1960年以来东亚季风区云-降水微物理的直接观测研究

云-降水的直接观测结果是云微物理参数化的重要依据。自1960年以来,处于东亚季风影响下的中国实施了大量对云-降水微物理参数的观测和研究,旨在加深对云-降水微物理过程的认识,从而改进数值模式中云微物理参数化方案和指导人工影响天气作业。云-降水微物理参数包括气溶胶、冰核、云滴、雨滴、冰晶、雪晶、冰雹等粒子浓度和谱分布,以及云滴、雨滴含水量等。中国已有云-降水微物理参数的成果可归纳为:(1)通常云-降水微物理粒子浓度变化较大,但总体变化有一定的范围;(2)采用Γ函数拟合云滴谱更接近实际谱,但不同拟合谱参数差异较大;(3)可用指数函数和Γ函数来拟合层状云降水雨滴谱,Γ函数拟合积云和层积混合云降水雨滴谱精度更高;(4)中国冰核浓度较高,冰核浓度随温度的降低近似成指数变化;(5)冰晶谱、雪晶谱、冰雹谱通常采用指数函数来描述;(6)通常使用荣格(Junge)和Γ函数来分段描述气溶胶粒子谱拟合误差更小。由于云-降水过程及其反馈作用描述不准确是数值模式预报结果不确定性的最大因素,中国正在不断地推进云降水的微物理观测研究,以期进一步加深对东亚季风区云-降水微物理特征的认识,从而为模式中微物理参数化方案的改进提供观测依据和科学指导。基于数值预报模式中云微物理过程参数化发展的需要,总结了中国1960年以来云-降水微物理直接观测的研究成果,可为东亚地区云-降水微物理研究及其模式参数化方案的改进提供观测依据。此外,针对云微物理参化发展的需求,结合过去已有的大量观测提出了几点建议,为今后云-降水物理综合性观测方案的设计提供参考。     

微物理过程和积云参数化方案对海南岛秋季暴雨模拟的影响

利用WRF(ARW)V3.6模式模拟了2010年10月5—6日发生在海南的一次秋季大暴雨过程,从降水、风场、反射率和云结构等方面分析WRF模式中3个积云参数化方案(KF,BMJ,Tied Tke)和4个微物理参数化方案(Lin et al,WSM5,WSM6,Thompson)对海南岛秋季暴雨模拟的影响。结果表明:此次秋季暴雨过程模拟对不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合是比较敏感的,不同的积云参数化方案和微物理参数化方案组合通过调整温湿场结构,从而影响模拟降水的时间、强度和落区。对比发现,Thompson微物理方案的组合对于降水量级的模拟更为敏感,能较合理的描述暴雨发生发展过程中的水汽输送、热力和动力条件,并通过影响雨水混合比和云水混合比的高度和大小从而影响降水。其中Thompson微物理方案和Tied Tke积云方案的组合能较好的模拟出本次暴雨过程的特征,与实测最为接近,该组合模拟的最大垂直速度和反射率区与最大云水混合比对应。另外,积云方案和微物理方案的选择不影响水汽混合比的模拟。     

GRAPES-Meso模式浅对流云辐射效应的改进试验

在万子为等（2015）对GRAPES-Meso模式浅对流参数化改进的基础上,进一步引入了浅对流云量诊断计算,并设计旨在完善浅对流云辐射效应的浅云云量和云中水凝物的补偿方案,以改进模式低层云量偏少和浅对流云辐射效应不足的问题。通过对数值试验结果的诊断和对比分析以及与观测的比较,重点考察了浅对流云量计算与浅对流激发的协调性、浅对流云对低云补偿后所产生的辐射效应以及对模式地面要素预报的影响等,验证了改进方案的合理性与有效性。结果表明:（1）浅对流云量诊断计算合理,其云覆盖区与浅对流激发区相吻合,引入浅对流云量的计算可减小模式云量的计算偏差、使其向观测结果靠近;（2）改进方案在浅对流发生区低层0.5-4 km高度范围内,对影响模式云辐射过程的浅云云量和云中水凝物形成有效补偿,最明显的浅云补偿在1-1.5 km高度处,浅对流活跃时期浅对流过程对浅云水凝物（云水和雨水之和）的补偿量可达20%-55%;（3）云光学厚度对浅云水凝物的补偿响应合理,即水凝物的补偿引起云光学厚度增大,两者的变化特征在时空分布上十分相似,且云光学厚度之变化受云水补偿的影响比受雨水补偿的影响更明显;（4）在白天时段,浅云补偿所产生的辐射效应使模式地表太阳总辐射有所下降,缩小了与观测的偏差,进而使地表温度和地面2 m气温模拟偏差减小。改进方案在缓解模式云量偏少、地表太阳总辐射偏强和地面2 m气温偏高等方面的作用,在批量试验中得到了验证。      

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究Ⅰ.引入Fu-Liou短波辐射方案

冰云和水云对短波辐射性质(消光系数、单次散射反照率及不对称因子)的影响很不相同,应分别计算.Fu-Liou短波辐射方案(以下称Fu-Liou code)就是对冰云和水云分别采用了不同的参数化方案,云的短波辐射性质直接由云的物理性质来确定.因此,Fu-Liou code在云的处理方面物理意义更清晰且很合理.作者将Fu-Liou code引入IAP AGCM-Ⅱ中,称为Version 2.对当代气候场的模拟结果表明,Version2的各个物理过程是协调匹配的,且其对气候场的模拟性能是好的,从而为进一步改进IAP AGCM的短波辐射方案提供了很好的模式基础.       

一维时变冰雹云模式研究(一)——反映雨和冰雹谱的双参数演变

在一般的冰雹云参数化模式中,水凝结物粒子分布谱的截距取为常数,这样就严重地歪曲了云水和雨水以及雨水和冰雹之间的自然演变。为了改进这个图象,我们取消了这一限制,引入了雨水、冻雨和冰雹浓度连续方程,并重新给定了冻雨,冰雹的谱形式。 根据这些假定,我们导出了每个方程中的发生项表达式,建立了一个新的一维时变参数化模式,这个模式可以较好地描述各种不同类型的水凝物粒子间的相互作用,计算结果表明,云物理图象有了明显地改善。     

粒子下落末速度和粒子谱形参数对降水模拟影响的数值研究

数值模式能否准确地对降水过程进行预报,很大程度上取决于云微物理参数化方案能否准确地对云内的物理过程进行描述。目前显式云微物理参数化方案中对粒子的下落速度、不同直径粒子的浓度分布两方面的微物理特征,分别使用质量加权下落末速度和粒子谱进行描述。因此,参数化方案中不同的描述方式直接影响数值模式对降水过程的模拟结果。本文使用耦合了一种新的体积水法双参数云微物理参数化方案的WRF模式（Weather Research and Forecasting Model）3.5.1版本对发生在2013年5月8日的一次华南强降水过程进行模拟,分别对Ferrier和Locatelli两种质量加权下落末速度计算方法,以及常数参数和根据东亚地区实际观测结果改进的谱形参数两种粒子谱形参数设置的模拟结果进行分析,并对他们的四组参数组合预报结果进行评估。结果表明:（1）质量加权末速度的改变对降水强度有一定影响;（2）粒子谱形参数对模拟降水的强度和发展都有明显的影响,且谱形参数对本次降水模拟的影响强于下落末速度的影响;（3）Ferrier质量加权末速度和改进的谱形参数的组合试验组对降水的预报效果,相对其他三组试验有较明显的优势。     

Unrealistic treatment of detrained water substance in FGOALS-s2 and its influence on the model's climate sensitivity

在CMIP5的历史情景试验中,FGOALS-s2模拟的地表温度趋势远大于观测和其他气候系统模式,表现出较高的气候敏感性。本文通过一系列水球试验和海气耦合试验,研究了FGOALS-s2大气分量模式对流-辐射过程中对流参数化卷出云水云冰的处理问题,发现了模式诊断出的次网格尺度的云水云冰辐射效应过强,导致热带地区对流层高层水汽反馈和长波云辐射反馈过程偏强,是模式高敏感性的主要原因。文章强调了需要引入显式的云微物理过程来克服这种不确定性。     

积云对流和云物理过程调整对气候模拟的影响

本文利用中国科学院大气物理研究所大气科学和地球流体力学数值模拟国家重点实验室 (LASG/IAP) 的大气环流谱模式SAMIL, 结合观测与政府间气候变化专门委员会第四次评估报告 (IPCC AR4) 大气模式集合平均结果, 以大气辐射通量为例, 诊断分析了物理过程调整前后模式对气候模拟的影响。旧版本SAMIL对大气辐射通量的模拟存在较大偏差, 经过大气辐射过程、 积云对流和诊断云等物理过程的调整后, 新版本SAMIL模拟的全球辐射通量的年平均结果与观测的偏差大幅减小, 其中大气顶能量收支的年变化及其平均值与观测更为接近。在积云对流方案调整基础上, 通过对诊断云物理方案的进一步调整, 新版本SAMIL对云物理量模拟更为合理, 在赤道辐合带等区域, 在很大程度上克服了单一积云对流物理过程调整引起的云宏观和微观属性不匹配问题, 能模拟出夏季气候平均辐射通量的全球分布特征, 尤其在东亚区域有较好的模拟能力。研究还表明, 在热带和副热带对流活跃区域, 当前SAMIL中积云对流过程偏差对辐射通量的模拟偏差有很大影响, 而模式中较为简单的诊断云方案也会将云宏观物理量模拟偏差带入云微观量模拟中, 也是主要偏差源之一。本文结果表明, 要继续提高SAMIL的模拟性能, 急需更新云物理参数化方案以改进云辐射过程的模拟, 同时也需要有针对性的研究积云对流和云物理过程之间相互作用, 并作进一步协同调整。     

IAP AGCM中短波辐射方案的改进研究I·引入Fu-Liou短波辐射方案

冰云和水云对短波辐射性质(消光系数、单次散射反照率及不对称因子)的影响很不相同,应分别计算。Fu-Liou短波辐射方案(以下称Fu-Liou code)就是对冰云和水云分别采用了不同的参数化方案,云的短波辐射性质直接由云的物理性质来确定。因此,Fu-Liou code在云的处理方面物理意义更清晰且很合理。作者将Fu-Liou code引入IAP AGCM-II中,称为Version 2。对当代气候场的模拟结果表明,Version 2的各个物理过程是协调匹配的,且其对气候场的模拟性能是好的,从而为进一步改进IAP AGCM的短波辐射方案提供了很好的模式基础。     

中尺度模式云降水物理方案介绍

介绍大气模式中湿过程的饱和凝结、对流参数化和显式云物理三种方法的适用条件和特点.中尺度大气模式的对流参数化和显式过程一般有多种方案,介绍了多种方案的主要处理方法、基本微物理过程、预报量和主要特点.对流云模式都采用显式过程,但不同模式的湿过程有一定的差别,有各自的微物理特点,对有代表性的云物理方案进行了叙述和分析.     

中尺度大气数值模式发展现状和应用前景

对国内外当前一些先进的中尺度大气数值模式的发展现状,应用前景及发展趋势作了概要综述。其内容包括：模式动力学的改进,叫就度模拟系统特征,区域谱模 发展积云参数化和显式云物理方案,行星边界层参数化,大气辐射参数、四维资料同化,区域实时数值天气预报,中尺度数值天气预报应用前景及新一代中尺度模式发展趋势。     

A coupled dynamical-radiational model of stratocumulus

A model dealing with interactions between the air and low stratiform clouds is presented based on the mixed-Layer model Lilly (1968) pioneered and on Deardorff’s three dimensional numerical model results. Its main new aspects lie in 1) consideration of the natures of both the atmosphere and cloud; 2) a new entrainment velocity scheme with few arbitrary assumptions; 3) transition from one-mixed layer to two-mixed layer model; and 4) parameterization of radiation and precipitation calculations.The model results for radiation, moisture, and heat turbulent fluxes turn out to be in good agreement with those calculated or observed by Kawa (1988). Nicholls (1984), and Schmets et al. (1981) in California, the North Sea, and the North Atlantic, respectively.Basically, this paper furnishes the theoretical basis for a model to address questions concerning the time-evolu-tion of thermodynamical profiles both in cloud and out of cloud. The applications of this model will be in a separate paper.     

地形辐射效应参数化对海南岛海风环流结构和云水分布模拟的影响

采用非静力中尺度模式WRF研究地形辐射效应参数化对海南岛2012年7月5日多云天气条件下的海风环流结构和云水分布模拟的影响, 并分析了差异产生的可能原因。地形辐射效应是考虑坡地辐射强迫后, 辐射与大气中的各种气体、云以及非均匀下垫面间相互反馈的累积效应。其中地形辐射效应参数化的使用使得温度的模拟更接近实际, 对水汽的模拟也有一定改进能力, 对风速、风向的改进效果不明显。考虑地形辐射效应后, 海风的发生发展演变过程及风场的水平分布无显著变化, 但局地海风以及海风对流云的位置和强度有较明显的改变。山区四周的海风环流结构和对流云的变化与坡地辐射强迫直接相关, 考虑地形辐射效应后, 山坡向阳面的海风有所增强, 背阳面的海风减弱; 向阳坡谷风减弱, 背阳坡谷风增强; 同时紧临海岸的山坡对海风的影响与岛上山坡对谷风的作用类似。平坦地区的海风环流和海风对流云总体上有所减弱, 其变化原因比较复杂。各向海风的强度变化最终会改变海风辐合线的分布, 使海风潜在降水区域发生变化。      

云和辐射 （II）:环流模式中的云和云辐射参数化

这一部分论述了在环流模式中应用的各种云参数化和云辐射参数化方案。云参数化分为云的诊断和预报二大类，云辐射参数化则包活云光学性质的参数化和云整体辐射性质（反射率、透过率、吸收率和发射率）的参数化。     

A one-dimensional simulation of the stratocumulus-capped mixed layer

A marine stratocumulus model has been developed which has four major sub-models: (1) a one-dimensional version of the CSU cumulus model, (2) a partially-diagnostic higher-order turbulence model, (3) an atmospheric radiation model for both short-wave and long-wave radiation, and (4) a partial condensation scheme and cloud fractional parameterization. A set of numerical experiments have been performed to study the interactions among the turbulence, the long-wave radiation, the short-wave radiation, and the sub-grid condensation processes. The results indicate that surface sensible eddy heat flux and not radiative cooling is the major control on the rate of cloud-top entrainment. Cloud-top radiation cooling occurs principally within the upper part of the mixed layer. However, for the stratocumulus with numerous towers penetrated into the capping inversion, most of the long-wave radiation occurs within the capping inversion. It is found that cloud-top radiation cooling is balanced by turbulence transport of sensible heat from cloud-base levels.     

Evaluation of radiative parameterizations using an explicit cloud microphysical model

Based on the simulations with a 3-D large-eddy simulation model of marine cloud-topped boundary layer that includes explicit cloud physics formulation, we have evaluated the effect of spatial inhomogeneities in cloud macro- and microstructure on the performance of parameterizations of optical depth commonly used in large-scale models. We have shown that an accurate parameterization of the grid average optical depth alone is not sufficient for correct determination of cloud transmittance to solar radiation due to the non-linear dependence between these two variables.The problem can be solved by introducing the “equivalent” value of optical depth that differs from the ordinarily defined mean optical depth by a factor α_t, that depends on the degree of cloud inhomogeneity and ranges from about 2 in the cumulus case to about 1.3 in the stratiform case.The accuracy of cloud optical depth parameterizations commonly employed in largescale models has been evaluated using the data from the explicit microphysical model as a benchmark for comparison. It has been shown that in the cumulus cloud case the parameterized expressions can err by as much as 100%. The error is smaller for more uniform stratiform clouds, where the error for some parameterizations varied in the 10–40% range. The best results are given by parameterizations that account for vertical stratification of parameters on which they are based. However, the error given by a particular parameterization varies and is different at cloud and surface levels. The results show the limitations of the existing simplified parameterizations and illustrate the scope and complexity of the cloud radiation parameterization problem.     

The Cloud Processes of a Simulated Moderate Snowfall Event in North China

The understanding of the cloud processes of snowfall is essential to the artificial enhancement of snow and the numerical simulation of snowfall. The mesoscale model MM5 is used to simulate a moderate snowfall event in North China that occurred during 20–21 December 2002. Thirteen experiments are performed to test the sensitivity of the simulation to the cloud physics with different cumulus parameterization schemes and different options for the Goddard cloud microphysics parameterization schemes. It is shown that the cumulus parameterization scheme has little to do with the simulation result. The results also show that there are only four classes of water substances, namely the cloud water, cloud ice, snow, and vapor, in the simulation of the moderate snowfall event. The analysis of the cloud microphysics budgets in the explicit experiment shows that the condensation of supersaturated vapor, the depositional growth of cloud ice, the initiation of cloud ice, the accretion of cloud ice by snow, the accretion of cloud water by snow, the deposition growth of snow, and the Bergeron process of cloud ice are the dominant cloud microphysical processes in the simulation. The accretion of cloud water by snow and the deposition growth of the snow are equally important in the development of the snow.     

Relative effects of solar and infrared radiative forcing in a mesoscale model

A new efficient parameterization scheme for solar short-wave radiative heating, as a component of the net radiative effects in the atmosphere, is tested in a three-dimensional mesoscale model. This model is designed with moist convective processes in mind, so that the radiative parameterization (solar plus thermal infrared) are interactive with the cloud field. Previous work by the authors with only an infrared scheme has demonstrated that cloud-radiation interactions are characterized by strong cloud-top cooling, leading to upper cloud-layer destabilization. The effects of including solar heating are to modulate the strength of the strong infrared cooling, thereby leading to weaker interactions between clouds, radiation, and mesoscale fields. The present study shows that even on the mesoscale and for relatively short time-spans, radiative processes in the presence of clouds are not negligible.As a further step, a simple fractional cloud cover parameterization is introduced and the model response is compared with results omitting this parameterization.     

水云的长波光学性质参数化

在研究水云的微物理性质与光学性质关系的基础上，提出了三种用于长波区域窄带和宽带水云光学性质计算的参数化方案，研究了应用不同的水云光学性质参数化方案和不同的宽带数目对云辐射性质的影响。分析了云滴的散射作用对有云大气中长波辐射通量和冷却率的影响。     

一个简单的雪晶辐射参数化方案及雪晶辐射对中尺度降水的影响

文章提出一个简单的雪晶辐射性质参数化方案, 并利用1998年6月8日华南暴雨资料研究了雪晶的辐射性质对于中尺度降水的影响。结果表明:雪晶的辐射性质对中尺度降水的影响是不可忽略的, 白天尤为显著; 它能够明显地改变中尺度降水的局部特征, 特别是降水中心的强度和位置, 而对降水的分布影响不大。因此, 建立独立的雪晶辐射参数化对提高中尺度模式对中尺度降水的预报能力是必要的。