基于CloudSat资料的青藏高原地区云微物理特征分析

青藏高原云物理特征的认识对高原天气和气候的研究有重要意义。利用2006年6月—2011年4月的CloudSat卫星资料,分析了青藏高原地区云的总云水路径、液态水路径、冰水路径及雷达反射率的分布特征,并对高原与东亚降水云的垂直结构进行对比,得到如下结论:(1) 总云水路径的大值区分布在高原西南坡、东南部及高原中部低值区分布在昆仑山脉、祁连山脉及其以北地区;暖季大于冷季;(2) 高原南部及东部为液水路径大值区,以液相云为主;高原中部、北部及西部为冰水路径大值区,以冰相云为主;(3) 雷达反射率的垂直分布主要介于-27～17 dBz,集中在3～9 km;云粒子群随高度先增大后减小,在4 km高度的大小和浓度最大;暖季云高大于冷季,对流活动旺盛;(4) 高原与东亚降水云的结构不同,季节变化也与东亚有差别。(5) 雷达反射率在近地面层随纬度的增大减小,垂直方向的递减率是暖季小于冷季;(6) 冷季的高原上与周边相比为丰水区,南坡的冰水路径与低层雷达反射率大值区对应,表明南坡阻挡作用促进云中冰粒子的形成。      

基于CloudSat卫星资料分析东太平洋台风的云、降水和热力结构特征

利用2006～2010年的CloudSat热带气旋过境数据集资料,依据风速大小划分为不同演变阶段,对各阶段内东太平洋台风的云、降水和热力结构进行综合分析。结果表明:雷达反射率在5 km高度上下的分布截然相反,沿径向回波强度和顶高不断减小。各类云沿径向和垂直方向的分布差异较大,而深对流云的垂直尺度和发生概率始终较大。有效粒子半径、分布宽度参数和冰水含量随高度减小而粒子数浓度却增大,沿径向各冰云参数以及降雨率都不断减小。各阶段降雨率总体上夏季大于秋季,沿纬向各季节在不同阶段的分布各异。内核区降雨率近似服从指数分布且对暖的海面温度SST较为敏感,其与雷达反射率的散点分布集中在三个区域内。内核区5～10 km高度存在暖核结构,其下方恰好对应湿心区,而10 km以上相对湿度距平较大值区对应台风顶部的卷云罩。各阶段4.5 km以上为对流性稳定层结而该高度以下的层结特性各异,此外假相当位温沿径向不断减小。     

超强台风“威马逊”(2014)云微物理特征的模拟与对比分析

采用中尺度数值模式WRFv3.5对2014年超强台风“威马逊”进行数值模拟。利用雷达、卫星、自动站逐时降水资料,对比单参数WSM6云方案和双参数WDM6云方案在模拟台风路径、强度、降水分布及水成物含量上的差异,分析雨滴粒子的谱型特征及微物理源、汇项对云中雨水含量的影响。与上海台风研究所的最佳路径数据对比显示,两方案均较好地模拟出了台风“威马逊”的移动路径,WDM6方案的整体路径误差更小;模拟的强度差异则较为显著,WDM6方案的海平面最低气压值偏高,强度偏弱。两方案模拟的累积降雨分布虽与自动站实测资料基本一致,但WDM6方案模拟的强降水概率偏高,弱降水概率偏低。两方案模拟的对流区雪、霰、雨水含量均大于TRMM卫星反演结果,且WDM6方案的对流云较多,总体雨水含量偏高;两方案均模拟出了雷达回波分布的整体特征,但眼区尺度偏大,WDM6方案在融化层以下缺少眼墙之外的弱回波区且大于39 dBz的强回波区偏多,同样显示了雨水含量（或尺度）偏大。由于WDM6方案为暖雨（云、雨水）双参数模式,对云滴活化、云雨转换及云、雨谱型有一定的改进,其能较合理地模拟出雨滴谱随台风发展的演变特征;模拟显示,云、雨滴的收集碰并及固态粒子的融化是雨水的主要源项,WDM6方案增加了云雨水自动转化率及雨水碰并云水率,导致该方案的空中雨水含量偏高,且随高度的降低快速减小;此外,由于WDM6方案使用简单的寇拉公式进行云滴活化,初始云凝结核数的变化即可造成雪、霰、云雨水含量的改变,故建议在具体大气气溶胶条件下,对方案中的云滴生成参数化过程做相应的调整。     

基于云微物理过程的北方冻雨的模拟与形成机制研究

本文通过耦合AFWA(Air Force Weather Agency)冻雨参数化方案的WRF模式,对2020年冬季因暖锋引发的中国北方严重冻雨灾害个例进行了模拟,结果显示模式能够很好地模拟此次冻雨过程中降水相态的空间分布。通过分析暖锋的演变、水成物云微物理特征以及降水相态的变化,得到：在辽宁中北部—吉林中东部地区,暖锋导致中低空形成“冷—暖—冷”的温度层结,该区冻雨形成机制以“冰相机制”为主,即高空的雪花落入大于0℃暖层内融化、再降落到次冻结层后形成冻雨。同时,发现存在高空无固态水成物、逆温层内暖雨下落到次冻结层在地面形成冻雨的现象,这种新机制被定义为“暖雨机制”,更多水成物垂直剖面与同期地面观测降水相态的比对,验证了新机制的存在,并解释了该机制形成的可能原因。为更深入理解冻雨形成机理以及北方冻雨的预报、预警提供科学支撑。     

登陆台风“罗莎”中云物理特征的数值模拟研究

选取2007年16号超强台风“罗莎”为个例,利用耦合了双参数混合相云降水物理方案的 GRAPES中尺度模式对其进行模拟,并结合实况雨量、雷达及卫星资料分析了本次台风暴雨的结构及云微物理特征。结果表明,低空急流和不稳定的温度层结为本次降水过程提供了有利的天气条件。强降水中心主要出现在台风云系的北部和东部,在模拟时段内6小时累积降水最大值超过100 mm。积分固态水含量与液态水相当,说明冰相粒子在形成降水的过程中起重要作用。从CloudSat卫星探测结果来看,强对流发生在台风眼周围的云墙中。根据模拟结果分析,台风东北部的强降水属于对流云降水,最强上升气流出现在0 ℃等温线之下的暖区;西南部的降水强度比较均匀,强上升气流出现在高层冷云中,有利于冰粒子的形成和生长。      

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。     

云微物理过程影响登陆台风结构及降水的数值试验

选取2007年16号台风“罗莎”为个例,利用耦合双参数混合相云降水物理方案的GRAPES中尺度模式对其进行模拟,并设计一系列敏感性试验,以了解云微物理过程对登陆台风结构及降水的影响。试验结果显示,在该个例中云微物理过程及潜热的改变对台风路径有影响。在不同的微物理过程作用下,台风云系结构有明显差异。霰粒子在维持地面降水和螺旋雨带强度方面的作用明显。分析发现,潜热过程通过对动力场的反馈可以明显改变云中水凝物的含量和分布,从而对地面降水产生影响。      

理想地形下不同云微物理方案对登陆台风降水增幅影响的数值研究

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式,在理想岛屿地形条件下设计了云的微物理冰相过程中水凝物中有霰和无霰的两个对比试验,考察了台风登陆时复杂冰相和简单冰相对台风移动路径、强度和降水增幅的影响。结果表明：1）云微物理过程中有霰的复杂冰相过程时,具有更强烈的云“播撒”效应,因而对台风降水具有明显增幅作用。2）当台风受到理想地形作用时,地形对云“播撒”效应引起的增幅作用具有放大作用,此时台风眼墙非绝热加热量形成明显增强中心,使得台风降水增幅明显。3）当台风登陆时,云微物理冰相过程使得台风越山时存在向西北指向的涡度变化倾向。     

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。     

不同云微物理方案对“7.21”特大暴雨模拟的对比试验

利用中尺度数值模式WRF v3.5.1中的17种不同云微物理过程参数化方案,对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程进行了对比试验。模拟结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水的模拟效果各有优势。NSSL 1-momlfo方案对中雨和大暴雨两个等级降水的模拟效果最好,降水中心值最接近实况;Eta(Ferrier)和Kessler方案分别对大雨和暴雨等级降水的模拟效果最好。总体上,能够较好地模拟出本次特大暴雨过程的方案依次为:NSSL 1-mom、NSSL 1-momlfo和Milbrandt 2-mom方案,而WDM6方案的模拟效果最差。云中水成物演变特征表明,模拟较好的方案中液态水、云冰和霰的含量较多,且随时间演变与地面降水强度的变化相一致。另外,模拟较好的方案中冰相粒子多,过冷水的范围大、含量高,有利于各相态粒子相互转化,促进冰相过程发展,致使降水量增多。     

基于双偏振雷达资料对南海弱台风降水微物理结构的分析

有些南海弱台风在登陆广东时,由于路径复杂、移动缓慢,会对广东地区造成较长时间和较大范围的风雨灾害。使用双偏振雷达对2018—2020年登陆广东的南海弱台风分析,发现南海弱台风在登陆前强降水区主要有两个:一个是位于海上的台风中心南侧眼墙的降水区,另外一个是在台风移动方向的右前方,台风螺旋雨带上岸的区域。在眼墙中,Z_H和K_DP的大值区在低层同位相,Z_DR大值区位于偏上风方向,降水粒子在移动的右侧开始激发,移动的右侧至右前侧为浓度较大的小粒子降水,而右侧和右后侧为大粒子降水。而且台风降水粒子在海洋和陆地有明显差异,陆地由于地形摩擦和抬升作用,降水粒子浓度较大,但水汽和能量供应不足,降水粒子直径较小;海面由于水汽和能量供应充足,对流发展较高,主要为大雨滴的对流降水,但降水粒子浓度不及陆地。      

NUMERICAL SIMULATION OF CLOUD MICROPHYSICAL CHARACTERISTICS OF LANDFALL TYPHOON KROSA

In this study,the super typhoon KROSA(2007)was simulated using a mesoscale numerical model Global and Regional Assimilation and Prediction System(GRAPES)with a two-moment mixed-phase microphysics scheme.Local rainfall observations,radar and satellite data were also used to analyze the precipitation structure and microphysical features.It was shown that low-level jets and unstable temperature stratification provided this precipitation process with favorable weather condition.Heavy rainfall centers were located in the north and east part of KROSA with the maxima of 6-hourly total rainfall during the simulation more than 100 mm.The quantities of column solid water and column liquid water were generally equivalent,indicating the important role of ice phase in precipitation formation.Results of CloudSat showed that strong convection occurred in the eyewall around the cyclonic center.According to the simulation results,heavy precipitation in the northeast part of the typhoon was mainly triggered by convective clouds,accompanied by the strongest updraft under the melting level.In the southwest part of KROSA,precipitation intensity was rather homogeneous.The ascending center occurred in high-level cold clouds,favoring the formation and growth of ice particles.     

SENSITIVITY OF LANDFALLING TYPHOON STRUCTURE AND PRECIPITATION TO VARYING CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES

Typhoon KROSA in 2007 is simulated using GRAPES, a mesoscale numerical model, in which a two-parameter mixed-phase microphysics scheme is implanted. A series of numerical experiments are designed to test the sensitivity of landfalling typhoon structure and precipitation to varying cloud microphysics and latent heat release. It is found that typhoon track is sensitive to different microphysical processes and latent heat release. The cloud structures of simulated cyclones can be quite different with that of varying microphysical processes. Graupel particles play an important role in the formation of local heavy rainfall and the maintenance of spiral rainbands. Analysis reveals that the feedback of latent heat to dynamic fields can significantly change the content and distribution of cloud hydrometeors, thus having an impact on surface precipitation.     

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...     

ANALYSING THE CLOUD MICRO- AND MACRO-PHYSICAL PROPERTIES OF THE CYCLONE EYE WALL AND ITS SURROUNDING SPIRAL CLOUD BANDS BASED ON CLOUDSAT AND TRMM DATA

In this study, the micro- and macro-physical properties, thermal structure and precipitation characteristics of cyclone eye walls and their surrounding spiral clouds were analysed with CloudSat and TRMM data for five tropical cyclones (TCs) in 2013. The results show that the ice-phase clouds of a mature TC are mainly above 5 km. With increasing altitude, the cloud droplet effective radius decreases, and the particle number concentration increases. Ice water content first increases and then decreases with increasing height. In the eye area, in addition to the well-known warm-core area, another warm core is also apparent around the eye at a height of 8 to 15 km. The horizontal distribution of precipitation is characterized by large-scale stratiform precipitation mixed with independent convective precipitation. The height of precipitation is mostly below 7.5 km, and the heavy rain is mainly below 5 km. When the peripheral convective clouds are strong enough, ice particles would be generated, thus providing conditions that are favourable for the formation of precipitation below.     

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。     

基于WRF-EnKF系统的雷达反射率直接同化对台风“天鸽”（1713）预报的影响

利用基于中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecast)的集合卡尔曼滤波(EnKF,Ensemble Kalman Filter)同化系统直接同化广东地区雷达反射率资料,对2017年台风“天鸽”(1713,Hato)近海发展以及降水预报效果进行数值模拟分析研究。结果显示,直接同化雷达反射率资料后,台风的回波强度和范围有了明显改善,可更好地调整水汽场、水凝物和温度场。当台风风场和水汽场调整后,进入台风主体部分的水汽量显著增加,使得台风强度增强,台风中心最低海平面气压降低,与实况更接近。同化雷达反射率资料后,6 h和24 h降水强度和落区预报效果有显著改善,尤其是能提高大暴雨和特大暴雨量级的TS评分,此外地面2 m温度和2 m相对湿度的预报效果也有改进。      

A SENSITIVITY SIMULATION ABOUT CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES OF TYPHOON CHANCHU

With the Reisner-2 bulk microphysical parameterization of the fifth-generation Pennsylvania State University–U.S. National Center for Atmospheric Research (PSU–NCAR) Mesoscale Model (MM5), this paper investigates the microphysical sensitivities of Typhoon Chanchu. Four different microphysical sensitivity experiments were designed with an objective to evaluate their respective impacts in modulating intensity forecasts and microphysics budgets of the typhoon. The set of sensitivity experiments were conducted ...     

利用GPS Dropsonde资料研究“龙王”台风的结构特征

"龙王"台风是2005年登陆中国的典型强台风。在海上观测资料较为稀缺的情况下,应用DOTSTAR(Dropsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region)对"龙王"不同发展时段的两次GPS Dropsonde观测资料,对其动力、热力及非对称结构的变化情况进行分析。结果表明,第二次观测到的"龙王"无论在动力结构还是在热力结构上都较第一次观测有所发展,显示"龙王"强度压缩增强。进一步研究表明,环境垂直风切变是造成台风结构不对称分布的主要原因,较大的垂直风切变不但导致台风产生明显的非对称性结构,而且不利于台风的进一步增强。