青藏高原的动力和热力作用对高原低涡形成的数值试验

本文通过适用于高原地区中尺度系统的6层σ坐标原始方程模式,采用理想初始场,进行高原低涡形成的数值试验。同时还研究了地形作用,感热和潜热等多种物理过程对中尺度高原低涡的贡献。通过敏感性模拟试验,揭示了高原低涡形成的物理机制,以及青藏高原动力和热力作用对高原低涡形成的影响。     

高原涡移出高原后持续的对流层高层环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、历史天气图与青藏高原低涡切变线年鉴,继高原涡移出高原后持续的对流层中层环流特征分析基础上,依据持续强影响高原涡的分类,对1998-2012年持续强影响高原涡不同类型在生成、移出高原、持续强盛与将减弱消失时的对流层上部多种物理场进行了合成与对比分析。结果表明:持续强影响高原涡持续的对流层高层共同的环流特征是,南亚高压脊线在25°N-28°N,东伸到100°E以东;低涡附近或以北的200 h Pa上空有≥32 m·s-1急流核区的西风急流,和300 h Pa上空有≥20 m·s-1中心区的较强偏西风气流,影响低涡活动的500 h Pa天气系统与低涡的上空200 h Pa有辐散区。反映了高空辐散、高空锋区分别对低涡起了利于低涡辐合加强、高位涡下传引起低涡涡度增加的作用。研究分析还揭示了各类高原涡移出高原后持续的对流层高层的环流特征的主要差异和物理图象。     

高原低涡移出高原后持续的对流层中层环流特征

利用NCEP/NCAR再分析资料、历史天气图与青藏高原低涡切变线年鉴,在普查和分析1998-2012年持续强影响青藏高原低涡移出高原与持续强盛时的500 hPa环流形势及影响系统的基础上进行了分类,并对不同类型的持续强影响高原低涡在移出高原与持续强盛时的物理场进行了合成与对比分析。结果表明:持续强影响高原低涡以两高切变东阻型对中国降水影响最大,主要影响河套地区,切变线类、热带低压影响型、低槽前部类主要影响地区分别是黄淮流域、西南地区、长江流域;持续强影响高原低涡移出高原后,对40°N以北环流形势依赖性不强,主要是受高原低涡周边对流层中层西风带天气系统、副热带天气系统与热带天气系统相互作用造成的。研究分析还揭示了各类高原低涡移出高原后持续的对流层中层共同的大尺度条件及其主要差异。     

四川盆地一次暴雨过程分析及数值模拟试验

该文利用NCEP1°×1°FNL再分析资料、地面及高空常规资料对四川盆地西部2010年8月18—19日一次暴雨天气过程进行了分析,结果表明,此次暴雨过程的大尺度环流背景为鞍型场,500~700 hPa低涡系统是此次暴雨的动力因子,低层辐合、高层辐散的配置促进了低涡的持续发展,700 hPa西南低空急流对水汽的输送起到了最主要的作用。利用NCEP 1°×1°FNL再分析资料驱动WRF3.5模式,采用23 km、5 km分辨率,使用3种不同的微物理方案对此次暴雨过程进行敏感性试验,模拟结果表明:选用不同的微物理方案可以不同程度地模拟出此次暴雨的分布范围和强度,对于同一种微物理方案,分辨率的提高可以提高模式模拟强降水中心的能力,从而为研究暴雨的中小尺度成因提供有效的参考。对3种不同方案模拟的物理量诊断分析则表明,不同微物理方案所模拟出的物理量有着明显的差异,因此也导致了降水预报的差异。     

青藏高原低涡移出高原的大尺度条件

利用NCEP再分析资料,计算分析了各类高原涡东移出与未移出高原的对流层中、上层多种合成物理量场。研究指出,高原低涡移出高原是受西风带天气系统与副热带天气系统的相互作用及对流层中层与上层的天气系统相互作用造成的。研究揭示了低涡东移出高原的大尺度条件及物理图像,还揭示了各类高原涡东移出高原的大尺度条件的主要差异。为预报高原涡移出高原的暴雨、洪涝提供了科学依据。     

南支气流对高原低涡移出高原影响的数值试验

本文在对2000年以来移出青藏高原后活动时间长的高原低涡活动过程,进行对流层中层南支气流对高原低涡移出高原的影响的观测事实分析基础上,通过对2001年6月1~5日索县低涡移出高原活动的数值模拟和试验分析,得出了在高原低涡以南的南支气流减弱或者是没有南风或者是没有南风脉动的影响,会使低涡移出高原的速度减慢,移出高原12小时后减弱消失。低涡以南的南支气流起到了向低涡区输送水汽通量、正涡度平流的作用,提供利于低涡活动持续的条件。从而丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。      

南支气流对高原低涡移出高原影响的数值试验

本文在对2000年以来移出青藏高原后活动时间长的高原低涡活动过程,进行对流层中层南支气流对高原低涡移出高原的影响的观测事实分析基础上,通过对2001年6月1～5日索县低涡移出高原活动的数值模拟和试验分析,得出了在高原低涡以南的南支气流减弱或者是没有南风或者是没有南风脉动的影响,会使低涡移出高原的速度减慢,移出高原12小时后减弱消失。低涡以南的南支气流起到了向低涡区输送水汽通量、正涡度平流的作用,提供利于低涡活动持续的条件。从而丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长(>48小时)的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。      

南支气流对高原低涡移出青藏高原影响的诊断分析

利用NCEP再分析资料对2001年以来移出青藏高原后活动时间长（〉48小时）的3次高原低涡在南支气流影响下移出高原的个例,进行了325°K等熵面分析、500hPa水汽输送、涡度平流的诊断分析,得出了南支气流影响高原低涡移出高原的共同特征与差异,给出了南支气流对高原低涡移出高原影响的综合作用的概念模型。丰富了高原低涡东移的认识,为高原低涡洪涝暴雨的预报提供了科学依据。     

移出与未移出高原的两类低涡环流特征的对比分析

利用NECP再分析资料,采用对比分析方法,对2000-2004年汛期(6-9月)的高原低涡活动过程进行普查,并对移出高原低涡与未移出高原低涡在其生成时刻的环流特征场,以及移出高原低涡的移出高原时刻与未移出高原低涡的强盛时刻的环流特征场进行对比分析。分析表明:500 hPa上,移出高原低涡背景环流中巴尔喀什湖低槽、东亚大槽比未移出高原低涡深,蒙古高压脊更强,背景环流经向度大,而且副热带高压比未移出高原低涡西伸明显;暖平流对高原低涡的生成很重要,而涡后新疆冷平流有利于高原低涡移出高原主体;青藏高原上的正涡度平流有利于高原低涡的生成和加深,河套地区正涡度平流带的存在有利于高原低涡的移出。在200 hPa上,南亚高压的存在有利于高原低涡的生成,移出高原低涡上空的南亚高压强度要强于未移出高原低涡;青藏高原东北部、四川盆地到陕西一带位于高空急流入口区南侧时有利于高原低涡东移。找出高原低涡移出与未移出高原主体的环流场、温度平流场、涡度平流场的异同特征,为高原低涡能否东移出高原主体提供科学依据。     

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。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

北京一次短时局地大暴雨过程的特征及对云物理方案的敏感性数值模拟试验

云物理过程是云和降水形成的重要环节。本文针对2011年6月23日发生在北京地区的一次大暴雨过程进行了云降水与天气特征分析,并开展了WRF模式中10种不同云微物理方案对此次暴雨强度、落区和发生时间的敏感性数值模拟试验。研究结果表明,此次大暴雨是由多单体组织、合并形成深厚的中尺度对流系统,并具有明显的短时局地特征和有利的高低空、高低纬度大中尺度天气环流形势及强烈的水汽输送条件。暴雨强度、落区和发生时间的数值模拟结果对云物理方案非常敏感。不同云物理方案对累积降水量≥50 mm和≥100 mm的暴雨模拟的ETS评分显示,只有Thompson方案对此暴雨量级的评分均为正,其他方案的ETS评分均不理想,特别是对累积降水量≥100 mm的大暴雨模拟。在小时暴雨强度和发生时间方面,Thompson方案模拟效果也较好,其次是Lin方案和WSM6方案;对区域累积最大降水量和落区的模拟方面,Thompson方案和Morrison方案模拟的最大累积降水量更接近观测值,但在落区方面,一些具有完整云物理过程的单参数方案（Lin方案、WSM6方案）模拟效果较好,但模拟的最大降水量偏小。针对暖雨的双参数方案WDM6对区域平均降水模拟较好,但对暴雨极端降水模拟较差。对造成差异的原因分析表明,不同云物理方案的差异主要体现在雪和霰的参数化方面,由于采用的粒子谱分布、密度和末速度不同,导致云中粒子间的碰并和形成过程不同,大部分云物理方案模拟的霰含量高,雪含量低。这种云微物理过程的差异会导致云动力过程的反馈作用出现明显不同,但这种反馈作用的差异主要体现在降水粒子对上升气流的拖曳作用不同。尽管云中相变潜热过程对云动力过程具有很重要的影响,但不同云物理方案在相变潜热过程和温度廓线分布方面造成的差异并不明显。因此,云物理方案中考虑合理的粒子谱分布、形态和密度变化,有利于提高暴雨的模拟效果。     

用WRF模式中不同云微物理参数化方案对华南一次暴雨过程的数值模拟和性能分析

本文使用中尺度数值模式WRFV3.4中的8种不同云微物理过程参数化方案,模拟2010年5月6～7日华南一次暴雨事件,探讨不同云微物理方案对华南暴雨模拟的影响。结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水模拟效果总体较好。WSM3方案对小到大雨和大暴雨的模拟效果最好,对暴雨的模拟最差;WDM5方案对暴雨模拟效果最好。结合TS评分和误差分析结果,整体效果最好的是WSM5方案,最差的是Lin方案。对于同一云微物理参数化方案,不同分辨率的降水模拟结果差异不大,但同一分辨率的不同云微物理参数化方案的降水结果差异较大,这说明云微物理过程比模式分辨率对暴雨模拟的影响更大。     

Sensitivity of the simulation of tropical cyclone size to microphysics schemes

The sensitivity of the simulation of tropical cyclone(TC) size to microphysics schemes is studied using the Advanced Hurricane Weather Research and Forecasting Model(WRF). Six TCs during the 2013 western North Pacific typhoon season and three mainstream microphysics schemes–Ferrier(FER), WRF Single-Moment 5-class(WSM5) and WRF Single-Moment6-class(WSM6)–are investigated. The results consistently show that the simulated TC track is not sensitive to the choice of microphysics scheme in the early simulation, especially in the open ocean. However, the sensitivity is much greater for TC intensity and inner-core size. The TC intensity and size simulated using the WSM5 and WSM6 schemes are respectively higher and larger than those using the FER scheme in general, which likely results from more diabatic heating being generated outside the eyewall in rainbands. More diabatic heating in rainbands gives higher inflow in the lower troposphere and higher outflow in the upper troposphere, with higher upward motion outside the eyewall. The lower-tropospheric inflow would transport absolute angular momentum inward to spin up tangential wind predominantly near the eyewall, leading to the increment in TC intensity and size(the inner-core size, especially). In addition, the inclusion of graupel microphysics processes(as in WSM6) may not have a significant impact on the simulation of TC track, intensity and size.     

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。      

A STUDY OF THE INFLUENCE OF MICROPHYSICAL PROCESSES ON TYPHOON NIDA (2016) USING A NEW DOUBLE-MOMENT MICROPHYSICS SCHEME IN THE WEATHER RESEARCH AND FORECASTING MODEL

The basic structure and cloud features of Typhoon Nida (2016) are simulated using a new microphysics scheme (Liuma) within the Weather Research and Forecasting (WRF) model. Typhoon characteristics simulated with the Liuma microphysics scheme are compared with observations and those simulated with a commonly- used microphysics scheme (WSM6). Results show that using different microphysics schemes does not significantly alter the track of the typhoon but does significantly affect the intensity and the cloud structure of the typhoon. Results also show that the vertical distribution of cloud hydrometeors and the horizontal distribution of peripheral rainband are affected by the microphysics scheme. The mixing ratios of rain water and graupel correlate highly with the vertical velocity component and equivalent potential temperature at the typhoon eye-wall region. According to the simulation with WSM 6 scheme, it is likely that the very low typhoon central pressure results from the positive feedback between hydrometeors and typhoon intensity. As the ice-phase hydrometeors are mostly graupel in the Liuma microphysics scheme, further improvement in this aspect is required.     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

A Two-Moment Bulk Microphysics Coupled with a Mesoscale Model WRF: Model Description and First Results

The Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS) two-moment bulk microphysics scheme was adopted in this study to investigate the representation of cloud and precipitation processes under different environmental conditions.The scheme predicts the mixing ratio of water vapor as well as the mixing ratios and number concentrations of cloud droplets,rain,ice,snow,and graupel.A new parameterization approach to simulate heterogeneous droplet activation was developed in this scheme.Furthermore,the improved CAMS scheme was coupled with the Weather Research and Forecasting model (WRF v3.1),which made it possible to simulate the microphysics of clouds and precipitation as well as the cloud-aerosol interactions in selected atmospheric condition.The rain event occurring on 27-28 December 2008 in eastern China was simulated using the CAMS scheme and three sophisticated microphysics schemes in the WRF model.Results showed that the simulated 36-h accumulated precipitations were generally agreed with observation data,and the CAMS scheme performed well in the southern area of the nested domain.The radar reflectivity,the averaged precipitation intensity,and the hydrometeor mixing ratios simulated by the CAMS scheme were generally consistent with those from other microphysics schemes.The hydrometeor number concentrations simulated by the CAMS scheme were also close to the experiential values in stratus clouds.The model results suggest that the CAMS scheme performs reasonably well in describing the microphysics of clouds and precipitation in the mesoscale WRF model.     

Impact of Different Cloud Microphysics Parameterization Schemes on Typhoon Intensity and Structure

The impact of different cloud microphysics parameterization schemes on the intensity and structure of the Super-strong Typhoon Rammasun (1409) in 2014 is investigated using the Weather Research and Forecasting model version 3.4 with eight cloud microphysics parameterization schemes. Results indicate that the uncertainty of cloud microphysics schemes results in typhoon forecast uncertainties, which increase with forecast time. Typhoon forecast uncertainty primarily affects intensity predictions, with significant differences in predicted typhoon intensity using the various cloud microphysics schemes. Typhoon forecast uncertainty also affects the predicted typhoon structure. Greater typhoon intensity is accompanied by smaller vortex width, tighter vortex structure, stronger wind in the middle and lower troposphere, greater height of the strong wind region, smaller thickness of the eyewall and the outward extension of the eyewall, and a warmer warm core at upper levels of the eye. The differences among the various cloud microphysics schemes lead to the different amounts and distributions of water vapor and hydrometeors in clouds. Different hydrometeors have different vertical distributions. In the radial direction, the maxima for the various hydrometeors forecast by a single cloud microphysics scheme are collocated with each other and with the center of maximum precipitation. When the hydrometeor concentration is high and hydrometeors exist at lower altitudes, more precipitation often occurs. Both the vertical and horizontal winds are the strongest at the location of maximum precipitation. Results also indicate that typhoon intensities forecast by cloud microphysics schemes containing graupel processes are noticeably greater than those forecast by schemes without graupel processes. Among the eight cloud microphysics schemes investigated, typhoon intensity forecasts using the WRF Single-Moment 6-class and Thompson schemes are the most accurate.