"98.5"华南前汛期暴雨云微物理场数值模拟分析

为了进一步理解暴雨发生过程中云微物理场的演变和云微物理过程与动力、热力过程的相互作用,利用非静力中尺度数值模式MM5对1998年5月23~24日的华南暴雨过程进行了模拟,并详细分析了模拟结果。分析结果表明:利用混合冰相显式物理方案比其它方案模拟的降水更接近实际情况;云微物理场的模拟显示没有雪出现,这可能是华南降水云微物理的特点;每小时降水量有先减弱后又增强的趋势,暴雨过程中云的各微物理量的变化趋势与其一致;云的发展与良好的热力动力条件互相作用、共同加强,由南风带来的充足的水汽和热量为其发展提供前提条件,凝结潜热使上升运动向更高处伸展。     

气溶胶影响云和降水的机理和观测研究进展

气溶胶对云和降水的影响,对于气候系统、大气环境以及水循环至关重要。气溶胶粒子作为云凝结核和大气冰核影响云的微物理过程,进而影响雨、雪、雹和其他形式的降水。近年来,在理解气溶胶的化学成分,气溶胶微物理特性以及气溶胶作为云凝结核和大气冰核影响云降水等方面已取得重大进展。本文对于气溶胶的概念、来源以及气溶胶的直接和间接效应进行了简要概述,重点总结了国内外在气溶胶影响云和降水的机理研究方面的成果,回顾了近年来利用卫星、地面观测设备、机载探测设备等对气溶胶和云进行遥感观测和直接观测所获得的观测事实并讨论了其可能的物理机制,在总结前人研究成果的基础上对未来的研究方向进行了讨论。     

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.     

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。     

二维滞弹性非静力平衡云模式第一部分──低空风切变对云微物理过程的影响

本文对已有的二维时变的深对流型模式［1］进行了部分修改和补充，尤其对于云微物理过程参数化方案进行了一些改进，使原有的模式对暖云、雹云和雪云都具有一定的模拟能力。依据建立的模式．就低空风切变（单向无扭转）对对流的影响，尤其对云和降水形成过程的作用进行了对比试验。为此我们设计了五种风速垂直分布方案进行了对比分析。结果表明：低空风切变对对流的发生、发展有很大的影响，而且对云和降水的形成过程影响更大。     

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.     

祁连山夏季地形云和降水宏微观结构的数值模拟

利用ARPS(Advanced Regional Predictional System)中尺度数值模式,对2007年7月19日低涡天气背景下发生在祁连山区的一次比较典型的地形云降水过程中云和降水的宏微观结构特征进行了深入的模拟研究和分析。结果表明,ARPS模式能够较好地模拟出地面降水分布及其发展演变特征;祁连山北坡陡峭地形的抬升作用是祁连山云系降水的主要动力机制;祁连山地形作用下云和降水的微物理结构随云的不同发展阶段呈现出不同的特征。     

气溶胶对云宏微观特性和降水影响的研究进展

气溶胶—云—降水相互作用是当今大气科学研究的热点和前沿问题.概述性地回顾了气溶胶对云宏微观特性和降水影响的研究进展,分别讨论了气溶胶对层状云、对流云等典型云系的动力和微物理过程的影响,总结了国内外研究关于气溶胶对云宏微观特性影响的可能的物理解释.回顾外场观测及数值研究表明,气溶胶对云液态水含量、地面降水及光学厚度的影响...     

北方两次不同类型降雪过程的微物理模拟研究

利用中尺度模式MM5分别模拟了中国北方地区两次不同类型的降雪过程:2001年12月7—8日的北京小雪和1999年11月23—24日的辽宁雨转雪过程。文中还从微物理角度研究了这两次降雪过程,分析不同天气条件下降雪的水成物相态及其源汇项分布特点,并初步探讨云物理过程对降水热力、动力过程的反馈作用。重点分析了云物理变量的模拟结果,计算时采用输出水成物源、汇项小时累计量的方法,讨论了最大降水时段内各源、汇项的分布特征,并通过敏感性试验,分析了水成物相变潜热作用和降水粒子的拖曳作用对云的反馈影响。结果表明,云中水成物相态分布与温度有密切关系,北京小雪过程为气、固两相粒子作用,辽宁雨转雪过程为气、液、固三相粒子相互作用;在最大降水时段内,雪的产生主要来自于水汽凝华增长和雪收集冰晶增长,过冷水对形成霰很关键,冰相粒子融化加强雨的形成;降雪过程对热力、动力过程具有一定的反馈影响,相变潜热对上升运动和降水有正反馈作用,降水粒子下落拖曳力对上升运动和降水有负反馈作用。辽宁降雪过程降水粒子丰富,云物理过程对降水热力动力过程的反馈作用比北京小雪要强一些。     

云降水物理和人工影响天气研究进展和思考

云降水物理和人工影响天气密不可分,云降水物理为人工影响天气提供理论基础,人工影响天气是云降水物理一个重要应用领域.目前我国人工影响天气规模、经费投入已达世界之最,人工影响天气工程正在建设之中.论文简要回顾了我国云物理研究和人工影响天气的发展过程,评述研究工作取得的进展,思考我国人工影响天气在新形势下进一步的发展的问题,显得尤为重要.几十年来,我国开展了一系列云雾降水的外场观测研究和人工影响天气的外场试验研究,云和降水物理以及人工影响天气的理论和技术研究不断取得进展,数值云模式和中尺度模式的模拟研究水平有了长足的进步,在云和降水物理过程和降水机制研究、云的微物理结构、云水资源和人工增雨潜力评估、催化条件预测、催化剂和催化技术等方面取得了显著进展.论文最后指出,目前的人工影响天气需要加强人工影响天气核心技术研究,并提出了需要进一步研究的云和降水物理中的有关科学问题.     

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。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(II):云微物理过程和地形影响

本文是祁连山夏季地形云结构和微物理过程模拟的第II部分。文中利用第I部分中祁连山夏季两个地形云降水个例的模拟结果,详细分析了地形云及其降水发展期间云微物理过程的特征及变化,并通过与平坦地面条件下模拟结果的对比,研究了云发展过程中的地形影响。研究表明,地形云中微物理过程的发展受地形影响很大,冰相微物理过程明显增强;地形影响下云的主要降水机制也受到影响甚至被改变。     

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。     

Ka/Ku双波段云雷达反演空气垂直运动速度和雨滴谱方法研究及初步应用

在Ka波段云雷达上升级改造建成的Ka/Ku（Ka和Ku波段波长分别为8.9 mm和2.2 cm）双波段云雷达2019年用于华南云降水垂直结构观测,以改进云内动力和微物理参数探测能力。为了利用该双波段云雷达研究华南降水微物理和动力结构,本文提出了基于双波段云雷达回波强度谱密度（S_Z）数据和最优估计技术的云内空气垂直运动速度（V_air）、雨滴谱（DSD）、含水量（LWC）、雨强（R）的反演方法（DWSZ）,雨区衰减的订正方法。利用2019年在广东龙门观测的一次降水过程数据,对比分析了云雷达反演的微物理参数与雨滴谱直接观测量,并检验了云雷达反演的低层空气垂直运动速度,利用反演结果分析了一次混合云过程的V_air与这些微物理参数的垂直结构和相互关系。结果表明:Ka/Ku双波段云雷达合理反演了微降水微物理和动力参数及其垂直分布,经过衰减订正的Ka和Ku波段回波强度偏差明显减小。该双波段云雷达数据可以用于分析0～30 dBZ回波强度的云降水垂直结构。本次过程为混合云降水,对流单体前部存在明显的上升气流,后部存在下沉气流;从平均垂直结构来看:V_air和粒子平均直径（D_m）在2 km高度层到达最大,粒子数密度（N_w）、LWC和R在2 km以下明显增强,粒子直径却减小,水汽凝结过程、雨滴碰并云滴是本次过程的主要机制。这一工作验证了Ka和Ku波段组合的双波段云雷达的可行性,为Ka/Ku波段云雷达技术的推广,单波段云雷达反演算法进一步改进,云降水精细结构分析等提供了基础。     

一次冰雹过程人工催化的数值模拟试验

利用二维雹云模拟济南地区１９９６年７月２４日出现的一次冰雹过程，模拟结果表明对雹云２６个主要微物理过程双参数化较细致地描述对流过程的热，动力反馈和微物理特点２。根据计算结果，对该次冰雹过程进行了ＡｇＩ催化试验，结果得出在云发展初期对暖底雹云实施高浓度的冰晶催化，可起到减少地面冰雹和增加地面降水的作用。     

混合相层状云系模式和中尺度低涡云系的实例模拟

在Ａｎｔｈｅｓｅｔａｌ．的中尺度模式基础上引入胡志晋的双参数层状云模式并重新编制了程序，构成一个包含三种水相态和比较详细云物理过程的三维层状云系模式。为保持在较长时步中计算的稳定和精度，对微物理过程的计算采用混合格式，少数过程采用时间分裂格式，在相变过程的处理上设计了同时计算不同相态相变的参数化方案，按Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ方法设计了粒子下落格式。用干模式、积云参数化模式、两相显式模式和本文模式对两个中尺度低涡个例作了模拟，对比分析不同模式的模拟能力。结果表明本文模式对涡环流结构、云场和降水分布的摸拟比其他模式更合理，更接近实况。     

Impact of Cloud Microphysical Processes on the Simulation of Typhoon Rananim near Shore.Part Ⅰ: Cloud Structure and Precipitation Features

By using the Advanced Regional Eta-coordinate Model (AREM),the basic structure and cloud features of Typhoon Rananim are simulated and verified against observations.Five sets of experiments are designed to investigate the effects of the cloud microphysical processes on the model cloud structure and precipitation features.The importance of the ice-phase microphysics,the cooling effect related to microphysical characteristics change,and the influence of terminal velocity of graupel are examined.The results indicate that the cloud microphysical processes impact more on the cloud development and precipitation features of the typhoon than on its intensity and track.Big differences in the distribution pattern and content of hydrometeors,and types and amount of rainfall occur in the five experiments,resulting in different heating and cooling effects.The largest difference of 24-h rain rate reaches 52.5 mm h-1.The results are summarized as follows:1) when the cooling effect due to the evaporation of rain water is excluded,updrafts in the typhoon's inner core are the strongest with the maximum vertical velocity of-19 Pa s-1 and rain water and graupel grow most dominantly with their mixing ratios increased by 1.8 and 2.5 g kg-1,respectively,compared with the control experiment; 2) the melting of snow and graupel affects the growth of rain water mainly in the spiral rainbands,but much less significantly in the eyewall area; 3) the warm cloud microphysical process produces the smallest rainfall area and the largest percentage of convective precipitation (63.19％),while the largest rainfall area and the smallest percentage of convective precipitation (48.85％) are generated when the terminal velocity of graupel is weakened by half.     

强热带风暴“碧利斯”（0604）极端降水研究回顾

强热带风暴“碧利斯”于2006年7月14日在我国福建省登陆,登陆后一路西行,在福建、浙江、湖南、江西、广东、广西多个省份产生强降水,其陆上维持时间之长、影响范围之广、降水极端性之强,在历史上极为罕见。“碧利斯”引发的降水主要有三个极值中心,分别对应着降水的三个阶段,其中第二阶段降水极端性最为突出,在湖南、江西和广东交界处发生了暴雨增幅,造成严重的洪涝灾害。为了更加全面地认识此次过程,本文对“碧利斯”产生极端降水的机制做了回顾总结,分别从有利的大尺度形势、中尺度系统的影响、地形作用、云微物理过程以及动力因子的诊断分析五个角度进行,最后对“碧利斯”极端降水区别于其他极端降水个例的机理以及进一步可能的研究方向进行了讨论。