不同污染背景下云滴谱离散度对云降水模拟影响的个例研究

云滴谱离散度是云雨自动转化过程参数化中不可忽视的重要参数,对地面降水有着重要的影响。本文利用WRF-Chem (Weather Research and Forecast coupled with Chemistry)模式,对发生在2019年1月3～6日长江中下游地区的一次降水过程进行了模拟。在清洁和污染的气溶胶背景下,设定不同的云滴谱离散度的数值（0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9和1.0）,研究云降水微物理的变化。结果表明,该个例降水主要来源于云雨自动转化以及云雨碰并过程。在清洁条件下的地面累计降水量大于在污染条件下的累计降水量,这是因为在清洁条件下云滴数浓度小,有利于云雨自动转化以及云雨碰并过程。虽然云雨自动转化以及云雨碰并过程占主导,但导致地面累计降水量随云滴谱离散度增大而增大的主要原因是：随着云滴谱离散度的增大,冰粒子质量浓度增大,导致融化过程增强,产生更多的雨滴,从而增强地表降水。所得结果将提高我们对云降水对气溶胶和离散度响应过程的理论认识。     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。     

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.     

巨核对暖云降水影响的模拟研究

利用耦合了新的暖云参数化方案的中尺度模式(MM5),研究了暖云降水中巨核的作用.在这个暖云方案里,先假定一个三模态的气溶胶正态对数分布,然后考虑对流、扩散、云滴和雨滴的核化(非核化)过程,再由气溶胶质量的预报量显式地计算出气溶胶的数浓度.选择了华北地区2005年6月25～26日的一次弱冷锋过程,并以此研究了巨核对云和降...     

空气污染对珠江三角洲一次大暴雨影响的数值模拟

利用完全在线耦合气溶胶-云-化学WRF-Chem数值模式,采用Lin双参数云微物理方案,对珠江三角洲地区2010年5月14日的一次大暴雨过程进行了模拟。在无污染物排放源(控制试验)和有污染物排放源(敏感试验)背景下对云微物理结构和转换过程进行对比分析。结果表明:在降水中心位置和范围上,敏感试验和控制试验均与实况降水相近。但加入污染物排放源后,总累积降水量减少,而平均降水率峰值有所提高,并且降水初始时刻会比无污染物排放源时滞后一些。云水蒸发和雨水蒸发在降水初始阶段的减少,延缓了降水的发生;云水自动转化成雨水的增加致使雨水混合比在降水加强时段增加,造成平均降水率峰值提高;以雨水被霰收集为主的冷云过程的减少导致总累积降水量减少。      

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。     

中尺度山脉对流群的动力和微物理数值模拟

大山脉春夏季受太阳加热和地形抬升作用易于形成对流过程。为研究这类对流特点，在沙特阿拉伯ＡＳＩＲ山区组织了一个ＳＡＣＰＥＸ实验计划。本文应用中国强风暴实验室ＭＢＧ（ＭＥＳＯ—Ｂｅｔａ＆Ｇａｍｍａ）非静力模式，选取适当模拟通道模拟了该计划中１９９０年５月３日一次对流降水过程。模拟结果揭示了大山脉气流强迫与对流环流相互作用的一些基本特点，展示了大山脉对流过程多种复杂的宏微观特征及其生消演变。包括山坡激发对流，大对流对小对流的抑制，云自然引晶效应等，并指出在这类对流系统中ＣＣＮ浓度对其降水类型的重要影响。此外，本文还进行了采取细致的雹云微物理参数化和采用简单的暖云微物理参数化的对比试验，结果表明两者模拟的动力场差别甚小，而云形态和降水发展有明显差异。上述结果总体上与该个例外场观测一致。     

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。      

冻滴微物理过程的分档数值模拟试验研究

霰和冻滴是深对流降水的主要来源。由于二者密度差异造成的不同下落末速度必然会导致云微物理过程的变化以及降水时空分布的改变。我们在以色列特拉维夫大学二维轴对称对流云全分档模式的基础上,将水成物粒子从34档增加到40档,修改了霰和雪的密度,加入冻滴分档处理的微物理过程,发展了一个包括液滴、冰晶、雪、霰和冻滴更为详细的云微物理分档模式。利用改进后的模式模拟了一次理想的强对流天气过程,分析了改进模式与原模式模拟的云微物理量场以及水成物粒子的时空分布特征,模拟结果表明:（1）由于冻滴的产生,较大的下落末速度导致在云内-3℃至-8℃较早地出现了冻滴,并造成了大量的冰晶繁生。（2）冻滴形成前期,液态水中心区域位于垂直上升速度大值中心上方,形成液态水累积区;冻滴形成期,液态水累积区位于0℃层以上,雨滴冻结生成冻滴,霰与半径大于100 μm的液滴碰并生成冻滴;冻滴增长期,在垂直上升气流的支撑下,冻滴碰并过冷水增长,导致冻滴含量增大,液态水含量减小。因此,改进模式能较好的模拟冻滴的形成过程,可以将该分档处理的微物理方案耦合到三维WRF（Weather Research and Forecasting model）模式中,更深入地研究强雷暴风切变在冰雹生成过程中的作用。     

云凝结核对南京及周边地区夏季暴雨影响的数值模拟

利用WRF3.8.1模式,采用Thompson云微物理参数化方案,对南京2014年6月初的一次暴雨过程进行模拟;设置多组数值试验,从中选取清洁和严重污染两组试验,对比分析低、高云凝结核浓度对此次降水的影响。结果表明：1）Thompson方案对此次降水过程具有一定的再现能力,但对24 h累积降水量的模拟整体偏低,且随云凝结核浓度的上升,累积降水量增加。较高的云凝结核浓度有利于强降水中心强度增强、降水范围扩大,而对较弱降水中心则有相反的影响。2）云凝结核浓度的增加将抑制云滴向雨滴的转化,使更多云滴被输送到对流层中层,对流层低层的暖云过程被抑制。3）云凝结核浓度的增加使对流层中层的过冷云水增加,促进过冷云水向霰的转化,也促进雪的淞附过程,这有利于冷云过程的发展。4）云凝结核浓度的增加对暖云过程具有负反馈作用,对冷云过程具有正反馈作用。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(I):模式云物理方案和地形云结构

对三维非静力中尺度模式ARPS的云降水微物理方案进行了改进,利用改进后的ARPS模式模拟了祁连山地区夏季的两个地形云个例,通过对各自模拟结果的对比分析并结合实况资料研究了夏季祁连山地区地形云的发展状况、动力场特征、降水特征以及云微物理结构特征。研究结果表明,地形云的发展受地形影响很大,地形的抬升促进了云和降水的发展,地形的作用也改变了地面降水特征,使云的宏、微观物理结构发生较大变化。     

The Role of Initial Cloud Condensation Nuclei Concentration in Hail Using the WRF NSSL 2-moment Microphysics Scheme

The effects of the initial cloud condensation nuclei(CCN) concentrations(100–3000 mg~(-1)) on hail properties were investigated in an idealized non-severe hail storm experiment using the Weather Research and Forecasting(WRF) model, with the National Severe Storms Laboratory 2-moment microphysics scheme. The initial CCN concentration(CCNC) had obvious non-monotonic effects on the mixing ratio, number concentrations, and radius of hail, both in clouds and at the surface, with a CCNC threshold between 300 and 500 mg~(-1). An increasing CCNC is conducive(suppressive) to the amount of surface hail precipitation below(above) the CCNC threshold. The non-monotonic effects were due to both the thermodynamics and microphysics. Below the CCNC threshold, the mixing ratios of cloud droplets and ice crystals increased dramatically with the increasing CCNC, resulting in more latent heat released from condensation and frozen between 4 and 8 km and intensified updraft volume. The extent of the riming process, which is the primary process for hail production, increased dramatically. Above the CCNC threshold, the mixing ratio of cloud droplets and ice crystals increased continuously, but the maximum updraft volume was weakened because of reduced frozen latent heating at low level. The smaller ice crystals reduced the formation of hail and smaller clouds, with decreased rain water reducing riming efficiency so that graupel and hail also decreased with increasing CCNC, which is unfavorable for hail growth.     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

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。     

华北云凝结核分布及与云滴相互作用的观测研究

利用美国DMT公司生产的连续气流单过饱和度云凝结核计数器（DMT—CCN仪）,于2009年4月-7月在华北上空进行云凝结核观测,对不同天气现象下云凝结核的数浓度进行统计分析,研究了云凝结核的垂直分布特征以及水平穿云时云凝结核和云滴的相互作用和演变。     

祁连山云系云微物理结构和人工增雨催化个例模拟研究

改进了胡志晋、刘奇俊的云物理方案,并实现了与GRAPES模式的耦合;利用包括了新云物理方案的GRAPES模式对祁连山地区一次山区云降水过程进行了数值模拟,研究了祁连山地区云系的微物理结构,并开展了人工催化的数值试验研究。结果表明：（1）耦合的双参数方案能够较好的模拟此次降水范围、强度及云场分布的特点和规律;（2）新方案给出了祁连山云系的合理微观结构和它的特征;（3）播撒冰晶可以增加降雨,在云初始阶段播撒增雨范围较广,在云发展阶段播撒增雨范围较集中;（4）播撒冰晶后,云的动力结构发生了改变。     

沿天山地区一次暴雨动力过程和云中水凝物粒子特征的数值模拟研究

在分析了2018年5月23日—24日北疆沿天山一带典型的地形暴雨天气过程的环流形势、水汽输送和暴雨云系特征的基础上,利用高分辨率数值模式WRF3.8.1对暴雨过程进行模拟,在模拟结果与实况较为吻合的基础上,利用模拟资料对暴雨动力过程和云微物理特征进行了分析。结果表明：(1)“两脊一槽”的环流形势是此次暴雨发生的环流背景,东移过程中不断加深的中亚低槽是此次暴雨的影响系统。巴伦支海的水汽经过西西伯利亚平原多次转向输送至暴雨区,为暴雨的产生提供有利的水汽条件。积层混合云快速移过暴雨区使较强降雨持续了约6 h。(2)高分辨率数值模式WRF能较好地反映出此次暴雨过程的降雨性质、雨带分布特征和大值中心位置。模拟结果显示低空急流在向天山移动过程中,受天山地形阻挡抬升,在沿天山一带形成了显著的辐合和上升运动,为此次强降雨提供了有利的动力条件。(3)有利的动力条件使水凝物粒子(冰晶、雪、霰、云水、雨水)能够在北疆沿天山一带地区不断聚集、增长从而形成大值中心,固相粒子与液相粒子在垂直分布上相交的区域存在固—液粒子转化,有利于降雨强度的增强,其中霰粒子和过冷云水发挥了重要的作用。     

"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。     

海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用

利用大气气溶胶和云分档模式研究海盐气溶胶和硫酸盐气溶胶在云微物理过程中的作用, 计算结果表明:云中液态水含量随高度的分布并不随海盐、硫酸盐的数目以及云团上升速度的变化而变化; 随着云滴数目的增加, 云滴的有效半径会减小; 硫酸盐对云滴数目影响起主导作用, 海盐在水汽相对充足情况下增加了云滴数目, 在水汽相对不足的情况下减少了云滴数目; 硫酸盐粒子浓度特别强的情况下 (人类活动污染比较严重时), 如果水汽相对不足, 云滴数目会明显小于硫酸盐粒子浓度; 而海盐粒子的存在, 加剧了水汽的供应不足, 从而可以在很大程度上进一步降低云滴数目。也就是说, 在有些情况下, 如果不考虑海盐气溶胶的作用, 硫酸盐气溶胶对云特性的影响会被过高估计。     

云微物理特性对云光学和云辐射性质的影响

根据辐射传输理论,计算了不同云滴谱分布时的云光学参数βe,ωo和g,考察了这些光学参数的变化对云的反射率、透过率和吸收率的影响,以及云滴谱分布和云水含量在垂直方向的不均匀对云整体辐射性质、云中辐射通量密度和加热率的影响。