两种微物理方案对夏季东北亚阻塞过程影响的数值模拟结果分析

选用NCEP/NCAR FNL再分析资料,利用中尺度模式WRF对2011年7月25日—8月3日的一次东北亚阻塞高压过程进行数值模拟试验。通过数值对比试验,讨论有冰相物理过程和无冰相物理过程的两种微物理方案对此次阻塞高压过程的强度和维持时间模拟的差异,并简要阐述原因。结果表明:WRF对阻塞高压过程有较好的模拟效果,有冰相物理过程的微物理方案模拟的阻高强度及维持时间较接近实况,整体阻塞闭合环流形势、高压中心值、中心位置以及中心上下游的低压槽强度均与实况接近;无冰相物理过程的微物理方案模拟阻塞高压在500 及200 hPa平均位势高度场上没有闭合的高值中心出现,500 hPa阻塞高压强度弱,持续时间短,200 hPa则相反。进一步研究发现,这两种差异主要由阻塞高压活动区域内的非绝热加热不同引起的,它对阻塞高压形成的强度和维持时间具有很好的指示意义。另外,阻塞高压附近区域的微物理潜热释放对阻塞过程的强度和维持时间也有一定影响。      

不同微物理方案对一次梅雨锋暴雨过程模拟的影响

中尺度模式中描述湿物理过程的方案主要有对流参数化方案和云微物理方案,当网格距达到可以分辨积云对流尺度时,云微物理方案对描述云和降水物理过程的作用将变得更为重要.利用GRAPES高分辨率中尺度数值模式对2007年7月7-9日中国梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,从降水量、雷达回波、水成物分布方面结合观测资料,分析了NCFP简...     

2010年12月15日江西雨雪天气的微物理数值模拟分析

利用常规观测资料和中尺度数值模式WRF的输出产品,对2010年12月14—15日发生在江西的雨雪过程进行了分析。结果表明,微物理参数化方案输出的物理因子可以较好地揭示本次过程的雨雪转换;在雨转雪阶段,由于中低层冷空气南移较强,没有形成逆温,因此未能形成冻雨,而是由雨转为降雪天气。     

对流参数化与微物理过程的耦合及其对台风预报的影响研究

在SAS（Relaxed Arakawa-schubert Scheme）对流参数化方案中引入对流云和层状云的相互耦合机制,并通过一个台风个例对改进前后两种方案的预报效果进行了比较。试验结果表明：对于台风这种对流云和层状云相互作用非常强烈的天气系统,在对流参数化方案中引入对流云和层状云的耦合机制可以有效地提高模式对台风路径的预报水平,但是对于台风强度的预报效果不明显。考虑对流参数化和微物理过程耦合后模式的参数化降水变弱而格点降水增强,与NCEP再分析资料的对比发现,改进方案对于台风外围的大尺度温度场和湿度场的预报会有所改进,但仍然存在偏干偏冷的现象。对雨和雪的不同处理方式、不同云底条件以及是否考虑雨雪的卷入抬升三个方面进行了敏感性试验,发现72 h内模式预报结果对这些因素的差异不是很敏感。从多个个例的统计结果来看,新方案对台风路径预报的改进效果是比较稳定的。     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(Ⅰ):降雪过程和地形影响

利用部分改进了的中尺度数值模式MM5V3对2006年2月7～8日祁连山一次降雪过程进行了三重双向影响嵌套模拟研究,模式对雪带分布的模拟与实测基本吻合.重点分析了此次降雪过程中的热力动力特征和云的微物理结构,并通过地形敏感性试验,研究了祁连山地形对降雪的作用.结果表明:降雪过程中有低层西北湿冷气流向祁连山区输送水汽在山前形成大值区,气流除在祁连山周围绕流外同时沿祁连山北坡爬升.降雪前期空气饱和层和上升气流区比较深厚,为祁连山北坡降雪中心的形成提供了有利的动力热力条件,降雪后期有高空干冷下沉气流侵入使降雪减弱.这次过程为冷性稳定层云降雪过程,水成物含水量大值区也主要分布于祁连山北坡和山顶附近,冰晶和雪分布在6 km以下,在冷云顶存在0.06 g·kg-1的过冷云水.祁连山高大地形对大范围降雪落区无明显影响,但对祁连山北坡降雪中心形成有直接影响.降低地形高度后,山顶无法形成上升运动和云粒子,迎风坡云体发展减弱.地形对降雪增幅中心主要位于祁连山北坡,24 h最大增幅达3 mm.     

WRF3.1微物理参数化方案对两例暴雨的集合预报试验及可预报性分析

采用WRFV3.1.1数值模式,选取模式中的10个微物理过程参数化方案构造10个集合预报成员,分别对2008年6月9—10日江淮地区暴雨与2008年6月6—7日华南地区暴雨进行集合预报试验,并进一步讨论了这两例暴雨的可预报性差异。结果表明:各参数化方案在暴雨的模拟中所表现出来的优势是相对的,但微物理过程集合预报在两例暴雨中都取得稳定且优异的模拟效果;通过比较两例暴雨的ETS(Equitable threat score)评分距平发现,华南暴雨在各个量级上的ETS评分距平都大于江淮暴雨,且华南暴雨集合成员之间的ETS评分差别也较大;大多数集合成员的模式误差在初始12 h增长最快,其后将减慢或者降低。对各成员的均方根误差(σ)距平分析表明,华南暴雨的σ距平增长相对较快且成员之间差别较大。因此从模式误差增长的角度来说,华南暴雨的可预报性低于江淮暴雨。     

北京北部山区两次降雪过程微物理形成机制的观测—模拟研究

降雪是北京冬季的重要降水天气过程,但目前对实例降雪形成的微物理机制的观测-模拟研究较少。本文利用中尺度WRF模式结合外场观测资料,对北京2015年1月24日和11月5~6日两次不同天气条件下的山区降雪云系的微物理结构特征及降雪形成的微物理转化机制进行了分析研究,定量比较了云中水凝物含量的比例和降雪形成机制的差异。研究结果表明:(1)由于两次降雪过程的天气形势和水汽输送有较大差异,导致降雪形成的微物理转化机制也出现较大差异。11月5日降雪第一阶段水汽输送较强,云中过冷水含量较高,降雪形成以凝华增长和凇附增长为主,地面表现为雨夹雪天气,而1月24日和11月5~6日第二阶段水汽输送弱,降雪形成以凝华增长和聚并增长为主,地面表现为纯降雪天气;(2)11月5日的雨夹雪天气过程中,云中不仅有冰晶(9%)、雪晶(72%),还有云水(6%)和雨水(12%)的存在,高层生成的雪胚在下落过程中主要通过凝华(78%)和凇附(20%)过程增长。而1月24日与11月5~6日第二阶段的纯降雪过程中,云中水凝物分布相似,以冰晶和雪晶为主,1月24日冰晶含量占28%,雪晶含量占72%;11月5~6日冰晶含量占11%,雪晶含量占88%,冰粒子主要分布在高层。首先高层6~12 km通过云冰转换生成的雪胚下落到低层水汽充足区,然后通过凝华和聚并过程增长,1月24日凝华增长过程占92%,聚并增长过程仅占5%;11月5~6日凝华占88%,聚并仅占3%。(3)垂直上升气流速度与冰晶、雪晶生成和增长过程呈正相关,上升气流带来充足的水汽,配合垂直运动使得雪胚增加,凝华、凇附凇附和聚并过程增强,导致雪晶含量增加。     

青海一次春季透雨降水过程的云物理结构分析

2001年5月23日青海省的一次透雨过程基本解决了春旱问题.此次降水预报准确,开展了飞机人工增雨作业,同时利用一架科研探测飞机对降水云层进行较系统的云微物理特征探测.探测结果表明"5·23"透雨过程中,降水云系在降水形成发展阶段有分层现象,上层云云水含量较下层大,云粒子浓度大,水汽主要由较高层的系统输送,由于青藏高原特有的下垫面条件,云系的发展变化较快.云粒子谱分析表明,降水云系生成阶段,云粒子谱不连续,呈间断分布或呈浓度有多峰的特征,降水云系成熟后云粒子谱明显增宽,且浓度增加一个以上数量级.云系的不同发展阶段降水云系的粒子二维特征也有不同.     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

湛江东海岛一次春季海雾的宏微观结构及边界层演变特征

2011年2—3月利用雾滴谱仪、能见度仪、风廓线雷达及100 m边界层气象要素梯度观测塔在湛江东海岛开展海雾综合观测试验。选取2011年2月23—24日一次约15 h的浓雾过程,从宏微观角度着重分析了其间近地层风、温、湿结构和热、动力演变,微物理过程和爆发性增长特征,及湍流通量输送。结果表明：来自南海暖海面的偏东南暖湿气流平流至广东省沿岸冷海面,发生冷却并达到饱和形成海雾。偏东南暖湿气流为浓雾的酝酿、生成及成熟提供了充沛水汽和稳定的逆温层结条件,逆温强度与暖湿气流强度关系密切。海雾多发生在270 m以下,当630—870 m 高度层存在明显的下沉运动时,150—390 m高度层则可保持近似等温和弱逆温层,阻止了下层（270 m以下）水汽与其上层（390 m以上）干冷空气交换,导致下层大气持续高湿稳定状态。整个过程中,雾滴数浓度（N）、含水量（W）、平均直径（D_ave）、谱宽（D_max）和有效半径（R_eff）的平均值分别为248 cm^-3、0.102 g/cm³、5.2 μm、36.0 μm和7.0 μm。雾滴数浓度（N）与平均直径（D_ave）在雾发展初期（生成、发展）和末期（消散）多成正相关趋势,而在成熟阶段两者多成反相关趋势。雾前4小时稳定层结及偏东南暖湿气流持续增湿可认为是雾层爆发性增长的酝酿阶段,雾滴谱拓宽是经过活跃—稳定—爆发的3阶段完成,湍流混合对其影响不大;浓雾快速消散是雾滴蒸发、重力碰并沉降、湍流碰并沉降等共同作用造成的,其中直径大于21 μm液滴的大量耗散是消散的重要阶段。雾前,湍流由强转弱。雾发生后,湍流持续较弱。由于东南急流引发的风切变导致湍流增强,感热通量出现向上强输送,这与冷海雾维持阶段高层热量交换过程类似。雾消散时,湍流逐渐转强。平均动能在雾前和雾中的两次跃增与偏东南暖湿气流显著增强有关,而雾成熟期湍流动能大幅跃增主要是由雾顶辐射冷却产生的热力湍流和风切变引发的机械湍流增强所致。