定性。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

南京不同天气和能见度下云凝结核的观测分析

利用美国DMT公司生产的云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)计数器(DMTCCNC),对2013年4—12月南京地区CCN进行观测。对不同天气条件下CCN活化谱拟合,霾天C值最高,为13 085 cm-3,雨后C值降至8 054 cm-3,属于大陆性核谱。不同能见度条件下CCN活化谱特征有明显差异,南京地区不同程度霾天CCN数浓度均远高于轻雾天,浓雾时期CCN数浓度显著偏高。CCN数浓度受到气象要素和天气状况、气溶胶源排放等因素影响。南京地区气溶胶凝结核(Condensation Nuclei,CN)数浓度和CCN数浓度的拟合结果显示出较好的相关性。CCN数浓度值:冬季春季秋季夏季,春季CCN数浓度日变化有三峰趋势,夏季基本呈单峰型,秋季、冬季双峰特征突出。气溶胶源排放、环境气象条件和气溶胶理化特性均会影响CCN数浓度的季节变化。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。     

理想地形下不同云微物理方案对登陆台风降水增幅影响的数值研究

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式,在理想岛屿地形条件下设计了云的微物理冰相过程中水凝物中有霰和无霰的两个对比试验,考察了台风登陆时复杂冰相和简单冰相对台风移动路径、强度和降水增幅的影响。结果表明：1）云微物理过程中有霰的复杂冰相过程时,具有更强烈的云“播撒”效应,因而对台风降水具有明显增幅作用。2）当台风受到理想地形作用时,地形对云“播撒”效应引起的增幅作用具有放大作用,此时台风眼墙非绝热加热量形成明显增强中心,使得台风降水增幅明显。3）当台风登陆时,云微物理冰相过程使得台风越山时存在向西北指向的涡度变化倾向。     

西藏林芝地区一次暴雨过程的中尺度模拟与分析

利用常规观测资料、FY-2E卫星观测的TBB资料,对2015年8月19日发生在林芝地区的一次暴雨过程进行天气分析,并利用中尺度数值模式WRF的模拟结果分析此次暴雨过程中尺度系统的结构特征。结果表明,此次暴雨过程发生在高原低涡切变的环流形势下,伴随辐合线发展的线状对流系统是此次暴雨发生的主要原因。WRF模式可较好地模拟出暴雨过程的环流形势和降水的落区、量级。西南风引导的暖湿气流为暴雨的发生、发展提供充沛的水汽条件;对中尺度结构的分析表明,低层辐合、高层辐散的结构以及在降水区存在的正涡度伴随强烈的上升运动为此次暴雨过程提供了有利的动力条件,假相当位温的分布能够为暴雨提供有利的热力条件,垂直螺旋度低层正中心的配置反映出大气的不稳定分布,有利于中尺度对流系统的发展与维持。     

不同水汽环境条件下云凝结核浓度对热带气旋发展影响的数值研究

利用WRF模式模拟在清洁海洋大气和污染大气环境下,气溶胶的云凝结核浓度(Cloud Condensation Nuclei, CCN)对热带气旋的强度变化影响。在污染环境下,云凝结核浓度增多,台风区域云水混合物浓度增大,眼墙附近上升运动减小,而台风外围螺旋雨带对流发展,从而抑制低层入流,台风强度减弱,外围尺度增大。在不同环境场水汽条件下,通过热、动力结构和云微物理量的对比分析,结果表明:环境场水汽条件对台风的发展起到至关重要的作用。当环境场水汽条件较干时,CCN浓度对台风发展影响作用不明显,台风发展缓慢。而在充足水汽条件下,CCN浓度对热带气旋发展有明显的影响。本文结果表明,在考虑污染情形下台风变化,需要综合考虑环境场水汽条件。     

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案,并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题,建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时,要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。