华北暴雪的云微物理参数化方案的比较模拟

用MM5模式模拟2004年12月20-23日发生在华北地区的一次暴雪天气的发生发展及其演变过程.在四个嵌套网格区域内分别采用Goddard方案(试验G)和Reisner 2方案(试验R)的两个纯显式冰相云微物理参数化方案进行试验.模拟结果表明:试验G和试验R均可以较好的模拟暴雪过程中的环流形势演变、降雪分布和强度,并且两个试验的结果差别不大,但是云中的微物理过程有很大的不同.试验G的主要云微物理过程包括云水的凝结增长、云冰的凝华增长、云冰初始化、云冰被雪碰并、云水被雪碰并、雪的凝华增长、云冰的Bergeron过程等;而试验R的主要云微物理过程包括云冰的凝华增长、云冰转化成雪、雪的凝华增长和霰的凝华增长等.     

一次梅雨锋暴雨过程数值模拟的云微物理参数化敏感性研究

梅雨锋暴雨中的云微物理过程对降水的演变有着重要影响。本文通过WRF模式（3.4.1版本）,针对2018年6月29～30日一次梅雨锋背景下的暴雨过程进行数值模拟,分别采用了Morrison、Thompson和MY云微物理参数化方案进行对比分析,结果发现:（1）三个方案模拟的背景场在天气尺度上,都与ERA5再分析资料一致,能够模拟出有利于强降水发生的环流场。云微物理过程对梅雨期暴雨的局地环流有着显著影响,不同方案存在明显差异,本次过程中,Thompson方案模拟出更强的局地环流系统变率和上升气流。三个方案的模拟降水均有所夸大,小时降水率始终大于观测值。冰相粒子融化或雨滴搜集云滴的高估可能是造成降水模拟值偏强的重要原因之一,总体来看,Morrison方案的模拟效果相对最优。（2）冰相粒子融化、雨滴搜集云滴是雨滴增长的关键源项,蒸发则是其最重要的汇项。总的来说,雨滴对云滴的搜集量大于冰相粒子融化。但上述过程在不同方案中存在空间上的差异,从而使得模拟降水的空间分布存在差异。（3）Thompson方案中,冰相粒子融化量最大,雨滴蒸发项显著大于其它两个方案,在底层表现得最为明显。同时,该方案水汽凝结效应最强,使得雨滴搜集更多云滴。该方案模拟的雨滴最多,降水最强。该方案中凝华的主要产物为雪,且其在与过冷水碰并增长过程中占主导地位,故模拟的雪最多。（4）Morrison方案中,水汽主要凝华为雪和少量霰（冰晶忽略不计）;Thompson方案中水汽基本凝华为雪,其它冰相粒子极少;MY方案中,水汽主要凝华为雪和冰晶,冰晶总量略少于雪,但显著大于其它方案。（5）云滴在凇附过程中的总体贡献大于雨滴。Morrison和MY方案中,霰粒子搜集云滴增长的量均最大。Morrison方案中,其它凇附过程不同程度发挥作用,而MY方案中,其它凇附过程几乎可忽略不计。并且,霰粒子搜集云滴的增长量大于凝华过程产生的雪粒子总量。贝吉龙及凇附效应的差异,是不同方案中冰相粒子分布差异的关键原因之一。     

山东一次连续性降雪过程云微物理参数数值模拟研究

利用PSU／NCARMM5V35非静力数值模式对2005年2月14—16日山东连续性降雪过程进行了数值预报，模拟的降雪开始时间、发展演变及持续时间与观测较一致。在成功模拟的基础上，用模式输出预报资料，特别是采用Reisner混合冰相过程计算的云水、雨水、冰晶、雪晶等比含水量数值，对降雪过程的水汽输送、不同发展阶段微物理参数的演变特征进行了分析。结果表明，来自南海的西南急流和低层的东南风水汽输送，850hPa中尺度切变线的维持和低涡的发生、发展，为暴雪的产生提供了宏观条件；模拟的运动场和微物理场的时空演变表明，垂直运动是水汽凝结、冻结和冰粒子碰并和“蒸-凝增长”的运动学条件。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

WRF模式不同云微物理参数化方案对东亚夏季风模拟影响的研究

利用WRF v3.2.1模式,采用其中5种云微物理参数化方案对2007—2011年的东亚夏季风气候进行了模拟研究,结果显示:5种方案均能较好地模拟出我国东部地区夏季降水的基本分布,但各方案对降水中心强度及其分布的模拟仍然存在明显的差异,总体来看,WDM6方案模拟的东亚夏季降水强度明显比其他4种方案大,而Morrison方案对降水的模拟总体效果好于其他4种方案。从云微物理角度来看,5种云微物理参数化方案均能比较合理地描述云水、雨水及冰相粒子的空间分布状态。其中,WSM3方案计算的云水、雨水质量混合比明显比其它方案大,WDM6方案计算的云水质量混合比则较小,而Morrison方案计算的雨水质量混合比较小,再者该方案冷云中霰粒子浓度偏小,因而Morrison方案在粤闽两省的夏季日降水量模拟比其他方案小,从而与TRMM观测结果更为接近。采用5种云微物理参数化方案均能较好地模拟出春、夏季西太平洋副高、雨带和大气水凝物在东亚地区的季节进退过程。5种方案模拟的雨水粒子浓度分布和中纬度雨带在南北进退过程中的位置较为吻合,两者均跟随西太平洋副高北进、南退。对于中低纬度存在的大降水中心来说,其位置少动,并且与该地区存在的的冰晶、雪晶粒子的高值中心具有较好的对应关系,说明在中低纬度地区,与热带对流相伴随的较高层次的冰相粒子数的浓度是决定降水强弱的关键因素。     

不同云微物理参数化方案对舟曲"8.8"暴雨过程模拟的影响

利用NCEP 每6h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用Kessler 方案、Lin 方案和Morrison 双参数方案等3 种云微物理参数化方案,对2010 年舟曲"8.8"特大暴雨天气进行了数值模拟试验,以分析不同参数化方案对降水特征、物理量特征和云微物理特征模拟的影响.结果表明,此次暴雨过...     

云微物理过程对强对流风暴的影响之数值模拟研究

本文运用三维对流云模式对美国SPACE计划(South Park Area Cumulus Experiment)1977年7月19日South Park地区一例强对流风暴进行了模拟,目的是考察不同云微物理过程对风暴的影响.不同微物理方案模拟对比有助于我们加深对风暴内部微物理过程的了解.结果表明,不同微物理方案模拟的风暴内部动力场、强度有所不同.不考虑冰相过程的暖雨方案,模拟的风暴最弱;冰相过程中仅考虑冻结/融化潜热释放,模拟的风暴强度在后期稍弱.由于降水绝大部分由霰、雹转变而来,以及霰、雹粒子对运动场的影响及其相变潜热作用,冰相过程中如果不考虑霰、雹的模拟方案,模拟风暴的动力场及降水场都发生改变.     

鄂西北夏季对流云降水微物理过程数值模拟

为了深入研究对流云降水微物理过程特征,为局地对流降水预报和人工增雨提供更多的参考依据,利用三维双参数对流云模式,使用常规单站探空资料,开展湖北两北部山地夏季对流降水实例的批量数值模拟,使用地面降水量和雷达回波资料检验模拟效果,统计分析降水微物理过程特征,归纳总结冰相粒子的形成、增长机制,以及液念水和冰相粒子的相互转化机制。结果表明：（1）对流云模式能够较好地模拟实际对流降水的一些宏观微观特征;（2）当地夏季主要是对流冷云降水,冰相过程是形成降雨的主要物理过程;（3）冰相过程巾过冷水、霰、冰晶之间的相互转化过程是主要的冷云降水形成机制。     

微物理过程参数化方案对辽宁一次暴雪的数值模拟差异分析

利用WRFv3.9.1中尺度数值模式,采用Lin、WSM6、Thompson、WDM6四种微物理过程参数化方案对2007年3月4日辽宁特大暴雪过程进行了数值模拟研究。使用61个国家级气象站降水观测资料,评估了模式对此次降水过程的模拟能力,对比分析了不同微物理过程参数化方案模拟降雪过程中相态变化和水成物空间分布的差异。结果表明:4种微物理过程参数化方案均能模拟出与CloudSat卫星反演反射率分布相接近的结果,其中Thompson方案模拟的回波顶更高,向北伸展的范围也更大,其他3种方案回波顶高均在8 km附近。4种方案对降水落区的模拟略有差异,整体来看WSM6方案对本次降水的极值中心位置,以及不同降水量级的TS评分整体都优于其他3种参数化方案。降水相态模拟与观测的对比分析发现,WSM6、Lin和WDM6三种方案均能够模拟出雨雪分界线不断南压的过程且雨雪分界线位置准确,而Thompson方案对辽宁南部地区雨转雪时间模拟偏晚。从云微物理特征上看,4种方案均能模拟出大气低层存在的雨水粒子,其中WDM6方案模拟的雨水含量明显较其他3种方案更多,Thompson方案模拟出更多的雪粒子和最少的霰粒子,Lin方案霰粒子南北范围广、伸展高度高,WSM6和WDM6两种方案模拟出较少的霰粒子,这两种方案模拟的云冰高度也更低,正是各种水成物空间分布的差异决定了不同微物理过程参数化方案对降水量和降水相态模拟的差异。      

一次热带海洋对流云微物理过程的数值模拟

为了理解微物理过程以及次生对流云对热带对流云团发展演变过程的影响,利用二维云分辨模式对2006年1月20日靠近澳大利亚西北部的印度尼西亚暖池附近的一次对流云降水过程进行数值模拟,分析了对流云发展演变不同阶段各种微物理过程的特征,尤其对次生对流的形成以及并合过程进行了深入分析.结果表明:本个例所研究的热带对流云团具有发展...     

北方一次强降雪过程的中尺度数值模拟

利用中尺度数值模式MM5对2003年3月14~16日发生在内蒙古中部偏南地区的一次强降雪过程进行了二重嵌套的48 h数值模拟研究。结果表明:模式较好地模拟了本次过程强降雪中心的强度、位置以及强降雪的时间变化。导致本次过程降雪产生的主要影响系统是地面倒槽和700 hPa中α尺度低涡,其影响时间相对持久。强降雪的出现则是由于高空短波槽产生的高层强辐散强迫与低层增强的辐合相互耦合所致。高低层系统这一适宜配置的维持时间相对短暂,却导致了本次过程降雪强度的两个峰值的出现。同时,中α尺度低涡的形成和加强及其与低空暖湿急流的适宜配置也是强降雪产生的一个有利因素。阴山山脉对本次过程强降雪的强度和位置具有重要影响:山脉使降雪在其南麓增强,北麓减弱。山地强迫抬升是导致这一结果的直接原因。另外,山地在其迎风坡使上升运动增强的同时也使正涡度减小和低层辐散增强。     

山东降水云系微物理结构数值模拟和播云条件分析

利用MM5V3.5中尺度数值模式和现有基本气象业务资料,对主要影响山东的2003年4月17日春季暴雨和2002年10月24~25日秋季冷锋降水过程进行数值预报,在预报效果较为理想的基础上,利用模式输出资料,特别是利用Reisner霰方案计算的云水、雨水、冰晶、雪和霰比含量数值,分析了中尺度对流云系不同发展阶段、冷锋层状云系不同部位的云降水微物理结构特征和差异,展示了背景场动力、热力和水汽输送等条件在云降水过程中的主导作用,并分析了降水云层可进行人工催化的条件。     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

华北平原一次大雾天气过程的数值模拟

应用非静力平衡中尺度模式MM5V3,模拟分析了2005年11月19-21日发生在华北平原的一次大雾天气过程.结果表明,本次大雾是发生在相对稳定的大气环流背景下的辐射雾.模拟的天气形势与实况基本一致,模拟雾在范围、强度、生消时间等方面基本反映了实际大雾的生消变化规律.近地层逆温的维持和充沛的水汽条件对雾层长时间维持起着重要作用.诊断分析表明,大雾维持期间,雾区近地面层处在弱的水汽辐合区;900 hPa以上为辐散区和负涡度区,整层大气中下沉运动占主导,大规模的下沉辐散运动有利于中低层大气增温,与近地层的辐射降温相配合,有助于边界层内形成逆温;冷暖平流的作用也有助于逆温形成;地面和大气的长波辐射冷却,是最主要的降温因子;太阳短波辐射是导致大雾减轻及日变化的主要原因.     

The Microphysical Characteristics of Wintertime Cold Clouds in North China

The microphysical characteristics of wintertime cold clouds in North China were investigated from 22 aircraft observation flights from 2014 to 2017, 2020, and 2021. The clouds were generated by mesoscale weather systems with little orographic component. Over the mixed-phase temperature range (–40°C to 0°C), the average fraction of liquid, mixed-phase, and ice cloud was 4.9%, 23.3%, and 71.8%, respectively, and the probability distribution of ice mass fraction was a half-U-shape, suggesting that ice cloud was the primary cloud type. The wintertime mixed-phase clouds in North China were characterized by large cloud droplet number concentration, small liquid water content (LWC), and small effective diameter of cloud droplets. The main reason for larger cloud droplet number concentration and smaller effective diameter of cloud droplets was the heavy pollution in winter in North China, while for smaller LWC was the lower temperature during flights and the difference in air mass type. With the temperature increasing, cloud droplet number concentration, LWC, and the size of ice particles increased, but ice number concentration and effective diameter of cloud droplets decreased, similar to other mid-latitude regions, indicating the similarity in the temperature dependence of cloud properties of mixed-phase clouds. The variation of the cloud properties and ice habit at different temperatures indicated the operation of the aggregation and riming processes, which were commonly present in the wintertime mixed-phase clouds. This study fills a gap in the aircraft observation of wintertime cold clouds in North China.     

华北平原地下水灌溉对区域气候影响的数值模拟

在耦合模式WRF/Noah-MP中加入考虑地下水过程的动态灌溉方案,设计两组试验（分别为考虑和不考虑地下水灌溉）,连续模拟10 a（2001—2010年）,来研究华北平原地下水灌溉的区域气候效应。结果表明,地下水灌溉导致华北平原地下水位下降,在少雨的季节灌溉量大,水位下降较快。在灌溉期（3—9月）,灌溉引起的土壤湿度升高影响了地表能量的分配（潜热增加,感热减少）,导致2 m气温显著降低0.6—1.0℃,同时也降低了灌溉区夏季模拟偏高的气温。灌溉对灌溉区边界层大气有升高湿度和冷却降温的作用,对春季的影响局限在边界层内,而夏季的影响持续到5000 m以上。夏季灌溉对降水的影响远强于春季,灌溉的升高湿度和冷却效应分别对夏季降水产生正反馈和负反馈,共同影响灌溉区的降水变化。灌溉通过对水汽输送的影响,引起非灌溉区降水的变化,而长江中下游流域夏季降水的增多可能与高空西风急流轴位置南移有关。      

长江中下游一次暴雪冻雨微物理过程模拟研究

根据NECP1°×1°客观再分析资料和常规观测资料,利用中尺度数值模式WRF对2008年1月25—29日长江中下游暴雪冻雨过程进行了数值模拟,结果表明：WRF模式可以很好地模拟出此次强降雪过程高低空环流形势演变特征以及降水带的分布。分析表明,中层西南急流对暖湿空气的输送以及低层冷空气的持续扩散为暴雪和冻雨的发生提供了很好的温度层结条件。云微物理过程特征分析表明,此次暴雪冻雨过程存在多种云系共同降水,中低空600—850 hpa强逆温层尤其是0 ℃层的存在使得雪、冰晶等冰相粒子融化形成过冷却水,是大范围冻雨形成的必要条件,同时也是区分大范围冻雨暴雪形成的重要条件。     

不同边界层方案对一次华北暴雨数值模拟的敏感性研究

以2010年8月17—19日华北地区的暴雨事件为研究对象,采用中尺度数值模式WRF,通过8个数值实验测试暴雨事件模拟结果对不同边界层方案的敏感性。结果表明,采用不同边界层方案的模拟结果存在明显差异。分辨率为12 km时,7个边界层方案实验均模拟出类似观测的四处较强降水,但模拟得到的降水强度和强降水中心位置与实况有所差异,NOPBL实验模拟的雨带收缩,降水相对其他模拟实验较少且更为集中。分辨率为4 km时,采用边界层方案的7个实验均可见小尺度降水结构,模拟出较多虚假降水中心,而在NOPBL试验中降水的小尺度结构不明显。检验表明:分辨率为12 km时,MYJ试验的TS评分、相关系数和误差分析等整体表现最优,分辨率为4 km时,Bou Lac试验整体表现最优。与NOPBL试验相比,加入MYJ边界层方案后,模拟的水汽输送增加、上升运动及涡散度绝对值增大。     

一次阻塞型华北对流性暴雨过程的诊断分析和数值模拟

利用常规和地面加密气象观测资料、卫星云图、NCEP再分析资料及中尺度模式MM5,对2006年7月23日一次阻塞型华北暴雨过程进行了诊断分析和数值模拟。结果表明,此次暴雨过程发生在以东西伯利亚阻塞高压为典型特征的大尺度鞍型场的背景下,宽广的低压区及高、低空急流次级环流为中尺度对流系统(MCS)的发生、发展提供了适宜的环境和动力强迫;700hPa和850hPa天气尺度的偏西水汽输送和低涡北侧的偏东水汽输送改善了环北京地区的水汽条件,暴雨发生前850hPa中尺度西南水汽输送对北京暴雨的发生有直接影响;MM5模式再现了导致MCS的形成及演变过程;中-β尺度MCS是这次暴雨的直接触发系统,其水平尺度约为0.5个经距,垂直方向由地面伸展到300hPa左右,具有典型的暖心结构,辐合、辐散中心分别位于900hPa和400hPa;MCS北侧强垂直次级环流为强对流的产生创造了有利条件。同时,MCS南侧相当位温的强梯度高能区及该区域的不稳定能量输送也是暴雨发生的重要条件。     

Impact of Horizontal Resolution and Cumulus Parameterization Scheme on the Simulation of Heavy Rainfall Events over the Korean Peninsula

In this paper, we present the results from high-resolution numerical simulations of three heavy rainfall events over the Korean Peninsula. The numerical results show that the prediction accuracy for heavy rainfall events improved as horizontal resolution increased. The fine-grid precipitation fields were much closer to the real precipitation fields in the case of large synoptic forcing over the Korean Peninsula. In the case of large convective available potential energy and weak synoptic forcing, it seems that even when using a high resolution, the models still showed poor performance in reproducing the observed high precipitation amounts. However, activation of the cumulus parameterization scheme in the intermediate resolution of 9 km, even at a grid spacing of 3 km, had a positive impact on the simulation of the heavy rainfall event.