公里尺度分辨率WRF模拟梅雨暴雨对积云对流参数化的敏感性试验研究

本文利用中尺度模式WRF V4.0.2(Weather Research and Forecasting Model,Version 4.0.2)对浙江省两次梅雨锋暴雨过程进行数值模拟,分别选用WSM6和Thompson云微物理方案、YSU和MYJ边界层方案、以及11种对流参数化方案进行试验,探究不同积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨的1 km高分辨率预报的影响,结果表明：（1）在对各试验的降水预报评估过程中,使用传统点对点方法和邻域法都能客观表现出各试验的预报水平,而邻域检验法能更客观地评估模式对小范围强降水的预报水平。（2）三类积云对流方案（包括：无积云对流方案、传统积云对流方案和尺度自适应积云对流方案）都能较好地模拟出小雨降水的发生情况,但随着降水强度增强至暴雨、大暴雨量级时,尺度自适应的积云对流方案对降水的预报结果有明显改善。（3）在不同微物理和边界层组合方案下,尺度自适应积云对流方案的模拟结果差异更显著,而传统积云对流方案的模拟结果的效果差异不明显。（4）在1～10 km的“灰色区域”范围内,当网格分辨率逐渐提高到1 km时,尺度自适应积云对流方案较传统积云对流方案对模式的预报结...     

不同微物理方案对一次梅雨锋暴雨过程模拟的影响

中尺度模式中描述湿物理过程的方案主要有对流参数化方案和云微物理方案,当网格距达到可以分辨积云对流尺度时,云微物理方案对描述云和降水物理过程的作用将变得更为重要.利用GRAPES高分辨率中尺度数值模式对2007年7月7-9日中国梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,从降水量、雷达回波、水成物分布方面结合观测资料,分析了NCFP简...     

华南中尺度暴雨数值预报的不确定性与集合预报试验

利用非静力MM5模式,分析了不同积云对流参数化方案对华南暖区暴雨数值预报的不确定性影响,进行了中尺度暴雨模式扰动集合预报试验。不同对流参数化方案的对流凝结加热引起不同的局地温度扰动,通过大气内部的热力动力过程,导致垂直速度的差异,进而影响网格尺度和次网格尺度降水时间、地点和强度。后续降水再通过凝结潜热释放形成新的扰动源。不同积云对流参数化方案还可引起扰动源能量传播方式不同,最终使模拟大气的动力和热力结构有差异。针对物理过程的不确定性,使用两种模式扰动方法构造集合预报扰动模式,第一种方法是随机组合不同积云对流参数化方案和边界层方案,第二种方法是扰动Grell积云对流参数化方案中主要参数振幅。集合预报结果表明,第一种方法的集合预报效果优于第二种方法,仅扰动参数振幅值似乎还不足以反映华南暴雨预报的不确定性。单一的确定性预报在暴雨落区和强度方面的可信度不稳定,集合产品能给华南暴雨过程提供更有用价值的指导预报,具有较高的应用价值。     

暴雨的中尺度分析

一、前言本文对有关暴雨的中尺度现象的一些分析事实进行探讨,这里规定尺度为100公里左右的现象为中尺度现象。首先,我们来研究一下在大尺度现象或中尺度现象中,“分析”一词的含义是什么。从概念上说,“分析”一词包括以下内容:(1)用几何学方法确定物理量场(分布);(2)用物理学方法确定物理量场;(3)对观测资料或确定出的物理量场进行研究,以发现新的事实。下面对此逐一进行说明。     

中尺度降水集合预报随机参数扰动方法敏感性试验

中尺度降水模式预报具有很大的不确定性,为更好地描述与模式降水预报密切相关的物理过程关键参数的不确定性,基于中国气象局GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）中尺度区域集合预报模式,从对模式降水预报不确定性有较大影响的积云对流、云微物理、边界层及近地面层等4个参数化方案中选取了18个关键参数,设计了一种随机参数扰动方案（Stochastically Perturbed Parameterization,SPP）,并通过2015年6—7月总计10 d的随机扰动集合预报试验,对比分析了SPP方案对不同物理过程参数扰动敏感性、随机场时、空尺度敏感性、能量变化特征及其集合预报效果。结果显示,对所选择的任一物理过程参数化方案增加SPP扰动后,降水及等压面要素的概率预报技巧优于无SPP扰动的预报,而扰动积云对流和边界层过程中的参数较扰动云微物理过程中的参数影响更显著,且同时扰动积云对流、云微物理、边界层及近地面层参数化方案中的18个参数的集合预报效果优于扰动任何单一物理过程中的部分参数,表明SPP方案能够有效地提高中尺度降水概率预报技巧;从能量变化特征可知,不同物理过程的参数扰动对动能、内能和总能量的影响层次和特征有所不同,但总体而言,扰动前后各项能量基本相同;随机场时、空尺度敏感性试验发现,SPP扰动随机场时间、空间相关尺度对集合预报效果有明显影响,当扰动随机场选用12 h抗相关时间及截断波数20时,集合预报结果最优。上述结果表明,SPP随机参数扰动方案不仅能够有效提高集合概率预报效果,还能够提高集合降水概率预报技巧,具有良好的业务应用与发展前景。      

梅雨锋两类中尺度低压(扰动)及其暴雨的数值研究

对1999年6月梅雨锋频发型中尺度低压(扰动)及其暴雨代表个例,利用区域中尺度数值模式MM5进行了数值研究.基准试验成功复制出中尺度低压(扰动)和暴雨的发生发展过程,系统和降水的演变与强度结果比较合理.借助于高时空分辨率的模式输出,在一定程度上可以揭示中尺度低压(扰动)发生发展较详细的演变过程,同时也可描述出发展演变中某些更加细微的特征和反映对流层高低空气流的特征以及它们之间的相互作用.在基准试验基础上设计的一组数值试验,探讨了同中尺度低压(扰动)暴雨相关的物理过程,包括降水的显、隐式参数化方案,凝结潜热释放,行星边界层过程,局地地形对中尺度低压(扰动)及其所伴暴雨发生发展的影响.这些结果能在更加深入理解梅雨锋上两类中尺度低压(扰动)及其暴雨过程的具体物理图象方面提供一些有益的帮助.     

中尺度系统与台风降水增幅的关系

利用１９９０年ＳＰＥＣＴＲＵＭ试验加密观测资料，分析了９０１２（ＹＡＮＣＹ）台风降水增幅的成因，台风造成的区域降水６４％为强降水率降水，其时间变化与台风位置的南北振荡有关。中－α尺度暴雨区与台风西侧的东北风急流以及台风倒槽相联系。中－β尺度暴雨区与地面强东风区、东风气流的扰动、中尺度辐合区、中尺度气旋、中尺度锋区和中尺度锋生区密切相关。     

边界层参数化方案对降水预报的影响

利用新一代WRF模式模拟了2003年7月8—10日的江淮暴雨,就WRF模式中的MRF和MYJ边界层参数化方案进行了对比试验。发现分辨率为20 km时,WRF模式基本上能够模拟出中尺度降水的范围、位置和强度。采用边界层方案显然比不采用边界层方案的模拟效果好,但是MYJ方案与MRF方案相比并没有明显的优越性。另外发现边界层物理过程对格点尺度降水影响很小,模式主要通过边界层物理过程和积云对流过程之间的耦合,来改善对流性降水的模拟。     

2007年7月18日济南大暴雨的β中尺度分析

利用1°×1°的NCEP再分析资料、地面逐小时的观测资料和红外云图,对2007年7月18日的济南大暴雨过程进行了详细的α中尺度分析,揭示了地面β中尺度气旋新生发展的一种物理机制,并重点分析了多尺度的积云并合过程对此次强降水形成的重要作用。研究结果表明:在一个已经发展成热的MαCS的左后侧出现的下沉冷出流在低层向西南方向扩散,与午后不断加强的西南暖湿气流共同作用增强了地面的斜压性,从而使地面辐合线上的气旋性扰动加强,并迅速新生发展出β中尺度气旋。在此次强降水过程中共经历了从γ中尺度对流单体到β中尺度对流云团,再到α中尺度对流云团,最后形成中尺度对流复合系统的4个多尺度积云并合过程,而地面β可尺度气旋在每一个阶段都扮演了非常重要的角色,它们既是β中尺度对流云团的组织者,同时也是α中尺度对流云团的组成者,α中尺度对流云团往往都由一个以上的β中尺度气旋组织而成,当β中尺度气旋出现遭遇、合并之时,对流云团和降水得以强烈发展。在济南强降水发生前的1个多小时内,其西南方边界层内不断出现β中尺度超低空西南急流,它促使这一区域内不断产生回波单体并在向东北方向移动的过程中迅速发展成强回波带,当济南北面的强回波南移与这一强回波带并合后快速发展产生强降水。     

“海棠”影响河南降水雷达回波和中尺度雨团对比分析

使用郑州714CD雷达观测资料，以及2005年刚建立起的河南省乡镇雨量站网资料，配合河南省自动站资料，对0505号台风海棠造成的河南省大范围暴雨、局部特大暴雨过程进行了分析，总结出强降水回波区早于中尺度雨团1个小时左右生成，中尺度雨团早于降水回波减弱消失，稳定少动的强降水回波有利于中尺度雨团的产生和发展；多普勒速度场上，中尺度系统存在的地方有利于强降水回波发展和维持，也有利于中尺度雨团产生和发展；受持续不断45dBz左右强降水回波影响，构成“列车效应”，可造成暴雨甚至是大暴雨过程；对于大范围降水回波，依据乡镇雨量图上中尺度雨团活动规律，分析速度场上中尺度系统如逆风区、辐合区、大风区（低空急流），可以准确预报暴雨落区，发布暴雨预警信号。     

“07.6”广西柳州极端暴雨过程的多尺度特征分析

利用NCEP 1°×1°再分析资料、常规观测资料、自动站、雷达及FY-2C卫星资料,分析了2007年6月12-13日广西柳州极端暴雨过程的多尺度特征,并探讨了此次暴雨过程的成因.结果显示:500hPa高原东侧的低槽引导冷空气南下,地面准静止锋南移进入广西境内,在地面形成锋面低槽的形势.暴雨发生在850hPa低涡切变线上,暴雨中心与β中尺度低涡扰动有很好的对应关系.这次过程的主要降水系统是南部的对流云团和锋面附近的中尺度对流复合体(MCC).柳州极端暴雨由两个雨团造成,其中一个雨团强度大,持续时间长,这与强降水回波的列车效应和地面中尺度辐合线有关,是柳州高强度降水得以长时间维持的主要原因.     

MCC降水过程集合预报不同物理过程扰动方案的对比试验研究

利用WRF模式,从模式的不确定性角度来构造中尺度的集合预报,重点对比分析了不同物理参数化方案、物理过程随机扰动方案、积云对流参数化敏感参数扰动方案对中尺度对流复合体降水集合预报的影响。试验结果表明:3种物理过程扰动方法都可以反映中尺度对流复合体降水预报的不确定性特征,其预报效果比控制预报好。物理过程随机扰动方案集合平均的降水落区及强度最接近实况,并且其降水的ETS评分要高于其他2种方案。从均方根误差与离散度的角度来看,3种方案中物理过程随机扰动的均方根误差要小于其他2种方案,而其离散度要大于其他2种方案,物理过程随机扰动方案要优于其他2种方案。     

梅雨锋中尺度扰动的结构特征及稳定性研究

利用华东中尺度天气试验(1981—1983年)获得的1981年梅雨锋资料,分析表明梅雨锋降水带内大、暴雨雨团与中间尺度(medium scale)和中尺度(meso scale)扰动相联系,这些扰动是在baroclinic-CISK联合不稳定条件下发展的,最优波长的选择与二维波动的经、纬向波长变化、层结稳定、涡动粘滞性有关,中尺度扰动具有重力惯性波特征。     

"987”突发大暴雨及中尺度低涡结构的分析和数值模拟

1998年7月20～23日(简称"987”),发生在鄂东和鄂西南地区的突发性特大暴雨过程在长江流域是罕见的.该过程与500hPa短波槽和700hPa低涡切变线以及沿切变线相继生成和强烈发展的β中尺度对流系统密切相关.对该过程采用非静力MM5的二重网格双向嵌套进行了全物理过程的数值模拟,其中,可分辨尺度降水采用Reisner混合相微物理显式方案,次网格尺度降水采用Grell积云参数化方案.双向嵌套的细网格模拟结果揭示,武汉周边地区的特大暴雨与700hPa上一个β中尺度低涡的生成和强烈发展直接关联.该低涡具有明显的动力-热力结构特征:特强上升运动与饱和气柱互耦,超强散度柱与强涡柱耦合发展,湿静力不稳定与湿对称不稳定共存,深对流湿气柱内云团发展的微物理场结构比较典型.细网格域内前36h的降水分布和雨强与观测的大体相应,扩展域细网格的降水模拟明显改进了原细网格的模拟,特别是雨带.这一结果还表明,对持续时间较长的大暴雨,大尺度过程对中尺度系统的影响是重要的.     

广西特大暴雨过程中两类中尺度系统的模式预报能力研究

针对2008年6月12日广西特大暴雨个例,利用华南野外试验获得的高时空分辨率资料,采用Barnes滤波方法,分离了其中的中尺度系统。对比雷达观测资料和模式模拟结果,发现在不同的降水阶段,造成暴雨的中尺度系统类型不同。暖湿气流中的中尺度涡旋造成了对流降水,冷暖空气交汇带上的中尺度涡旋增强了层积混合降水。通过滤波前后包含不同尺度信息的初值进行模式积分,发现基流稳定的暖湿气流中的弱扰动,不能通过模式积分过程产生,基流变化较大的冷暖空气交汇带上的中尺度扰动,可以通过模式积分产生,AREM模式对不同类型的中尺度系统具有不同的预报能力。      

一次梅雨锋上中尺度气旋波引发的特大暴雨过程分析

利用新一代天气雷达、卫星、自动气象站、风廓线雷达、PWV/GPS、GFS/NCAR再分析场和常规天气资料,针对2011年6月10日发生于武陵山东侧鄂湘交界(通城附近)的特大暴雨过程,重点分析了梅雨锋上中尺度扰动系统的发生、发展过程以及与之联系的中尺度对流系统结构特征。结果表明:(1)特大暴雨过程与两个中尺度气旋波扰动发展形成的中尺度对流系统共同影响有关,而锋前暖低压倒槽内中尺度对流系统后向传播对暴雨形成和加强起到非常重要的作用。(2)武陵山东侧鄂湘交界区域是梅雨锋上中尺度气旋波新生或加强的重要源地之一,长江中游复杂地形下有利的动力和热力因素起到重要作用。(3)中尺度对流系统的发生、发展与中尺度气旋扰动有密切关系,雷暴单体集中在冷、暖锋附近和涡旋中心附近强烈发展,并在气旋波系统组织下,降水回波整体具有冷暖锋结构特征的逗点涡旋、涡旋、"S"和"人"字等形态特征。     

积云对流参数化方案对梅雨锋暴雨过程模拟的影响

利用MM5模式,选用4种积云对流参数化方案对2002年7月长江流域梅雨锋暴雨过程进行数值试验,讨论了同一水平分辨率下不同参数化方案对降水特征、中尺度特征和云物理特征模拟的影响。结果表明:不同方案对强降水中心落区影响不是很大,但对降水强度有较大影响;4种方案次网格尺度和网格尺度降水对总降水贡献不同;GR和KF方案的闭合假设中考虑次网格尺度湿下沉气流,可一定程度再现一些中尺度特征;4种方案模拟的云物理量特征存在很大差别。     

海陆风环流在天津2009年9月26日局地暴雨过程中的作用

利用常规天气资料、地面加密自动站资料、天津中尺度模式产品资料以及卫星云图和多普勒雷达等资料,对2009年9月26日出现在天津地区的局地暴雨过程进行天气学、动力学诊断分析和中尺度分析.结果表明,本次暴雨的天气尺度主要的影响系统是500 hPa高空槽,中尺度系统是由海陆风环流形成的地面中尺度辐合线.降水前天津市具有较好的热力不稳定条件,较好的能量储备,有利的动力条件,一定量级的水汽辐合,边界层的东风将渤海的水汽输送至天津市,是本次过程的主要水汽来源.天气尺度的积云对流与海风锋的碰撞触发不稳定能量的释放,引发第一阶段的强降水,边界层东风急流再度加强所产生的抬升效应引发第二阶段的降水.中尺度切变线通过提供带状辐合上升运动起着胚胎和组织积云对流的作用,使得降水回波和对流云团沿中尺度切变线发展、加强和移动,产生了明显的列车效应,导致了这场历史罕见的秋季局部暴雨过程,也充分凸显出海陆风环流对本次暴雨的重要作用.     

华南暴雨中云物理过程的数值研究

利用“海峡两岸及临近地区暴雨试验”(HU AM EX)取得的观测资料, 使用高分辨非静力平衡中尺度数值模式 M M 5 湿物理显式方案, 模拟研究了 1998 年 5 月 23～ 24 日自粤北移向南海海岸的冷锋及锋前对流云团造成的华南暴雨中的云物理过程。 结果表明, 由于对流形成的具有冰相参加的冷云过程是华南暴雨形成发展的主要云物理过程, 当对流较弱因而只有水相而无冰相的暖云过程只造成范围虽大但强度较弱的降水。     

2011年6月湖南两次暴雨过程的中尺度特征对比分析

利用常规观测资料、卫星、雷达资料以及NCEP再分析资料、LAPS局地分析资料,对2011年6月湖南两次暴雨过程的中尺度特征进行对比分析。结果表明：两次过程均属于湖南盛夏低涡冷槽型暴雨过程,但中尺度特征、降水性质和环境条件有差异。“6.09暴雨”由一个及地的β中尺度低涡产生,过程期间低涡稳定少动,卫星云图上表现为一个发展强烈的中尺度对流云团,雷达回波前期为窄型带状积云降水回波,后期逐渐转变为积层混合云降水回波;而“6.13暴雨”影响系统为中尺度切变线,切变线维持时间长,移动缓慢,卫星云图上是一条长时间维持的对流云带,雷达回波为积层混合云降水回波。水汽输送通道的建立和中低层水汽的大量集中为中尺度对流系统的发展提供了有利的环境条件,暴雨发生在锋前高温高湿的不稳定层结和强上升运动区域中,锋区的动力强迫上升运动加强了低层能量和水汽的往上输送。两次过程中尺度对流系统均具有深厚的垂直环流结构,“6.09暴雨”湘东北特大暴雨区是一支近乎垂直的深厚上升气流,南北两侧有明显的补偿下沉气流,而“6.13暴雨”湘中暴雨区垂直上升运动是倾斜向上的,只有南侧存在补偿下沉气流。