中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点.中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点.对流云模式都采用显式过程,但不同模式的湿过程有一定的差别,有各自的微物理特点,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析.     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(II)暴雨和云的模拟

在HLAFS业务数值预报模式的动力框架下,利用文章(I)所述的显式云降水方案,对一次暴雨过程和伴随着的云物蓝砸淮伪?雨过程和伴随着的云物泪果表明,显式方案对降水落区和强降水中心位置的预报较原HLAFS的大尺度饱和凝结方案有明显改进.模式能合理地揭示出暴雨发生、发展过程中的云系演变规律和云物理过程.冰相过程对降水、中尺度热力和动力场有明显影响,特别是冰相过程有利于降水的早期的形成速率.与卫星TBB资料的对比分析表明,引进显式方案后,模式能较合理地模拟出云系的轮廓、位置、范围、强度、生消和移向,模式模拟出的云顶温度与卫星测量出的云顶温度较为一致.     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中, 显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程,特别是对云降水过程的模拟能力.详细介绍了这三套云降水方案的物理过程,以及与动力框架的耦合.     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟（Ⅱ）暴雨和云的模拟

在HLAFS业务数值预报模式的动力框架下，利用文章(I)所述的显式云降水方案，对一次暴雨过程和伴随着的云物理过程进行了模拟研究和分析。模拟结果表明，显式方案对降水落区和强降水中心位置的预报较原HLAFS的大尺度饱和凝结方案有明显改进。模式能合理地揭示出暴雨发生、发展过程中的云系演变规律和云物理过程。冰相过程对降水、中尺度热力和动力场有明显影响，特别是冰相过程有利于降水的早期的形成速率。与卫星TBB资料的对比分析表明，引进显式方案后，模式能较合理地模拟出云系的轮廓、位置、范围、强度、生消和移向，模式模拟出的云顶温度与卫星测量出的云顶温度较为一致。     

地表物理过程参数化方案的研究进展

文章罗列了当前国内外研究的并已得到应用的各种地表物理过程参数化方案，归纳了它们的共同点，从而简述各种方案的土壤热力学和水文学方程的基本原理，并对方案中的几个重要参数化方面，即裸地感热和潜热输送过程，植被作用进行了概括的描述。     

MM5中新显式云物理方案的建立和数值模拟

在MM5动力框架内, 在其中Reisner 2方案基础上采用双变参数方案, 增加了云水、雨水、雪和霰的数浓度预报方程.云中凝结核CCN的数浓度采用超几何函数表示; 云水向雨水的自动转换过程考虑了云滴谱的特征和发展变化对该过程的影响, 而不是采用原方案给定阈值的方法描述该过程; 对连续碰并方程不再将粒子落速差作为常量提出积分号外, 而是直接作为粒子直径函数在积分号内求解, 这样处理可以回避使用粒子群的平均落速带来的误差; 增加了霰和雪、霰和冰晶的碰并微物理过程.粒子引入Г分布谱函数, 对微物理过程采用了与之     

中尺度模式湿物理过程和物理初始化方法

文章评述了中尺度模式中湿物理过程，特别是显式云降水方案和物理初始化方法研究的最新动态，分析了显式云降水方案的优势和应用潜力。     

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。     

不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案对一次梅雨锋暴雨显式对流模拟的影响分析

利用WRF模式对2007年7月8日淮河地区特大暴雨过程开展显式对流(1.1 km)模拟试验,比较两种边界层参数化方案和三种陆面过程参数化方案对降水模拟的影响。结果表明,不同边界层参数化方案和陆面过程参数化方案主要影响模拟的强降水位置和强度,而对雨带位置的影响不大。采用MYJ边界层方案模拟的强降水更接近观测,采用YSU方案模拟的强降水偏弱;陆面过程参数化方案对比,简单的热扩散方案模拟的强降水最强、最接近观测,而RUC方案模拟的强降水最弱,Noah方案居中;同时改变陆面方案和边界层方案比单一改变其中一种方案对模拟降水的影响更大。造成强降水模拟差异的主要原因是模拟的近地面(约1 km以下)大气的湿度和温度不同,导致支持对流发生发展的入流空气的对流有效位能(CAPE)不同,进而影响模拟的对流强度和地面降水量。对强降水模拟较好的试验模拟的近地面大气湿度更大,环境入流空气的CAPE更大,对流发展更强,地面降水也更强。     

"99.6"梅雨锋暴雨云和降水物理过程的中尺度数值模拟

用MM5(V2)中尺度非静力数值模式对长江中下游地区的梅雨锋降水的云和降水进行模拟研究。对于可分辨尺度的降水，采用Reisner霸显式方案；对云内微物理过程特别是对各种水成物的源汇项进行了详细分析，以期深入了解梅雨锋云系内部的云物理过程。     

冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究

霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。     

云微物理方案在高原低涡个例模拟中的应用效果分析

以一次高原低涡东移造成甘肃河东地区强降水天气过程为例,利用NCEP再分析资料为背景场驱动WRF模式进行了数值模拟,并区分是否使用微物理方案和使用何种方案进行了26组试验,结果表明:本案例中开启微物理方案对高原低涡移动路径和强度的模拟能力均有显著提升;通过对各方案对比分析,在降水量级和落区方面Morrison 2-mom...     

层状云降水微物理特征及降水机制研究概述

层状云是中国北方大部分地区降水的主要云系,采用综合观测资料的分析研究并结合最新的数值模式对层状云特征和降水机制进行深入研究很有必要,也是含后工作的方向。描述了层状云的种类、特点,通过分析机载PMS(粒子测量系统)资料和地面雨滴谱资料介绍了国内外在层状云云滴谱、冰晶谱、雪质粒谱、雨滴谱、云中质粒总谱等微物理特征方面的研究方法及成果,还介绍了国内外在层状云降水机制方面的研究方法及成果,包括层状云降水数值模拟以及暖云降水机制和冷云降水机制研究。     

MM5模式显式微物理方案的对比分析

介绍了MM5中的显式云物理方案，详细分析了Goddard,Reisner和Schultz方案的物理过程特点和存在的不足。这些云物理方案的多个微物理过程的描述不是很合理，对粒子的自动转化过程都采用阚值，且对雪、霰和雨的数浓度只进行诊断计算。Reisner方案的物理过程相对全面，预报量也较多，但仍存在一定的不足。通过对1992年Andrew台风个例的模拟，发现尽管Reisner方案的物理过程比Goddard和Schultz方案全面，但模拟的台风眼最低气压和地面最大风速并没有优势。所以单一物理过程描述的改善不一定立即带来模式预报成效的提高，因为预报能力取决于整个模式系统的科技水平以及各子程序之间的匹配。     

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。     

WRF模式云微物理参数化方案预报效果分析

利用中尺度模式WRFV3.5中常用的云微物理过程参数化方案,对河南省3次典型强天气过程进行敏感性试验。结果表明:不同微物理方案对过程降水的预报效果存在差异,随着模拟降水量级的增大,各方案之间的差异也随之增大。模拟效果相对较好的方案存在不确定性,在所选过程的模拟中没有哪种云微物理方案明显优于其他方案。相对地,WSM6类冰雹方案在所选的局地干、湿对流过程中能更合理地表现出强降水量级、范围及落区。对于"2007-07-29"卢氏暴雨过程,采用WSM6类冰雹方案的模拟效果最理想,WSM3方案模拟效果次之,Thompson和Lin方案的模拟效果最不理想。对于"2011-06-24"豫西局地强风雹过程,3种相对复杂的微物理方案模拟结果差别不大,相对地,WSM6类冰雹方案模拟效果优于其他方案的,Lin方案的模拟效果相对较差。"2006-06-25"豫西北飑线过程的模拟结果表明,各方案虽不能完美再现飑线的影响时间、范围及其结构特征,但每种方案均有其自身特点且能表现出部分细节特征。相比于WSM6类冰雹方案和Thompson方案,Lin方案模拟结果在影响时段、范围及飑线结构等方面表现得更理想。     

Impacts of Two Ice Parameterization Schemes on the Cloud Microphysical Processes and Precipitation of a Severe Storm in Northern China

A severe storm that occurred over Beijing in northern China on 23 June 2011 was simulated with two different ice crystal parameterization schemes(the DeMott scheme and Meyers scheme) by using the Regional Atmospheric Modeling System. Compared with the DeMott scheme, the simulation results with the Meyers scheme have the following characteristics:(1) Updrafts are stronger and more numerous;(2) The cloud is better organized and contains a greater peak of ice-phase hydrometeor mixing ratios;(3) Cloud water and hail mixing ratios increase while graupel mixing ratios decrease;(4) The surface precipitation is initially greater. However, at the end of the simulation, less precipitation is produced. In short, the differences between the two schemes are not obvious, but the De Mott scheme has a relatively more reasonable result.     

一次降水性层状云微物理过程分析

对2010年5月14日一次降水性层状云的飞机DMT探测资料进行了分析.这次降水形成的主要微物理机制是“播种-供给”过程.冰化层降水尺度的粒子浓度高,高于其他各层.过冷层冰水粒子共存,液态水含量丰富,为冰水转化和淞附增长提供了有利的增长环境条件,是降水增长的关键层.这次降水云系“播种-供给”机制表现充分,但云暖层薄,暖层增长不充分,云底高,蒸发层厚,是不能产生强降水的主要云微物理原因.     

Microphysical Effects of Cloud Seeding in Supercooled Stratiform Clouds Observed from NOAA Satellite

Based on the satellite retrieval methodology, the spectral characteristics and cloud microphysical properties were analyzed that included brightness temperatures of Channels 4 and 5, and their brightness temperature difference (BTD), the particle effective radius of seeded cloud track caused by an operational cloud seeding and the microphysical effects of cloud seeding were revealed by the comparisons of their differences inside and outside the seeded track. The cloud track was actually a cloud channel reaching 1.5-km deep and 14-km wide lasting for more than 80 min. The effective radius of ambient clouds was 10-15μm, while that within the cloud track ranged from 15 to 26μm. The ambient clouds were composed of supercooled droplets, and the composition of the cloud within the seeding track was ice. With respect to the rather stable reflectance of two ambient sides around the track, the visible spectral reflectance in the cloud track varied at least 10%, and reached a maximum of 35%, the reflectance of 3.7μm in the seeded track relatively decreased at least 10%. As cloud seeding advanced, the width and depth were gradually increased. Simultaneously the cloud top temperature within the track became progressively warmer with respect to the ambient clouds, and the maximum temperature differences reached 4.2 and 3.9℃at the first seeding position for Channels 4 and 5. In addition, the BTD in the track also increased steadily to a maximum of 1.4℃, compared with 0.2-0.4℃of the ambient clouds. The evidence that the seeded cloud became thinner comes from the visible image showing a channel, the warming of the cloud tops, and the increase of BTD in the seeded track. The seeded cloud became thinner mainly because the cloud top descended and it lost water to precipitation throughout its depth. For this cloud seeding case, the glaciation became apparent at cloud tops about 22 min after seeding. The formation of a cloud track in the supercooled stratiform clouds was mainly because that the seeded cloud volume glaciated into ice hydrometeors that precipitated and so lowered cloud top height. A thin line of new water clouds formed in the middle of the seeded track between 38 and 63 min after seeding, probably as a result of rising motion induced by the released latent heat of freezing. These clouds disappeared in the earlier segments of the seeded track, which suggested that the maturation of the seeding track was associated with its narrowing and eventual dissipation due to expansion of the tops of the ambient clouds from the sides inward.