“威马逊”(1409)强降水物理过程模拟诊断研究

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程和降水效率定义,针对1409号超强台风"威马逊"临岸迅速加强为超强台风并登陆我国华南沿海这一时段的强降水物理过程开展了高分辨率数值模拟诊断研究。结果表明,"威马逊"主体环流区域内一直维持很强的平均降水强度(PS),陆地和海洋PS的相对贡献基本呈反向变化,登陆期间陆面摩擦辐合增强,有利于水汽更多地向陆地区域辐合(QWVA代表垂直积分的三维水汽通量辐合/辐散率,此时段QWVA为正值),造成登陆前短时段内陆地上空局地大气增湿(QWVL代表垂直积分的水汽局地变化率的负值,此时段QWVL为负值),借助云微物理过程快速转化为液相和固相云水凝物(QCLL和QCIL分别代表垂直积分的液相和固相云水凝物局地变化率的负值,此时段QCLL和QCIL为负值),促使陆地上空降水云系快速发展和降水强度增强,而当环流中心位于北部湾洋面时,海洋QWVA的相对贡献显著增强,登陆期间下垫面的变化导致水汽相关物理过程明显变化,进而造成降水云系和强降水中心的显著变化;与陆地相比,海洋表面蒸发的作用更强,变化更明显;"威马逊"影响华南沿海期间,主体环流圈内平均的QCLL和QCIL均基本呈现"正—负—正"的变化特征,当环流中心位于北部湾洋面(三次登陆时期)时水凝物含量以增加(减少)为主;"威马逊"主体环流区域内一直维持高降水效率,从主体环流圈接触陆地开始,陆地降水效率迅速升高,而海洋降水效率在绝大多数积分时段内维持较高数值,只在第二和第三次登陆后有所降低。

热带气旋“苏迪罗”(2015)海上活动时段降水物理过程模拟诊断研究——海表温度敏感性试验

利用WRF模式,在前期工作(王晓慧等,2018)模拟试验基础上,设计敏感性试验,借助三维降水诊断方程,分析揭示了海表温度(SST)变化对热带气旋(TC)'苏迪罗'(2015)海上活动时段降水物理过程的可能影响。对照试验(CTL试验:SST随时间变化)和敏感性试验(SNC试验:SST固定为初始值)的SST存在明显差异(CTL试验平均SST低于SNC试验)。对比分析表明:两试验模拟的海上时段TC路径差异不大,但SNC试验模拟的TC强度较CTL试验偏强;TC环流区域内,两试验垂直速度差值在对流层基本为正(SNC试验上升运动更强),随着SST差值不断增大,垂直运动差值也不断加大;SNC试验的降水强度(PS)大于CTL试验,但PS差值随SST差值增大并非线性变化,体现了PS变化的复杂性;SNC试验的QWVA(垂直积分的三维水汽通量辐合/辐散率)均基本大于CTL试验(后期差别更大),SST的不同可通过影响垂直运动,造成QWVA的差异,进而影响PS;分析时段内,两试验TC环流区域大气均持续变干(正值QWVL),且存在较明显海面蒸发(正值QWVE),其中,两试验之间的QWVL差异不明显,但SNC试验的QWVE总体上强于CTL试验(尤其是分析时段中后期);两试验间云相关过程变率差异的时间变化复杂,最大差异量级与QWVE相当;SST对水凝物发展和深对流活动有一定影响,伴随SST差异的逐渐增大,水凝物含量差异也逐渐增大,液相水凝物中,雨滴差异较大,而与液相水凝物相比,冰相水凝物差异更为突出,尤其是较大的冰相粒子(雪和霰);SNC试验中,零度层下更多的霰粒子和雨滴,在更强上升运动配合下,有助于云滴和雨滴碰并(Pracw)及霰粒子融化(Pgmlt)微物理过程的加强,进而造成更强降水。TC环流区域时间和空间平均的物理量对比分析揭示,两试验降水物理过程定性上基本相似,但定量上存在明显不同,SNC试验的PS与CTL试验相比,增幅达8.8%,这种差异主要源于降水宏、微观物理过程的差异,其中,不同SST环境下QWVE的差异最为显著。

2016年北京“7·20”特大暴雨降水物理过程模拟诊断研究

利用WRF模式,结合三维降水诊断方程,对2016年北京“7·20”特大暴雨过程主降水时段的强降水物理过程开展了高分辨率模拟诊断分析。结果显示:降水峰值时刻前,强盛水汽辐合支撑强降水,同时加湿大气,后期,水汽辐合显著减弱,降水造成局地大气中水汽含量明显减少;降水峰值时刻前,水汽辐合、凝结和液相水凝物辐合共同助力强降水云系快速发展,后期,动力辐合作用减弱以及水凝物持续消耗和辐散,导致水凝物含量显著减少,降水系统逐步瓦解;主降水时段,垂直上升运动强度和垂直扩展范围逐步增大,并在降水峰值时刻达最大,之后减弱收缩;上升运动峰值高度从初期位于零度层上逐步降到零度层附近,进而回落到零度层之下,伴随“弱—强—弱”的降水强度变化;上升运动控制下,水凝物含量变化明显,但不同水凝物变化幅度不一,霰粒子和雨滴增幅最显著,并于降水峰值时刻含量达最大,随后减小,其他水凝物由于微物理转化和动力辐散等过程,导致其含量的变化幅度弱于上述两者。本文研究同时指出,不同微物理参数化方案对“7·20”特大暴雨强降水物理过程的可能影响以及不同强度降水物理过程的差异,值得深入研究。

热带气旋“苏迪罗”(2015)海上活动时段降水物理过程模拟诊断研究

利用WRF模式对2015年热带气旋(TC)"苏迪罗"发展演变过程开展高分辨率数值模拟,模式较好地再现了"苏迪罗"路径、强度、高低空环流、云系演变和降水分布等。应用三维地面降水诊断方程对"苏迪罗"海上活动时段的降水物理过程模拟诊断指出,Q_(WVA)(三维水汽通量辐合辐散率)对TC环流区域内降水相关的水汽相关过程变率(Q_(WV))变化起主导作用,但环流区域内Q_(WVL)(垂直积分负的水汽局地变化率)和Q_(WVE)(海面蒸发率)亦有重要贡献(尤其是后者),尽管Q_(WVE)贡献明显小于Q_(WVA),但由环流区域外辐合来的水汽也可能主要源于区域外不同海域的海面蒸发,海面蒸发的总体贡献应更大。海上活动时段云相关过程变率(Q_(CM))特征及变化与Q_(WV)相比更为复杂,环流区域内的Q_(CLL)(负的液相水凝物局地变率)基本维持正值(液相水凝物持续减少),其消耗主要用于向冰相水凝物转化和地面降水,以及向区域外的三维通量辐散,6日04时之前,环流区域内Q_(CIL)(负的冰相水凝物局地变率)的变化主要归因于微物理转化及地面降水,而6日04时之后,来自环流区域外的通量辐合也有一定作用;降水强度逐渐增强时期,水凝物含量的短暂增长(负值Q_(CLL)和Q_(CIL))主要归因于明显增强和垂直扩展的上升运动,伴随上升运动增强,水凝物含量明显增加,霰融化(P_(gmlt))和雨滴碰并云滴(P_(racw))是造成雨滴含量增加的主要微物理过程。"苏迪罗"环流内区域和时间平均的降水效率高达96%,其中Q_(WVA)是主要贡献项,而Q_(WVE)和Q_(WVL)亦有重要贡献,这与TC所处海洋下垫面有关,海上活动时段,充足的降水源和较小的降水汇共同造成此时段的高降水效率,雨滴生成主要微物理来源中,P_(gmlt)约占P_(racw)的72%,体现出海上活动时段TC环流内旺盛的深对流活动特征。