启动对流的初始扰动对热带飑线模拟的影响

在中尺度数值模拟及数值预报中,正确的对流启动是模拟或预报是否取得成功的关键。作者针对一次热带海洋飑线过程,利用一个风暴尺度云分辨数值模式进行数值模拟,采用不同的初始扰动触发与启动对流发展,重点讨论这些不同启动对流的初始扰动对飑线演变、生命史及其成熟结构等模拟的影响。结果表明,初始扰动的结构、形态分布及其与环境场的不同配置对具有深对流的飑线生命史存在重要影响,而对飑线的成熟结构影响较小。     

初始场与云微物理参数方案在飑线数值模拟中的对比研究

采用CM1模式以200 m的高精度水平网格距对一次东北冷涡下的飑线过程进行模拟,采用1 km的水平网格距进行对比试验探究网格距的影响,并通过探空资料的替换与修改研究不稳定能量和垂直风切变对飑线发展的影响。研究表明,水平网格距增大主要使系统演变减缓,强度也有一定的减弱;初始场的不稳定能量减小会使飑线减弱明显,直至无法生成;垂直风切变对飑线的形成影响较小,主要改变了飑线的结构,没有垂直风切变时形成的飑线更为松散。最后的敏感性试验研究了7种云微物理参数方案对飑线内水粒子分布的影响,发现不同的云微物理参数方案会使水粒子的含量和分布出现变化,进一步影响固、液态的降水,飑线模拟采用的NA方案高层冰和雪含量最高,但由于雨和降落到地表的雹、霰含量低,使得累计降水量最小。     

非绝热物理过程在模拟飑线系统中β尺度结构中的作用

利用经改进的中尺度模式，对一次飑线过程进行了多种对流参数化和显式水汽方案及地面加热过程的敏感性试验，结果表明中尺度对流性天气系统的成功预报，不仅取决于次网格尺度对流，而且取决于可分辨尺度相变过程及地面加热引起的边界层日变化。计入湿下沉的Ｆｒｉｔｓｃｈ－Ｃｈａｐｐｅｌｌ对流参数化方案和计入可分辨尺度凝结蒸发冻结融化等相变过程的预诊性显式方案的结合使用，对于真实模拟飑线等中尺度对流系统和减少或消除与中尺度涡旋及其降水过度加强相联系的类ＣＩＳＫ不稳定是十分必要和有效的。     

青藏高原那曲地区一次对流云降水的数值模拟

利用NCEP FNL再分析资料为初始场,通过WRF中尺度数值模式(V3.9.1版本)对2015年8月26~27日青藏高原那曲地区一次对流云降水过程进行了模拟,分析了不同积云对流参数化方案和云微物理参数化方案组合对本次降水过程中降水量、环流场、雷达反射率以及云微物理特征模拟效果的影响。结果表明:WRF模式能较好地模拟出本次降水的时空变化特征,但不同参数化方案组合各有优势,总体而言,Grell-Devenyi+SUB_YLIN和Grell-Freitas+SUB_YLIN组合模拟性能最优。本次对流云降水以冰相过程为主,雪粒子贡献最大,暖云粒子对降水的影响并不明显。从云微物理过程的时间演变可看出,性能最好的SUB_YLIN方案能合理模拟降水过程中雪粒子与冰晶粒子间的转换过程,雪粒子可在凝结过程中释放潜热促使对流运动发展,也可通过融化过程促进降水发生,对流层高层冰晶粒子凝华产生的潜热释放亦为深对流的发展创造了有利条件。      

一次飑线过程的三维模拟

用美国俄克拉荷马州大学“风暴分析预报中心”（CAPS）开发的ARPS非静力中尺度数值模式对发生在美国VORTEX－1995试验期间的一次飑线过程进行了三维模拟，ARPS模式成功地模拟了飑线中的β尺度结构特征，该模式对飑线强对流天气系统有较强的模拟能力。试验研究表明，地面中尺度汇合线或切换线是此次飑线过程主要的触发系统和重要的维持机制之一；对流凝结潜热释放在飑线的发生、发展中重要作用；高低空的急流合形势为飑线的发展和维持提供了有利的动力条件。     

Real-time simulation and mechanistic analysis of a squall line case in East China

飑线是一种活跃的中尺度强对流系统。通过使用WRF模式模拟再现飑线过程,研究发现冷池与后向入流的相互作用在飑线成熟时期和衰亡时期很关键。云微物理过程在这次飑线发生发展过程也起到了重要的作用,雪粒子对飑线过程的降雨率贡献最大。凝结潜热加热作用主要发生在高层,由水汽凝华成雪,水汽凝华成冰晶主导;凝结潜热冷却作用集中在低层,主要包括云滴蒸发,雨水蒸发和霰的融化过程。研究还发现了在飑线中也存在"播种-供给"云,云内存在着冰、雪粒子从高层向下的"播种"过程,而云水提供"供给"增长条件。     

云凝结核浓度对WRF模式模拟飑线降水的影响：不同云微物理参数化方案的对比研究

采用WRF模式模拟一次影响中国广东省的飑线过程, 分别选取Morrison、 Thompson07、 Thompson09和WDM6云微物理方案实施了四组试验, 每组试验包括不同云凝结核（CCN）浓度的三次模拟, 称为 “低浓度”、 “中浓度” 和 “高浓度”, 将模拟区域划分为深对流、 浅对流和层云区域, 对比分析四组试验中CCN浓度变化对模拟的总降水量、 不同区域降水率和不同区域面积的影响, 进一步分析了云微物理过程、 动力环流强度等受CCN浓度变化的影响。发现: （1） 由于不同云微物理过程与CCN浓度有着直接或间接的联系、 不同云微物理过程之间存在复杂的关联、 云微物理过程与动力环流之间发生非线性耦合, 采用不同的云微物理方案导致模拟的CCN—降雨影响既有相似、 也有差异; （2）模拟的CCN—降水影响在采用Thompson09和Thompson07方案时更显著, 采用WDM6方案时最小; （3）四组模拟试验均出现CCN浓度增加延迟降水产生、 初期降水减弱的情况, 在模拟后期降水量也随着CCN浓度增加而减小, 而飑线成熟阶段CCN—降水影响更加复杂。     

飑线组织化过程对环境垂直风切变和水汽的响应

利用ARPS模式对飑线发生发展过程进行二维理想数值试验,讨论了低层环境垂直风切变和水汽条件变化时,飑线内部物理因子配置变化及其与系统强度演变的联系。研究表明,飑线发展过程中出现的动量、热量和水汽的再分配过程,造成系统内垂直环流结构和扰动温湿场分布发生变化,从而影响系统内部深对流的组织化过程和飑线强度的发展。基于低层环境垂直风切变和水汽两个要素的敏感性试验研究表明,低层环境垂直风切变增大（减小）时,飑线移速减慢（加快）,冷池前沿激发的新对流与中高层的垂直运动相互贯通（分离）,飑线系统强度随之增强（减弱）。此外,当低层水汽增加（减少）时,会导致输送到中层的水汽增加（减少）,中层凝结潜热释放增多（减少）,该层垂直运动增强（减弱）;同时,飑线系统区域环境释放的对流有效位能（CAPE）增大（减小）,新生对流的强度增强（减弱）。低层水汽条件通过水汽输送和能量释放,改变冷池前沿新对流与中高层垂直环流的组织化结构,从而影响飑线强度。     

1987年6月在冲绳岛观测到的中尺度对流系统的数值研究

用二维暖雨云物理过程的可压缩模式，对梅雨季节在日本冲绳岛观测到的中尺度对流系统（MCS）进行数值研究。模拟了该系统在山脉背风面的初始形成及演变的两个阶段（静止和传播阶段）。静止阶段，低空冷空气堆聚，系统逆密度流传播，在山脉上风面强迫抬升MCS和抑制背风面的外流扩展的地形作用更明显。当冷空气从山顶上流过，系统快速向上风方传播，传播阶段开始，所模拟的MCS的铅直结构与中纬度－热带观测到的飑线的铅直结构相似。     

华北一次暴雨过程中潜热对中尺度系统和降水影响的数值研究

针对2005年7月22日的发生于华北的暴雨中尺度对流系统,在用中尺度ARPS模式数值模拟和分析云场、动力场以及微物理过程释放的潜热垂直分布和作用特征的基础上,通过改变主要微物理过程潜热做敏感性数值试验,研究和分析了潜热对云系发展演变、云系宏观动力场、水汽场、云场和降水的影响,总结出云暖区潜热的影响途径。结果表明,在对流云团中,5000 m以上微物理过程起加热作用,以下起冷却作用。不同物理过程潜热加热的云层高度不同:高层起加热作用的主要为水汽凝结、云冰初生和雪凝华增长、霰撞冻云水过程;中层起加热/冷却作用的主要为水汽凝结、霰/雹融化过程;低层雨水的蒸发过程起冷却作用。微物理过程潜热通过影响云系和降水发展过程、云系动力场,进而影响水汽场、云场和降水。忽略霰/雹融化潜热,相当于增加云系暖区潜热,促进了低层气旋性环流的形成,增强了低层动力场的辐合,使得低层辐合区增多、增强;中低层水汽通量辐合区增多、面积扩大,明显地促进了对流云系的发展,增大了含水量和覆盖范围,云系的降水量显著增加,强降水区覆盖范围扩大。即使减少20%的凝结潜热,云系的发展也受到极大抑制,没有气旋性环流生成,低层辐合区缩小、强度降低,水汽通量辐合区也同样缩小、强度降低,云系对流发展减弱、含水量降低,因此,降水量大为减小,降水范围也显著缩小。此外,微物理过程潜热还影响到此次中尺度对流系统发展演变过程,改变了云系的形态、影响到系统的移动和系统中对流云团的发展强度和分布情况。     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

一次飑线过程的云微物理参数化方案数值试验及其成因分析

利用WRF模式6种适合高分辨率且包含多种固态水成物粒子的云微物理参数化方案,分别对2012年5月16日江苏北部一次飑线过程进行数值试验,结果表明:LIN方案模拟的飑线回波反射率、强降水TS评分、结构和强度等均要优于其余5种微物理参数化方案。分析不同参数化试验结果中不同水成物粒子占比随时间的变化特征,并针对LIN方案采取敏感性试验和水成物转化微物理过程分析指出,在此次飑线过程中的各水成物粒子中,霰/雹粒子占比最大,是降水过程中最重要的粒子;地面降水直接来源是雨水,雨水主要来源于中层霰/雹粒子的融化,小部分来源于云水的自动转化;中层霰/雹粒子最主要来源是通过雨霰转化过程中的雨水撞冻冰雹微物理过程,其次是霰撞冻云水的微物理过程,而冰相物质雪晶和云冰的碰并、撞冻和自动转化过程微乎其微。     

台风眼壁的云结构与降水形成机制分析

使用带有详细微物理过程的ARPS模式,对台风韦帕（Wipha）进行三重嵌套细网格模拟,利用模式结果,对台风眼壁强降水中心的云结构和降水形成机制进行分析,结果表明：冰相微物理过程是启动和形成台风眼壁暴雨的主要降水形成机制。在9000～14000 m高空,云水在很低的温度下经均质核化产生冰晶,或经非均质核化形成云冰;冰晶通过凝华增长（psfi,贝吉龙过程）、雨水收集云冰产生雪（praci）和冰晶粘附雨水成雪（piacr）过程生长为雪;霰产生主要包括4个过程：冰晶接触雨水使其成霰（piacr）、雪撞冻云水使其成霰（psacr）、雨水收集云冰转化成霰（praci）或雨水冻结为霰（pgfr）;霰粒子通过收集云冰干增长（dgaci）,霰撞冻云滴增长（dgacw）等过程生长;霰融化（pgmlt）和雪融化（psmlt）成雨水后再通过碰并云水等暖云生长过程,最后形成雨水。霰过程的强弱在雨水形成机制中很重要。（29.5°N、121.8°E）和（28.3°N、120.4°E）强降水中心冰晶转化率没有太大差别,但是（29.5°N、121.8°E）强降水中心上空冰晶通过贝吉龙过程快速成长为雪和霰,霰粒子增长过程远远强于（28.3°N、120.4°E）强降水中心,低空又有较高的云水转化率,使降水粒子在暖云中继续快速生长,冷暖云过程的有利配置使（29.5°N、121.8°E）出现较强雨水转化率。     

一次飑线过程中雷达回波的组织结构变化及成因分析

利用ARPS模式的3DVAR系统同化多部实况雷达反射率资料得到初始场,再利用WRF模式对2013年7月4—5日发生在江淮地区的一次飑线过程进行数值模拟,研究了此次过程中雷达回波强度变化的原因。模拟及实况观测均发现本次飑线从东西带状结构经1 h左右演变成东北-西南向的多条带状弱回波结构。分析发现,在变化初期阶段,东西向带状回波的南侧平行出现多个对流单体,北侧的带状回波衰减形成的偏冷出流与低层西南暖湿气流持续交汇,激发对流单体新生并入主对流带后,又使对流带由最初较长的准东西向变为短的东北-西南向回波;在变化中后期阶段,中低层切变加强引起强的涡层出现,进而引发涡层不稳定,使切变线上的小扰动增多导致回波中的小对流单体增多,无法组织成为强回波带,回波带变得松散,同时涡层不稳定以及回波的减弱导致降水变得更不均匀。      

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(I):模式云物理方案和地形云结构

对三维非静力中尺度模式ARPS的云降水微物理方案进行了改进,利用改进后的ARPS模式模拟了祁连山地区夏季的两个地形云个例,通过对各自模拟结果的对比分析并结合实况资料研究了夏季祁连山地区地形云的发展状况、动力场特征、降水特征以及云微物理结构特征。研究结果表明,地形云的发展受地形影响很大,地形的抬升促进了云和降水的发展,地形的作用也改变了地面降水特征,使云的宏、微观物理结构发生较大变化。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

利用GRAPES模式研究气溶胶对云和降水过程的影响

在GRAPES中尺度模式的双参数微物理方案中加入了气溶胶活化参数化过程,实现了对云滴数浓度的预报。选取不同季节两个降水过程进行模拟,并分别开展了不同气溶胶背景下的两个试验进行对比分析,研究气溶胶对云和降水可能的影响。结果表明:气溶胶浓度增加后,因为活化产生了更多尺度较小的云滴,抑制了云雨的自动转化,使大气中滞留了更多的云水,暖云降水减小;另一方面,云水的增加会使冰相粒子,尤其是雪和霰通过碰并云水等过程而增大,最后融化成雨增加冷云降水,同时冰相粒子增加会释放更多的潜热,促进上升气流的发展,进一步增加冷云降水。气溶胶对降水的影响存在空间不一致性,暖云较厚的地方暖雨过程受到的抑制明显,使地面降水减小,冷云厚度相对较厚时,冷云降水的增加会大于暖云降水的抑制,使地面降水增加。同时由于在云降水发展的不同阶段冷暖云的变化,气溶胶对降水的影响也存在着时间不一致性。     

云凝结物平流输送对降水云系发展影响的数值模拟研究

大气动力学中"平流输送"是非常重要的宏观动力学过程,云凝结物的平流输送与降水云系的发展演变密切相关,它把宏观动力过程与各种云凝结物粒子的时空演变联系起来,云凝结物的平流输送可以增加或减少局地大气中云凝结物的含量,改变云凝结物的空间分布状况,影响云凝结物的微观物理过程,进而促进或抑制降水云系的发展演变.本文在数值模拟研究中.通过改变云凝结物平流输送的状况来研究宏观动力过程对云微观物理过程的影响,因而利用ARPS模式开展3个分别排除云凝结物水平平流输送、垂直平流输送和三维平流输送的敏感试验,进行关于云凝结物平流输送对降水云系发展演变影响的敏感性数值模拟研究.结果表明,云凝结物的平流输送对水汽比湿的影响很小.云凝结物的三维平流输送有利于增加降水云系中雪和霰的混合比含量,抑制云水、雨水和云冰混合比含量的增长.云凝结物的水平平流输送可以降低降水云系中云水和雨水的混合比含量,增加云冰和雪的混合比含量;云凝结物垂直平流输送的作用是增加降水云系中雨水、雪和霰的混合比含量,减少云与冰混合比含量.云凝结物三维平流输送效应的分析表明,云凝结物的三维平流输送主要通过调整云凝结物的微物理过程源汇项以及降水粒子(雨水、雪和霰)的下落末速项来改变降水云系中云凝结物的垂直结构;另外,雪的三维平流输送对雪本身的分布也有一定影响.     

华东地区一次飑线过程的数值模拟与诊断分析

本文利用ARPS(Advanced Regional Prediction System)同化多部多普勒雷达观测资料和常规地面探空观测资料,对2009年8月17日发生在我国华东地区的一次飑线过程进行高分辨率数值模拟;利用模拟输出资料,分析该飑线过程的动力和热力特征和对流线单体后向新生的环境条件。研究结果表明:(1)在飑线系统初生阶段,从飑线后部(北方)的团状对流系统的低层MCV(mesoscale convective vortex)中南下的冷空气与西南暖湿气流相遇激发强对流,促进飑线发展;随着飑线系统的发展和南移,团状强对流系统的低层MCV的气旋性环流对飑线的影响逐渐减弱,而飑线本身产生的低层冷池向外辐散的冷空气与环境场西南暖湿气流辐合成为飑线持续发展的主要动力。(2)本次飑线系统属于典型的后向新生型飑线,由4条处于不同发展阶段的对流线合并而成,对流线上对流单体的后向新生是动力和热力过程共同作用的结果,既需要一定的对流抑制能量促进对流有效位能的累积,也需要一定的环境风场垂直切变、低层风场的辐合和水平涡管向垂直涡度的转化。