初始云滴浓度（CCN）对对流性降水作用的数值试验

本文利用一个二维滞弹性非静力平衡云模式[1],选择三个典型个例,就初始云滴浓度（CCN）对对流性暖雨和冷雨过程的效应进行了数值试验。模拟结果表明：初始CCN对对流性降水影响较大。对暖雨过程而言,随着初始CCN的增大,地面累积降水量减弱;对冷雨过程而言,增大初始CCN,可削弱对流强度,减少地面累积降雹量,延缓液态水到达地面的时间,但最终增强了地面累积液态降水量。并且分析了初始CCN导致暖雨和冷雨过程这种差别的原因。     

一个简化的混合相云降水显式方案

该文提出一个新的混合相云降水显式方案,它预报2个云物理量,即云水（冷区为过冷云水）和降水（冷区为冰雪,暖区为雨）,考虑了7种云物理过程。文中给出了详细的方程组,可以作为一个子程序供大、中尺度天气模式使用。该方案还与详细微物理显式方案和暖云方案作了实例模拟比较。     

层积云覆盖的海洋边界层云详细微物理过程的数值模拟

文中建立了一个含显式分档的云微物理模式和辐射传输模式的一维 3阶湍流闭合模式 ,该模式可用于研究海洋边界层云中气溶胶和云的相互作用过程 ,同时提出了一种新的动力模式和微物理模式耦合方法 ,该方法可使动力模式中液态水相关项可以直接由微物理模式变量计算得到。作为模式的初步应用模拟了 2 0 0 1年APEX/ACE Asia在西太平洋上所观测到的一个个例。模拟结果和观测资料比较表明该模式基本上模拟出层积云覆盖的海洋边界层的基本结构     

显式云物理方案的研究进展

回顾了近年来显式云物理方案的研究进展。显式云方案主要有体积水方法和详细微物理方法(分档法)。体积水方法有单参数和双参数两种谱描述方法,根据模式预报变量和物理过程的不同,可以分为暖云方案、简单冰相方案和复杂冰相方案。详细的微物理方法由于预报变量繁多、计算量巨大而一般多应用于研究工作。不同的模式,有不同的显式云方案,并不是粒子分类越复杂模拟效果就越好,需要根据研究的重点、计算资源的许可选择使用不同的物理方案。物理过程参数化需要建立在理论和实验研究的基础上,因此应加强这方面的理论和实验研究,使物理参数化具有更坚实的物理基础。     

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明:气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

Numerical Study of the Role of Microphysical Latent Heating and Surface Heat Fluxes in a Severe Precipitation Event in the Warm Sector over Southern China

Simulations of the severe precipitation event that occurred in the warm sector over southern China on 08 May 2014 are conducted using the Advanced Weather Research and Forecasting (WRF-ARWv3.5.1) model to investigate the roles of microphysical latent heating and surface heat fluxes during the severe precipitation processes. At first, observations from surface rain gauges and ground-based weather radars are used to evaluate the model outputs. Results show that the spatial distribution of 24-h accumulated precipitation is well reproduced, and the temporal and spatial distributions of the simulated radar reflectivity agree well with the observations. Then, several sensitive simulations are performed with the identical model configurations, except for different options in microphysical latent heating and surface heat fluxes. From the results, one of the significant findings is that the latent heating from warm rain microphysical processes heats the atmosphere in the initial phase of the precipitation and thus convective systems start by self-triggering and self-organizing, despite the fact that the environmental conditions are not favorable to the occurrence of precipitation event at the initial phase. In the case of the severe precipitation event over the warm sector, both warm and ice microphysical processes are active with the ice microphysics processes activated almost two hours later. According to the sensitive results, there is a very weak precipitation without heavy rainfall belt when microphysical latent heating is turned off. In terms of this precipitation event, the warm microphysics processes play significant roles on precipitation intensity, while the ice microphysics processes have effects on the spatial distribution of precipitation. Both surface sensible and latent heating have effects on the precipitation intensity and spatial distribution. By comparison, the surface sensible heating has a strong influence on the spatial distribution of precipitation, and the surface latent heating has only a slight impact on the precipitation intensity. The results indicate that microphysical latent heating might be an important factor for severe precipitation forecast in the warm sector over southern China. Surface sensible heating can have considerable influence on the precipitation spatial distribution and should not be neglected in the case of weak large-scale conditions with abundant water vapor in the warm sector.     

Idealized simulation of the Colorado hailstorm case: comparison of bulk and detailed microphysics

One of the purposes of the Fourth Cloud Modeling Workshop was to compare different microphysical treatments. In this paper, the results of a widely used bulk treatment and five versions of a detailed microphysical model are presented. Sensitivity analysis was made to investigate the effect of bulk parametrization, ice initiation technique, CCN concentration and collision efficiency of rimed ice crystal–drop collision. The results show that: (i) The mixing ratios of different species of hydrometeors calculated by bulk and one of the detailed models show some similarity. However, the processes of hail/graupel formation are different in the bulk and the detailed models. (ii) Using different ice initiation in the detailed models' different processes became important in the hail and graupel formation. (iii) In the case of higher CCN concentration, the mixing ratio of liquid water, hail and graupel were more sensitive to the value of collision efficiency of rimed ice crystal–drop collision. (iv) The Bergeron–Findeisen process does not work in the updraft core of a convective cloud. The vapor content was always over water saturation; moreover, the supersaturation gradually increased after the appearance of precipitation ice particles.     

Modeling Marine Stratocumulus with a Detailed Microphysical Scheme

A one-dimensional 3rd-order turbulence closure model with size-resolved microphysics and radiative transfer has been developed for investigating aerosol and cloud interactions of the stratocumulus-topped marine boundary layer. A new method is presented for coupling between the dynamical model and the mierophysical model. This scheme allows the liquid water related correlations to be directly calculated rather than parameterized. On 21 April 2001, a marine stratocumulus was observed by the Caesar aircraft over the west Pacific Rim south of Japan during the 2001 APEX/ACE-Asia field measurements. This cloud is simulated by the model we present here. The model results show that the general features of the stratocumulus-topped marine boundary layer predicted by the model are in agreement with the measurements. A new onboard cloud condensation nuclei (CCN) counter provides not only total CCN number concentration (as the traditional CCN counters do at a certain supersaturation) but also the CCN size distribution information. Using these CCN data, model responses to different CCN initial concentrations are examined. The model results are consistent with both observations and expectations.The numerical results show that the cloud microphysieal properties are changed fundamentally by different initial CCN concentrations but the cloud liquid water content does not differ significantly. Different initial CCN loadings have large impacts on the evolution of cloud microstructure and radiation transfer while they have a modest effect on thermodynamics. Increased CCN concentration leads to significant decrease of cloud effective radius.     

台风眼壁的云结构与降水形成机制分析

使用带有详细微物理过程的ARPS模式,对台风韦帕（Wipha）进行三重嵌套细网格模拟,利用模式结果,对台风眼壁强降水中心的云结构和降水形成机制进行分析,结果表明：冰相微物理过程是启动和形成台风眼壁暴雨的主要降水形成机制。在9000～14000 m高空,云水在很低的温度下经均质核化产生冰晶,或经非均质核化形成云冰;冰晶通过凝华增长（psfi,贝吉龙过程）、雨水收集云冰产生雪（praci）和冰晶粘附雨水成雪（piacr）过程生长为雪;霰产生主要包括4个过程：冰晶接触雨水使其成霰（piacr）、雪撞冻云水使其成霰（psacr）、雨水收集云冰转化成霰（praci）或雨水冻结为霰（pgfr）;霰粒子通过收集云冰干增长（dgaci）,霰撞冻云滴增长（dgacw）等过程生长;霰融化（pgmlt）和雪融化（psmlt）成雨水后再通过碰并云水等暖云生长过程,最后形成雨水。霰过程的强弱在雨水形成机制中很重要。（29.5°N、121.8°E）和（28.3°N、120.4°E）强降水中心冰晶转化率没有太大差别,但是（29.5°N、121.8°E）强降水中心上空冰晶通过贝吉龙过程快速成长为雪和霰,霰粒子增长过程远远强于（28.3°N、120.4°E）强降水中心,低空又有较高的云水转化率,使降水粒子在暖云中继续快速生长,冷暖云过程的有利配置使（29.5°N、121.8°E）出现较强雨水转化率。     

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...     

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程.微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异.本文利用中尺度非静力模式WRF (V3.2.1版本),采用36 km、12 km和4 km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18~19 日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验.从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,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这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格（4 km）嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考.其中,水平分辨率为36 km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12 km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4 km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好.再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值.     

气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展

气溶胶对云和降水的影响,对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。气溶胶粒子作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程,进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。近年来,在理解气溶胶的化学成分,气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方面已取得重大进展。本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述,重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果,回顾了近年来利用卫星、地面观测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可能的物理机制,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

云凝结核浓度对南京地区一次冰雹云过程影响的数值研究

采用WRF模式与包含了云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)浓度和霰雹密度预报的NSSL(National Severe Storm Laboratory,国家强风暴实验室)微物理方案,模拟不同CCN初始浓度条件下南京地区的一次冰雹云过程,分析不同CCN初始浓度影响下冰雹云过程的宏微观演变特征,以及对流发展不同阶段的水凝物粒子及流场、温度场的垂直分布特征。研究发现:1)较大的CCN初始浓度虽然抑制了前期对流降水,但对后期对流降水的产生有促进作用;2)CCN初始浓度的增加使得模拟雷达回波的强回波区域(大于40 dBz)缩小,中等强度区域(小于40 dBz)扩张。3)CCN初始浓度增大不利于对流发展初期云雨自动转化过程的发生,但是促进了冰晶与雪的产生,使得冰雹含量峰值出现的时间推迟。4)CCN浓度增大抑制了雨水产生,间接使得霰粒子更倾向于干增长,平均密度更小;5)较大的CCN浓度促使冰雹云单体的发展时间增长。     

黄河上游降水云层对流特性及降水微结构机制研究

主要利用1997—2000年6～9月在黄河上游河曲地区实施人工增水实验所获取的各类降水云层回波、雨滴谱及多点宏观气象资料，进一步阐明各类云层降水中对流作用的普遍性和特殊性，并且通过全过程的雨滴谱的演变个例，初步揭示了该地区云中降水微物理过程可能存在冷云和暖云两种机制且暖云机制起重要作用。以上是该地区产生降水频繁的重要原因。     

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案, 包括11个云物理变量和31个云物理过程, 能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后, 实现了二者的耦合, 耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程, 利用耦合后的模式进行48 h模拟试验, 同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟, 着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明: CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征, 并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致, 对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征, 各相态粒子的量级和分布合理, 不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验, 对新方案进行检验。     

北京首都国际机场冻雨过程的模拟及其产生的可能机制

为了探讨北京首都国际机场冻雨过程产生的可能机制,利用NCEP再分析资料、风云2号E星（FY-2E）的云顶亮温（Black Body Temperature,TBB）逐小时资料及风云3号A星（FY-3A）反演的云顶高度日平均资料做为检验依据,使用美国非静力中尺度模式（Weather Research and Forecasting,WRF）对2013年1月31日发生在首都机场附近地区的一次冻雨过程进行模拟,得出以下结论:1）模拟结果中的云顶温度与FY-2E的TBB逐小时资料对应较好:此次冻雨过程,整个降水云系云顶温度在0~-6℃之间,模拟结果水成物的垂直分布也得到了较好的印证;通过FY-3A反演的云顶高度日平均资料的检验,证明此次冻雨过程的云高基本维持在3 km左右,而且云微物理固态项的含量少。2）云顶温度、云顶高度实况与模式模拟表明此次过程是一次典型的暖雨机制冻雨,这说明产生北方冻雨的可能机制并不单一,冰相机制与暖雨机制可以同时存在。     

A two-moment parameterization of aerosol nucleation and impaction scavenging for a warm cloud microphysics: description and results from a two-dimensional simulation

A new two-moment warm bulk scheme has been developed including explicitly nucleation and impaction scavenging of aerosol particles as well as all other microphysical processes. The scheme is built upon a quasispectral representation of the aerosol particle, cloud droplet and raindrop distributions. It predicts mixing ratios and number concentrations for each category. Each process is treated explicitly and independently to establish an analytic expression for each contribution for the time-dependant microphysical equations. The scheme has been tested in the dynamical framework of a two-dimensional kinematic model, developed for the Hawaiian Rainband Project (HaRP, 1990). In this frame, the scheme has performed reasonably well compared to the observations as well as to other similar parameterization schemes, and to the spectral model DESCAM.Sensitivity tests demonstrate the great sensitivity of the scheme to the initial aerosol spectrum characteristics. Moreover, they have also shown its capability to calculate nucleation and impaction scavenging and to follow the taken up particle mass in the cloud and raindrop spectra until the deposition on the ground by the rain.Therefore, the parameterization offers a possibility of treating the evolution of the liquid phase of the cloud together with the aerosol particle scavenging. However, due to the severe limitations of a two-dimensional kinematic model, the scheme needs to be further validated in a three-dimensional dynamical model.     

云凝结核浓度对WRF模式模拟飑线降水的影响：不同云微物理参数化方案的对比研究

采用WRF模式模拟一次影响中国广东省的飑线过程, 分别选取Morrison、 Thompson07、 Thompson09和WDM6云微物理方案实施了四组试验, 每组试验包括不同云凝结核（CCN）浓度的三次模拟, 称为 “低浓度”、 “中浓度” 和 “高浓度”, 将模拟区域划分为深对流、 浅对流和层云区域, 对比分析四组试验中CCN浓度变化对模拟的总降水量、 不同区域降水率和不同区域面积的影响, 进一步分析了云微物理过程、 动力环流强度等受CCN浓度变化的影响。发现: （1） 由于不同云微物理过程与CCN浓度有着直接或间接的联系、 不同云微物理过程之间存在复杂的关联、 云微物理过程与动力环流之间发生非线性耦合, 采用不同的云微物理方案导致模拟的CCN—降雨影响既有相似、 也有差异; （2）模拟的CCN—降水影响在采用Thompson09和Thompson07方案时更显著, 采用WDM6方案时最小; （3）四组模拟试验均出现CCN浓度增加延迟降水产生、 初期降水减弱的情况, 在模拟后期降水量也随着CCN浓度增加而减小, 而飑线成熟阶段CCN—降水影响更加复杂。     

热带飑线结构和演变的数值模拟研究第一部分：云分辨模式

利用风暴尺度、云分辨的数值模式ＡＲＰＳ模拟了 １９９３年２月 ２２日 ＴＯＧＡＣＯＡＲＥ试验期间在赤道南太平洋观测到一次热带海洋飑线过程的发生发展过程，验证该模式的模拟热带对流系统的能力，并详细地分析了该次飑线的结构特征和动力学形成机制。通过数值敏感性试验研究了不同的云微物理过程对热带飑线的结构和发展演变过程的影响，所考虑的云微物理过程分为包含六种水相态的冰相过程和 Ｋｅｓｓｌｅｒ暖雨过程。模拟结果表明，云分辨模式ＡＲＰＳ采用合适的物理过程可以较成功地模拟出热带飑线的三维结构及其演变过程。数值敏感性试验结果表明，在对流上升过程中，由于与冻结作用有关的冰相微物理过程能释放更多的潜热，这种潜热能产生垂直方向上的浮力梯度从而较明显地加强系统的深对流，有利于对流系统组织性的对流带的长时间维持；相比之下，暖雨过程中飑线的生命周期缩短，而系统倾斜结构更明显，层状云区的发展比较旺盛。     

台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅱ:云微物理参数化对强度和路径的影响

在分析云微物理参数化对云结构和降水特征的影响的基础上,研究云微物理参数化过程对台风"云娜"强度与路径的影响.结果表明:云微物理过程对台风强度和路径有一定影响,其中不考虑雨水蒸发冷却效应后,比其他试验最终地面最大风速强7 m/s以上,但此时登陆地点误差最大,与对照试验偏离150 km左右.我们还从螺旋雨带结构变化及环境风切变影响角度分析台风临近登陆时强度模拟减弱的原因,发现过强的外围螺旋雨带以及环境风场垂直切变对于台风的加深、维持是不利的,他们可能会造成"云娜"临近登陆时强度的下降.不难看出,云微物理过程可以加强甚至产生外螺旋雨带,当外围雨带发展加强之后,可以引起局地辐合强度增强,从而限制了大量水汽和能量向台风内核输送,从而会导致台风强度下降.此外,外围螺旋雨带的发展,还可以从对流层中层带来干冷空气入侵行星边界层;而当入流边界层中雨水下落时,其自身的蒸发也会使周围气块温度下降;这些干冷气团在入流气流的输送下进入台风内核,从而对云墙产生了"冷侵蚀",最终引起台风强度下降.因此,减小上述两方面的模拟误差,应能改进台风"云娜"登陆过程中强度的模拟效果.