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.     

MM5中尺度模式及其微物理过程

按照模块功能,介绍了MM5中尺度模式中各个子模块的主要作用,描述了模式中微物理过程的对流参数化方案和显式方案,为模式在研究和预报应用提供参考。     

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。     

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,以及与动力框架的耦合.     

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。     

WRF模式不同微物理过程对东北降水相态预报的影响

为了研究不同微物理过程对中尺度模式降水相态预报的影响,利用中尺度模式WRF（V3.1）和NCEP再分析资料,采用WSM 6方案、Goddard方案和New Thompson方案等3种不同微物理过程参数化方案,对2006-2008年东北地区存在降水相变的11次降水过程进行了敏感性试验。通过对降水和云微物理特征影响的分析,了解不同方案间的预报差异。结果表明：不同微物理方案对降水落区和强度预报影响不明显,而降水相态对微物理参数化方案较为敏感,主要表现在对雨区和雨夹雪区预报影响显著。从总体预报效果来看Goddard方案表现较好。选用不同微物理参数化方案模拟的底层大气云微物理特征存在较大的差别,正是这种差别直接导致了降水相态预报间的差异。     

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。     

WRF模式物理参数化方案对一次局地大暴雨预报的影响研究

基于WRF(Weather Research and Forecasting)模式及其3Dvar(3-Dimentional Variational)资料同化系统,采用36、12、4 km嵌套网格进行快速更新循环同化和不同的微物理及积云对流参数化方案对比试验,对2011年5月8日鲁中一次局地大暴雨过程进行了研究。结果表明,快速更新循环同化地面观测资料是影响模式降水落区预报准确性的关键因素,不同的微物理和积云对流参数化方案主要影响降水强度预报。采用不同的微物理参数化方案和积云对流参数化方案进行降水预报对比试验表明,LIN方案和WSM6(WRF Single-Moment 6-class)微物理参数化方案对降水预报均较好,LIN方案降水预报较WSM6方案略强。4 km网格预报使用K-F (Kain-Fritsch)积云对流参数化方案或不使用积云对流参数化方案,预报的降水均较好。4 km网格使用旧的K-F积云对流参数化方案,预报的近地层大气风场偏弱,导致大气动力抬升作用偏弱,从而造成模式降水预报偏弱。     

一个简化的混合相云降水显式方案

该文提出一个新的混合相云降水显式方案,它预报2个云物理量,即云水（冷区为过冷云水）和降水（冷区为冰雪,暖区为雨）,考虑了7种云物理过程。文中给出了详细的方程组,可以作为一个子程序供大、中尺度天气模式使用。该方案还与详细微物理显式方案和暖云方案作了实例模拟比较。     

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48 h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。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

不同云方案对祁连山降水模拟的影响

应用MM5中尺度模式,选用4种不同云微物理方案(Dudhia简单冰相方案、Reisner混合相方案、Reisner2霰方案和Schultz微物理方案),对2002年7月12-13日祁连山区降水过程进行了数值模拟试验。模拟结果的对比分析表明,不同云微物理方案在祁连山区降水的模拟中对降水落区的模拟均偏南;除Reisner2霰方案外,其他3种方案对降水中心落点的模拟影响不大,降水中心强度对云微物理方案不敏感;显式降水和参数化降水对云微物理方案有不同程度的依赖性;云微物理过程通过影响动力条件发生发展的时间和强度,来影响强降水发生的时间和强度。通过各云微物理参数的分析发现,各物理过程中微物理参数参与降水的过程不同:对Dudhia简单冰相方案来说,雨水和云水是形成降水的主要过程;Reisner混合相方案中降水的形成主要是由于雨水、云水、雪和霰的碰并过程,冰晶的碰并相对较弱;在Reisner2霰方案中,雨水、云水、冰晶、雪和霰均参与碰并碰冻过程;Schultz微物理方案中冰晶、雪和霰的碰并过程更为重要。     

云微物理参数化对东亚近海热带气旋活动模拟的影响

基于CWRF模式（Climate Extension of Weather Research and Forecast Model）结果,探讨了8种云微物理参数化方案对1986—2015年间东亚近海热带气旋的空间分布、频数及强度模拟的影响。结果发现：CWRF模式中各云微物理参数化方案模拟的热带气旋频数普遍较观测偏少,其模拟的强度相比观测也偏弱;热带气旋的空间分布和频数对云微物理参数化方案的选择较为敏感,而云微物理方案的选择对热带气旋强度的模拟影响不大;Morrison方案和Morrison-a方案模拟的热带气旋空间分布更接近于观测,但对热带气旋频数及强度的年际变化趋势模拟得较差,而GSFCGCE方案的TS评分及强度、频数的相关系数均较其他方案偏高。综合来看,采用GSFCGCE方案模拟热带气旋活动总体最优。进一步分析发现,相较于Morrison方案和Thompson方案,考虑气溶胶影响的Thompson-a和Morrison-a方案不仅可以有效提高对热带气旋频数及空间分布的模拟能力,还对热带气旋频数及强度年际变化趋势的模拟能力也有所提升。     

霰粒子下落速度对云系及降水发展影响的数值研究

云和降水的形成是动力过程与微物理过程相瓦作用的产物,云数值模式中的微物理过程参数化方案对云和降水发展过程有直接影响.在云数值模式中,粒子群体的下落速度都足用质量加权下落末速度公式来表达,而且不同的模式采用的公式存在差异,质量加权下落末速度中参数取值不同,引起的粒子下落末速度不同.为了了解粒子下落末速度变化对云系和降水发展的影响,对2004年8月12日一次冷锋降水过程,利用中尺度ARPS模式做模拟研究.在分析降水机制的基础上,对霰这一下落末速度较大的降水粒子,做下落末速度(Vg)的敏感性试验,从动力、热力、微物理的角度,通过数值模拟对比分析了霰下落末速度减小对降水分布和强度、云系的移动、云系的宏观热力和动力场的影响,并给出了影响的途径和机理.结果表明:Vg变化对云的厚度和含水量有影响,下落末速度减小对冰晶、雪、霰的含水量垂直分布及分布随时间变化影响较大,其中,霰的含水量显著减少,雪的含水量增加,并调整了云中水质粒的空间分布;Vg减小对地面累积总降水量的分布影响较小,但对降水强度的分布影响较大.Vg减小时,降水强度减小,降水时间延迟,因此,霰下落末速度变化将调整底层降水分布;对于云系的移动情况基本上没有影响,但对云中水质粒的空间分布有影响;霰下落末速度变化影响云中霰的融化和撞冻增长从而影响热力场.末速度减小时,霰和雪的融化罱明显减小,导致非绝热冷却率的减小,引起下沉气流的减小.     

不同云微物理参数化方案对舟曲"8.8"暴雨过程模拟的影响

利用NCEP 每6h一次的1°×1°格点资料和中尺度模式WRF(V3.2),选用Kessler 方案、Lin 方案和Morrison 双参数方案等3 种云微物理参数化方案,对2010 年舟曲"8.8"特大暴雨天气进行了数值模拟试验,以分析不同参数化方案对降水特征、物理量特征和云微物理特征模拟的影响.结果表明,此次暴雨过...     

A Simulation Study on the Characteristics of Cloud Microphysics of Heavy Rainfall in the Meiyu Front

A heavy rainfall in the Meiyu front during 4--5 July 2003 is simulated by use of the non-hydrostatic mesoscale model MM5 (V3--6) with different explicit cloud microphysical parameterization schemes. The characteristics of microphysical process of convective cloud are studied by the model outputs. The simulation study reveals that: (1) The mesoscale model MM5 with explicit cloud microphysical process is capable of simulating the instant heavy rainfall in the Meiyu front, the rainfall simulation could be improved significantly as the model resolution is increased, and the Goddard scheme is better than the Reisner or Schultz scheme. (2) The convective cloud in the Meiyu front has a comprehensive structure composed of solid, liquid and vapor phases of water, the mass density of water vapor is the largest one in the cloud; the next one is graupel, while those of ice, snow, rain water and the cloud water are almost same. The height at which mass density peaks for different hydrometeors is almost unchangeable during the heavy rainfall period. The mass density variation of rain water, ice, and graupel are consistent with that of ground precipitation, while that of water vapor in the low levels is 1--2 h earlier than the precipitation. (3) The main contribution to the water vapor budget in the atmosphere is the convergence of vapor flux through advection and convection, which provides the main vapor source of the rainfall. Besides the basic process of the auto-conversion of cloud water to rain water, there is an additional cloud microphysical process that is essential to the formation of instant heavy rainfall, the ice-phase crystals are transformed into graupels first and then the increased graupels mix with cloud water and accelerates the conversion of cloud water to rain water. The positive feedback mechanism between latent heat release and convection is the main cause to maintain and develop the heavy precipitation.     

云模式中气溶胶物理过程参数化方案研究概述

介绍了大气气溶胶的浓度、气溶胶的谱形等物理性质对云的微物理过程造成的影响以及目前云模式中常用到的一些气溶胶物理过程的体积水、分档等参数化方案，并评述了这些参数化方案各自的特点。提出了在设计气溶胶物理过程参数化方案时需要注意和有待解决的几个问题，建议在设计气溶胶-云相互作用的模式时，要根据不同的研究目的选择合适的参数化方案。     

云微物理参数化对华北降雪影响的数值模拟

对发生在华北地区的一次降雪过程进行了中尺度数值模拟。结果表明,高纬强冷空气南下和低纬倒槽的水汽输送是造成这次长时间降雪过程的主要原因。采用混合方案的中尺度数值模拟表明,这次降雪天气不是对流云造成的,而是稳定性的非对流云降雪。敏感性试验也表明,采用其他积云参数化方案对模拟的降雪量基本没有影响。控制试验模拟的24h降雪量与实际观测比较吻合。模拟结果表明,当采用Dudhia简单冰相方案时,会有过多的云冰、过冷却水及雪;当采用Reisner 1混合相方案时,会有过多的云冰和雪;修改的各个Reisner 2方案对此次降雪的预报改进不大,但各个Reisner 2方案的敏感性试验中云冰混合比、过冷却水混合比和雪混合比稍微有差异。