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.

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。

不同微物理方案中云凝结核数浓度对北京一次暴雨过程影响的对比研究

采用京津冀地区3698个自动气象站降水量资料、北京站雷达回波资料及环保部提供的北京地区空气质量数据,利用WRF模式模拟2016年7月发生在北京的一次暴雨过程,对比NSSL、WDM6、Thompson和Morrison 4种微物理方案中降水对云凝结核或云滴数浓度的敏感性。根据华北地区云凝结核的观测结果,在每个微物理方案中设计了清洁、轻度污染、重污染背景下的3组试验。结果表明:随着云凝结核或云滴数浓度的增加,NSSL方案中系统发展减弱最为明显。4种微物理方案均出现区域平均累计降水量和小时降水量减少的情形,且NSSL和Thompson方案更明显,NSSL和Thompson方案中累计降水量超过250 mm以上的区域面积在北京西南部地区逐渐减小。NSSL、Thompson及Morrison微物理方案中云水混合比不断增加,雨水混合比减少。对于此次暴雨过程,NSSL和Thompson方案对云凝结核或云滴数浓度比较敏感,而WDM6方案最不敏感。

GRAPES双参数云微物理方案的改进和云降水个例模拟研究:GRAPES_SCM对热带对流云个例的模拟研究

应用全球-区域同化预报系统单柱模式(GRAPES_SCM),对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)个例进行数值模拟。通过和实际观测资料进行对比,诊断并改进了Liuma云微物理方案对热带对流云微物理特征的模拟能力。结果显示在GRAPES_SCM框架下,Lium a原方案和WSM6(WRF single moment)方案均能呈现出TWP-IC E期间热带云系的发展特征,并能够明显区分试验期间的季风活跃期和季风抑制期。活跃期Liuma原始方案和WSM6方案模拟的冰云组成结构差异显著,在Liuma原始方案所模拟的冰相水凝物分布中,存在冰雪含量过少、霰过多的现象。改进后的Lium a方案对程序中各微物理过程计算顺序进行了优化,改进后霰质量混合比明显减少,冰雪质量混合比明显增加,冰相水凝物分布较合理。

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。

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。

单双参云微物理方案对强降水过程中云宏微观特征模拟的对比分析

将WRF3.9模式的16种云微物理方案分为单参、双参两组,分别对2016年6月30日—7月4日江淮流域的一次强降水过程进行模拟。首先利用逐小时观测降水对各组模拟降水进行评估,在此基础上利用FY-2G和CALIPSO云产品数据分别评估不同方案对降水过程中总云量、云垂直结构云水含量等宏微观特征的模拟性能。结果表明:选用不同的云微物理参数化方案均能较好地模拟出该次过程的雨带位置和中心降水强度,但不同方案对云宏微观特征的模拟结果有显著差异。分析两组试验对总云量的模拟结果发现,单参方案组除Kessler暖云方案对冰云过程描述不足导致模拟的总云量显著偏高外,其他单参方案和所有双参方案均能模拟出强降水过程中总云量的时空演变特征。从云覆盖率和云水含量的垂直分布特征来看,单参方案组对600 hPa以下中低层暖云的模拟稳定性整体略优于双参方案组;而对200~500 hPa的冰相云模拟结果相反,双参方案组比单参试验组模拟的固水含量更加集中。将各层云覆盖率与CALIPSO云产品的对比也发现,对于低层暖云降水过程,选择如WSM3单参云微物理方案比双参方案得到的模拟云量更加接近实况,而对于以深对流为主要运动特征的冷云降水过程,选择如WDM5或WDM6这样双参云微物理方案模拟得出的高云量值更加稳定,误差也更小。

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院(CAMS)混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔(1319)的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星(TRMM)资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数(EXP1),采用海洋性云滴参数(EXP2),同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数(EXP3)。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式,并选取个例,分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1^-7.6°C温区之间,高于原方案所得的-50.1^-24.2°C温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中,温度相对较高的过冷区产生大量冰晶,其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外,与原方案相比,霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制,导致生成的霰小于原方案,且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案,此外,在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。

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。

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中 ,显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案 ,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程 ,特别是对云降水过程的模拟能力。详细介绍了这三套云降水方案的物理过程 。

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。

云凝结核浓度对一次梅雨锋降水影响的数值模拟

利用WRF模式（V3．6），采用WDM6双参数微物理方案对2012年7月2～3日江淮地区的一次持续性梅雨锋暴雨过程进行数值模拟，对不同初始云凝结核（CCN）浓度背景下的地面累积降水量和云中微物理过程进行对比分析。结果表明，初始CCN浓度在一定程度上影响了降水的微物理过程，进而影响降水量；当背景CCN浓度增加时，在降水前期引起云滴半径减小，云滴转化效率变低，抑制暖云降水，后期冷云过程得到加强，大量冰相粒子生成，最终导致降水增加。

云解析人工影响天气数值模式的改进、初步试验和展望

基于WRF四维资料同化和预报技术,初步发展了针对我国西北地区云微物理和播云催化技术的云解析人工影响天气模式系统(CR-WMM,Cloud-Resolvable Weather Modification Model)。该模式耦合并改进了中国气象科学院发展的微物理方案(CAMS-MP)和碘化银(AgI)催化方案,并实现基于大涡模拟(LES)模式的飞机、地面烟炉等播撒源及毗邻区域AgI粒子扩散的精细模拟方法。选取降水案例对CR-WMM资料同化功能、CAMS-MP微物理参数化和AgI的催化数值模拟方案进行测试和评估,验证了该系统的资料同化能力、微物理参数化和AgI催化数值模拟方案的可靠性。CR-WMM具备连续同化常规和加密气象观测,特别是针对云微物理过程的新型卫星、云雷达和人工影响天气外场作业飞机和基地的特殊观测能力,能生成全面、精确的云和降水热力、动力和微物理分析场,支撑云和降水过程及云催化技术的理论研究及优化人工播云方案辅助决策。并提出为达到这一目标,CR-WMM模式在未来5—10年应集中攻克的五个方面的科学难题。

用积云模式模拟强对流云的数值试验

本文用考虑夹卷的一维定常积云模式模拟了川东地区两次强对流云,模式在一维定常动力学框架中引入了多种微物理参数化方案,包括云水、雨水、冰晶、雹胚的增长及碰并、转化过程。计算结果表明:云顶高、厚度、强度等宏观特征与雷达观测值相当一致,同时它还揭示了四川地区强对流云的多种微物理特征以及各种微物理过程的相对重要性和转化关系,对冰雹云和暴雨云的数值试验显示了两种云在动力学结构上和云中各种微物理过程对降水贡献的巨大差异。

云降水和人工影响天气暖云催化数值模式研发与应用进展

暖性云系是主要的降水云系之一,也是开展人工影响天气作业的重要对象,使用催化数值模式进行机理研究、催化预估和效果评估,将为人工影响天气作业提供关键依据和科学指导。针对半个多世纪以来的暖云催化数值模式发展,在系统介绍和对比基于总体积水、分档、拉格朗日超级粒子及混合微物理方案的吸湿性催化模式研发进展的基础上,全面阐述了系列模式围绕播撒型盐粉及燃烧型焰剂在人工增雨、消雾、消减雨、实际催化效果评估以及暖云催化机理研究方面的应用,剖析了当前研究中存在的问题和不足,并对未来研发和应用重点方向进行展望。将对深入发展暖云催化数值模式并基于其开展云降水机理研究和我国人工影响天气业务应用具有重要的指导意义。