卷云数值模式和对流性卷云数值模拟

本文建立了两线面对称、滞弹、非静力平衡,包含有水汽、云水、云冰、雪晶和霰五种水元间各种微物理过程的卷云模式。运用该模式对卷云对流胞的典型环境作无切变和有4×10~(-3)s~(-1)的风切变两种情况模拟表明,风切变环境下的对流较弱,但最大上升气流仍达2.71m/s。无风切变环境下卷云对流易于向两边传播,而当存在强风切变作用时,对流向上风方传播。模拟卷云的宏、微观结构及其演变特点与国外飞机穿云、卫星和地面遥感等观测结果十分一致。模拟表明卷云对流的下沉气流及下落冰粒子的蒸发冷却激发出的新的上升气流是卷云多核心结构和对流卷云向层状卷云演变的重要机制;卷云中过饱和度对冰晶核化的依赖和抑制是卷云冰晶浓度远低于FLETCHER浓度的一个主要原因。     

一次强降水过程的中尺度对流系统模拟研究

1998年5月23～24日在珠江三角洲地区发生的特大暴雨过程是华南暴雨试验(HUAMEX)加密观测期间的一个典型个例,卫星云图与降水分布表明这是锋面附近与锋前暖区发生的两个中尺度对流系统(简称MCS)造成的强降水。使用非静力原始方程模式MM5较为成功地模拟了这次暴雨过程。根据数值模拟的结果,本文着重分析了发生在锋面上和锋前暖区的两类MCS的中尺度特征,并探讨了这两类MCS的差别。结果表明,两类MCS具有某些共同的中尺度特征,即对流系统的底层和顶部分别存在β尺度的低压和高压中心;低层流场辐合而在对流雨团的顶部辐散出流;对流系统内部具有暖心结构等,但锋面上的MCS较暖区中的对流系统具有更强的斜压性;二者内部的流场与三维运动结构也具有不同的特征,来自西南和偏南方向的空气从底部流入锋前暖区MCS时受到中低压的气压梯度力作用而加速;而锋面上MCS中不仅有来自锋前的暖湿空气,而且还有来自锋后的冷空气参加对流。MCS高空反气旋式发散气流和空气的加速运动反映出MCS顶部存在中尺度高压及向外的气压梯度力,轨迹分析也证明了MCS上空气流的这种非地转特征。     

一次高原强降水过程及其云物理结构的数值模拟

本文利用中尺度WRF数值模式,对2010年8月7—8日发生在青藏高原东部一次强降水过程进行数值模拟,利用常规观测资料、FY卫星云图和数值模拟结果对此次强降水过程的宏微观演变特征和降水机制进行分析。本次模拟选用Milbrandt-Yau(MY)微物理方案,有较为完整的双参数计算过程,较为全面地考虑了各类云物理过程,对云微物理结构的描述和处理精细而复杂。结果表明,此次强对流降水发生在副热带高压与南亚高压相连、中高纬短波槽分裂南下、并与西南暖湿气流相遇形成低涡切变线的有利天气形势下,西南暖湿气流带来大量水汽、降水区存在大量不稳定能量、以及低层辐合高层辐散的高低空配置为暴雨发生发展提供了必要条件。WRF模式较好地模拟出了此次强降水过程的降水落区、降水中心和降水量级,对青海平安和甘南上空云团合并过程、强对流云团范围也模拟较好。对云微物理结构的分析结果表明,此次对流云降水为冷云降水,暖层浅薄,冰相粒子丰富,其中霰粒对过冷水的碰冻能力最强,使得其含量远大于冰雪晶含量,其融化是雨水的主要来源。雪晶含量最少,或与其碰冻过冷水能力较弱有关。     

海面对流边界层垂直结构的数值模拟

冬季冷空气爆发进入暖海面时,海面边界层属与典型的对流边界层。此情况下,一般而言梯度输送理论(即一阶K闭合方法)是无能为力的。Wgnsaard(1984)提出了被动保守标量场的底直向上(bottom-up)和顶直向下(top-down)湍流交换模型。本文将它推广应用到风场相温度场,并用它模拟了冷气团入海期间海面边界层的结构。与实测资料比较,两者能吻合较好。     

层积云覆盖的边界层的数值模拟研究(Ⅱ): 数值模拟结果分析

着重分析了文献[1]新建立的层积云覆盖的边界层的数值模式对大涡模拟对比试验中个例模拟的结果。并将数值模拟结果与一些已有的观测和数值模拟结果进行了对比。分析结果表明,该边界层模式能较合理地模拟海区层积云覆盖的边界层的微湍流结构和云的微物理过程。     

2001年8月初上海强暴雨中尺度对流系统的数值模拟研究

利用NCEP的ETA模式对 2 0 0 1年 8月 5～ 6日导致上海地区产生大暴雨的中尺度对流系统的发生发展过程进行了数值模拟。模拟结果基本再现了对流云团加强合并形成中尺度对流系统的过程 ,所模拟的降水分布、最大降水中心位置与实测结果基本一致。模拟结果还显示其中的一个中尺度对流系统是由于位于其西南部的一支低空急流的直接流入才发展起来的     

引起“碧利斯”强降水的MCS数值模拟研究

利用多种观测资料和数值模拟,对0604号强热带风暴碧利斯登陆后在湖南、广东等地引发强降水的中尺度对流系统活动特征进行了分析.结果表明,在"碧利斯"登陆后西行减弱过程中,由于西南季风的持续维持,"碧利斯"减弱后的低压环流中仍保持有强降水所需的充足水汽供应,造成局地强降水的MCS十分活跃.ARPS模式较好地模拟了7月15日发生在湖南南部的中尺度降雨过程,并揭示出"碧利斯"变性过程中,环境风场垂直切变结构强迫的次级环流决定了MCS活动特点,同时利用湿Q矢量诊断了低压次级环流的垂直运动特征.造成这次强降水过程的MCS在台风低压切变线以北的偏北潮湿气流中生成发展,低层偏北急流造成的动力辐合效应、对流不稳定性层结的建立是MCS在湖南南部迅速发展的重要原因.     

WRF微物理方案对四川一次强降水模拟的影响

云物理过程是中尺度数值模式中最重要的非绝热加热物理过程之一,成云降雨过程发生以后通过感热、潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流,并在决定大气温度、湿度场的垂直结构中起着关键作用,也是人们最为关心的降水预报的关键所在。因此在中尺度数值天气预报模式当中,更加准确的描述云物理过程将能够很大程度上提高模式预报降水能力。本文利用WRF模式,对2010年7月14~18日四川一次强降水过程进行了3组数值模拟实验,每组实验采用了不同的微物理参数化方案。方案的选取上主要采用了WRF模式3.0版本后加入的几种新方案,包括(1) WDM6方案(2) New Thompson方案(3) SBU-YLIN方案,在其他参数设置均相同的情况下,首先详细分析了在整个降水过程的各个阶段,3种方案下模式模拟结果与实况的差异,以及3种方案结果之间的差异。认为在降水初期,WDM6方案的模拟结果对比实况来看盆地东部降水中心偏南,而New Thompson方案和SBU-YLin方案模拟的雅安地区降水中心强度和范围都过大,但对于盆地东部的降水中心模拟较好,New Thompson方案对广元地区的降水模拟较实况偏弱。总体看来,New Thompson方案和SBU-YLin效果相当,WDM6略差。在大范围降水产生的时期,3种方案模拟的效果与实况都非常接近,只是各方案对乐山宜宾一线雨带的模拟都有不同程度的加强,使得这一线成了整个区域的最强的中心,其中SBU-YLin方案加强最大,New Thompson方案次之,而实际过程中这一时期最强中心还是在川东北一带。WDM6方案模拟降水强度与实况最为接近,但中心偏东。其中7月16日18时~17日06时是各方案模拟效果最好的一个时段。3种方案给出的的模拟结果相差并不大,较难得出哪种方案的结果最好的结论,但可以初步看出,对于本次降水量级的模拟来讲,WDM6方案模拟降水的量级较好,较少出现模拟过强的现象,而SBU-YLin方案通常模拟的降水中心强度都要大过实际;从降水落区上来看,SBU-YLin方案的表现较好,WDM6方案则有一定偏差。在这两方面New Thompson方案都介于以上两方案之间。最后初步分析了各方案模拟所得的水相参量,主要包括水汽、云水、云冰、雨、雪和霰粒子的混合比,认为造成各方案之间降水差异的原因,主要是各方案处理云水粒子的差别造成。     

青藏高原东侧一次β中尺度对流系统的数值模拟

利用PSU／NCAR的高分辨率中尺度非静力数值模式MM5，模拟了2001年9月18日发生在青藏高原东侧的绵阳大暴雨过程。结果表明，高分辨率数值模式对触发本次降水过程的β中尺度对流系统具有较好的模拟能力。高分辨率模拟输出显示“9．18”绵阳大暴雨与边界层内一个中尺度辐合扰动的发展和移动相伴，且中尺度辐合扰动还诱发了一个时间尺度约为6h的β中尺度涡旋和强烈发展的降水雨团。模拟还显示受高原地形影响，该β中尺度对流系统具有独特的动力和热力结构。其动力特征是强上升运动和超强散度柱与对流层低层强涡度互耦发展，热力特征是对流层低层具有对流不稳定能量，中层具有斜压不稳定能量。中尺度对流系统具有两支上升人流和两支下沉出流，低层人流(东南气流)触发低层对流不稳定能量释放，中层人流(高原近地层偏西暖湿气流)触发中层大气斜压不稳定能量释放，两种不稳定能量共同作用促使对流雨团强烈发展，形成绵阳大暴雨。     

强降水云物理过程的三维数值模拟研究

利用改进的三维完全弹性强对流云模式,模拟了1998年7月21日晨发生在武汉附近的特大暴雨个例,结果显示,该模式模拟得到的降雨量与实测接近,计算得到的雷达回波强度最大值也与实际观测相一致,说明该模式对实际对流性强降水具有较好的模拟能力.在此基础上,通过冷云和暖云两种不同情况的比较分析,研究了云微物理过程在强降水形成过程中的作用.模拟结果表明,详细云物理过程的考虑对深入理解武汉这次强降水的形成过程是有意义的.该个例雨水的形成主要是暖雨过程,冰相微物理过程对该对流性强降水过程的发展和演变有重要的促进作用.在形成雨水的冷相过程中,霰的融化及其在0 ℃层下碰并云水形成雨水的过程是主要的.模式云在0 ℃层附近存在明显的雷达回波亮带,亮带中间含有强回波核和及地下挂回波.分析表明,这种强回波核和下挂回波的产生主要是由于冰相粒子在0 ℃层融化形成的,融化的冰相粒子与云滴碰并又加速雨水的产生.在这些融化的冰相粒子中,贡献最大的是霰粒.文中还分析了该强降水暴雨云维持长时间强降水的云物理机制.在低层大气温暖高湿和环境风切变有利条件下,倾斜上升气流和下沉气流之间的准稳态结构可能是暴雨强降水得以长时间维持的重要原因.     

河南春季一次强降水过程水汽收支和微物理过程数值模拟

利用ARPS模式对2007年3月3-4日河南一次大范围强降水过程进行了数值模拟,并在此基础上,分析了该暴雨过程的天气形势和水汽条件,计算了暴雨发生过程中选定区域内水汽输送、水汽收支和空中各相态水物质的量值大小及其转化关系。结果表明：这次强降水主要是受850 hPa西南涡和地面江淮气旋影响;水汽来自孟加拉湾和南海;计算区...     

一次梅雨暴雨过程的数值模拟

运用中尺度暴雨MRM模式,采用常规报文资料作为初始场,对2003年7月8-10日的一次江淮地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：该模式对降水场模拟结果同实况基本相似,模式对暴雨的位置、强度、中心都有较好的模拟,嬲评分较高;西南气流对水汽的输送作用及江淮地区上空水汽通量的高值区,为暴雨的形成与维持提供了重要的水汽条件,水汽辐合区与暴雨落区相对应;中低层辐合、高层辐散的散度垂直分布形势,对暴雨的发生提供了十分有利的动力条件;强降雨出现在低层正涡度中心和负散度中心附近。     

重庆市"5·29"暴雨天气过程诊断分析与数值模拟

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值预报模式MM5和双向二重嵌套网格技术,对2004年5月29~30日重庆市暴雨天气过程进行数值模拟。诊断分析表明,高空低槽产生的冷锋云系发展东移是产生此次暴雨天气过程的主要大尺度天气系统,由高空槽诱发产生的中尺度涡旋是产生此次暴雨天气的主要中尺度系统。模拟结果与观测结果的对比显示表明,MM5中尺度数值预报模式能够成功模拟四川盆地东部的暴雨天气过程,同时揭示了高空槽东移过程中在重庆地区范围内产生的较强中尺度气旋性辐合和强烈上升运动促使了暴雨的产生。     

淮河流域暴雨过程模拟分析

以2003年7月3～4日发生在淮河流域特别是安徽省北部的强降水过程为例,利用全物理过程的中尺度气象模式MM5对此次暴雨过程进行数值模拟,通过对暴雨过程中、低层的环境背景、降水量、降水生命期和降水总体分布随时间演变的趋势以及中尺度对流系统的雷达回波特征等方面的检验,发现MM5模式对此次大暴雨过程具有一定的模拟能力,模式基本可以模拟出中α尺度和100km左右的中β尺度天气系统,但对于时空尺度更小的且发展比较强盛的中β（γ）尺度系统,则有较大的局限性。利用高分辨率模式输出结果验证了低层中β尺度辐合线是造成此次大暴雨的中尺度影响系统,并通过对物理量场特征的分析得到该辐合线的三维结构特征。     

泰山地形对一次局地强降水过程动力作用的数值模拟分析

文章针对2005年9月2日发生在济宁郭楼镇的一次泰山背风下游区局地特大暴雨过程（438 mm/7 h）,利用济南SA雷达资料和WRF中尺度数值模式资料,分析了泰山山区地形造成的对流层中低层大气动力过程及其对暴雨中尺度系统的影响,开展了地形敏感性数值试验。结果表明：对流层低层回流南下的东北气流受鲁中山区地形影响,水平方向发生绕流,垂直方向被迫抬升,从而在泰山背风向的暴雨区附近形成准定常的绕流汇合区和重力波扰动区,两项作用强迫的垂直运动,与天气系统辐合区共同作用触发该地区的对流活动,并使移入该地的对流系统增强和维持。改变地形后引起低层风场和散度场变化,进而影响降雨带中的强降水落区和强度,但对主雨带的分布无明显影响。     

98.7湖北特大暴雨的天气分析与降水模拟

1998年7月20～23日，湖北省南部发生了一次持续性特大暴雨过程，采用双向嵌套的非静力中尺度数值模式(MM5)对这次强暴雨过程进行初步模拟试验。结果表明，粗、细网格均能较好地模拟出雨带的走向和变动以及武汉地区的暴雨中心，尤其是嵌套域(细网格)模拟的降水强度比粗网格有明显改进，和实际观测结果更接近；另外，对引发这次特大暴雨的对流层低层的中尺度系统也能够很好地模拟出来。     

积云对流参数化方案对气候数值模拟的影响

利用一个“全球五层大气环流谱模式”,试验和比较了三种不同积云对流参数化方案,即Manabe方案、Kuo方案和Arakawa-Schubert（A-S）方案,对全球气候数值模拟的影响。数值模拟的结果表明了三种方案对全球降水的模拟差别较大,差别比较明显的区域是东亚、北美和北非,且夏季的差别比冬季大。与实况相比,采用Kuo方案对东亚季风降水的模拟结果较好,而采用A-S方案对热带西太平洋、热带印度洋与北美地区降水的模拟结果较好,但采用Manabe方案却模拟不出东亚地区夏季风降水特征;并且从环流数值模拟的结果看,采用这三种方案均模拟出北半球冬、夏季中、高纬地区的环流结构,但与实况相比,采用Kuo方案能较好地模拟出冬季极涡分裂过程,并能较好地模拟出中高纬地区和东亚地区的环流系统,而采用A-S方案能较好地模拟出冬、夏季北美环流系统和太平洋副热带高压;此外,这三种方案对加热场与水汽场的描述方面也有很大不同,A-S方案的结果呈现出不同于Kuo和Manabe方案结果的特征,表明了A-S方案能反映强对流特征,而Kuo方案和 Manabe方案所描述的加热场和水汽场虽有相似之处,但在30#+[o]N以南的副热带地区,Kuo方案所描述的对流系统加热要比Manabe方案强。     

低纬高原地形对强降水过程影响的数值试验研究

在对云南2001年5月31日～6月2日的强降水过程较为真实模拟的基础上,对云南特有的地形对此次强降水过程的影响进行了对比试验.结果表明:红河河谷的喇叭口地形结构对此次云南强降水的落区和降水强度都有着不可忽视的作用,它不但能改变近地层气流的走向,而且对低层水汽通量散度分布也有一定的影响;同时,改变云南南部地形对此次强降水过程的气流走向和水汽分布也都有影响,但相对而言不如红河河谷的作用显著;而降低云南东北部地形,则使云南北部的近地层气流辐合线发生变化,它主要对此次云南北部地区的降水产生影响,但对该地区水汽输送影响不大.     

四川盆地暴雨对初值敏感性的模拟研究

本文基于区域暴雨数值预报模式AREM,针对2007年7月发生在四川地区的多次强降水过程进行数值试验,检验了NCEP和站点资料(STN)初始分析场资料预报结果,发现由于台站资料稀少,NCEP资料在四川地区的评分较高。讨论了四川盆地降水对初值的高度敏感性,揭示了四川盆地降水对初值中各个物理量场的不同敏感性,其中,降水对初值中湿度场的响应最为显著。初值不仅决定着降水的范围和强度,还对降水的发生时间产生明显影响。