MM5中新显式云物理方案的建立和数值模拟

在MM5动力框架内, 在其中Reisner 2方案基础上采用双变参数方案, 增加了云水、雨水、雪和霰的数浓度预报方程.云中凝结核CCN的数浓度采用超几何函数表示; 云水向雨水的自动转换过程考虑了云滴谱的特征和发展变化对该过程的影响, 而不是采用原方案给定阈值的方法描述该过程; 对连续碰并方程不再将粒子落速差作为常量提出积分号外, 而是直接作为粒子直径函数在积分号内求解, 这样处理可以回避使用粒子群的平均落速带来的误差; 增加了霰和雪、霰和冰晶的碰并微物理过程.粒子引入Г分布谱函数, 对微物理过程采用了与之     

河南省春季一次层状云降水云系结构和降水机制的数值模拟

利用PSU/NCAR的MM5中的双参数显式云物理方案,模拟了2007年河南省春季一次层状云降水过程,模拟结果显示,降雨主要落区和强度与观测一致.24 h降雨预报的TS评分较高.模式输出的雷达反射率与郑州站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带.在成功降水模拟的基础上,分析了云系不同部位结构特征和粒子质量通量分布,发现雨水的形成在不同部位依靠不同的过程.郑州站云的垂直结构和降水微物理过程研究表明,降水机制符合播种一供给机制,降水形成主要依靠雪的融化和暖云微物理过程,暖云对整层降水起主要作用,暖云微物理过程是形成降水的更有效方式.     

三参数云微物理方案中气溶胶谱函数对云滴谱影响的数值模拟研究

观测和分档方案的数值模拟都证明气溶胶的谱分布特征对云滴谱的演变有直接影响继而作用于降水的发展。目前广泛使用的总体双参数云滴谱方案因为表征云滴谱的预报量不足,在凝结过程中云滴谱呈不正常的拓宽现象。因此在参数化方案中,气溶胶谱对云滴谱的影响未有明确结论。中科学院大气物理研究所(IAP)云降水物理与强风暴重点实验室(LACS)新研发的三参数方案(IAP-LACS)通过增加的预报量克服了云滴谱的拓宽问题,提高了云滴谱模拟的准确性。为了研究在参数化方案中气溶胶谱分布特征对云滴谱的影响,本文采用新方案进行WRF(Weather Research and Forecasting mode)大涡理想性试验,验证了新方案中气溶胶对数正态谱函数中数浓度、几何半径和标准差3个参量对云滴谱演变的影响。针对3个参量的敏感性试验表明新的气溶胶活化方案和三参数云滴凝结增长方案能够描述气溶胶谱对云滴谱演变的影响规律:气溶胶数浓度对云滴谱影响最显著,数浓度越高活化生成的云滴数量越多,云滴半径越小,云滴谱趋向窄谱,气溶胶数浓度低时,云滴数量少、半径大。较大的几何半径使气溶胶谱向大粒径移动,导致大云滴生成,标准差对云滴谱的影响最不显著。     

CCN数浓度及参数化方案对一次层云降水过程影响的数值研究

利用中尺度WRF模式(V3.7),采用WDM6双参数微物理方案,对2014年7月26日12时—28日06时发生在华东地区的一次层状云降水天气进行数值模拟。通过改变模式中初始云凝结核(CCN)数浓度及参数化方案,进行敏感试验,对模拟结果进行对比分析。改变CCN数浓度的结果表明,CCN数浓度对降水的影响复杂、非线性,随着CCN数浓度的增大,降水量减小。云水、霰混合比始终增加,雨水混合比表现为先增加后减小再增加的趋势,冰晶混合比则与之相反,呈现先减小再增加再减小的趋势,雪晶混合比呈现先减小后增加的趋势;改变CCN参数化方案的结果表明,两者模拟降水落区有差别,三参数方案更接近实际;降水产生后,三参数方案的CCN浓度一直高于双参数方案,且数值变化不大;双参数方案的结果显示暖云降水加强,冷云降水略弱,三参数方案则显示暖云降水较弱,冷云降水较强。     

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。     

层状云降水微物理过程的雨滴分档数值模拟#

通过建立层状云雨滴的分档模式,对中国北方常见的三类典型层状云降水形成的微物理过程以及冰粒子在降水形成中的作用进行了数值模拟。结果表明,对于由冰粒子驱动的降水过程,由于高空冰粒子的增长降落表现出一种准周期变化过程,导致与之相关的云水含量,雨水含量也出现准周期性的演变,这种演变在雨滴分档模式中能够较好地反映到降水过程中。     

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案,并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题,建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时,要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。     

宁夏盛夏层状云降水雨滴谱特征分析

利用1982年7月在宁夏银川机场地面4次观测获取滴谱资料, 分析了宁夏夏季层状云雨滴的瞬时和平均谱及有关物理量的特征,总结出了层状云降水的一些主要特征.文中给出了4次降水的平均谱分布及谱参数的演变,进行了M-P分布的拟合分析,得出雨滴谱基本符合M-P分布.还分别建立了雷达反射率因子、雨强和雨水含量之间的相关关系,并分析了层状云降水的特点以及与积雨云、混合云的特征量进行对比,总结出三种降水的不同之处.     

粒子下落末速度和粒子谱形参数对降水模拟影响的数值研究

数值模式能否准确地对降水过程进行预报,很大程度上取决于云微物理参数化方案能否准确地对云内的物理过程进行描述。目前显式云微物理参数化方案中对粒子的下落速度、不同直径粒子的浓度分布两方面的微物理特征,分别使用质量加权下落末速度和粒子谱进行描述。因此,参数化方案中不同的描述方式直接影响数值模式对降水过程的模拟结果。本文使用耦合了一种新的体积水法双参数云微物理参数化方案的WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）3.5.1版本对发生在2013年5月8日的一次华南强降水过程进行模拟,分别对Ferrier和Locatelli两种质量加权下落末速度计算方法,以及常数参数和根据东亚地区实际观测结果改进的谱形参数两种粒子谱形参数设置的模拟结果进行分析,并对他们的四组参数组合预报结果进行评估。结果表明:（1）质量加权末速度的改变对降水强度有一定影响;（2）粒子谱形参数对模拟降水的强度和发展都有明显的影响,且谱形参数对本次降水模拟的影响强于下落末速度的影响;（3）Ferrier质量加权末速度和改进的谱形参数的组合试验组对降水的预报效果,相对其他三组试验有较明显的优势。     

西北地区一次层状云降水云物理结构和云微物理过程的数值模拟研究

利用MM5中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟结果显示对小雨的预报评分较高,对中雨以上评分低而且位置有一定偏差,即对层状云降水模拟效果较好。模式中增加了雷达反射率的计算,与延安站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在0℃层亮带。采用三层模型解释模拟的层状云降水形成机制和过程:第一层为冰晶区,无过冷水;第二层存在过冷水,为各种冰相粒子增长区,第一层和第二层的分界不固定;第三层和第二层的分界在0℃,为暖云。第一层对第二层播种冰晶,第二层为第一层播种下的冰晶供给过冷水,使冰晶快速增长;第二层对第三层播种雪和霰,使其在第三层融化成雨,第三层同时消耗云水。模拟给出了三层模型层状云场的空间结构,延安站不同时刻微物理量垂直分布和各种水凝物粒子的生成源项分析揭示了三层模型降水形成机制和主要微物理过程。三层模型可以完整和全面地解释层状云降水形成机制和过程。     

The Importance of the Shape Parameter in a Bulk Parameterization Scheme to the Evolution of the Cloud Droplet Spectrum during Condensation

The shape parameter of the Gamma size distribution plays a key role in the evolution of the cloud droplet spectrum in the bulk parameterization schemes. However, due to the inaccurate specification of the shape parameter in the commonly used bulk double-moment schemes, the cloud droplet spectra cannot reasonably be described during the condensation process. Therefore, a newly-developed triple-parameter condensation scheme with the shape parameter diagnosed through the number concentration, cloud...     

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.     

A Modified Double-Moment Bulk Microphysics Scheme Geared toward the East Asian Monsoon Region

Representation of cloud microphysical processes is one of the key aspects of numerical models. An improved doublemoment bulk cloud microphysics scheme(named IMY) was created based on the standard Milbrandt-Yau(MY) scheme in the Weather Research and Forecasting(WRF) model for the East Asian monsoon region(EAMR). In the IMY scheme, the shape parameters of raindrops, snow particles, and cloud droplet size distributions are variables instead of fixed constants.Specifically, the shape parameters of r...     

谱模式中半隐式时间积分格式稳定性的试验和分析

本文研究了具有参考大气的谱模式半隐式时间差分格式的计算稳定性问题.通过试验与分析,找到了影响这种半隐式格式计算稳定性的关键因子.另外本文还进一步试验了第一作者过去提出的修改的半隐式时间差分格式,这种格式采用了修改半隐式项而不改变重力波性状的做法.取得了稳定的计算结果.     

初始场与云微物理参数方案在飑线数值模拟中的对比研究

采用CM1模式以200 m的高精度水平网格距对一次东北冷涡下的飑线过程进行模拟,采用1 km的水平网格距进行对比试验探究网格距的影响,并通过探空资料的替换与修改研究不稳定能量和垂直风切变对飑线发展的影响。研究表明,水平网格距增大主要使系统演变减缓,强度也有一定的减弱;初始场的不稳定能量减小会使飑线减弱明显,直至无法生成;垂直风切变对飑线的形成影响较小,主要改变了飑线的结构,没有垂直风切变时形成的飑线更为松散。最后的敏感性试验研究了7种云微物理参数方案对飑线内水粒子分布的影响,发现不同的云微物理参数方案会使水粒子的含量和分布出现变化,进一步影响固、液态的降水,飑线模拟采用的NA方案高层冰和雪含量最高,但由于雨和降落到地表的雹、霰含量低,使得累计降水量最小。     

北京层状云人工增雨数值模拟试验和机理研究

在中尺度WRF 模式的Morrison 双参数方案中引入了AgI 粒子与云相互作用的过程,在WRF 模式中实现了催化功能。利用加入了催化方案的中尺度模式对2008 年3 月20～21 日环北京地区一次层状云系降水过程进行模拟和催化试验。模拟自然降水与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度和时刻进行试验对降水的影响。结果表明:以20 g 的碘化银进行催化作业,在催化后的前30min 之内,地面雨量轻微减小,最大累积减雨量为2010 t,30 min 后,净增雨量迅速增加,最大累积增雨量达到了3.4×105 t。催化开始阶段的减雨主要是由于播撒AgI 后,云水减少而雪晶增多,导致雨滴碰并云滴,云滴向雨滴自动转化过程的减少以及雪晶碰并雨滴过程的增多,然而空中增多的雪晶尚未下落到暖区融化成雨滴。而第二阶段的增雨则是空中增多的雪晶逐渐下落到暖区,雪晶融化成雨滴过程增多。AgI 的播撒率对降水量有明显影响,过量催化会使雪晶平均质量减少,下落速度锐减,从而雪融化成雨水减少,导致雨量减弱,不同催化高度和催化时间的催化结果表明在过冷水含量比较丰富而冰雪晶含量偏少的区域进行催化,增雨效果显著。     

Numerical Simulation of Macro- and Micro-structures of Intense Convective Clouds with a Spectral Bin Microphysics Model

By use of a three-dimensional compressible non-hydrostatic convective cloudmodel with detailed microphysics featuring spectral bins of cloudcondensation nuclei (CCN), liquid droplets, ice crystals, snow and graupelparticles, the spatial and temporal distributions of hydrometeors in asupercell observed by the (Severe Thunderstorm Electrification andPrecipitation Study) STEPS triple-radar network are simulated and analyzed.The bin model is also employed to study the effect of CCN concentration onthe evolution characteristics of the supercell. It is found that the CCNconcentration not only affects the concentration and spectral distributionof water droplets, but also influences the characteristics of ice crystalsand graupel particles. With a larger number of CCN, more water droplets andice crystals are produced and the growth of graupel is restrained. With asmall quantity of CCN the production of large size water droplets arepromoted by initially small concentrations of water droplets and icecrystals, leading to earlier formation of small size graupel and restrainingthe recycling growth of graupel, and thus inhibiting the formation of largesize graupel (or small size hail). It can be concluded that both the macroscopicairflow and microphysical processes influence the formation and growth of largesize graupel (or small size hail). In regions with heavy pollution, a highconcentration of CCN may restrain the formation of graupel and hail, and inextremely clean regions, excessively low concentrations of CCN may also limitthe formation of large size graupel (hail).     

"98.5"华南前汛期暴雨云微物理场数值模拟分析

为了进一步理解暴雨发生过程中云微物理场的演变和云微物理过程与动力、热力过程的相互作用,利用非静力中尺度数值模式MM5对1998年5月23~24日的华南暴雨过程进行了模拟,并详细分析了模拟结果。分析结果表明:利用混合冰相显式物理方案比其它方案模拟的降水更接近实际情况;云微物理场的模拟显示没有雪出现,这可能是华南降水云微物理的特点;每小时降水量有先减弱后又增强的趋势,暴雨过程中云的各微物理量的变化趋势与其一致;云的发展与良好的热力动力条件互相作用、共同加强,由南风带来的充足的水汽和热量为其发展提供前提条件,凝结潜热使上升运动向更高处伸展。     

半拉格朗日方法及其在数值模拟和数值预报中的应用

文章对半拉格朗日方法的基本原理和技术方法做了简要介绍。对其主要优、缺点进行了评述。同时也对半拉格朗日方法的应用及研究进展情况概括地予以介绍。