不同陆面方案对雷州半岛一次局地性暴雨的影响分析

利用ERA-interim再分析资料、逐小时观测实况资料、FNL再分析资料研究了雷州半岛地区一次局地性暴雨的成因,并利用WRF模式研究了3种不同陆面过程方案对该次局地性暴雨的模拟效果。研究结果表明:该次局地性暴雨是弱冷空气与西南暖湿气流交汇所形成的切变线降水;3种陆面方案都较好地模拟出了雷州半岛中部的降水中心位置,不同方案对整个降水的分布形状模拟相差不大,对强降水中心的范围和形状模拟不同,Noah方案和RUC方案的降水范围比Thermal diffusion方案要好;3种陆面方案主要是通过影响地表能通量分配形式进而改变暴雨区的强度和中心位置。     

青藏高原东北部地区一次强降水过程的灰色尺度积云对流参数化敏感性研究

本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)V4.0模式对2016年8月17～18日发生在青藏高原东北部青海省的一次强对流过程开展了3 km高分辨率数值模拟,基于观测小时降水数据、FY-2E卫星资料、探空资料和再分析资料等,通过四组敏感性试验对比分析了在模式对流灰色尺度中使用完全显式方案（EXP试验）、传统参数化方案（KF试验）以及尺度感知参数化方案（Multi-Scale KF;MSKF试验）对对流降水模拟的差异及其影响机制。结果表明：不同的湿物理过程处理对青藏高原地区灰色尺度内对流降水强度和落区的模拟存在较大差异。KF试验模拟的18小时累积降水在降水落区和强度上较EXP和MSKF试验与实况最为接近,这与Kain-Fritsch eta(KFeta)参数化方案在降水中心区域产生的对流性降水对总降水的相对贡献较大有关。而EXP和MSKF试验模拟的降水潜热释放产生的300～400 hPa正位涡（Potential Vorticity;PV）异常,受较强的垂直风切变影响随高度向下游倾斜明显,使得其低层500 hPa正PV异常大值区较KF试验呈现出超前特...     

中国6个CMIP5模式对全球降水年际-年代际变率模拟的定量评估

本文利用美国全球降水气候中心(GPCC)的降水资料和中国参加国际第五阶段耦合模式比较计划(CMIP5)的6个气候模式[BCC_CSM1.1、BCC_CSM1.1(m)、BNU-ESM、FGOALS-s2、FGOALS-g2和FIO-ESM]的历史模拟试验的降水数据,采用可以表征降水变率相对和绝对量级的方法,定量评估了6个模式对降水年际-年代际变率的模拟能力。研究表明,观测降水的年际变率一般占总方差的65%~80%,年代际变率占总方差的10%~35%。在CMIP5历史试验中,6个模式平均的降水年际分量方差对总方差的贡献(超过70%)较观测偏强,模拟降水年代际分量的方差对总方差的贡献较小(约为10%~20%)。模式总体低估了全球平均总降水、年际降水和年代际降水的变率,但是高估了年际降水对总降水的贡献、低估了年代际降水对总降水的贡献。与观测相比,6个模式对东亚和澳大利亚地区的年代际降水的模拟都比较好,模拟与观测年代际降水方差的比值为1左右。在非洲、南美洲和海洋性大陆,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年代际变率最接近观测;在欧亚和北美,BNU-ESM模式模拟的降水年代际变率与观测最接近。在欧亚大陆上,BCC_CSM1.1模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测;在非洲和美洲,FGOALS-s2模式模拟的降水年际分量与年代际分量的方差比最接近观测。本文的研究结果有助于理解中国当前气候模式对降水年际-年代际变率的模拟能力,以及未来改进模式。     

CMA-BJ V2.0系统华北地区降水预报性能评估

利用CMA-BJ V2.0系统在2021年汛期(6—9月)华北地区预报的平均日降水量和24 h内逐时降水量,评估不同水平分辨率(3 km和9 km)在降水量、有效降水时次占比、降水强度、降水日变化等方面的预报性能。结果表明:9 km和3 km分辨率预报均可较好地反映降水量和落区,捕捉平均日降水量大于8 mm的降水区域分布特征,但降水量级的预报较观测偏大;对小时降水量和有效降水时次占比日变化的预报与观测基本一致,但对傍晚的峰值预报偏强,且多个时段空报,同时高估了小时降水量。与9 km分辨率预报相比,3 km分辨率预报对有效降水时次占比随累积降水量的变化趋势与观测更接近,对小时有效降水时次占比日变化、峰谷值出现时间的预报也与观测更接近。9 km分辨率预报对弱降水过程的预报能力更优,而3 km分辨率预报对强降水过程的预报能力更优。     

GRAPES单柱模式的试验研究

根据GCSS WG4(Global Energy and Water Cycle Experiment Cloud System Study Working Group 4)第3次个例模拟的观测数据,为GRAPES(Global and Regional Assimilation and Prediction Enhanced System)设计了一个可用于检验其整套物理参数化过程对夏季中纬度陆地天气过程模拟的单柱模式试验,并利用该试验考察了不同复杂度的两种陆面过程(CoLM和SLAB)对温、湿度和降水模拟的影响。整个观测时段的模拟表明,模拟的降水与观测的量级一致,位温和水汽混合比没有明显偏离观测,这说明本试验的构造是合理的。考虑到模式系统误差对长期积分结果的影响,随后选取了4个降水子时段分别进行积分。结果表明,使用CoLM方案模拟得到的累积降水量均大于使用SLAB方案的,但使用CoLM方案时出现虚假降水的概率较大。由于区域平均的初始热动力廓线比实际降水发生地区偏干,使用两个方案的模拟均对子时段3的第1个降水事件延迟24h左右,这对其在子时段3的相关系数都很小有贡献。时间平均的位温和水汽混合比误差分析表明,使用CoLM模拟的子时段1和2的对流层低层偏冷、偏湿,而其他情况下为偏暖、偏干。对流层低层位温的误差与地表气温的误差一致。此外,还发现使用CoLM模拟得到的感热通量偏小,潜热通量偏大,而使用SLAB模拟得到感热通量偏大,潜热通量偏小。对流层中高层,子时段1和4为偏冷、偏湿,对应降水偏少(使用CoLM的模拟在子时段1的降水偏多归因于虚假降水);子时段2,使用CoLM的模拟为偏暖、偏干,对应降水偏多,使用SLAB的模拟为偏冷、偏干,对应降水偏少;子时段3,使用两个陆面方案的模拟均为偏冷、偏干,对应降水偏多。     

基于CLDAS-Prcp多源融合降水产品的WRF-Hydro模式在綦江流域的水文效用

为了提升对中小尺度流域的径流模拟和洪水预报能力,给防灾减灾和科学研究提供参考依据,本文评估了CLDAS-Prcp多源融合降水产品在中小尺度流域中的水文效用以及WRF-Hydro模式在中小尺度流域中的模拟效果。首先利用CLDAS-Prcp多源融合降水产品和IMERG-Final多源融合降水产品分析了綦江流域7个典型洪水个例中的累计降水量空间分布特征以及小时面雨量时序变化特征,再利用两种多源融合降水产品分别驱动WRF-Hydro模式对綦江流域7个典型的洪水个例进行模拟,并与实测径流量进行对比分析。结果表明：（1）CLDAS-Prcp在累计降水量空间分布上比IMERG-Final刻画出了更多的细节,大值落区和降水总量上也更为准确;两种降水产品都能较好地刻画流域小时面雨量在洪水时段的变化趋势,CLDAS-Prcp在面雨量峰值以及变化趋势上更贴近观测数据。（2）基于CLDAS-Prcp多源融合降水产品的4场径流模拟中,有3场径流模拟的纳什系数高于0.9,表现优异;基于IMERG-Final多源融合降水产品的4场径流模拟中,除20200622号洪水事件外,其余场次模拟的纳什系数皆低于0.7,说明基...     

GFS物理过程包在GRAPES区域模式中的实施及改进:单柱试验

将NCEP的中期全球预报系统（GFS）整套物理过程包引入GRAPES区域模式,并利用美国ARM计划（Atmospheric Radiation Measurement Program）南部大平原外场1997年夏加强观测资料,对GRAPES模式中原有物理过程和GFS物理过程进行了单柱试验的测试和比较,评估了两组物理过程的模拟性能。单柱试验结果表明GFS试验模拟的位温和水汽混合比演变更为准确;到地短波和长波辐射的误差更小;其模拟的地面向上潜热通量与观测更为接近,而原物理过程试验的感热偏大;GFS试验对2 m气温最高和最低值的模拟也比原有物理过程更接近观测。进一步分析降水的模拟发现,两组物理过程对强降水过程均有很好的预报能力,但对中等强度降水存在漏报或者发生时间偏晚的倾向,此外还存在对小雨的空报。在3个降水事件的模拟中,GFS试验模拟的降水误差小于原物理过程试验。最后还对两组试验中明显的降水过程漏报和降水延迟进行了分析,对GFS物理过程包中对流参数化的对流触发方式的修改,可改进此次降水的模拟,进而通过更准确的反馈过程,改善对大尺度场的模拟。     

陆面过程模型CoLM与区域气候模式RegCM3的耦合及初步评估

陆面过程通过影响陆面和大气之间物质（如,水分）和能量的交换影响气候, 其参数化方案对数值天气预报、全球及区域气候模拟有重要影响。本研究利用对生物物理、生物化学过程考虑更全面的陆面模式Common Land Model(CoLM) 替代区域气候模式RegCM3原有的陆面模式BATS, 发展了耦合区域气候模式C－RegCM3; 将其应用于东亚地区典型洪涝年份夏季气候模拟以进行评估, 结果表明新耦合的模式C－RegCM3能合理模拟大尺度环流场、近地表气温和降水的分布特征, 对西北半干旱地区降水模拟比RegCM3有所改进。通过利用区域气候模式C－RegCM3及RegCM3对地表能量和水文过程模拟结果的比较, 发现在半干旱、半湿润过渡区C－RegCM3模拟的潜热增大、感热减小; 模拟的地表吸收太阳辐射差异较明显的地区位于模式模拟的主要雨区; C-RegCM3在上述过渡区模拟的夏季地表土壤湿度比RegCM3偏干, 这与它在过渡区降水模拟偏少、蒸散发模拟偏大相对应, 体现了该模式在半干旱、半湿润过渡带模拟出比RegCM3更明显的局地土壤湿度－降水－蒸散发之间的正反馈作用。     

不同密度霰对2008年海南秋季持续性强降水模拟的影响

利用WRF模式对海南2008年秋季持续强降水进行月尺度模拟,并基于WDM6微物理方案研究不同密度霰对强降水模拟及其云微物理过程的影响。结果表明:（1）不同密度霰对降水强度模拟影响较大,LDG（小密度霰）试验海南东部和北部两个降水中心强度减小,HDG（大密度霰）试验东部降水中心强度减小,北部降水强度增大。（2）随着霰密度增大,强降水时期高层霰含量减少,0 ℃层以下霰含量增多。雨水主要来自霰和雪向雨水的转化,其中霰向雨水转化量最大,对降水贡献最大,并随着霰密度增大霰向雨水转化量增多。（3）随着霰密度增大,暴雨及以下降水范围减小、大暴雨及以上降水范围增大;单位格点降水率增大,大暴雨及以上降水贡献增大。随着降水强度增大,小密度霰收集雨水量增多,霰向雨水净转化量减少,对降水贡献减小;大密度霰融化量明显增多,霰收集雨水量增幅较小,霰向雨水净转化量增大,对降水贡献增大。      

人工防雹的无意识增雨

“三·七”高炮防雹的另一个效果是增雨 ,本文取瓮安、普定两地的资料 ,作K、Ks 计算 ,K为降雹日的月平均降雨量和月平均降雨量的比率 ,Ks 为作业日 (或模拟作业日 )的平均降雨量和降雹日的月平均降雨量的比率。结果表明 :K值 ,瓮安、普定的作业期比非作业期分别大 8%和 9 5 % ;Ks 值 ,作业期比非作业期分别大 12 % (4月 )、4 % (5月 )和 6 % (4月 )、3% (5月 )。可见 ,作业期对流降水比非作业期对流降水贡献大 ,作业日对流降水的贡献比模拟作业日的贡献大。在人工防雹的同时 ,也产生了增雨     

北上台风强降水形成机制及微物理特征

利用NCEP FNL分析资料、青岛降水现象仪和双偏振雷达观测资料,对北上台风利奇马(1909)和巴威(2008)引发的局地对流性强降水微物理特征进行分析,结果表明:在台风外围的东南暖湿气流内,受地形或边界层锋区触发形成的强对流单体后向传播或原地合并加强造成了局地强降水;雨滴的质量加权平均直径(Dm)和对数归一化浓度(l...     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式,对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟,讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致,如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主,霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻,其次来自雪的积聚转化;霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明,碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶,加速了过冷水向冰晶的转化,过冷云水因而大量减少;催化后霰和冻滴的数浓度增大,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少;冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱,导致冰雹总质量进一步减少。此外,催化后降雨量也显著减少。     

2016年5月6日重庆万盛短时强降水雨滴谱特征分析

利用激光雨滴谱仪对2015年5月6日四川盆地东南部与云贵高原交界处的重庆万盛地区一次由地形强迫抬升形成的短时强降水过程进行观测,分析了雨滴谱相关特征值变化情况。结果表明：雨滴谱能够较好的反映本次过程雨量的细节,谱型能够较好地反映对流的生消过程;雨滴的数浓度并不是影响雨强的决定性因素,粒子大小对雨强的贡献同样很重要;大粒子虽然很少,但对雨强的贡献远大于小粒子（如大于3mm的粒子在雷达反射率因子中起主要贡献,达到97%）;强烈的对流使大粒子在下落过程中破碎形成小粒子;三参数Gamma分布能够较好的拟合本次降水过程雨滴谱分布;小粒子的速度谱大于实验典型值,与大粒子在下落过程中破碎形成小粒子有关。     

雨滴谱垂直演变特征的微雨雷达观测研究

雨滴谱的垂直变化特征对于认识降水过程、改进模式和雷达定量估计降水等具有重要意义。利用2016年6月1日-9月30日雨量筒、微雨雷达（micro rain radar,简称MRR）和PARSIVEL雨滴谱仪连续4个月的观测数据,在对比3种仪器观测结果的基础上,研究了层状云降水不同降水强度下微物理特征量和雨滴谱垂直演变特征。结果表明:MRR与PARSIVEL雨滴谱仪观测降水强度相关性较好,且两种仪器观测的雨滴谱在中等粒子段（0.5~2.5 mm）表现出较好的一致性,而对于小粒子段（雨滴直径小于0.5 mm）PARSIVEL雨滴谱仪观测的数浓度明显低于MRR。对于弱降水（降水强度R ≤ 0.2 mm·h-1）,液水含量和降水强度随高度降低减小,雨滴在下落过程中蒸发明显。对于较强降水（R>2 mm·h-1）,随高度降低,雷达反射率因子增大,小滴数浓度减小的同时大滴数浓度增加明显,雨滴下落过程碰并作用明显。所有高度直径不超过0.5 mm的小滴对数浓度贡献均为最大。高层雨滴直径不小于1 mm的小粒子对降水强度的贡献可达50%,小粒子对降水强度贡献随高度降低减小。     

Precipitation Microphysical Processes in the Inner Rainband of Tropical Cyclone Kajiki (2019) over the South China Sea Revealed by Polarimetric Radar

Polarimetric radar and 2D video disdrometer observations provide new insights into the precipitation microphysical processes and characteristics in the inner rainband of tropical cyclone(TC)Kajiki(2019)in the South China Sea for the first time.The precipitation of Kajiki is dominated by high concentrations and small(<3 mm)raindrops,which contribute more than 98%to the total precipitation.The average mass-weighted mean diameter and logarithmic normalized intercept are 1.49 mm and 4.47,respectively,indicating a larger mean diameter and a lower concentration compared to the TCs making landfall in eastern China.The ice processes of the inner rainband are dramatically different among different stages.The riming process is dominant during the mature stage,while during the decay stage the aggregation process is dominant.The vertical profiles of the polarimetric radar variables together with ice and liquid water contents in the convective region indicate that the formation of precipitation is dominated by warm-rain processes.Large raindrops collect cloud droplets and other raindrops,causing reflectivity,differential reflectivity,and specific differential phase to increase with decreasing height.That is,accretion and coalescence play a critical role in the formation of heavy rainfall.The melting of different particles generated by the ice process has a great influence on the initial raindrop size distribution(DSD)to further affect the warm-rain processes.The DSD above heavy rain with the effect of graupel has a wider spectral width than the region without the effect of graupel.     

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

山东北部一次夏末雹暴地面降水粒子谱特征

为了更好地认识雹暴等强对流降水的微物理特征,利用降水现象仪观测资料和CINRAD/SA-D双偏振天气雷达的粒子相态识别和反射率因子等产品,分析2019年8月16日出现在山东北部的一次雹暴降水的雨、冰粒子谱(包括直径2～5 mm的霰粒子和直径大于5 mm的冰雹)的识别以及雨滴谱的演变特征,结果显示:济南双偏振天气雷达0....     

对流性降水云微波辐射特性

结合MM5模式和三维微波辐射传输模式, 对2003年7月9日宜昌地区一次典型的中尺度降水中心的对流性降水云微波辐射特性进行研究。结果表明:MM5模式模拟的降水量和落区与实况一致,模拟的水凝物廓线也与TMI反演值接近,85.5 GHz通道辐射亮温与TMI实测情况相近。85.5 GHz通道亮温与地面雨强相关性很弱, 受云中云冰和雪花的散射降温作用显著, 由于其他粒子的综合作用以及斜角观测造成的位置偏移, 霰粒子对该通道亮温散射作用不明显。19.35 GHz通道亮温随雨强增加先升温后降温; 与霰粒子含量表现出明显的负相关关系。37.0 GHz通道亮温随雨强的增加而降温, 雨强大于20 mm/h后达到饱和, 主要受雨水降温作用影响。倾斜观测比天顶垂直观测产生更低的亮温低值中心, 且频率越高, 低值中心的偏移越严重。     

湖南省雨滴谱仪与常规降水观测对比分析

湖南省97个国家气象站自2017年开始陆续安装了雨滴谱仪,2018年1月1日起进行平行观测。为分析评估其探测降水量的准确性,选取湖南省12个国家站2018年雨滴谱仪观测资料和自动站翻斗雨量计小时降水资料,从总体观测误差、不同降水量级下观测误差和累积降水量观测误差3个方面进行对比分析,结果表明：（1）雨滴谱仪小时降水量和翻斗雨量计小时降水量存在显著的相关性,R2平均为0.94,其中南岳站R2最低为0.90,浏阳站R2最高为0.98,12个站的小时降水量绝对偏差均值为0.34mm;（2）当小时降水量Rh<1.0mm时,各站雨滴谱仪降水量较翻斗雨量计降水量平均偏大0.05mm,且平均差值绝对值均在0.2mm以下;当1.0mm≤Rh<2.6mm时,大部分站点雨滴谱降水量均大于或与翻斗雨量计降水量相当;当2.6mm≤Rh<5.0mm时,株洲和南岳站雨滴谱降水量较翻斗雨量计降水量明显偏小,武冈和娄底站雨滴谱仪降水量则明显偏高;当5.0mm≤Rh<8.0mm时,除株洲和南岳站外,其它各站雨滴谱降水量均大于或与翻斗雨量计降水量相当;当8.0mm≤Rh<16.0mm 时,除株洲和南岳站雨滴谱仪降水量偏小外,其他各站雨滴谱仪降水量均较翻斗雨量计降水量偏大;当Rh≥16.0mm时,雨滴谱仪降水量偏差明显变大,平均偏差绝对值达到3.570mm;（3）雨滴谱仪累计降水量和翻斗雨量计累计降水量变化趋势基本一致,除汨罗和南岳站外,雨滴谱仪累计降水量常表现为偏多。通过分析可见,湖南省雨滴谱仪雨量观测有较好可靠性,可为强降水监测预警、人工影响天气及降水数据订正等提供数据支撑。     

副热带高压背景下极端短时强降水的双偏振相控阵雷达观测分析

为了研究副热带高压（副高）背景下极端短时强降水系统的动力和云物理结构特征,利用厦门X波段双偏振相控阵雷达观测数据,采用多普勒雷达风场反演技术并结合高精度的地形数据,对2021年8月11日发生在厦门地区的一次极端短时强降水事件进行了分析。研究表明:（1）这次过程发生在副高控制之下,具有弱天气尺度强迫特征。地面辐合线促进了线状对流系统的形成,其后向传播过程导致了局地极端强降水的发生。（2）对流系统的中层存在大粒子累积区,大粒子的下泻导致雨强增大。倾斜上升（下沉）气流的配置使得大粒子的下泻不会影响上升气流,有利于对流系统的发展与维持。下沉气流与偏南气流相遇触发了上游对流系统的发展,形成后向传播。（3）在弱天气尺度系统背景下,局地地形对于降水系统的影响得以凸显。地形造成的低层辐合使得差分反射率因子（Z_DR）、差分传播相移率（K_DP）等双偏振参数在迎风坡处明显增大,且大值区在此处维持。更大、更浓密的降水粒子形成了极高的降雨效率。（4）暖雨过程和冰相过程在这次极端降水事件中并存,前者对雨水的形成起主导作用,冰相粒子的融化加速了这一进程。（5）强降水时雨滴的破碎和碰并趋于平衡,雨强的增大取决于雨滴浓度的升高。因此,K_DP可作为判断雨强是否增大的指标。（6） Z_DR柱与K_DP柱的演变对于地面雨强的变化具有预示性,特别是在持续降水过程中,Z_DR（K_DP）柱的再度发展预示着降水系统的再次增强。