区域中尺度模式云微物理参数化方案特征及其在中国的适用性

云微物理参数化方案在数值模式中起着重要的作用,是影响数值天气预报和气候预测准确性的最大因素。系统回顾了中尺度数值模式中云微物理参数化方案的研究进展,并统计分析了最近十余年云微物理参数化方案在中国范围内的敏感性试验研究成果。Lin方案和Rutledge-Hobbs方案奠定了中尺度模式中云微物理参数化方案的基础,其他方案都是直接或间接在这2个方案的基础上从多方面改进而形成的。这些改进主要体现在:①水凝物粒子分类数目;②冰核活化;③粒子谱分布描述函数;④粒子谱截距的取值;⑤粒子间相互转换阈值大小的设定。中国范围内云微物理参数化方案敏感性试验研究成果统计表明,使用WRF模式中Lin方案的模拟效果较好,MM5模式采用Goddard和Reisner方案效果较好。     

Numerical simulation of the sudden rainstorm associated with the remnants of Typhoon Meranti (2010)

The Advanced Research Weather Forecasting (ARW) model was used to simulate the sudden heavy rainstorm associated with the remnants of Typhoon Meranti in September 2010. The results showed that the heavy rainfall was produced when the remnant clouds redeveloped suddenly, and the redevelopment was caused by rapid growth of micro/mesoscale convective systems (MCSs). As cold air intruded into the warm remnant clouds, the atmosphere became convectively unstable and frontogenesis happened due to strong wind shear between weak northerly flow and strong southwesterly flow in the lower levels. Under frontogenesis-forcing and warm-air advection stimulation in updrafts, vertical convection developed intensely inside the remnant clouds, with MCSs forming and maturing along the front. The genesis and development of MCSs was due to the great progress vertical vorticity made. The moist isentropic surface became slantwise as atmospheric baroclinity intensified when cold air intruded, which reduced the convective instability of the air.Meanwhile, vertical wind shear increased because the north cold air caused the wind direction to turn from south to north with height. In accordance with slantwise vorticity development (SVD), vertical vorticity would develop vigorously and contribute greatly to MCSs. Buoyancy, the pressure gradient, and the lifting of cold air were collectively the source of kinetic energy for rainfall. The low-level southwesterly jet from the western margin of the Western Pacific Subtropical High transported water and heat to remnant clouds. Energy bursts and continuous water vapor transportation played a major role in producing intense rainfall in a very short period of time.     

0505号“海棠”台风暴雨数值模拟试验和分析

利用中尺度数值模式WRFv2.2较好的模拟结果, 并结合NCEP再分析资料、 地面自动站降水资料以及实况雷达回波资料对台风 “海棠” 造成的浙闽地区特大暴雨进行分析。研究发现, 这次暴雨属于台风中心北侧附近的螺旋云带降水, 主要是由边界层强中尺度辐合带直接影响造成的, 降水伴随着辐合带发展; 边界层顶的强东风急流和对流层低层强偏南气流在浙闽地区的交汇是强辐合带的成因; 台风向西北方向移动相伴东风急流和强辐合带的北移, 这是本次暴雨出现稳步北抬的原因。台风的三支不同气流在浙江南部和福建北部地区交汇上升, 起到了水汽通道和能量输送以及建立不稳定区的作用, 提供了暴雨的增幅与维持, 而气流的汇合主要发生在边界层内, 这也是中尺度辐合带高度受限于边界层的原因。浙闽地区复杂的中尺度地形对本场暴雨的发生有重要作用, 为暴雨的增幅做出了重要贡献, 但是, 对边界层不同气流造成的中尺度辐合带而言, 地形的作用较小, 仅可阻挡降水向西延伸。     

FY-2C云迹风资料同化应用对台风预报的影响试验研究

针对0505号台风“海棠”, 采用WRF区域中尺度模式进行控制试验和两个同化试验, 利用WRF-3DVAR同化系统同化FY-2C红外和水汽两个通道云迹风反演产品, 同化分云迹风经质量控制和未经质量控制两组同化试验。通过三组试验分析云迹风资料对降水和风场等的预报结果的影响, 并进行24小时降水量分级Ts评分检验以及风场点对点检验。结果表明: 同化经质量控制云迹风资料可以提高降水落区和强度预报的准确度, 不同等级的Ts评分较其它试验都有较明显改进; 风场预报模拟也有所改善。增加两例台风, 使用与“海棠” 相似的处理方法进行模拟试验, 并对模拟结果24小时降水分析与检验, 得到与“海棠”类似结论。因此, 经过合理性选择的云迹风资料的加入, 有利于补充初始场中可能未包含的中尺度信息, 从而提高试验中对于降水、风场等的模拟效果, 提高WRF模式的模拟预报能力。     

低空急流的不稳定性及其对暴雨的触发作用

本文分析了1972年7月2—3日一次长江流域低空急流的过程,这次低空急流发生在江淮气旋的暖区之中。在低空急流左侧有雷暴和暴雨发生。发现这支低空急流有独特的三维流场结构。指出它是一支极不稳定的气流:在急流轴的左前方有一个Ri数负值区,这正是低层最不稳定的地区。低空急流具有很强的超地转特性,非地转最强时,暴雨发生。这时急流中出现很强的风速脉动,这种脉动的传播对于中尺度低涡及雨团的发生起着触发的作用。以后气压场向流场调整,重新达到地转平衡,这时暴雨也就仃止。     

长江中游一次β中尺度低涡的数值模拟

利用PSU/NCAR的中尺度数值模式MM5,对1999年6月29日的一次东移低涡过程进行了数值模拟,结果表明:在东移的a中尺度低涡的东南部边界层激发出一个β中尺度的涡旋,该β中尺度涡旋与一强暴雨区相伴移动,稠密的实况降水资料证实了这一暴雨雨团的存在和移动过程。模拟分析揭示β中尺度涡旋出现在停滞的α中尺度低涡南侧偏西气流与暖区偏南气流相遇处及中尺度山脉的背风坡;在中尺度山脉背风坡的地面和近地面层分别有中尺度低压和增强的东南气流存在,由此产生或加强了近地面的强涡度和强辐合,有利于对流系统的发生发展。     

区域气候模拟中Betts-Miller对流参数化方案的敏感性试验

利用NCAR RegCM2气候模式,对Betts-Miller对流参数化方案中影响参考态的几个关键性参数:稳定度参数α、云底和冻结层参考态的饱和气压Δp*和对流调整时间τ进行了敏感性试验,分析这些参数的不同取值对区域气候模拟的影响及意义,并由此提出适合我国东部地区汛期区域气候模拟的Betts-Miller对流参数化方案中较优的关键性参数取值.     

浙江上空干暖盖及其作用

本文应用单站资料以及对流层低层等压面上的饱和能差分布对浙江省九次大范围强对流天气进行了分析和探讨。定义单站上空饱和能差≥12℃为浙江干暖盖范围。结果发现,强对流发生前,位于对流层底层的浙、闽沿海地区往往有一个饱和能差的大值中心。强对流发生在850毫巴饱和能差为10—15℃的西北侧区域。单站上空饱和能差最大中心出现在降雹前一天,当单站上空的饱和能差迅速减小到12℃时,最易爆发强对流。     

冰核对云物理属性和降水影响的研究

系统回顾了冰核对云和降水影响的研究进展,详细分析了冰核对云的宏微观特征、对流系统结构和强度、辐射、雷电、降水量和降水强度的影响途径,并从云微物理过程的角度解释了其影响机制。得到如下结论:1通常情况下,冰核浓度增加,冰晶浓度增大,云滴浓度减小,云的生命史延长;2对于发展阶段的对流云,冰核在温度较高的过冷区活化使潜热在中低层提早释放,增加了对流系统中层不稳定能量,促进了对流系统的发展;3卷云中冰核浓度的增加,改变了冰相水物质与液相水物质的比例;削弱或抑制了卷云中同质核化,增大了卷云中冰晶粒子的平均半径;4冰核浓度的增加,能够使到达地气系统的净辐射增加;5冰核浓度的变化能够引起雷电活动发生频次和强度的变化;6冰核浓度增加,引起降水量的变化不确定,即降水量增加、减少或者变化不显著的情况都可能存在。这些结果为改进数值模式中冰核活化参数化方法提供指导,从而提高数值模式对云和降水的预报能力;同时为人工影响天气选择合适的人工催化剂和撒播时机提供参考。     

暴雨过程中中尺度地形作用的数值试验

本文利用美国PSU/NCAR中尺度模式（MM4）对1991年7月4—5日浙西皖南山区的大暴雨过程进行了地形作用的数值模拟对比试验。结果表明，中尺度地形对强降水区的分布和强度有重要影响，强降水中心位于山地附近；地形的动力及屏障作用对气流有明显影响；山区的水汽和热量对静力不稳定亦具有相当作用。