大气冰核浓度对对流云降水过程影响的数值模拟

在已有的三维对流云模式的基础上新植入了同质冻结和异质核化方案,结合一次山地雷暴个例,通过敏感性试验来探讨大气冰核浓度对对流云微物理过程和降水的影响。模拟结果表明:①冰核浓度的改变会对对流云的动力场及各水成物粒子产生明显作用。增加冰核浓度,冰相粒子的数浓度随之增加;同时,凝华过程中释放大量潜热导致云中上升气流增强。由于水汽含量一定,各水成物粒子"争夺"水汽,使得云滴、冰晶和霰的增长均受到抑制,难以成为较大尺寸的降水粒子。②冰核浓度的增加,"贝吉龙效应"导致云滴的尺度减小,削弱了云-雨转化过程。雨滴、云滴混合比的减小抑制了雨滴对云滴的收集。同时,小尺度的霰粒子削弱了霰融化为雨滴的物理过程,最终导致地面累积降雨量降低。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

双参数微物理方案在WRF单柱模式中的模拟检验和对比研究

利用耦合Milbrandt 2-mon(MY)和Morrison 2-mon(MOR)两种双参数微物理方案的WRF中的单柱模式,对TWP-ICE(Tropical Warm Pool International Cloud Experiment)试验期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比发现:两种双参数微物理方案能较好地模拟出TWP-ICE期间热带云系的宏观和微观的特征。模拟的降水率、地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级、时间演变趋势与观测相一致;总的液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征总体与观测以及云分辨率模式的结果也较接近。在整个时期,两种方案水云中的雨滴宏观和微观特征差异较小,而云滴混合比在两种方案之间的差别显著;冰晶对冰云的贡献在MY方案中占据主导地位,而MOR方案中雪在冰云中扮演的角色相比于在MY方案中更为重要。微观上与MY方案相比,MOR方案中的云滴是由数量更大的小云滴构成,但冰晶却是由数量较少的大冰晶粒子构成。微物理过程转换率的区别是造成两种方案冰云宏观分布特征差异的主要原因。与冰晶和雪有关的微物理过程转换分析表明:活跃期两种方案中与冰晶有关的主要微物理转换项有冰晶的凝华增长、冰晶向雪的自动转化、冰晶被雪碰并以及冰晶的沉降过程。而雪主要的转换项包含沉降和凝华过程等,其中MY方案中雪的主要转换项更为丰富。该时期两种方案冰晶和雪的主要微物理转换项的垂直分布以及量级特征的差异同冰云的宏观分布相一致。季风抑制期,两种方案中冰晶主要的源汇项包括凝华增长和沉降过程。MY方案中凝华凝冻核化也是主要的源汇项之一。抑制期MOR方案中高空的雪发展较强,参与的微物理过程较MY方案更为丰富,主要转换项比MY方案高出约一个量级。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

两类双参数云微物理方案对夏季强降水事件模拟能力的对比研究

运用中尺度WRF模式,分别采用Morrison(MOR)和Milbrandt-Yau(MY)双参数化云微物理方案,对2010年7月20—21日辽宁省的一次强降水过程进行模拟,通过对比分析两个方案所对应的地表累积降水量、降水强度、云中微物理量的模拟结果,评估两个双参数方案对强降水事件的模拟能力及主要微物理过程的差异。结果表明,在对雨带和强降水中心的位置上,MOR方案的模拟能力优于MY方案,但MY方案对强降水中心强度模拟能力则优于MOR方案;两方案对强降水宏观特征的模拟差异在一定程度上体现了它们在微物理具体方案上的差异,相比MY方案而言,MOR方案模拟降水发展期的垂直水汽通量高,使得雪晶的凝华增长、碰连增长增强,从而导致MOR方案的冰晶含量低,雪晶含量高,通过雪晶的凇附作用形成的霰含量也比MY方案高,霰的凇附增长消耗了大量过冷水,使冷云中云滴(过冷水)含量减少; MOR方案模拟得到的600 hPa到地表的雨滴直径均为1 mm,与实际雨滴直径的观测值不符,需要未来进一步开展研究,对原方案进行优化。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。     

区域冷锋降水微物理机制研究

20世纪利用一维层状云模式对2002年4月4~5日河南省冷锋降水过程进行了模拟。数值模拟结果显示,此次冷锋降水属于冷云降水过程,冷锋前后云中主要以冰相粒子为主,云中水质粒自上而下的空间分布依次为冰晶、雪、云水、霰、雨水。冷锋前后,各种水质粒有着不同的含量及数密度,但形成水质粒的主要微物理过程都表现为:冰晶数密度的增加主要依靠核化、繁生,大部分雪主要靠凝华、撞冻过冷云水和冰晶增长,霰的质量增加主要靠撞冻雪、过冷云水和雪自动转化而来,大部分的雨水是由霰融化而来,因而此次冷锋降水机制表现为“水汽—雪—霰—雨水”。     

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。     

层状云微物理过程的数值模拟(一)——微物理模式

本文提出了一个比较完整的层状云参数化微物理方程组。根据理论和实验结果推导了18种层状云中常见的微物理过程中云滴、雨滴、冰晶、雪团和霰的群体比水量和比浓度的转化率，它们包括凝结（蒸发）、凝华、碰并、聚合、凇附、冰晶的核化、繁生以及冰—霰、雪—霰、云—雨的自动转化率等。     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

Effect of Different Microphysical Parameterizations on the Simulations of a South China Heavy Rainfall

A heavy rainfall event in south China was simulated by the Weather Research and Forecasting (WRF) model with three microphysics schemes, including the Morrison scheme, Thompson scheme, and Milbrandt and Yau scheme (MY), which aim to evaluate the capability to reproduce the precipitation and radar echo reflectivity features, and to evaluate evaluate their differences in microphysics and the associated thermodynamical and dynamical feedback. Results show that all simulations reproduce the main features crucial for rainfall formation. Compared with the observation, the MY scheme performed better than the other two schemes in terms of intensity and spatial distribution of rainfall. Due to abundant water vapor, the accretion of cloud droplets by raindrops was the dominant process in the growth of raindrops while the contribution of melting was a secondary effect. Riming processes, in which frozen hydrometeors collect cloud droplets mainly, contributed more to the growth of frozen hydrometeors than the Bergeron process. Extremely abundant snow and ice were produced in the Thompson and MY schemes respectively by a deposition process. The MY scheme has the highest condensation and evaporation, but the lowest deposition. As a result, in the MY scheme, the enhanced vertical gradient of condensation heating and evaporation cooling at low levels produces strong positive and weak negative potential vorticity in Guangdong, and may favor the formation of the enhanced rainfall center over there.     

Impact of cloud microphysical processes on hurricane intensity, part 2: Sensitivity experiments

Summary Seven different microphysical sensitivity experiments were designed with an objective to evaluate their respective impacts in modulating hurricane intensity forecasts using mesoscale model MM5. Microphysical processes such as melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors, suppression of evaporation of falling rain, the intercept parameter and fall speed of snow and graupel hydrometeors are modified in the existing NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) microphysical parameterization scheme. We studied the impacts of cloud microphysical processes by means of track, intensity, precipitation, propagation speed, kinematic and thermodynamic vertical structural characteristics of hurricane inner core. These results suggest that the set of experiments where (a) melting of snow, graupel and cloud ice were suppressed (b) melting of snow and graupel were suppressed and (c) where the evaporation of rain water was suppressed all produced most intense storms. The major findings of this study are the interconversion processes such as melting and evaporation among hydrometeors and associated feedback mechanism are significantly modulate the intensity of the hurricane. In particular an experiment where the melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors was eliminated from the model parameterization scheme produced the most explosively intensified storm. In the experiment where rain water evaporation was eliminated from the model, it produced a stronger storm as compared to the control run but it was not as strong as the storms produced from absence of melting processes. The impact on intensity due to variations made in intercept parameters of the hydrometeors (i.e., snow and graupel) were not that evident compared to other experiments. The weakest storm was noted in the experiment where the fall speeds of the snow hydrometeors were increased two fold. This study has isolated some of the factors that contributed to a stronger hurricane and concludes with a motivation that the findings from this study will help in further improvement in the design of sophisticated explicit microphysical parameterization for the mesoscale non-hydrostatic model for realistic hurricane intensity forecasts.     

北京一次短时局地大暴雨过程的特征及对云物理方案的敏感性数值模拟试验

云物理过程是云和降水形成的重要环节。本文针对2011年6月23日发生在北京地区的一次大暴雨过程进行了云降水与天气特征分析,并开展了WRF模式中10种不同云微物理方案对此次暴雨强度、落区和发生时间的敏感性数值模拟试验。研究结果表明,此次大暴雨是由多单体组织、合并形成深厚的中尺度对流系统,并具有明显的短时局地特征和有利的高低空、高低纬度大中尺度天气环流形势及强烈的水汽输送条件。暴雨强度、落区和发生时间的数值模拟结果对云物理方案非常敏感。不同云物理方案对累积降水量≥50 mm和≥100 mm的暴雨模拟的ETS评分显示,只有Thompson方案对此暴雨量级的评分均为正,其他方案的ETS评分均不理想,特别是对累积降水量≥100 mm的大暴雨模拟。在小时暴雨强度和发生时间方面,Thompson方案模拟效果也较好,其次是Lin方案和WSM6方案;对区域累积最大降水量和落区的模拟方面,Thompson方案和Morrison方案模拟的最大累积降水量更接近观测值,但在落区方面,一些具有完整云物理过程的单参数方案（Lin方案、WSM6方案）模拟效果较好,但模拟的最大降水量偏小。针对暖雨的双参数方案WDM6对区域平均降水模拟较好,但对暴雨极端降水模拟较差。对造成差异的原因分析表明,不同云物理方案的差异主要体现在雪和霰的参数化方面,由于采用的粒子谱分布、密度和末速度不同,导致云中粒子间的碰并和形成过程不同,大部分云物理方案模拟的霰含量高,雪含量低。这种云微物理过程的差异会导致云动力过程的反馈作用出现明显不同,但这种反馈作用的差异主要体现在降水粒子对上升气流的拖曳作用不同。尽管云中相变潜热过程对云动力过程具有很重要的影响,但不同云物理方案在相变潜热过程和温度廓线分布方面造成的差异并不明显。因此,云物理方案中考虑合理的粒子谱分布、形态和密度变化,有利于提高暴雨的模拟效果。     

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25 °×0.25 °高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统（MCS）发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程（1×10-4g/(kg·s)的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。      

A Comparison of Two Bulk Microphysics Parameterizations for the Study of Aerosol Impacts on an Idealized Supercell

Idealized supercell storms are simulated with two aerosol-aware bulk microphysics schemes(BMSs),the Thompson and the Chen-Liu-Reisner(CLR),using the Weather Research and Forecast(WRF)model.The objective of this study is to investigate the parameterizations of aerosol effects on cloud and precipitation characteristics and assess the necessity of introducing aerosols into a weather prediction model at fine grid resolution.The results show that aerosols play a decisive role in the composition of clouds in terms of the mixing ratios and number concentrations of liquid and ice hydrometeors in an intense supercell storm.The storm consists of a large amount of cloud water and snow in the polluted environment,but a large amount of rainwater and graupel instead in the clean environment.The total precipitation and rain intensity are suppressed in the CLR scheme more than in the Thompson scheme in the first three hours of storm simulations.The critical processes explaining the differences are the auto-conversion rate in the warm-rain process at the beginning of storm intensification and the low-level cooling induced by large ice hydrometeors.The cloud condensation nuclei(CCN)activation and auto-conversion processes of the two schemes exhibit considerable differences,indicating the inherent uncertainty of the parameterized aerosol effects among different BMSs.Beyond the aerosol effects,the fall speed characteristics of graupel in the two schemes play an important role in the storm dynamics and precipitation via low-level cooling.The rapid intensification of storms simulated with the Thompson scheme is attributed to the production of hail-like graupel.     

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。     

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.