基于LAPS资料的一次冰雹过程数值催化模拟研究

基于3维冰雹云模式,采用局地分析预报系统高时空分辨率分析场作为初始场,对鄂西北地区2009年4月15日发生的一次降雹天气过程进行数值模拟,分析了强对流发展过程的流场、雷达回波、水成物粒子演变特征以及催化机制。研究表明:基于高时空分辨率资料的3维冰雹云模式,能够较好地模拟冰雹云的形成发展演变及人工催化后微物理过程响应。模式输出的雷达回波强度及回波顶高与雷达实测资料相近,最大反射率因子分别为70 dBz、65 dBz,强回波中心基本上位于6~7 km处。冰雹云发展过程中呈现典型的低层辐合、高层辐散特征,消亡过程流场相反;冰雹胚胎形成主要源于冻滴自动转化,碰并云水和雨水促进冰雹增长;不同时间、不同剂量的催化对于防雹效果差异显著,催化时间越早,催化剂量越大,效果越好。     

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。     

云中粒子谱形状因子变化对云及降水影响的数值研究

鉴于目前云数值模式和中尺度数值模式中云和降水过程大多用体积水参数化的方式描述,而不同模式所用的粒子谱不同或粒子谱的参数不同,用这些模式模拟研究云和降水的物理过程、降水形成机制、催化防雹和催化增雨机理以及预报降水等就遇到这样一个问题:粒子谱或谱参数不同对研究结果有何影响?因此利用中国科学院大气物理研究所的三维冰雹云催化数值模式,做雹云中粒子谱参数变化的数值试验,分析了冰雹云中雨滴谱、冰晶谱、霰谱的形状参数对降雨降雹、云中微物理过程的影响。结果表明,雨滴谱形状参数变化,对降雨形成机制基本没有影响,对与雨滴有关的物理过程有直接影响。霰谱对地面降雹量、降雹强度、雨强的影响较大,对降雨量影响较小;对冰晶、霰以及冰雹的质量和数量产生率都有明显的影响,云中的所有微物理过程均受到了不同程度的影响,对有些过程影响最为显著,它不但影响粒子的产生过程,也影响粒子的增长过程。冰晶谱对降水量的影响较小,但对各种粒子的某些形成或增长过程影响较大,有的很大。此外,冰晶谱型的变化,对不同地区云或不同个体云降水的影响程度不同,反映了滴谱谱型对云和降水影响的复杂性。利用这些研究结果,讨论了云模式的使用问题。     

1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。     

哈尔滨强冰雹雷达回波特征

利用哈尔滨新一代天气雷达CINRAD／CC回波资料，对2003年6月18日发生在哈尔滨阿城市、五常县一次强对流天气的冰雹云雷达回波特征进行分析。采用强度场CAPPI资料作VCS和强度场与速度场作对比分析、在RHI径向速度场上对垂直风场的宏观推断等方法分析。发现虚假回波的出现与冰雹云相关，将虚假回波中的旁瓣回波在PPI上体现为“尖端回波”，在RHI上体现为“尖顶回波”和“三体散射”回波，可作为识别冰雹云的判据；另外可根据RHI径向速度场变化宏观推断垂直风切变。得到使用新一代天气雷达探测强冰雹云和识别虚假回波的方法，对0～2小时的冰雹临近预报有指导意义。     

平凉冰雹云回波特征分析

用大量实测冰雹云过程回波资料,根据地面降雹大小和灾情统计资料,分析了200多例不同冰雹云的回波顶高、回波面积随反射率Ze变化的回波特征参量和各高度层反射率强度分布结构模型。表明在不同的冰雹云过程中,Ze≥30dBz的回波特征参量有明显差别,用这些强回波特征参量对认识强对流云的演变过程和识别冰雹有较大优势。     

通辽强对流云个例数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维对流云模式,模拟了2008年内蒙古通辽市6月21日的1次强对流性降水过程。结合多普勒雷达探测资料,分析、讨论了这次降水过程的流场结构、雷达回波特征、含水量场等宏微观物理量的分布及其演变。同时,模拟分析冰雹形成的微物理过程:冰雹粒子主要由冻滴(CNfh)和霰(CNgh)转化形成,冻滴对冰雹形成的贡献比霰大很多,冰雹主要是通过撞冻云水(CLch)过程而进一步长大的,而后期碰并霰粒(CLgh)的过程也很重要。     

冷涡背景下一次致灾超级单体雹暴过程的数值模拟

利用WRF模式,结合自动站观测资料、多普勒雷达资料和NECP再分析资料,对2018年6月13日山东中部一次冰雹天气过程的环流背景、触发和维持机制、雹云流场结构特征以及冰雹形成机制进行分析。结果表明:本次冰雹天气过程是在华北冷涡背景下,由中尺度地面辐合线触发生成的超级单体雹暴过程。降雨和下沉气流引发的地面冷池进一步增强了地面辐合;雹云顶端强辐散出流的抽吸作用是动力不稳定维持机制。WRF模式模拟的雹云具有有界弱回波、回波悬垂等超级单体特征。模拟雹云的成熟阶段0℃高度位于4km,超过40dBz的回波高度达到12km;在流场上主体为上升运动,且上升运动两侧存在上升→下沉→上升运动的转换,有利于冰雹的碰并增长。雪晶最初由过冷云水和云冰碰并生成,之后通过碰并过冷水转化为霰粒子,为冰雹生成提供了充足的雹胚。霰粒子和雹粒子在上升运动的带动下反复经过雹云中的过冷水累积带有利于自身不断增长并转化形成大冰雹。     

北京一次强单体雹暴的三维数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维雹云数值模式,模拟了1996年6月29日发生在北京东北部京冀交界地区的一次强单体雹暴过程,并结合多普勒雷达探测资料,分析了风暴的流场结构、雷达回波结构特征、含水量场等宏微观物理量的分布及其演变.模式模拟出了超级单体风暴云的一些典型特征,如悬垂回波、弱回波区、回波墙等.同时,模拟分析了冰雹形成的微物理过程,结果表明,本个例模拟雹云中,冰雹粒子主要由冻滴(CNfh)和霰(CNgh)转化形成,但冻滴对冰雹形成的贡献比霰大得多,冰雹含水量中心的发展演变与冻滴含水量中心的发展演变相一致,冰雹主要是通过撞冻过冷水过程(CLch、CLrh)而进一步长大的.     

强对流(冰雹)云中水凝物的积累和云水的消耗

在冰雹云中过冷水的累积对冰雹增长起重要作用。文中回顾了水凝物累积和过冷水消耗机制中的不确定性 ,利用三维Euler强对流云模式和三维Lagrange粒子群运行增长模式 ,重新研究了对流云中水凝物粒子的累积机制和过冷水的消耗图像 ,得出以下结果 :(1)强对流 (冰雹 )云具有翻滚式对流流场 ,流场的性质决定云中存在着一个动力吸引区 ,它处于主上升气流区旁侧水平气流近于零的区域 ,粒子在增长运行中向这里集中 ,造成水凝物的累积 ;(2 )这种粒子的集中和水凝物的累积 ,是流场动力特征和粒子增长行为相互作用的表现 ;(3)粒子的集中和水凝物的累积是动态循环式的 ,而不是静态平衡式的 ,粒子可以进入吸引区 ,也可以吹离吸引区 ,在进入和吹离的循环中动态地形成了集中和累积 ,累积可以发生在主上升气流上方 ,也可以延伸到其下方 ;(4)粒子的集中和水凝物的累积是受流场和粒子运动的动力过程控制的 ,而累积粒子是液相雨滴 ,或是固相霰粒、雪团和冰雹是受降水发展过程属液相或固相占优势来决定的 ;(5 )云水场中云水量 ,只在大粒子的集中区才被显著消耗 ;而在区外的云水量消耗不显著 ;(6 )对于云水含量高达 6 g/kg的云水场 ,播撒粒子浓度达到 10 0个 /m3 时 ,在考虑消耗时 ,已不能增长成直径大于 1cm的冰雹。     

TWO-DIMENSIONAL NUMERICAL HAILCLOUD MODEL

This paper describes a two-dimensional slab-symmetric hailcloud model,of which dynamics almost con-tains all the dynamic factors.The model with the improved precipitation process included can show the bipara-meter change of particle size-distribution.A new suspending lateral boundary condition is proposed whichmay improve the influence of boundary on the airflow within computing domain.The subroutines designedfor studying the change in outline of precipitating particle region can describe the interaction between airflowand precipitation particles.With this model the structure of weak ccho region in hailcloud is simulatedand the airflow patterns under different thermal disturbances and wind shear are studied.     

山地露天矿自然通风风流与湍流结构的数值模拟

利用建立的三维非力能量闭合的大气边界层数值模式，研究了中性层结条件下某露天矿自然通风的风流和湍流结构特征及影响因子。研究表明：坑内水平风场在坑底或采壁处受地形的影响很大，在矿采深与开口宽度比较小或者来流风速随高度的切变不大时，坑内气流为平直型，有利于通风；反之坑内则形成环流，且在环流范围内较大的湍能，不利于通风，易产生高浓度的污染物。本模式模拟的结果还与风洞模拟和高阶闭合模式模拟的结果作了检验比较     

风沙流中风速廓线的数值模拟与实验验证

如何描述风沙流中被风沙运动改变了的风速廓线是风沙相互作用研究中的关键问题之一.该文中将跃移风沙流视为一种颗粒拟流体,将跃移颗粒对气流产生的阻力用颗粒流的阻力系数来表达,建立了描写两场相互作用的数学模型.颗粒流的阻力系数采用了前人在液态流化床研究中得出的阻力系数表达形式,通过引入一个修正系数,使其适用于风沙流(气-固两相流).将风沙边界层划分为跃移颗粒所产生的阻力不可忽略的内边界层和跃移颗粒阻力可以忽略但受内边界层影响的外边界层,分别建立了内边界层和外边界层的风速廓线表达式.应用所建立的数学模型,根据由风洞实验测定的跃移风沙流的浓度分布和速度分布资料,计算了跃移风沙流中的风速廓线,并与风洞实测结果进行了对比.结果表明,计算风速廓线与实测风速廓线吻合得比较好,在半对数图上均为上凸的曲线,有别于无风沙运动时的直线.跃移边界层外风速分布可较好地用对数函数来描述.对风沙流中风速廓线的进一步分析证实了风沙物理学奠基人Bagnold在其早期观测风沙流中的风速廓线时提出的"结点现象"(Bagnold结),该结点的高度随风速的增大而升高,随颗粒粒径的增大而降低.根据数值模拟和模拟实验,可以认为有风沙运动的动床剪切风速是综合反映风场与跃移层以及地表之间相互作用的物理量.     

不同边界层参数化方案对一次梅雨锋暴雨过程湍流交换特征模拟的影响

利用WRF模式结合不同的边界层参数化方案,对2007年7月3—5日发生在江淮流域的一次梅雨锋暴雨过程进行多组数值模拟试验。结果发现,边界层方案的选取对于降水的落区和强度模拟会产生较显著的影响;在降水率及地面要素的模拟上,各方案在降水中后期的模拟差异明显大于降水发生阶段;不同边界层方案的选取对于降水时段内的水平风场、垂直运动和假相当位温的垂直分布都产生影响,直接影响降水时空分布的模拟;不同方案都模拟出了在降水发生之后不同于晴空日变化的湍流动能垂直分布,经分析发现与局地较强的垂直风切变和近地面强湍流气团被抬升有关,而浮力项起着耗散作用;各方案的湍流交换特征与湍流动能特征基本吻合,相比于其他方案,MYJ方案在降水区域的湍流动能及湍流交换强度明显偏弱,对热通量的输送也偏弱;GBM方案在边界层内的湍流混合偏弱而在边界层以上湍流混合显著偏强,热通量输送在边界层以上的高度上误差明显,影响了对降水区域气象要素的模拟能力,仍需要进一步改进。      

边界层参数化方案对“莫兰蒂”台风（1614）登陆阶段影响的数值模拟研究

利用中尺度数值模式WRF v3.8中的YSU、MYJ、QNSE、ACM2、UW、GBM、Boulac七种不同边界层参数化方案,采用高分辨率（1.33 km）数值试验的方法研究了不同边界层方案对模拟台风“莫兰蒂”（1614）登陆减弱阶段的移动路径、强度、结构、降水量、近地层有关物理量场分布等方面的影响,结果表明:（1）“莫兰蒂”台风登陆减弱阶段,不同边界层方案对台风路径、强度、降水量模拟影响显著,24 h内模拟台风路径、最低气压、最大风速及24 h累积降水量极值的最大差异分别达80 km、11 hPa、27 m s?1及241 mm;（2）Boulac方案模拟台风路径与实况最为接近,GBM、YSU和MYJ方案分别次之,ACM2和UW方案再次之,而QNSE方案最差;UW和QNSE方案模拟的最低气压以及MYJ和QNSE方案模拟的最大风速与观测最为接近;不同边界层方案均模拟出台风登陆阶段最低气压逐渐升高以及其升高速率在台风登陆后大于登陆前的特征,这与实况一致,但台风登陆前各方案模拟最低气压升高速度均大于实况,而台风登陆后却又不及实况;（3）Boulac方案模拟的24 h降水分布、强降水落区、结构、强度和各量级降水TS评分均最优,MYJ方案次之;而QNSE、UW和ACM2方案雨带向西北方向推进过快,各量级降水TS评分均较差;（4）综合台风路径、强度和降水模拟,Boulac和MYJ方案相对最优,其中Boulac方案在台风路径和降水模拟上更优,而MYJ方案在台风强度模拟上更优;YSU和GBM方案次之,而QNSE、UW和ACM2方案相对较差;（5）不同边界层方案计算的近地层潜热通量、感热通量显著不同,进而影响台风路径、强度、降水量模拟存在显著差异。比较而言,QNSE方案潜热通量相对异常偏高,MYJ和Boulac方案量值适中,其余方案相对偏低;QNSE方案感热通量相对略偏高,MYJ方案适中,其他方案则相对显著偏低;（6）不同边界层方案模拟降水区边界层热、动力结构显著不同,其中Boulac方案具有较明显优势,尤其是对日间边界层结构的模拟。     

一次强风暴的垂直环境特征数值模拟分析

应用MM 5模式对东北冷涡诱发的 2 0 0 2年 7月 1 2日强风暴进行了数值模拟 ,较成功地模拟出中尺度强对流风暴。发现冷涡后部中层干冷空气绝热下沉是东北冷涡 70 0hPa附近干暖盖形成和维持的重要机制 ,而低层暖湿气流爬升及干暖盖的抑制作用是东北冷涡强对流不稳定能量积累的重要机制。风暴发生前持续的低层西南风到中层西北风的风垂直切变产生的差动平流 ,加剧了层结不稳定 ,而风暴临近风垂直切变方向的快速逆转使热成风不平衡 ,必须通过激发垂直环流以适应其变化 ,对风暴发展有重要作用。     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅱ:云微物理参数化对强度和路径的影响

在分析云微物理参数化对云结构和降水特征的影响的基础上,研究云微物理参数化过程对台风"云娜"强度与路径的影响.结果表明:云微物理过程对台风强度和路径有一定影响,其中不考虑雨水蒸发冷却效应后,比其他试验最终地面最大风速强7 m/s以上,但此时登陆地点误差最大,与对照试验偏离150 km左右.我们还从螺旋雨带结构变化及环境风切变影响角度分析台风临近登陆时强度模拟减弱的原因,发现过强的外围螺旋雨带以及环境风场垂直切变对于台风的加深、维持是不利的,他们可能会造成"云娜"临近登陆时强度的下降.不难看出,云微物理过程可以加强甚至产生外螺旋雨带,当外围雨带发展加强之后,可以引起局地辐合强度增强,从而限制了大量水汽和能量向台风内核输送,从而会导致台风强度下降.此外,外围螺旋雨带的发展,还可以从对流层中层带来干冷空气入侵行星边界层;而当入流边界层中雨水下落时,其自身的蒸发也会使周围气块温度下降;这些干冷气团在入流气流的输送下进入台风内核,从而对云墙产生了"冷侵蚀",最终引起台风强度下降.因此,减小上述两方面的模拟误差,应能改进台风"云娜"登陆过程中强度的模拟效果.     

2006年超级台风“桑美”强度与结构变化的数值模拟研究

使用一个高分辨率、非静力数值模式WRF模式对2006年超级台风Saomei强度和结构进行了数值模拟研究.首先,评估了Makin的粗糙度长度公式对台风Saomei强度和结构变化的影响,结果表明,采用新参数后,使得模拟的台风强度变化与实况最佳路径资料的强度变化更一致,对超级台风Saomei强度预报有改进;但对台风路径的影响不大.通过QuikSCAT、雷达和TRMM非常规资料的验证,进一步表明模拟的台风Saomei的结构与实况很接近,可以再现台风内核区域的部分"双眼墙"和"Annular"结构.其次,通过对台风Saomei边界层过程模拟的改进,表明在平均风速大于40 m/s时边界层各物理量明显改善,使得模式最大强度比传统的简单外推插值方案有显著改进,特别是在台风最强阶段,当台风Saomei眼墙区域的海表面拖曳系数C_d的相对变小,使得其眼墙区域的平均切向风速、径向风速、垂直风速、温度距平、涡旋动能和绝对角动量等物理量均有增强.表明台风Saomei眼墙氏域(20-40 km)各物理量的贡献对其强度和结构变化的影响十分重要.最后,在此基础上进一步分析模式海温和大尺度环境垂直风切变对台风Saomei强度和结构变化的可能影响,讨论了台风Saomei在其增强和消弱阶段中,大尺度环境垂直风切变对其强度变化的负反馈作用.     

WRF模式对福建沿海风电场风速预测的效果分析

在WRF模式中选取不同的边界层、近地面层以及陆面过程参数化方案,设计了4种不同物理过程参数化方案,组合模拟福建沿海某测风塔站2010年1月1—11日和7月1—11日的逐时风速,将数值模拟结果和同期测风塔观测数据进行对比,以寻求最佳参数化方案。经分析比较,采用MYJ边界层方案,Monin-Obukhov近地面层方案以及Noah陆面过程方案的方案2模拟效果最好。使用该方案对2010年1月和7月的风速进行模拟,按不同风速级别分别对数值模拟结果进行对比分析,结果表明:方案2对6~15m/s风速模拟的平均相对误差在20%左右,能够满足风电预测的精度需求;而对0~6m/s风速模拟的误差相对较大,这可能是由于模式地形分辨率不够精细以及风塔所处海陆交界处的特殊位置,使低风速容易受地面扰动以及海陆气流影响所致。