解耦的海洋性层积云顶边界层湍流与云微物理特征

基于POST观测计划中获得的海洋性层积云顶边界层内高频气象资料和云微物理资料,在选取解耦个例基础上研究解耦边界层湍流和云微物理特征及成因。结果表明,过渡层的大气静力稳定度较强,抑制向上浮力做功,使得湍流动能迅速消耗殆尽,实现边界层解耦。湍流动能最大值出现在云内,主要与云顶降温、大云滴下落沉降拖曳带来的下沉气流增强及云底之上附近凝结增长潜热释放产生向上浮力作用有关。近地面层的浮力项和切变项对湍流动能都起到增强作用,并以切变项的贡献更为显著,云内的湍流动能是以浮力项贡献为主。过渡层附近存在向下的热通量,抑制了热量向上输送和向上浮力项的增强,促进解耦发生。云内存在向上感热通量,其最大值及其出现高度主要与云顶冷却和云中下部的凝结潜热加热有关。云顶之上湿层促进了潜热通量的向下输送,增强了云内水汽含量,为解耦边界层云的发展起到正反馈作用。云顶浮力倒转引起的云中湍流混合呈现非均匀性,并进一步导致绝热或超绝热液滴出现,促进凝结和碰并增长的增强,同时云顶之上湿层进一步对云中的微物理增长起到了重要的推动作用。云底因夹卷混合表现为均匀混合特征。

WRF模式中不同边界层及云微物理方案对两次黄海海雾个例数值模拟的影响

利用WRF模式及其循环三维变分同化系统,以发生在2006年3月6-8日和2012年3月27-28日的两次大范围黄海海雾事件为研究对象,针对不同的边界层方案和云微物理方案,设计了4组海雾数值模拟对比试验。模拟结果显示:对于2006年较为浓厚的海雾个例,边界层方案采用YSU、云微物理方案采用Lin得到的模拟雾区与观测事实最为相符;YSU和Thompson方案、MYNN和Lin方案的组合模拟结果次之。边界层方案采用MYJ时,无论采用何种云微物理方案,模拟结果均较差。而对于2012年较为淡薄的海雾个例,采用不同云微物理方案之间的差异较小,采用不同的边界层方案得到的模拟雾区差异显著。采用MYNN边界层方案得到的模拟雾区与观测事实最为相符,而YUS和MYJ方案均不能很好地模拟出此次海雾过程。

上海地区三类主要暴雨天气的云微物理和边界层敏感性模拟研究

利用中国气象局上海台风所的WARMS高分辨率区域模式研究了上海地区三类主要的暴雨天气(准静止锋雨带型、副高边缘强对流型以及暖区雷暴型)对云微物理和边界层过程的敏感性.结果表明,不同云微物理和边界层参数化方案的组合对强降水中心的位置和强度影响较大,但是对主要雨带及走向影响不大.准静止锋雨带型采用Thompson方案模拟的整体降水量更多,WSM6方案模拟的强降水相关性更好,评分更高;副高边缘强对流型中WSM6-MYJ组合激发上海本地对流的效果更明显,但整个雨带来看Thompson方案更有优势;暖区雷暴型中WSM6-MYJ组合优势明显.总体上,Thompson-YSU组合能够模拟出准静止锋雨带型暴雨中丰富的液水含量和冰相粒子,以及较强的整层抬升作用;WSM6-MYJ组合则在副高边缘强对流型和暖区雷暴型这类型暴雨中刻画了较明显的强对流结构,使得地面降水更为强盛.

不同微物理方案和边界层方案对超强台风“鲇鱼”路径和强度模拟的影响分析

采用分辨率为1°×1°的NCEP全球格点再分析资料,应用新一代中尺度数值预报模式WRF V3.2,对比分析了不同微物理方案和边界层方案对2010年1013号超强台风"鲇鱼"路径和强度模拟的影响。结果表明:相对于边界层方案,微物理方案对台风路径的影响较大,其中与Ferrier方案相组合的试验中模拟的台风路径平均偏差最小;边界层方案对台风强度有明显影响,其中MYNN2方案模拟的台风强度变化与实况更接近。进一步对比分析了不同微物理方案和边界层方案对大尺度环流形势场、水汽通量场及台风暖心结构模拟的异同,探讨不同参数化方案对台风路径和强度模拟差异的动热力原因。分析表明:不同微物理方案在模拟副热带高压和东亚长波槽的演变特征上是不同的,于是导致对台风路径模拟的差异;不同边界层方案对边界层中水汽通量大小的模拟存在显著差异,而水汽供应的强弱会影响台风上层暖心结构的不同,从而导致对台风强度模拟的差异。

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。

不同云微物理方案对新疆冷锋暴雪的预报影响分析

考虑到冰相云微物理过程对冷锋降雪的数值预报结果起重要作用,针对2014年4月22—24日新疆一次强寒潮引起的冷锋暴雪过程,分别采用WRFv3.5.1中尺度模式中Lin、WSM6、Thompson和WDM6四种云微物理方案进行数值模拟,探究不同云微物理方案对其预报结果的影响。从降水预报结果看,四种方案对中天山强降雪中心的预报能力明显优于伊犁河谷地区,Lin方案对中天山强降雪中心的雨强变化趋势、起止时间以及强降水落区的预报能力总体优于其他三种方案。从温湿特征预报结果来看,四种方案对降雪过程前后的温度和过程之后的露点温度预报效果均较好,但对过程前期800 h Pa以上的露点温度预报偏高,这可能由于模式预报的降雪时间较实况提前、预报降水量偏大引起;四种方案预报的潜热通量和感热通量的量值与再分析资料有一定差异,但对其变化趋势的预报与再分析资料较一致。从云微物理特征来看,不同方案预报的水凝物粒子总量有所差异,但均以冰相粒子为主,且其变化趋势与强降雪时段比较一致。不同方案之间水凝物粒子含量差异也较大,Lin方案中霰和雪粒子含量最多,WSM6和WDM6两种方案以雪和冰粒子最多,Thompson方案中几乎全部为雪粒子。

WRF模式不同云微物理参数化方案对东亚夏季风模拟影响的研究

利用WRF v3.2.1模式,采用其中5种云微物理参数化方案对2007—2011年的东亚夏季风气候进行了模拟研究,结果显示:5种方案均能较好地模拟出我国东部地区夏季降水的基本分布,但各方案对降水中心强度及其分布的模拟仍然存在明显的差异,总体来看,WDM6方案模拟的东亚夏季降水强度明显比其他4种方案大,而Morrison方案对降水的模拟总体效果好于其他4种方案。从云微物理角度来看,5种云微物理参数化方案均能比较合理地描述云水、雨水及冰相粒子的空间分布状态。其中,WSM3方案计算的云水、雨水质量混合比明显比其它方案大,WDM6方案计算的云水质量混合比则较小,而Morrison方案计算的雨水质量混合比较小,再者该方案冷云中霰粒子浓度偏小,因而Morrison方案在粤闽两省的夏季日降水量模拟比其他方案小,从而与TRMM观测结果更为接近。采用5种云微物理参数化方案均能较好地模拟出春、夏季西太平洋副高、雨带和大气水凝物在东亚地区的季节进退过程。5种方案模拟的雨水粒子浓度分布和中纬度雨带在南北进退过程中的位置较为吻合,两者均跟随西太平洋副高北进、南退。对于中低纬度存在的大降水中心来说,其位置少动,并且与该地区存在的的冰晶、雪晶粒子的高值中心具有较好的对应关系,说明在中低纬度地区,与热带对流相伴随的较高层次的冰相粒子数的浓度是决定降水强弱的关键因素。

WRF模式不同云微物理方案对华西秋雨模拟影响

利用WRF模式的5种云微物理方案对华西地区一次秋雨过程(2011年9月13—20日)进行了模拟,分析不同云微物理方案对华西秋雨的模拟能力,并对降水模拟差异的可能原因进行分析。结果表明:WRF模式的5种云微物理方案对华西秋雨均具有一定的模拟能力,可模拟出华西秋雨的夜雨特征,但Kessler方案模拟的降水落区偏小且降水强度偏弱,而Lin方案模拟的降水强度则偏强;相对来说,Ferrier和WSM3方案对华西秋雨主要降水过程的模拟效果较好。对比WRF模式5种不同云微物理方案对华西秋雨过程的模拟可知,各方案模拟的区域降水强度与WRF模式模拟的上升运动的强弱存在较好的一致性。

不同云微物理方案对一次飑线过程模拟的影响

本文利用WRF(Weather Research and Forecasting)模式的不同云微物理方案对2009年6月14日发生在华东地区的一次飑线过程进行1 km的高分辨率模拟,探讨不同云微物理方案对飑线模拟的影响。结果表明:双参数方案的模拟效果总体上优于单参数方案,其中WDM6方案模拟效果最佳,能够较好的模拟出强对流回波区、层云区的主要特征。在单参数方案中以WSM6方案最优。Kessler和LIN方案模拟飑线的回波范围偏小,强度偏弱。进一步对比热力和动力场发现,WDM6方案模拟的冷池的面积最大,强度最强,气压最高,飑线前部的入流处风速最大。不同云微物理方案对微物理场的影响较明显,相比单参数方案,双参数方案模拟的水凝物混合比更高,且能够模拟粒子数浓度,更准确地描述了云中的各类粒子特征。

不同云微物理方案对飞机结冰气象条件预测评估分析

飞行安全在复杂气象条件下易受结冰影响而受到威胁。能够结合地形特征并准确预测结冰气象条件是保障飞行安全的重要因素。本文利用中尺度天气预报模型模式,以4种不同的云微物理方案组合对美国华盛顿山地区的两次结冰事件进行了数值模拟。结果表明:预测的液态水含量和温度与现有文献匹配较好,而Morrison方案组合在误差分析中表现最佳。此外,讨论了水平分辨率和云微物理方案对液态水含量和云中液滴平均有效直径预测的敏感性。由于地形所引起的垂直运动是产生云水的主要动因,较高的水平分辨率能够做出更为准确的预测。最后利用IC指数对结冰强度进行了分析,表明结冰严重程度具有明显的时空多变特性,以及对云微物理方案的敏感性。本文工作有望加强对云微物理方案的理解和认识,并为选择适合的云微物理方案进行结冰天气预测提供了依据。

用WRF模式中不同云微物理参数化方案对华南一次暴雨过程的数值模拟和性能分析

本文使用中尺度数值模式WRFV3．4中的8种不同云微物理过程参数化方案，模拟2010年5月6～7日华南一次暴雨事件，探讨不同云微物理方案对华南暴雨模拟的影响。结果表明：不同云微物理方案对不同量级降水模拟效果总体较好。WSM3方案对小到大雨和大暴雨的模拟效果最好，对暴雨的模拟最差；WDM5方案对暴雨模拟效果最好。结合TS评分和误差分析结果，整体效果最好的是WSM5方案，最差的是Lin方案。对于同一云微物理参数化方案，不同分辨率的降水模拟结果差异不大，但同一分辨率的不同云微物理参数化方案的降水结果差异较大，这说明云微物理过程比模式分辨率对暴雨模拟的影响更大。

不同云微物理方案对上海特大暴雨模拟影响的分析

利用中尺度数值预报模式WRF3.5,采用36、12和4 km三重嵌套,在积云参数化方案为BMJ条件下,选用WSM5、WSM6和Lin三种云微物理参数化方案,对发生在上海地区的两次典型特大暴雨(简称"0913"和"0825")进行模拟试验和对比分析,探讨不同云微物理参数化方案对上海暴雨模拟的影响。结果表明:三种方案总体上都较好地模拟出两次特大暴雨过程,但在降水落区、降水中心、降水强度等方面仍存在差异。再利用地面自动站、观测站的实测雨量以及自动站与CMORPH降水产品融合的逐时降水量网格数据,结合K指数、相对湿度、垂直速度和涡度散度等物理诊断量,从降水落区、降水中心和降水强度等方面对三种云微物理参数化方案的模拟结果进行对比分析。此外,通过对三种方案主要参数的比较以及三种方案模拟的冰、雪、霰粒子混合比的垂直廓线对相应的模拟结果进行解释。结果显示:WSM5微物理方案能更好地模拟出强降水的范围,其模拟的降水量较实测偏大;WSM6方案模拟的降水落区略有偏移,降水量偏小;Lin方案模拟的降水落区偏移较大。

初始场与云微物理参数方案在飑线数值模拟中的对比研究

采用CM1模式以200 m的高精度水平网格距对一次东北冷涡下的飑线过程进行模拟,采用1 km的水平网格距进行对比试验探究网格距的影响,并通过探空资料的替换与修改研究不稳定能量和垂直风切变对飑线发展的影响。研究表明,水平网格距增大主要使系统演变减缓,强度也有一定的减弱;初始场的不稳定能量减小会使飑线减弱明显,直至无法生成;垂直风切变对飑线的形成影响较小,主要改变了飑线的结构,没有垂直风切变时形成的飑线更为松散。最后的敏感性试验研究了7种云微物理参数方案对飑线内水粒子分布的影响,发现不同的云微物理参数方案会使水粒子的含量和分布出现变化,进一步影响固、液态的降水,飑线模拟采用的NA方案高层冰和雪含量最高,但由于雨和降落到地表的雹、霰含量低,使得累计降水量最小。

WSM6云微物理方案对华北地区一次降雪预报偏强的原因分析

国家气象中心GRAPES区域业务模式对2019年11月29—30日在华北地区降雪过程的预报出现显著高估现象,针对该模式中采用的WSM6云微物理方案进行了深入分析,并与Liu-Ma云微物理方案以及ERA5再分析数据进行比较,探究其可能存在的原因。主要结论如下:冰晶和雪的沉降是WSM6方案在本次地面降雪形成的最主要贡献,Liu-Ma方案则是以大粒子雪和霰的沉降为主,冰晶产生的贡献较少。WSM6方案严重低估了大气中的液态水含量,冰相粒子构成中以冰晶含量为最多,雪含量次之,这些特征都与ERA5资料和Liu-Ma方案有显著的不同,后两者具有较好的一致性。与Liu-Ma方案相比,WSM6方案在模式低层冰晶含量更高、冰晶平均落速更大,二者共同作用使冰晶沉降在本次降水形成中具有重要贡献;WSM6方案中雪的平均落速大于Liu-Ma方案,这是其雪的柱积分总量小而雪的沉降降水多于Liu-Ma方案的直接原因。在WSM6方案中冰晶的凝华/升华过程在冰相微物理过程中占据主导地位,致使雪和霰的凝华过程以及云水凝结过程都明显不足,这是该方案冰晶偏多、雪偏少、液水明显偏少的主要原因。针对冰晶凝华/升华过程(SVI)的敏感性试验发现,SVI转化率与地面降水呈正相关关系、与液水柱积分总量呈“跷跷板”关系,当降低SVI的转化率,地面降雪将显著减少,而柱积分液水总量则会明显增多。

云微物理方案对一次高原切变线暴雨过程数值模拟的影响

利用中尺度数值模式WRF v3.8.1中的16种云微物理参数化方案,对2014年8月26—27日川渝地区的1次高原切变线主导下的暴雨过程进行了数值模拟对比实验.结果表明:WRF模式能够较好地模拟本次切变线强降水过程,总体来说NSSL2-moment方案的模拟效果最好.但不同云微物理方案对于不同量级降水的模拟各有优势,NSSL 2-moment方案对大雨及暴雨的模拟效果最好.在主要降水区,各方案模拟的逐小时降水量的峰值均滞后于实况并且突发性更强,NSSL2-moment+CCN方案在此区域模拟的累积降水量与实况最为接近.云中水成物含量的模拟结果显示,模拟降水较多的方案中其雪粒子含量也较多,而雪粒子不仅在其凝结过程中的潜热释放有利于对流活动发展,并且亦可以通过融化过程促进降水.而对于暖云降水部分,能够到达地面的雨水粒子含量的模拟在各方案中并无显著差异.

云微物理参数化方案对青藏高原一次对流云降水模拟的影响

利用WRF V3.9.1中尺度数值天气预报模式(mesoscale numerical weather forecast model,WRF)7种云微物理参数化方案,对2015年8月13日青藏高原那曲地区一次对流云降水过程进行数值模拟,对比分析不同云微物理参数化方案对降水、环流以及相关物理量模拟的影响。结果表明:WRF模式能够较好地模拟本次对流云降水过程,但不同云微物理参数化方案对降水、环流场等物理量的模拟有明显影响。在降水落区方面,各方案模拟的雨区范围普遍偏大,仅Lin和CAMS方案较好地模拟出那曲中部的降水中心,而对于降水量,除WSM5、Morrison和New Thompson方案模拟值偏低外,其余方案模拟结果与实况值较为一致。此外,不同云微物理参数化方案模拟的降水日变化同样存在差异,大部分方案能够再现本次降水过程的前两次降水峰值,但均未能模拟出第3次降水峰值。对于大气环流和水热物理量场,各方案也可较好地再现其基本特征,但方案间的差异不可忽视。总体来说,Lin方案对本次高原对流云降水过程降水以及环流等相关物理量的模拟效果最佳。

不同云微物理方案对“7.21”特大暴雨模拟的对比试验

利用中尺度数值模式WRF v3.5.1中的17种不同云微物理过程参数化方案,对2012年7月21—22日北京特大暴雨过程进行了对比试验。模拟结果表明:不同云微物理方案对不同量级降水的模拟效果各有优势。NSSL 1-momlfo方案对中雨和大暴雨两个等级降水的模拟效果最好,降水中心值最接近实况;Eta(Ferrier)和Kessler方案分别对大雨和暴雨等级降水的模拟效果最好。总体上,能够较好地模拟出本次特大暴雨过程的方案依次为:NSSL 1-mom、NSSL 1-momlfo和Milbrandt 2-mom方案,而WDM6方案的模拟效果最差。云中水成物演变特征表明,模拟较好的方案中液态水、云冰和霰的含量较多,且随时间演变与地面降水强度的变化相一致。另外,模拟较好的方案中冰相粒子多,过冷水的范围大、含量高,有利于各相态粒子相互转化,促进冰相过程发展,致使降水量增多。

一次江淮暴雨高分辨率数值预报中云微物理方案敏感性分析

基于全可压非静力中尺度预报模式WRF,选取Lin、WSM3、WSM5、WSM6、Goddard五种云微物理方案和Kain-Fritsch积云对流参数化方案,对2017年6月10日的江淮暴雨过程开展高分辨率数值预报试验,重点研究了云微物理方案对强降水预报的敏感性。结果表明:Lin方案模拟的局地暴雨区降水量随时间的演变与实况较为吻合,但降雨量偏小,WSM5、WSM6和Goddard方案模拟的降水量级与实况更为吻合;不同云微物理方案对此次江淮暴雨的预报能力具有明显差异,小雨量区域的模拟效果基本一致,暴雨和大暴雨对云微物理方案更加敏感;云中水成物的三维结构特征差异明显,其水成物含量也显著不同。WSM5方案模拟的雨水和云水含量较高,其降水量和落区质量较好;不同微物理方案产生差异明显的垂直速度,导致云量、云高有所差异,进而影响降水预报的性能,说明选用更为敏感的云微物理方案对降水预报质量的改善具有重要作用。

高分辨率GRAPES模式中云微物理方案对强降水的模拟和诊断研究

利用高分辨率GRAPES—Meso中双参数云微物理方案,对我国两次强降水过程进行数值模拟,并与模式中WSM6和NCEP5方案进行对比分析,结合多种观测资料,诊断评估方案的预报性能.同时研究伴随强对流性降水中的关键云物理过程。个例研究表明,对流发展旺盛的云团中,冰相粒子尤其是霰粒子对对流的发展与降水起着主导作用,霰的融化是强降水的主要来源,而周围的层状云区域霰粒子的分布极少,主要受雪的融化与暖云降水的影n向。双参数方案模拟的雨带走向、范围和降水强度与实况拟合较好,同时在对流单体的最大回波高度与强度、冰晶的分布与云砧结构等方面也具有一定优势,但冰晶含量和回波顶高度略低于观测,这都为双参数方案的优化与业务应用提供重要的支持。

云微物理方案在高原低涡个例模拟中的应用效果分析

以一次高原低涡东移造成甘肃河东地区强降水天气过程为例,利用NCEP再分析资料为背景场驱动WRF模式进行了数值模拟,并区分是否使用微物理方案和使用何种方案进行了26组试验,结果表明:本案例中开启微物理方案对高原低涡移动路径和强度的模拟能力均有显著提升;通过对各方案对比分析,在降水量级和落区方面Morrison 2-moment方案、WSM5方案排名靠前,降水时间准确性上Goddar方案、Purdue Lin方案、WSM5方案等较好,综合分析WSM5方案最佳,Kessler方案最差。