一次积层混合云降水实例的数值模拟分析

观测显示,积层混合云有自己独特的动力热力结构,降水过程也有自己的特点,但过去关于积层混合云的实例模拟工作较少.2007年9月28日在我国华北地区发生了一次积层混合云降水过程.利用WRF-ARW中尺度数值模式,对这一个例进行了实例模拟,并结合常规观测、卫星和雷达资料分析模拟结果,表明:此次积层混合云系是降水云系减弱,层状云发展形成的.在降水物理过程中,此次积层混合云不仅具有积云和层云形态混合的特征,还具有冷云过程和暖云过程共存的相态混合的特征;中层的大范围辐合和相应的较均匀上升气流场支撑着层状云,而在均匀上升气流场中的波动导致了对流云镶嵌其中;有迹象表明,条件对称不稳定是维持此次积层混合云发展的动力因子.     

东北地区一次积层混合云过程的数值模拟

积层混合云是中国主要的降水云型之一,它的动力和热力特征比单一的层状云或对流云都要复杂。利用NCEP的 1°×1°再分析资料,通过WRF模式对东北地区一次典型积层混合云过程进行数值模拟,通过对模拟结果分析并结合实际资料,从热力和动力方面研究了积层混合云的形成过程。结果表明：从稳定性上分析,此次过程属于潜在不稳定型,在积云初始生成时,对流有效位能并不大,假相当位温随着高度递减,有利于对流的发展;在积云嵌入大片层状云的过程中,水汽高低空辐合辐散场的变化起了决定性作用,热力作用为积层混合云过程提供了条件,动力因素起主要作用。     

华北地区一次积层混合云降水的数值模拟研究

利用WRF ARW中尺度数值模式对2009年4月18日华北地区的一次积层混合云系降水进行模拟。首先,对实况的天气形势和雷达反射率及垂直剖面进行分析;并通过垂直剖面对其流场结构概念图进行分析;然后,通过对比,模拟的自然降水分布与实测结果基本一致,模拟的雷达组合反射率和雷达反射率的垂直剖面与实测结果也基本一致;通过分析云中各要素的分布,了解了积层混合云系的微物理特征和动力特征;最后对积层混合云降水机制进行探讨。结果表明：积层混合云水凝物含水量分布不均匀,对流云和层状云相互粘连跨接,水平方向充分混合,雨水的大值中心、云水的大值中心及冰晶的大值区相互对应,存在播撒-供给机制。从动力场来看,在低层对流云区域垂直上升速度较大,高层对流云区域的旁侧有较明显的下沉气流,云区低层存在辐合,高层存在辐散,此种配置有利于维持云系的发展。积层混合云不仅在层状云区有层状云的简单的＂播撒-供给＂机制,或在积状云区有粒子群的循环增长机制,而且可以发生层云—积云间的粒子群交换。     

一次积-层混合云系垂直结构和降水机制的飞机观测资料分析与数值模拟

积-层混合云是影响北京地区的重要降水云系,运用飞机探测资料结合中尺度数值模式WRF,对2014年9月23日发生在北京地区的一次积-层混合云系的垂直结构和降水机制进行了探测资料分析和数值模拟研究。通过分析云系的雷达回波演变,发现云中的对流泡没有出现爆发式增长,回波在垂直方向上增长不明显,此次过程属于积-层水平混合型云系降水。飞机探测资料分析显示,上、下午探测云系的液态水含量都不高(最大低于1 g/m³);在云系不同高度,飞机探测到的冰晶形状主要有板状、针柱状、辐枝状和不规则状,由于云中过冷水含量相对较低,聚合冰晶的数量明显多于凇附冰晶,冰晶的聚合是云中粒子增长的主要过程。对模拟云系垂直微物理结构和降水粒子的源、汇项分析得到:高层,由凝华产生的冰晶和雪晶在过冷水含量较低的环境中不断聚并、长大并下落,云系中霰的含量很低,增大的冰晶和雪晶下落至0℃层附近融化是产生地面降水的主要机制。此外,融化层附近,雨滴捕获云滴不断长大并下降至地面也是地面降水的另一个重要来源。     

华北一次积层混合云微物理和降水特征的数值模拟与飞机观测对比研究

为考察云数值模式中的云物理方案和对实例云物理和降水过程的模拟能力, 本文将中尺度数值模式(WRF)模拟的华北地区一次积层混合云的微物理结构特征、降水过程与国家科技支撑计划重点项目环北京地区三架飞机联合云探测实验数据以及雷达、地面降水观测数据进行了深入的比较和验证研究。结果表明:WRF 模式能够较好地模拟出此次积层混合云的云系演变、雷达回波和降水分布特征。对比结果是:(1)模式模拟的云中液态水浓度(LWC)与飞机观测值具有较好的一致性, 在3℃ 层, 飞机观测的LWC 最大值为0.8 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为0.78 g m-3, 两者接近;在－8℃ 层, 飞机观测LWC 最大值为1.5 g m-3, 模拟的飞机路径上的LWC 最大值为1.1 g m-3, 模拟值偏小;在－5℃ 层以下, 模式能够准确模拟云中水凝物的垂直分布, 包括融化层的分布, 模拟的水凝物质量浓度与实测吻合。而对固态水, 在－6～－10℃, 由于模式中雪粒子凇附增长过程较大, 聚合过程发生的高度偏高, 导致模式模拟的固态水凝物质量浓度高于实测值, 说明模式在雪粒子增长过程的处理方面有待进一步改进。(2)在云粒子谱参数方面, 在－8℃ 层, 由于模拟的雪粒子质量浓度偏高, 所以模式计算的粒子谱的截距和斜率都小于飞机观测值, 模拟偏小;在－5℃ 层, 两者比较接近;在3℃ 层, 由于云中小粒子浓度逐渐减少, 所以模式计算的斜率接近观测值, 但是截距大于观测值, 说明模式降水粒子谱参数的描述方案有待改进, 模式中谱形参数μ 不应一直设置为0, 而是应该随着高度变化而变化。     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

山西中部一次积层混合云降水微物理特征研究

基于2011年5月9日山西中部地区一次积层混合云降水的机载探测和地面雨滴谱观测资料,分析了空中云系微物理参量的垂直分布、冰晶形态及演变和地面降水的微物理特征。结果表明：此次积层混合云为冷云结构,垂直分布不均匀,云中过冷水较为丰沛,对流泡的存在造成云内不同区域云水含量不均匀。云滴的凝华增长导致5.3 km处大云粒子和降水粒子数浓度明显增加。小云粒子谱分布以单峰型为主,峰值直径主要位于5～6 μm或9～10 μm,大云粒子谱分布呈多峰型,不同高度处变化较大。此次降水观测到的冰晶形态包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则形状,4.9 km处受聚合和淞附过程的共同影响,辐枝状和针柱状冰晶增多,在4.1 km处融化层附近淞附状冰晶明显增加。地面降水受到雨滴谱仪布设位置的影响,其微物理结构主要呈现为层状云降水的特征。     

基于飞机观测的华北积层混合云降水微物理特征的数值模拟研究

基于2009年5月1日积层混合云降水2架飞机观测数据分析,使用中尺度模式WRFV3对此次过程积云区和层云区的微物理特征和转化过程进行数值模拟比较研究。飞机观测数据分析表明,此次积层混合云中的层云区和积云区冰粒子形状和形成过程有明显差别,层云区的粒子形状组成比较复杂,包含针状、柱状和辐枝状等,而积云区主要以辐枝状粒子为主,聚并、凇附过程明显。数值模式能较好地模拟出此次积层混合云降水过程的基本特征,包括回波分布、飞行路径上降水粒子的数浓度和液态水含量等。数值模拟结果表明,云水相对丰富、上升气流强的层云区凇附过程较强,产生的雪在低层融化为雨水,为后期高层形成的雪和霰提供丰富的液态水,能发展成对流较强的积云区,存在播种—供给机制。在积云区,水成物的比例从大到小依次为雪（51.9%）、霰（31.0%）和雨水（16.0%）;雪的主要源项包括淞附增长（56.8%）和凝华增长（40.1%）,霰的主要源项包括凇附增长（46.6%）、雨水碰并雪成霰（42.6%）和凝华增长（16.1%）,雨水的主要源项是霰（77.6%）和雪（22.4%）的融化。而相对云水较少、上升气流较弱的层云区将保持层云的状态,层云区水成物的比例从大到小依次为雪（90.4%）、雨水（6.1%）、冰晶（3.5%）;高层冰晶和雪通过凝华过程增长,雪在零度层下融化为弱的降水。     

一维半地形积层混合云模式简介

本文介绍了地形积层混合云的一维半数值模式.该模式在垂直方向上分21层,模拟空间从地面到10600m高度.模式考虑了混合云中水汽、云滴、雨滴、冰晶、霰、雪等6种水质的16种微物理过程,利用卫星云图、常规探空等实测资料提供软件系统的初始启动信息.     

2002年7月沈阳一次降水过程的催化数值模拟研究

应用三维对流云模式和探空资料，对沈阳地区2002年7月12日发生的一次东北冷涡降水过程进行了数值模拟研究。结果表明，这次降水主要是由积层混合云引起的，其中冰相过程占主导地位，霰的融化是最主要的雨生成项。催化模拟试验表明，当云体处于成熟稳定的积层混合云阶段，在0℃层高度以上播撒AgI能起到显著的增雨效果。积层混合云具有巨大的人工增雨潜力。     

Dependence of the accuracy of precipitation and cloud simulation on temporal and spatial scales

Precipitation and associated cloud hydrometeors have large temporal and spatial variability, which makes accurate quantitative precipitation forecasting difficult. Thus, dependence of accurate precipitation and associated cloud simulation on temporal and spatial scales becomes an important issue. We report a cloud-resolving modeling analysis on this issue by comparing the control experiment with experiments perturbed by initial temperature, water vapor, and cloud conditions. The simulation is considered to be accurate only if the root-mean-squared difference between the perturbation experiments and the control experiment is smaller than the standard deviation. The analysis may suggest that accurate precipitation and cloud simulations cannot be obtained on both fine temporal and spatial scales simultaneously, which limits quantitative precipitation forecasting. The accurate simulation of water vapor convergence could lead to accurate precipitation and cloud simulations on daily time scales, but it may not be beneficial to precipitation and cloud simulations on hourly time scales due to the dominance of cloud processes.     

一次积层混合云的形成过程和微物理观测

利用2009年5月8日多普勒雷达资料和飞机穿云观测资料,综合分析了西风槽影响下山西省一次积层混合云的形成过程和微物理结构。结果表明,此次飞机探测到的积层混合云是由对流单体多次并合形成的带状对流云团减弱后形成的,云中嵌有明显的对流泡,最大强度为45～50dBZ,最大垂直尺度在6km左右。CDP(cloud droplet probe,前向散射粒子谱探头)、CIP(cloud ima-ging probe,二维灰度云粒子探头)、PIP(precipitation imaging probe,二维灰度降水粒子探头)测量的平均数浓度变化范围分别是132.4～220.2cm^-3、1.54×10^-1～6.28×100cm^-3、9.09×10^-4～7.34×10^-3cm^-3。二维图像表明,冷层中的固态粒子主要是形状不规则的霰粒子,说明过冷水供应充足;在-7℃左右观测到柱状聚合体和凇附程度不同的冰雪晶粒子,表明柱状冰晶通过凝华形成后,碰并和凇附是其增长为霰粒子的重要机制。不同高度的CDP平均谱(2～50μm)存在一定的差异,因低层水汽凝结作用较强,2～18μm的云粒子数浓度基本随高度的增加而降低;因暖层中碰并效率低和冷层中小冰晶浓度随高度增加,24～35μm粒子数浓度随高度增加而增大。CIP平均谱(25～1550μm),除4100m为双峰谱外,其他高度均为单峰谱。PIP平均谱(100～6200μm),4450m高度处的粒子谱宽和数浓度最大,3200～4000μm之间出现大值区域,表明对流单体及周边区域为较大固态降水粒子的形成提供了良好的环境。     

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。     

河北一次层状云系降水的微物理机制数值模拟与分析

利用一维层状云模式,详细分析了2009年5月1日中国中东部地区一次层状云系的微物理结构和降水过程。结果表明：此次降水为层状云系降水,云系垂直结构符合顾震潮三层概念模型和“播种云-供给云”机制,其中第一层（上层：4.7-7.0 km）存在冰雪晶,雪主要通过冰晶自动转化和凝华增长。第二层（中层：2.6-4.6 km）有冰晶、雪、霰、云水、雨滴,此层贝吉龙过程作用明显。第三层（下层：1.3-2.5 km）主要粒子为云滴、雨滴、从上层融化的雪和霰,霰的融化对于雨滴的形成贡献最大。云体发展成熟时,各层之间存在一定的播种－供应关系,如第一层向第二层顶部播撒雪和冰晶,第二层向第三层顶部播撒霰和雪。     

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。     

一次山地积云并合扩展层化过程的数值模拟

因复杂地形下热力和动力抬升对近地面空气的扰动作用,贵州地区容易形成内部嵌有许多小对流单体的积层混合云.选取2005年5月29日发生在贵州省的一次积层混合云降水个例进行分析,并利用WRF模式模拟该云系的生成、发展过程.结果表明:积层混合云由积云并合扩展层化形成,其发展过程经历三个典型的并合阶段.云系的降水特点是降水范围很大,分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,降水量累计最大值可达60 mm,且强降水中心与云中小对流单体的位置对应;积层混合云形成过程中,地面产生强降水的最终原因是,云并合过程中释放的不稳定能量改变了云中的气流场和含水量场.     

Numerical simulation of the impact of urban non-uniformity on precipitation

To evaluate the influence of urban non-uniformity on precipitation, the area of a city was divided into three categories (commercial, high-density residential, and low-density residential) according to the building density data from Landsat satellites. Numerical simulations of three corresponding scenarios (urban non-uniformity, urban uniformity, and non-urban) were performed in Nanjing using the WRF model. The results demonstrate that the existence of the city results in more precipitation, and that urban heterogeneity enhances this phenomenon. For the urban non-uniformity, uniformity, and non-urban experiments, the mean cumulative summer precipitation was 423.09 mm, 407.40 mm, and 389.67 mm, respectively. Urban non-uniformity has a significant effect on the amount of heavy rainfall in summer. The cumulative precipitation from heavy rain in the summer for the three numerical experiments was 278.2 mm, 250.6 mm, and 236.5 mm, respectively. In the nonuniformity experiments, the amount of precipitation between 1500 and 2200 (LST) increased significantly. Furthermore, the adoption of urban non-uniformity into the WRF model could improve the numerical simulation of summer rain and its daily variation.     

慕尼黑一次混合型雹暴的数值模拟与成雹机制

利用三维冰雹云模式,对2013年4月29日四川西昌的一次降雹过程进行了数值模拟。模拟结果显示：该例冰雹云存在过冷雨水累积带;霰是冰雹的主要胚胎,雹块主要通过撞冻云水增长,其次是撞冻霰增长;模拟区域内液态降水量和固态降水量分别占地面总降水量的52%和48%,冰雹占固态降水94%;通过对该例雹云中冰晶、雪、霰、冻滴的微物理过程分析发现,在雹云发展的不同阶段,冰雹的形成机制不同。