WRF模式不同微物理方案对青海高原夏季一次降水过程模拟差异的初步探讨

为了解不同微物理方案对青海高原地区夏季降水过程模拟的影响,利用WRF模式和NCEP再分析资料,选取Lin方案、WSM6方案和New Thompson方案等3种微物理过程参数化方案,模拟了青海高原地区2017年夏季一次典型降水过程,并结合探空、降水等观测资料对模拟结果进行了探讨。结果表明:WRF模式3种微物理参数化方案对温度廓线的模拟表现出较好的一致性,且均与实况接近,但对不同区域相对湿度廓线的模拟能力有明显差异;3种微物理参数化方案均能模拟出本次降水的主要走向、雨带及强降水中心,但模拟的雨带和强降水中心位置较实况偏东且局部雨量偏大;WSM6方案对降水空间分布的模拟与实况最接近,WSM6和New Thompson方案模拟的降水偏差均略小于Lin方案;3种方案降水模拟结果中,小雨TS评分最高,其次是中雨,对大雨模拟的可信度均较差;降水模拟小雨TS评分最高的是New Thompson方案,为0.60,WSM6方案次之,Lin方案较差,为0.43;对中量降水模拟,WSM6方案略优于其他两个方案;降水模拟New Thompson和WSM6方案整体优于Lin方案。

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。

WRF模式不同微物理方案对一次强降雪的模拟

利用WRF模式对我国青藏高原拉萨及周边地区一次冬季强降雪事件进行高分辨率数值模拟,评估了不同微物理参数化方案对强降雪事件的模拟能力。结果显示,不同微物理参数化方案基本都能模拟出拉萨及周边地区降水的空间分布、降雪的时间演变及降雪量大小,其中模拟效果最好的微物理参数化方案为Goddard 4-ice,其模拟的累积降雪量和站点观测之间的均方根误差为0.33,相关系数为0.92。Ferrier方案对模式模拟的总降雪量较观测偏高,WSM3和WSM5方案模拟值较其他方案明显偏低。

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。

不同云微物理方案对台风“安比”降雨模拟的影响

利用WRF3.9.1模式对台风“安比”于2018年7月23日至24日北上至37°N以北造成的河北东北部、天津等地的大暴雨过程进行模拟,并对比了不同云微物理方案模拟的台风路径、结构、降雨分布,分析了云内水成物混合比差异与垂直运动的关系。结果表明:①各方案均能较好模拟出台风北上时的结构和强度,其中Morrsion 2-moment方案对强降雨的时段、区域、中心雨量把握最准确。②台风主雨区云体内的云水粒子分布于0~8 km,0℃高度在4~5 km,说明云体内存在大量过冷水。③强降雨时段,各方案模拟的垂直上升速度与小时雨强有较好的对应关系。同时雨区云顶高达10~15 km,配合云团内的强上升运动,云中出现大量过冷水及固态水成物。④Thompson方案与Morrsion 2-moment方案的云霰混合比明显大于其他方案,并且云霰粒子、云水粒子在0℃以上有大量重合,二者是云中贝吉龙过程的关键因素,对降雨量有着直接影响。⑤各微物理方案模拟的云体内部垂直上升运动区强弱与小时雨强大小相关性较好。本研究可以为改进适用于台风的云微物理方案提供方向,还加深了云微物理过程对台风降雨的认识。

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。

CAMS复杂云微物理方案与GRAPES模式耦合的数值试验

CAMS复杂云微物理方案是混合相双参数方案,包括11个云物理变量和31个云物理过程,能够同时预报水成物的比质量和数浓度。通过在GRAPES非静力中尺度模式中增加预报量并修改相关程序后,实现了二者的耦合,耦合后模式运行稳定。选取2005年8月15—17日我国华北地区一次暴雨过程,利用耦合后的模式进行48h模拟试验,同时还选取了GRAPES模式中其他3个比较复杂的微物理方案进行模拟,着重分析了降水和水成物分布的模拟结果。研究结果表明:CAMS方案能够模拟出与实测相接近的雨带分布特征,并且对降水演变的模拟结果与其他方案比较一致,对暴雨中心位置的模拟有待改进。CAMS方案模拟的水成物垂直分布与其他方案相比具有相似的总体特征,各相态粒子的量级和分布合理,不同方案的结果在量值上有所差别。个例分析结果显示出CAMS方案对降水和水成物的分布能够合理描述。今后应通过更多个例进行更为精细的模拟试验,对新方案进行检验。

8.19华北暴雨模拟中微物理方案的对比试验

在中尺度模式多种物理过程中,微物理过程是一个非常关键的环节,其不仅直接影响降水预报,而且也影响模式的动力过程。微物理方案有明确的物理基础,但是在实际暴雨模拟中,究竟采取哪一种方案的结果更理想,需要深入比较,因为不同的微物理方案对降水模拟结果有着很大的差异。本文利用中尺度非静力模式WRF(V3.2.1版本),采用36km、12km和4km的格点分辨率,选用七种微物理方案,对2010年8月18～19日华北地区的暴雨过程进行了敏感性试验。从降水落区和强度方面对总降水的预报性能进行了对比,模拟结果表明:选用不同的微物理方案,可以不同程度地模拟这场暴雨的范围和强度,且选择合理的微物理方案对细网格(4km)嵌套的模拟也可以相应的提高,从而提高了暴雨模拟的分辨率,为暴雨中小尺度成因分析提供了参考。其中,水平分辨率为36km时,Lin方案模拟的雨带范围和降水强度与实况拟合的最好;水平分辨率为12km时,Thompson方案模拟的强降水位置、强度与实况最为接近;而水平分辨率为4km时,WSM6方案模拟的强降水位置、强度与实况拟合得较好。再结合垂直速度、涡度、散度和雨水混合比等基本物理量的诊断分析,可以更好地理解各微物理方案对降雨预报的影响,所得的结论对我国华北暴雨强降水预报和中尺度模式微物理过程在业务和研究方面有相当的参考价值。

CAMS云微物理方案的改进及与WRF模式耦合的个例研究

本文在中国气象科学研究院(CAMS)双参数云微物理方案的基础上,增加气溶胶粒子的活化过程,改进原方案中的水汽混合比、云水混合比及云滴数浓度的预报方程,实现对各种水成物(包括云水)的混合比和数浓度的预报.此外,改进后的CAMS云方案被成功耦合到了WRF v3.1中尺度模式.本文利用耦合模式对2009年4月23～24日发生在我国北方地区的一次降水天气过程进行了模拟,将新方案的模拟结果与WRF自带的3个微物理方案进行了比较.结果显示,新方案能够合理地描述地面降水特征,其模拟的雨带分布范围与实测接近,降水中心的强度和位置优于其他3个方案.新方案模拟的云滴数浓度与WDM6方案基本一致,表明加入的气溶胶活化过程是合理的.新方案模拟的其他水成物粒子数浓度与Morrison方案相比有时会有量级的差别,说明粒子数浓度的模拟目前还存在着很大的不确定性,这也是云微物理模式进一步发展的难点.

WRF-WSM3微物理方案在青藏高原地区暴雪模拟中的改进及试验

通过青藏高原一次暴雪过程的模拟试验,对WRF模式中的WSM3微物理方案中的降水模拟偏差原因进行了分析,并根据观测试验结果,提出了改进WSM3微物理方案中冰核浓度的2种计算方案。通过调整温度和冰核浓度之间的关系,检验了冰核浓度Pigen过程对降水的影响。结果显示,WSM3方案对青藏高原地区的冰核浓度估计过高;当考虑了冰面过饱和度随温度区间的变化后,计算的冰核浓度可以改进降水的模拟效果;但通过温度的变化和冰面过饱和度二者的调整,降水模拟的效果并不明显。冰核浓度对温度变化的敏感存在着一个范围,冰面过饱和度和温度区间的大小存在一定关系。通过另外2个个例和敏感性试验的研究结果表明,对于温度较高的固态降水,冰核浓度的变化对降水模拟的改进不显著。

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简单冰相方案(Ncepcloud3)、复杂冰相方案(Ncepcloud5)、中国气象科学研究院(CAMS)双参数复杂冰相微物理方案对梅雨锋暴雨模拟结果的影响。研究表明,对于这次暴雨过程,CAMS方案对小雨、中雨和大雨的模拟最好,Ncepcloud3和Ncepcloud5方案在暴雨以上的TS评分较高,CAMS方案模拟的暴雨中心最大值最接近实况;不同微物理方案对中尺度对流系统形成发展的模拟有差别,Ncepcloud5方案模拟的弱回波范围偏小,CAMS方案在强回波两侧的弱回波区范围虽比实况偏大,但反映了对流回波周围存在层状回波的特点;CAMS双参数方案能够模拟出与CloudSat卫星实测资料相似的冰粒子含水量和数浓度大值区的垂直分布特征,Ncepcloud3和Ncepcloud5模拟结果更强,并且,不包含冰粒子数浓度;初步分析了微物理方案模拟差异的原因,在对流系统初始阶段,模拟差异主要由动力过程产生,在对流系统发展成熟阶段,微物理过程对模拟结果有重要影响。

微物理方案及其参数对EnSRF资料同化的影响研究

利用自主构建的基于风暴尺度的WRF-En SRF系统同化模拟多普勒雷达资料,讨论了微物理方案及其参数的不确定性对同化效果的影响。试验采用组合微物理方案以及扰动微物理方案中的参数的方法,结果表明,模式误差非常小甚至可以忽略时,使用单个微物理方案并扰动参数能够使真实风暴的主要特征在分析场中较未扰动参数得到更好地反映;存在模式误差时,使用单个微物理方案并扰动参数后,分析场中的各要素的分布较未扰动参数更加接近真实风暴,同化效果得到改进,且改进效果比模式误差非常小时更为明显;存在模式误差时,组合微物理方案并扰动参数后,分析场中对流云团的形态较未组合方案或未扰动参数更接近真实风暴,主要要素场的配置最能反映真实风暴的特征,同化效果最为理想。结果也表明,扰动参数时、参数扰动范围较小时,同化效果较优。

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。

北京一次短时局地大暴雨过程的特征及对云物理方案的敏感性数值模拟试验

云物理过程是云和降水形成的重要环节。本文针对2011年6月23日发生在北京地区的一次大暴雨过程进行了云降水与天气特征分析,并开展了WRF模式中10种不同云微物理方案对此次暴雨强度、落区和发生时间的敏感性数值模拟试验。研究结果表明,此次大暴雨是由多单体组织、合并形成深厚的中尺度对流系统,并具有明显的短时局地特征和有利的高低空、高低纬度大中尺度天气环流形势及强烈的水汽输送条件。暴雨强度、落区和发生时间的数值模拟结果对云物理方案非常敏感。不同云物理方案对累积降水量≥50 mm和≥100 mm的暴雨模拟的ETS评分显示,只有Thompson方案对此暴雨量级的评分均为正,其他方案的ETS评分均不理想,特别是对累积降水量≥100 mm的大暴雨模拟。在小时暴雨强度和发生时间方面,Thompson方案模拟效果也较好,其次是Lin方案和WSM6方案;对区域累积最大降水量和落区的模拟方面,Thompson方案和Morrison方案模拟的最大累积降水量更接近观测值,但在落区方面,一些具有完整云物理过程的单参数方案(Lin方案、WSM6方案)模拟效果较好,但模拟的最大降水量偏小。针对暖雨的双参数方案WDM6对区域平均降水模拟较好,但对暴雨极端降水模拟较差。对造成差异的原因分析表明,不同云物理方案的差异主要体现在雪和霰的参数化方面,由于采用的粒子谱分布、密度和末速度不同,导致云中粒子间的碰并和形成过程不同,大部分云物理方案模拟的霰含量高,雪含量低。这种云微物理过程的差异会导致云动力过程的反馈作用出现明显不同,但这种反馈作用的差异主要体现在降水粒子对上升气流的拖曳作用不同。尽管云中相变潜热过程对云动力过程具有很重要的影响,但不同云物理方案在相变潜热过程和温度廓线分布方面造成的差异并不明显。因此,云物理方案中考虑合理的粒子谱分布、形态和密度变化,有利于提高暴雨的模拟效果。

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模式不同微物理方案水凝物的预报能力检验与集成试验

文章利用TRMM(Tropical Rainfall Measuring)卫星TMI(TRMM Microwave Imager)探测反演的云水、雨水和冰水新版改进资料,定量化检验了WRF(Weather Research and Forecasting)模式6种微物理方案(Lin,WSM6,Thompson,Morrison 2-mom,CAM5.1,NSSL 2-mom)对江苏近海及周边海域上空云中水凝物的预报能力。19次个例统计检验结果表明,6种微物理方案基本都能预报出水凝物的量级及大致范围,对于云水的预报,除NSSL2-mom方案误差较大外,其余5种方案误差均较小;CAM5.1方案对雨水含量较大时的预报效果较好,但对于雨水含量较小时的预报误差较大;Lin方案对于冰水的预报效果较好,更接近于实况。在此基础上,选用等权集成(EMN)和消除偏差集成(BREM)两种方法开展集成预报试验,结果发现,两种方法均可以减小预报的误差,且消除偏差集成的方法比等权集成的改进效果更好。

显式云物理方案的研究进展

回顾了近年来显式云物理方案的研究进展。显式云方案主要有体积水方法和详细微物理方法(分档法)。体积水方法有单参数和双参数两种谱描述方法,根据模式预报变量和物理过程的不同,可以分为暖云方案、简单冰相方案和复杂冰相方案。详细的微物理方法由于预报变量繁多、计算量巨大而一般多应用于研究工作。不同的模式,有不同的显式云方案,并不是粒子分类越复杂模拟效果就越好,需要根据研究的重点、计算资源的许可选择使用不同的物理方案。物理过程参数化需要建立在理论和实验研究的基础上,因此应加强这方面的理论和实验研究,使物理参数化具有更坚实的物理基础。

六种微物理方案对湖北一次强对流过程的数值模拟

利用中尺度数值模式WRF(weather research&forecasting model),选定六种微物理方案(Lin、WSM6、WDM6、Morrison、Milbrandt-Yau、NSSL),对发生在2007年4月15日湖北地区的一次强对流天气进行模拟,对比分析了各方案所模拟出的降水差异及成因。结果显示:六种方案模拟出的降水区域均偏西,其中Milbrandt-Yau方案降水偏少,其余五种方案则偏多;不同方案所模拟的云中微物理结构不同,云中冰相过程的发展很大程度上影响了降水强度,降水主要来源于大的雹霰粒子下落融化。雹霰粒子半径不同是引起降水差异的主要原因,大粒子含量高,则会产生较强的降水;反之,则降水较少。

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。