双参数云物理方案中谱形参数作用分析和数值模拟试验

云物理参数化方案中,各种粒子通常采用Г谱分布函数n(D)=N0Dαexp(-λD)。双参数方案中谱参数截距N0和斜率λ通过预报给出,谱形参数α设为固定值。为了讨论谱形参数的作用,理论上分析了谱形参数取值对沉降过程和微物理源汇项的影响。利用MM5模式中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟针对雨滴谱的谱形参数rα不同取值分别做了试验。模拟结果基本符合理论分析,谱形参数rα变化时模拟出的地面降水和云的宏微观特征有差异。

一个双波地形重力波拖曳参数化方案

当地形次尺度强迫的作用与显式的经典动力作用效应相当时,地形重力波拖曳力对于环流的维持,以及动量和热量通量输送的动力效应变得十分显著。这种地形次尺度拖曳作用项可通过参数化的方法,在动力方程中加入额外的小项而引入数值模式。目前成熟的地形重力波拖曳参数化方法,如第1代基于线性单波理论的参数化方案;以及侧重考虑了临界层作用等因素对拖曳力的额外贡献的第2代参数化方案,都无法有效表达风速垂直变化引起的波动应力随高度变化的特征。基于上述考虑,本文给出了一个双波参数化方案用于计算地形重力波拖曳中由线性自由传播重力波造成的波动应力的垂直分布。通过二阶WKB近似,它对由风速垂直变化引起的对波动应力的选择性临界层吸收过程和经典的临界层吸收过程做了显式处理;而在不发生临界层吸收现象的地区,则用两个单波同时在垂直方向上进行应力的传播,并利用波饱和标准进行应力耗散。进一步地在真实地形(以大别山地区为个例)条件下的测试结果表明,通过在不同理想风速廓线以及北半球冬季中纬度纬向平均风廓线下对波动应力垂直分布的计算,证明该方案确实能有效地给出应力随高度变化的特征。

GRAPES_Meso模式中两种双参数云微物理方案对冷云过程模拟的比较研究

基于GEAPES_Meso模式,分别利用Morrison方案和WDM6方案对2017年1月5—7日一次以层状云为占主导的云系中冷云过程进行模拟和对比分析,评估两种云微物理方案对本次冷云过程云微物理及云辐射过程演变的影响。结果表明:包含丰富暖云和冷云物理过程的Morrison双参数云微物理方案模拟效果优于WDM6方案。Morrison方案模拟的云水路径、云冰有效半径及云光学厚度均大于WDM6方案的模拟结果,而模拟云水有效半径小于WDM6的模拟结果。Morrison方案较WDM6方案对云水(云冰)有效半径、云光学厚度、云水路径及地表短波辐射的水平分布模拟结果更为准确。由于Morrison方案模拟云水有效半径大于WDM6方案,云冰有效半径小于WDM6方案,导致Morrison方案模拟的云水和雪混合比大于WDM6方案模拟结果,而雨水、云冰和霰的混合比则明显小于WDM6方案。相较于WDM6方案,Morrison方案模拟的地表短波辐射水平分布和量值一致性更接近于CERES卫星结果。两种方案中包含的不同微物理过程将影响潜热和感热过程,其中,Morrison方案模拟海平面温度和辐射通量小于WDM6方案,该差异在陆地区域更显著。

两类双参数云微物理方案对夏季强降水事件模拟能力的对比研究

运用中尺度WRF模式,分别采用Morrison(MOR)和Milbrandt-Yau(MY)双参数化云微物理方案,对2010年7月20—21日辽宁省的一次强降水过程进行模拟,通过对比分析两个方案所对应的地表累积降水量、降水强度、云中微物理量的模拟结果,评估两个双参数方案对强降水事件的模拟能力及主要微物理过程的差异。结果表明,在对雨带和强降水中心的位置上,MOR方案的模拟能力优于MY方案,但MY方案对强降水中心强度模拟能力则优于MOR方案;两方案对强降水宏观特征的模拟差异在一定程度上体现了它们在微物理具体方案上的差异,相比MY方案而言,MOR方案模拟降水发展期的垂直水汽通量高,使得雪晶的凝华增长、碰连增长增强,从而导致MOR方案的冰晶含量低,雪晶含量高,通过雪晶的凇附作用形成的霰含量也比MY方案高,霰的凇附增长消耗了大量过冷水,使冷云中云滴(过冷水)含量减少; MOR方案模拟得到的600 hPa到地表的雨滴直径均为1 mm,与实际雨滴直径的观测值不符,需要未来进一步开展研究,对原方案进行优化。

非均匀地表通量的一种双参量统计-动力参数化方案

本文提出了一种非均匀地表通量的双参量统计-动力参数化方案,并根据该方案,以遥感资料反演的地表温度和土壤湿度为参量,对长江三角洲地区的日区域平均蒸发散通量进行了数值试验。

WRF模式云参数化方案对一次深对流系统模拟的验证和改进

使用中尺度数值模式WRF中的双参数云微物理方案WDM6针对2008年台风“凤凰”登陆过程中造成的强降水进行数值模拟,通过卫星模拟器利用MTSAT-1R和TRMM卫星观测的红外云顶黑体亮温TBB、PR雷达反射率资料使用统计方法验证模拟结果。通过修改云水向雨水自动转化过程、冰晶核化过程、雪和霰的下落末速度、雪和霰的截距进行敏感性试验,减小模拟结果和卫星观测结果的差异。研究结果表明:WDM6方案模拟的台风“凤凰”登陆后的降水,强对流云系及对流柱状雷达回波基本符合实况,但模拟结果局部偏强。WDM6方案模拟产生了较多的浅对流云,低估了对流云系的出现频率。不同云类型模拟的雷达回波均偏强,对流云系雷达回波垂直分布接近观测。敏感性试验结果说明修改WDM6方案中云水向雨水自动转化率有效地改善了模拟效果。同时发现云滴初始数浓度影响云水向雨水自动转化率并最终影响云系结构和雷达反射率的模拟结果,过高的云滴初始数浓度会使模拟结果变差。

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。

MM5中新显式云物理方案的建立和数值模拟

在MM5动力框架内,在其中Reisner2方案基础上采用双变参数方案,增加了云水、雨水、雪和霰的数浓度预报方程。云中凝结核CCN的数浓度采用超几何函数表示;云水向雨水的自动转换过程考虑了云滴谱的特征和发展变化对该过程的影响,而不是采用原方案给定阈值的方法描述该过程;对连续碰并方程不再将粒子落速差作为常量提出积分号外,而是直接作为粒子直径函数在积分号内求解,这样处理可以回避使用粒子群的平均落速带来的误差;增加了霰和雪、霰和冰晶的碰并微物理过程。粒子引入Г分布谱函数,对微物理过程采用了与之相适应的计算公式。通过增加新预报量的计算和输出程序,在MM5的显式方案中新增加了一个可选方案,并称之为新方案。模拟了一次层状云降水过程,在区域二分别采用了新方案和Reisner2方案以作对比。新旧方案降水模拟结果的对比表明新方案在降水范围和强度的预报效果有所改进。模拟结果给出了层状云的合理微观结构和它的一些特征,增强了MM5研究微观云物理的能力;通过单站微物理过程分析,揭示了降水过程的可能形成机制。说明新方案可以为层状云的宏微观结构特征、降水物理过程和人工影响天气研究提供一定依据。

河南省春季一次层状云降水云系结构和降水机制的数值模拟

利用PSU/NCAR的MM5中的双参数显式云物理方案,模拟了2007年河南省春季一次层状云降水过程,模拟结果显示,降雨主要落区和强度与观测一致,24 h降雨预报的TS评分较高。模式输出的雷达反射率与郑州站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带。在成功降水模拟的基础上,分析了云系不同部位结构特征和粒子质量通量分布,发现雨水的形成在不同部位依靠不同的过程。郑州站云的垂直结构和降水微物理过程研究表明,降水机制符合"播种—供给"机制,降水形成主要依靠雪的融化和暖云微物理过程,暖云对整层降水起主要作用,暖云微物理过程是形成降水的更有效方式。

祁连山云系云微物理结构和人工增雨催化个例模拟研究

改进了胡志晋、刘奇俊的云物理方案,并实现了与GRAPES模式的耦合;利用包括了新云物理方案的GRAPES模式对祁连山地区一次山区云降水过程进行了数值模拟,研究了祁连山地区云系的微物理结构,并开展了人工催化的数值试验研究。结果表明:(1)耦合的双参数方案能够较好的模拟此次降水范围、强度及云场分布的特点和规律;(2)新方案给出了祁连山云系的合理微观结构和它的特征;(3)播撒冰晶可以增加降雨,在云初始阶段播撒增雨范围较广,在云发展阶段播撒增雨范围较集中;(4)播撒冰晶后,云的动力结构发生了改变。

西北地区一次层状云降水云物理结构和云微物理过程的数值模拟研究

利用MM5中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟结果显示对小雨的预报评分较高,对中雨以上评分低而且位置有一定偏差,即对层状云降水模拟效果较好。模式中增加了雷达反射率的计算,与延安站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在0℃层亮带。采用三层模型解释模拟的层状云降水形成机制和过程:第一层为冰晶区,无过冷水;第二层存在过冷水,为各种冰相粒子增长区,第一层和第二层的分界不固定;第三层和第二层的分界在0℃,为暖云。第一层对第二层播种冰晶,第二层为第一层播种下的冰晶供给过冷水,使冰晶快速增长;第二层对第三层播种雪和霰,使其在第三层融化成雨,第三层同时消耗云水。模拟给出了三层模型层状云场的空间结构,延安站不同时刻微物理量垂直分布和各种水凝物粒子的生成源项分析揭示了三层模型降水形成机制和主要微物理过程。三层模型可以完整和全面地解释层状云降水形成机制和过程。

东北地区春季冷锋云系降水个例数值模拟及机理研究

本文通过常规天气资料,结合WRF中尺度数值模式,深入研究了2007年5月22～24日一次发生在东北地区的锋面云系降水过程和云宏微观结构特征以及降水产生的物理机制。模拟结果表明冷锋云系降水分布不均匀,锋前中低层有弱的上升气流,云水比含水量较大,雪和霰几乎没有。冷锋过境时,垂直速度迅速增大,中低层有下沉气流,不利于云水形成,出现云水含量几乎没有的干层区,雪水比含水量迅速增加,降水形成应是通过雪和霰的融化过程。处于锋区时,垂直速度和雪比含水量继续增大,降水的形成主要是雪的融化过程。锋后,上升气流迅速减弱,云内雪比含水量减少,降水的形成主要是雪的融化和暖云微物理过程。

登陆台风“罗莎”中云物理特征的数值模拟研究

选取2007年16号超强台风"罗莎"为个例,利用耦合了双参数混合相云降水物理方案的GRAPES中尺度模式对其进行模拟,并结合实况雨量、雷达及卫星资料分析了本次台风暴雨的结构及云微物理特征。结果表明,低空急流和不稳定的温度层结为本次降水过程提供了有利的天气条件。强降水中心主要出现在台风云系的北部和东部,在模拟时段内6小时累积降水最大值超过100 mm。积分固态水含量与液态水相当,说明冰相粒子在形成降水的过程中起重要作用。从CloudSat卫星探测结果来看,强对流发生在台风眼周围的云墙中。根据模拟结果分析,台风东北部的强降水属于对流云降水,最强上升气流出现在0℃等温线之下的暖区;西南部的降水强度比较均匀,强上升气流出现在高层冷云中,有利于冰粒子的形成和生长。