MM5模式显式微物理方案的对比分析

介绍了MM5中的显式云物理方案，详细分析了Goddard,Reisner和Schultz方案的物理过程特点和存在的不足。这些云物理方案的多个微物理过程的描述不是很合理，对粒子的自动转化过程都采用阚值，且对雪、霰和雨的数浓度只进行诊断计算。Reisner方案的物理过程相对全面，预报量也较多，但仍存在一定的不足。通过对1992年Andrew台风个例的模拟，发现尽管Reisner方案的物理过程比Goddard和Schultz方案全面，但模拟的台风眼最低气压和地面最大风速并没有优势。所以单一物理过程描述的改善不一定立即带来模式预报成效的提高，因为预报能力取决于整个模式系统的科技水平以及各子程序之间的匹配。     

西北地区一次层状云降水云物理结构和云微物理过程的数值模拟研究

利用MM5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,模拟结果显示对小雨的预报评分较高,对中雨以上评分低而且位置有一定偏差,即对层状云降水模拟效果较好。模式中增加了雷达反射率的计算,与延安站雷达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0℃层亮带。采用三层模型解释模拟的层状云降水形成机制和过程:第一层为冰晶区,无过冷水;第二层存在过冷水,为各种冰相粒子增长区,第一层和第二层的分界不固定;第三层和第二层的分界在0℃,为暖云。第一层对第二层播种冰晶,第二层为第一层播种下的冰晶供给过冷水,使冰晶快速增长;第二层对第三层播种雪和霰,使其在第三层融化成雨,第三层同时消耗云水。模拟给出了三层模型层状云场的空间结构,延安站不同时刻微物理量垂直分布和各种水凝物粒子的生成源项分析揭示了三层模型降水形成机制和主要微物理过程。三层模型可以完整和全面地解释层状云降水形成机制和过程。     

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。     

显式云物理方案的研究进展

回顾了近年来显式云物理方案的研究进展。显式云方案主要有体积水方法和详细微物理方法(分档法)。体积水方法有单参数和双参数两种谱描述方法,根据模式预报变量和物理过程的不同,可以分为暖云方案、简单冰相方案和复杂冰相方案。详细的微物理方法由于预报变量繁多、计算量巨大而一般多应用于研究工作。不同的模式,有不同的显式云方案,并不是粒子分类越复杂模拟效果就越好,需要根据研究的重点、计算资源的许可选择使用不同的物理方案。物理过程参数化需要建立在理论和实验研究的基础上,因此应加强这方面的理论和实验研究,使物理参数化具有更坚实的物理基础。     

气溶胶对冰雹云物理特性影响的数值模拟研究

利用RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)数值模式,研究了气溶胶数浓度的改变对半干旱地区春季出现的一次较大范围的降雹天气云微物理特性和降水过程的影响,模拟结果表明:(1)气溶胶对云中液态含水量垂直分布影响明显.气溶胶浓度改变使云中水成物的空间分布发生调整.(2)清洁大气环境...     

一次梅雨锋暴雨云物理特征的数值模拟研究

利用中尺度数值模式MM5（V3.6）,选用模式中不同的显式云物理方案,对2003年7月4—5日发生在江淮流域的梅雨锋暴雨过程进行了数值模拟,并根据模拟结果对造成此次暴雨过程的对流云团的微物理特征进行了分析。研究结果表明：(1)具有详细云物理过程的中尺度模式MM5对短时强降水过程具有较好的模拟能力,提高MM5模式的分辨率,可以更好地模拟短时梅雨锋暴雨过程,模式中的Goddard云物理方案的模拟结果要优于Reisner方案和Schultz方案。（2）梅雨锋对流云团是一种复杂的固、液、气三相混合体结构,在云体区域内的平均质量密度分布中,水汽的质量密度最大,其次是霰,而冰晶、雪、云水和雨水的质量密度较小且数值大小彼此接近,各种相态粒子质量密度峰值出现的高度随时间无明显变化。雨水、云冰和霰的质量密度随时间演变规律与地面降水强度的变化特征相一致,近地面层水汽密度随时间的演变规律比地面降水强度提前1—2个小时,水汽通量的辐合对暴雨时段内水汽的补充和维持起到了重要的作用。（3）除了最基本的云水向雨水转化的云微物理过程之外,此次降水过程还显示,在中层500—700 hPa范围内雪、冰晶等冰相粒子首先转化为霰粒子,而霰和云水的结合进一步加速（剧）云水向雨水的转换,成为短时特大暴雨形成不可或缺的动力机制,云物理过程中的相变潜热与对流运动的正反馈机制是促进暴雨维持和发展的最重要热力因子。     

用MM5模式Reisner霰方案对华南暴雨的数值模拟

利用MM5中尺度数值模式对1998年6月8～9日华南暴雨进行了模拟，用Re—isner在方案模拟了可分辨尺度降水，详细分析了暴雨的微物理过程。结果表明，Re—isner在方案对华南暴雨具有较好的模拟能力。在降水最大时段，霰和云水是形成雨水的主要来源，云水的碰冻是产生霰的主要微物理过程。     

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。     

MM5中新边界层方案的引入和对比试验

本文介绍了一种新的边界层方案，即E－ε－1方案，并用五种层结下的通量廓线关系计算地面通量，将其引入到中尺度数值天气预报模式MM5中，并用新的边界层方案对江淮流域存季暴雨进行了短期模拟，与此同时，对新的方案和模式原有的各种边界层方案作了比较，对此得到了一些有价值的结果。     

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"播种一供给"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.     

锋面结构的MM5数值模拟

利用美国PSU／NCAR具有嵌套功能的非静力中尺度大气模式MM5，对发生在2000年4月8-9日的一次强冷锋进行数值模拟。分析模拟结果发现，锋面结构的演变与适应锋生理论相一致，并且具有一种不连续结构。     

MM5模式中不同对流参数化方案的数值模拟

MM5模式中有多种积云参数化方案可供选择,不同参数化方案及分辨率对降水预报有很大影响。本文利用4种积云参数化方案(GR,KF,BM,AK)对辽东半岛一次大暴雨过程进行试验,结果表明,不同的参数化方案,对强降水落点及强度的模拟,结果差别较大。模拟较好的是GR方案,最差的是AK方案;4种积云对流参数化方案模拟的海平面气压场差别较大,其中GR方案模拟出造成2005年第5号台风暴雨的高低压系统和中尺度气旋;粗网格采用一定的积云对流参数化后,可在一定程度再现一些中尺度特征;4种方案由于闭合假设不同,模拟的云物理特征存在很大差别,这种差别对各种天气要素的准确预报会产生一定的影响。     

GRAPES与MM5模式对重庆特大暴雨的模拟预报对比分析

利用中国气象局的中尺度模式GRAPES和美国国家大气研究中心的MM5模式,对2004年9月初发生在重庆地区的特大暴雨过程进行了模拟预报。结果表明,GRAPES和MM5模式都较成功的预报出了此次降水过程。但是在降水中心的分布以及降水量级上与实况仍有一定程度的差异,GRAPES模式模拟出的总体落区略优于MM5,而MM5对降水量级的预报好于GRAPES。通过对环流形势的分析发现,MM5预报的垂直速度大于GRAPES的预报结果,这可能是导致降水量级差别的原因之一;通过对模式结果的初步诊断分析发现,两个模式对不稳定条件的模拟结果影响了他们对落区的预报结果。     

应用MM5模式对地面大风过程的模拟试验

用MM5模式对2 0 0 1年4月1 7～1 9日、5月1 2～1 5日辽宁省出现的大风过程进行了模拟,并与1 3个代表点的气象观测站资料或野外风电场测风资料作了对比。结果表明:模式能较好地模拟区域风场的演变和分布特征;对逐时风速的模拟与实况有一定差异,但模拟值与实况变化比较同步,基本反映出单点风速变化的趋势;对瞬时风速大于1 0m·s-1和平均风速大于9 0m·s-1的模拟明显偏小。模拟试验初步说明,MM5模式对区域地面风场形势、单点风速随时间变化特征的模拟较好,但可能减弱大风的实际强度。     

MM5降水预报产品的应用和检验

简单介绍了MM5中尺度数值预报产品及其使用，对2001年夏季6-9月MM5降水预报产品地潍坊市的使用效果进行总结和验证。对降水趋势预报、时效为3小时和12小时的定性预报、定量误差进行了统计；举例分析了天气系统与降水落区预报的关系。     

多普勒雷达资料在MM5模式中的应用

将多普勒天气雷达探测到的降水粒子的回波强度数据转化为相对湿度值,对同一时刻MM5模式初始场中的相对湿度值进行订正.多次模拟试验结果表明:通过修正模式初始场在雷达回波区域的水汽条件,使该区域初始场底层能量升高、对流不稳定性加强.从而对回波下游区域降水中心位置和降水量级的预报有所改进.本文以山东临沂2004年7月16日暴雨过程和2005年6月14日冰雹过程为例,阐述试验过程及试验结果.     

日本数值预报产品在MM5模式中的应用

针对目前中尺度数值模式MM5所用初始场局限于NCEP和T213的现状,提出了应用日本数值预报产品(JMA,下同)格点资料做初始场的想法,并对试验过程进行了介绍。对台风Ranan im(0414)登陆浙江的路径、移速、强度和降水等方面的数值模拟结果表明,应用了JMA资料的MM5模式在原有基础上提高了预报精度,尤其在台风登陆时间和登陆地点上提高更为明显。     

日本数值预报产品在MM5模式中的应用

针对目前中尺度数值模式MM5所用初始场局限于NCEP和T213的现状,提出了应用日本数值预报产品(JMA,下同)格点资料做初始场的想法,并对试验过程进行了介绍.对台风Rananim(0414)登陆浙江的路径、移速、强度和降水等方面的数值模拟结果表明,应用了JMA资料的MM5模式在原有基础上提高了预报精度,尤其在台风登陆时间和登陆地点上提高更为明显.     

低纬高原地区MM5v3不同参数化方案降水模拟试验

为了进一步了解MM5模式在低纬高原降水预报性能，利用MM5模式中的3个物理过程组合了7个不同的参数化试验方案，对低纬高原地区2005年主汛期进行了降水数值试验。结果表明：第三重嵌套网格中的Grell积云参数化、Goddard显式水汽和Cloud（或RRTM）辐射过程组合的试验方案对降水预报效果较好，特别是对大雨和暴雨预报有明显的改善；在将试验结果插值到测站点时，不同扫描半径对插值结果有一定影响，相对而言，20～30km扫描半径插值结果较为理想。