山东一次春季暴雨过程的水汽收支和降水转化数值分析

利用中尺度数值模式(MM5 v3.5)对2003年4月17~18日山东春季大暴雨过程进行了数值模拟。在较为准确的模拟基础上,分析了该暴雨过程的形势演变和水汽条件,计算了暴雨发生过程中山东省范围水汽输送、水汽收支和空中各相态水物质的量值大小及其转化关系。初步揭示了具体降水天气系统中的水循环过程和云水资源转化特征。     

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。      

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...     

一次高原强降水过程及其云物理结构的数值模拟

本文利用中尺度WRF数值模式,对2010年8月7—8日发生在青藏高原东部一次强降水过程进行数值模拟,利用常规观测资料、FY卫星云图和数值模拟结果对此次强降水过程的宏微观演变特征和降水机制进行分析。本次模拟选用Milbrandt-Yau(MY)微物理方案,有较为完整的双参数计算过程,较为全面地考虑了各类云物理过程,对云微物理结构的描述和处理精细而复杂。结果表明,此次强对流降水发生在副热带高压与南亚高压相连、中高纬短波槽分裂南下、并与西南暖湿气流相遇形成低涡切变线的有利天气形势下,西南暖湿气流带来大量水汽、降水区存在大量不稳定能量、以及低层辐合高层辐散的高低空配置为暴雨发生发展提供了必要条件。WRF模式较好地模拟出了此次强降水过程的降水落区、降水中心和降水量级,对青海平安和甘南上空云团合并过程、强对流云团范围也模拟较好。对云微物理结构的分析结果表明,此次对流云降水为冷云降水,暖层浅薄,冰相粒子丰富,其中霰粒对过冷水的碰冻能力最强,使得其含量远大于冰雪晶含量,其融化是雨水的主要来源。雪晶含量最少,或与其碰冻过冷水能力较弱有关。     

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。     

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。     

一次华北暴雨过程的数值模拟及水汽螺旋度和水汽涡度收支应用分析

运用WRF模式对2009年8月发生在华北地区的一次暴雨过程进行了数值模拟,按照性质的不同对模拟降水进行了研究,还进行了湿度场试验,最后利用模式输出结果对水汽螺旋度和水汽涡度收支进行了诊断分析。结果表明,数值模式比较合理地再现了本次暴雨天气过程。显式降水在模拟的总降水量中占了很大的比重,但是在暴雨爆发初期,积云降水起了重要作用。对流层中层的水汽饱和程度对模拟降水性质及降水量大小有重要影响,显式降水一般发生在空气饱和程度较高的区域,而位势不稳定则是诱发积云降水的主要原因。对流层中低层水汽螺旋度的强度变化在一定程度上代表了降水系统的强弱变化,其高值区与强降水落区在出现的时间和空间上都存在较好的一致性。水汽涡度收支对于水汽涡度及水汽螺旋度的变化具有很好的指示意义,可以作为预报降水的一个动力指标。     

2008年初南方一次雨雪冰冻天气云微物理过程和逆温层结数值模拟

利用WRF中尺度数值模式对2008年1月26—29日中国南方一次雨雪过程进行数值模拟,并根据模拟结果对云微物理过程、逆温区和地面温度等环境条件进行了分析。结果表明:华南地区冻雨天气对应了两种云微物理结构:一种是由液水形成的降水元在下落过程中经过"暖—冷"层结形成冻雨,另一种是由冰晶、雪晶和液水形成的降水经过"冷—暖—冷"层结造成的。利用模式输出的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。     

WRF微物理方案对四川一次强降水模拟的影响

云物理过程是中尺度数值模式中最重要的非绝热加热物理过程之一,成云降雨过程发生以后通过感热、潜热和动量输送等反馈作用影响大尺度环流,并在决定大气温度、湿度场的垂直结构中起着关键作用,也是人们最为关心的降水预报的关键所在。因此在中尺度数值天气预报模式当中,更加准确的描述云物理过程将能够很大程度上提高模式预报降水能力。本文利用WRF模式,对2010年7月14~18日四川一次强降水过程进行了3组数值模拟实验,每组实验采用了不同的微物理参数化方案。方案的选取上主要采用了WRF模式3.0版本后加入的几种新方案,包括(1) WDM6方案(2) New Thompson方案(3) SBU-YLIN方案,在其他参数设置均相同的情况下,首先详细分析了在整个降水过程的各个阶段,3种方案下模式模拟结果与实况的差异,以及3种方案结果之间的差异。认为在降水初期,WDM6方案的模拟结果对比实况来看盆地东部降水中心偏南,而New Thompson方案和SBU-YLin方案模拟的雅安地区降水中心强度和范围都过大,但对于盆地东部的降水中心模拟较好,New Thompson方案对广元地区的降水模拟较实况偏弱。总体看来,New Thompson方案和SBU-YLin效果相当,WDM6略差。在大范围降水产生的时期,3种方案模拟的效果与实况都非常接近,只是各方案对乐山宜宾一线雨带的模拟都有不同程度的加强,使得这一线成了整个区域的最强的中心,其中SBU-YLin方案加强最大,New Thompson方案次之,而实际过程中这一时期最强中心还是在川东北一带。WDM6方案模拟降水强度与实况最为接近,但中心偏东。其中7月16日18时~17日06时是各方案模拟效果最好的一个时段。3种方案给出的的模拟结果相差并不大,较难得出哪种方案的结果最好的结论,但可以初步看出,对于本次降水量级的模拟来讲,WDM6方案模拟降水的量级较好,较少出现模拟过强的现象,而SBU-YLin方案通常模拟的降水中心强度都要大过实际;从降水落区上来看,SBU-YLin方案的表现较好,WDM6方案则有一定偏差。在这两方面New Thompson方案都介于以上两方案之间。最后初步分析了各方案模拟所得的水相参量,主要包括水汽、云水、云冰、雨、雪和霰粒子的混合比,认为造成各方案之间降水差异的原因,主要是各方案处理云水粒子的差别造成。     

2005年7月4-11日淮河流域强降水过程的水汽收支分析

通过对水汽通量向量的势函数和流函数分解以及水汽方程的诊断计算,分析了2005年7月4-11日淮河流域强降水过程水汽收支情况。结果表明,此次强降水过程主要水汽来源于菲律宾经南海向北转向流入我国中东部地区的较强盛的水汽输送带。这条水汽输送带由两部分组成：起重要作用的是强中心位于太平洋上,沿热带赤道以南地区一致向西到达菲律宾的水汽流,另一部分是沿赤道南侧的东风气流,在非洲东岸索马里附近越赤道向东北方向经孟加拉湾北部到达菲律宾的水汽流;水汽汇合区内,淮河流域附近存在东南与西北水汽汇集辐合,这可能是造成淮河流域持续出现强降水重要原因之一;水汽强辐合区域与强降水发生的区域相对应,降水发生区域的总体水汽收支和平均面降雨量的变化趋势相吻合,随着水汽收入的增加,降水量开始加大;中低层的水汽垂直输送与降水过程的平均面降雨量的变化具有较好的对应关系。     

2017年盛夏湖南持续性暴雨过程的水汽输送和收支特征分析

利用NCEP/NCAR再分析资料,首先分析了2017年6月下旬至7月初湖南持续性暴雨天气过程的环流背景和大尺度水汽输送特征,然后引入NOAA的轨迹模式HYSPLIT,分阶段定量分析了暴雨的水汽输送特征以及区域水汽收支情况。结果表明：天气系统的有效配置和稳定维持是强降雨持续的主要原因,持续性暴雨与全球范围的水汽输送和水汽辐合相联系,低空急流的演变和进退与暴雨落区和强度的演变关系密切。影响此次强降水过程的水汽通道主要有三支,第一支由索马里越赤道急流经孟加拉湾和我国西南地区输入暴雨区,第二支由印度洋中东部越赤道气流经孟加拉湾南部和南海北部输入暴雨区,第三支由来自南半球的越赤道气流自南海南部一路北上输入暴雨区,第三阶段还有一支水汽由赤道西太平洋穿越菲律宾进入南海后再北上输入暴雨区。过程第一、二阶段的水汽输送主要来自孟加拉湾,其次是南海,第三阶段来自孟加拉湾和南海（包括西太平洋）的水汽输送各占一半。受地形影响,孟加拉湾通道的水汽主要输送至暴雨区700 hPa,其他来自低纬洋面的通道水汽主要输送到850 hPa及以下各层。暴雨区水汽输入主要来自南边界和西边界,且主要由低层输入暴雨区,以水平水汽通量辐合的形式在暴雨区上空低层大量汇聚,经由强烈的垂直上升运动输送至对流层中高层积累和凝结,从而导致降水的产生,降水的强弱与边界水汽输入和区域水汽辐合的强弱变化一致。     

鲁南地区一次暴雨天气过程的数值模拟

利用常规观测资料以及中尺度数值模式的模拟结果,对2009年8月17—18日山东南部罕见暴雨天气过程成因进行了分析。结果表明:暴雨是受副热带高压、高空西风槽和地面倒槽共同影响产生的;低层强盛的偏南气流建立起水汽通道,把水汽源源不断地向暴雨区输送,同时山东上空低层高温高湿,能量升高,形成上干冷、下暖湿的对流性不稳定层结;强降水产生时,暴雨区上空存在较强的中β尺度系统,该系统具有强而窄的垂直上升运动、上下垂直的辐散辐合结构和强烈的对流不稳定等特征。     

四川盆地西部暴雨对初始水汽条件敏感性的模拟研究

基于区域暴雨数值预报模式AREM, 针对2003年8月发生在四川盆地西部的多次局地强暴雨过程, 通过数值试验, 讨论了川西暴雨对初始水汽条件的高度敏感性, 揭示了川西暴雨过程独特的局地水汽循环特征。初始水汽条件不仅决定着暴雨的强度, 还对最大降水发生时间产生明显影响, 从而决定模式对降水日变化的模拟效果。局地初始水汽偏大, 不仅导致24小时降水总量的迅速增加, 甚至空报暴雨, 还使得主要降水时段明显提前, 使夜雨变为昼雨。局地初始水汽减少不仅会显著减小降水量, 甚至会致使暴雨消失,还会使主要降水时段滞后。     

对流性强降水的数值模拟研究

利用中科院大气所改进的三维强降水对流云数值模式，在证明该模式可较好地模拟对流性强降水的基础上，对1998年7月21日晨发生在武汉的梅雨锋强降水个例进行模拟，深入分析云体结构、降水量等特征，研究暴雨形成的云物理机制。作为对比，另外选取了陕西旬邑的一个强降水个例进行模拟。模拟结果表明，武汉个例云发展较稳定，雨水的形成主要是暖雨过程，冷雨过程对雨水的增加有促进作用，地面无固态降水，雨滴直径、大雨滴浓度相对较大。虽然云中最大上升气流速度、各种降水粒子最大含水量以及瞬时最大雨强等都不如旬邑的强对流云个例强，但累积降水量却比旬邑的大。通过人为改变低层大气湿度的模拟结果发现，这次强降水的长时间维持与低层充沛的水汽供应密切相关。     

Effect of Different Microphysical Parameterizations on the Simulations of a South China Heavy Rainfall

A heavy rainfall event in south China was simulated by the Weather Research and Forecasting (WRF) model with three microphysics schemes, including the Morrison scheme, Thompson scheme, and Milbrandt and Yau scheme (MY), which aim to evaluate the capability to reproduce the precipitation and radar echo reflectivity features, and to evaluate evaluate their differences in microphysics and the associated thermodynamical and dynamical feedback. Results show that all simulations reproduce the main features crucial for rainfall formation. Compared with the observation, the MY scheme performed better than the other two schemes in terms of intensity and spatial distribution of rainfall. Due to abundant water vapor, the accretion of cloud droplets by raindrops was the dominant process in the growth of raindrops while the contribution of melting was a secondary effect. Riming processes, in which frozen hydrometeors collect cloud droplets mainly, contributed more to the growth of frozen hydrometeors than the Bergeron process. Extremely abundant snow and ice were produced in the Thompson and MY schemes respectively by a deposition process. The MY scheme has the highest condensation and evaporation, but the lowest deposition. As a result, in the MY scheme, the enhanced vertical gradient of condensation heating and evaporation cooling at low levels produces strong positive and weak negative potential vorticity in Guangdong, and may favor the formation of the enhanced rainfall center over there.     

重庆市"5·29"暴雨天气过程诊断分析与数值模拟

在天气分析的基础上,利用非静力中尺度数值预报模式MM5和双向二重嵌套网格技术,对2004年5月29~30日重庆市暴雨天气过程进行数值模拟。诊断分析表明,高空低槽产生的冷锋云系发展东移是产生此次暴雨天气过程的主要大尺度天气系统,由高空槽诱发产生的中尺度涡旋是产生此次暴雨天气的主要中尺度系统。模拟结果与观测结果的对比显示表明,MM5中尺度数值预报模式能够成功模拟四川盆地东部的暴雨天气过程,同时揭示了高空槽东移过程中在重庆地区范围内产生的较强中尺度气旋性辐合和强烈上升运动促使了暴雨的产生。     

淮河流域暴雨过程模拟分析

以2003年7月3～4日发生在淮河流域特别是安徽省北部的强降水过程为例,利用全物理过程的中尺度气象模式MM5对此次暴雨过程进行数值模拟,通过对暴雨过程中、低层的环境背景、降水量、降水生命期和降水总体分布随时间演变的趋势以及中尺度对流系统的雷达回波特征等方面的检验,发现MM5模式对此次大暴雨过程具有一定的模拟能力,模式基本可以模拟出中α尺度和100km左右的中β尺度天气系统,但对于时空尺度更小的且发展比较强盛的中β（γ）尺度系统,则有较大的局限性。利用高分辨率模式输出结果验证了低层中β尺度辐合线是造成此次大暴雨的中尺度影响系统,并通过对物理量场特征的分析得到该辐合线的三维结构特征。     

一次梅雨暴雨过程的数值模拟

运用中尺度暴雨MRM模式,采用常规报文资料作为初始场,对2003年7月8-10日的一次江淮地区暴雨过程进行数值模拟。结果表明：该模式对降水场模拟结果同实况基本相似,模式对暴雨的位置、强度、中心都有较好的模拟,嬲评分较高;西南气流对水汽的输送作用及江淮地区上空水汽通量的高值区,为暴雨的形成与维持提供了重要的水汽条件,水汽辐合区与暴雨落区相对应;中低层辐合、高层辐散的散度垂直分布形势,对暴雨的发生提供了十分有利的动力条件;强降雨出现在低层正涡度中心和负散度中心附近。