台风“云娜”在近海强度变化及结构特征的数值研究Ⅱ:云微物理参数化对强度和路径的影响

在分析云微物理参数化对云结构和降水特征的影响的基础上,研究云微物理参数化过程对台风"云娜"强度与路径的影响.结果表明:云微物理过程对台风强度和路径有一定影响,其中不考虑雨水蒸发冷却效应后,比其他试验最终地面最大风速强7 m/s以上,但此时登陆地点误差最大,与对照试验偏离150 km左右.我们还从螺旋雨带结构变化及环境风切变影响角度分析台风临近登陆时强度模拟减弱的原因,发现过强的外围螺旋雨带以及环境风场垂直切变对于台风的加深、维持是不利的,他们可能会造成"云娜"临近登陆时强度的下降.不难看出,云微物理过程可以加强甚至产生外螺旋雨带,当外围雨带发展加强之后,可以引起局地辐合强度增强,从而限制了大量水汽和能量向台风内核输送,从而会导致台风强度下降.此外,外围螺旋雨带的发展,还可以从对流层中层带来干冷空气入侵行星边界层;而当入流边界层中雨水下落时,其自身的蒸发也会使周围气块温度下降;这些干冷气团在入流气流的输送下进入台风内核,从而对云墙产生了"冷侵蚀",最终引起台风强度下降.因此,减小上述两方面的模拟误差,应能改进台风"云娜"登陆过程中强度的模拟效果.     

云微物理过程影响登陆台风结构及降水的数值试验

选取2007年16号台风“罗莎”为个例,利用耦合双参数混合相云降水物理方案的GRAPES中尺度模式对其进行模拟,并设计一系列敏感性试验,以了解云微物理过程对登陆台风结构及降水的影响。试验结果显示,在该个例中云微物理过程及潜热的改变对台风路径有影响。在不同的微物理过程作用下,台风云系结构有明显差异。霰粒子在维持地面降水和螺旋雨带强度方面的作用明显。分析发现,潜热过程通过对动力场的反馈可以明显改变云中水凝物的含量和分布,从而对地面降水产生影响。      

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。     

理想地形下不同云微物理方案对登陆台风降水增幅影响的数值研究

利用WRF（Weather Research and Forecasting）模式,在理想岛屿地形条件下设计了云的微物理冰相过程中水凝物中有霰和无霰的两个对比试验,考察了台风登陆时复杂冰相和简单冰相对台风移动路径、强度和降水增幅的影响。结果表明：1）云微物理过程中有霰的复杂冰相过程时,具有更强烈的云“播撒”效应,因而对台风降水具有明显增幅作用。2）当台风受到理想地形作用时,地形对云“播撒”效应引起的增幅作用具有放大作用,此时台风眼墙非绝热加热量形成明显增强中心,使得台风降水增幅明显。3）当台风登陆时,云微物理冰相过程使得台风越山时存在向西北指向的涡度变化倾向。     

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。     

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。     

WRF模式不同云微物理参数化方案对东亚夏季风模拟影响的研究

利用WRF v3.2.1模式,采用其中5种云微物理参数化方案对2007—2011年的东亚夏季风气候进行了模拟研究,结果显示:5种方案均能较好地模拟出我国东部地区夏季降水的基本分布,但各方案对降水中心强度及其分布的模拟仍然存在明显的差异,总体来看,WDM6方案模拟的东亚夏季降水强度明显比其他4种方案大,而Morrison方案对降水的模拟总体效果好于其他4种方案。从云微物理角度来看,5种云微物理参数化方案均能比较合理地描述云水、雨水及冰相粒子的空间分布状态。其中,WSM3方案计算的云水、雨水质量混合比明显比其它方案大,WDM6方案计算的云水质量混合比则较小,而Morrison方案计算的雨水质量混合比较小,再者该方案冷云中霰粒子浓度偏小,因而Morrison方案在粤闽两省的夏季日降水量模拟比其他方案小,从而与TRMM观测结果更为接近。采用5种云微物理参数化方案均能较好地模拟出春、夏季西太平洋副高、雨带和大气水凝物在东亚地区的季节进退过程。5种方案模拟的雨水粒子浓度分布和中纬度雨带在南北进退过程中的位置较为吻合,两者均跟随西太平洋副高北进、南退。对于中低纬度存在的大降水中心来说,其位置少动,并且与该地区存在的的冰晶、雪晶粒子的高值中心具有较好的对应关系,说明在中低纬度地区,与热带对流相伴随的较高层次的冰相粒子数的浓度是决定降水强弱的关键因素。     

不同物理过程参数化对模式台风的影响及其动力结构的研究

文章介绍了国家气象中心的台风路径数值预报模式（以下简称台风模式）,在不同物理过程参数化下的数值试验及其结果的诊断分析。对1992年第10号热带气旋和1996年第8号热带气旋个例的数值试验结果表明,该模式能较好地预报热带气旋移动路径和登陆地点,且考虑复杂物理过程的台风模式较简单过程的模式能更好地描述热带气旋中心附近高低层的热力状况。研究还发现,500或700 hPa湿位涡第一项MPV1负值中心的绝对值大小的变化可反映热带气旋的强弱;且850 hPa上升运动最大中心的位置对未来6～12 h热带气旋的移向有较好     

改进的物理过程参数化对台风路径数值预报的影响

文章介绍了国家气象中心的台风路径数值预报试验模式和新开发的改进物理过程参数化方案，对１９９２年的５个台风个例初步试验结果表明，改进的物理过程参数化模式对台风路径和台风强度的预报经简单物理过程模式有明显提高，２４ｈ和４８ｈ台风中心位置预报误差分别为１８８ｋｍ和３３７ｋｍ，比原模式减小３８ｋｍ和１０９ｋｍ；４８ｈ台风中心气压与实况之差平均减小３ｈＰａ。     

登陆台风“罗莎”中云物理特征的数值模拟研究

选取2007年16号超强台风“罗莎”为个例,利用耦合了双参数混合相云降水物理方案的 GRAPES中尺度模式对其进行模拟,并结合实况雨量、雷达及卫星资料分析了本次台风暴雨的结构及云微物理特征。结果表明,低空急流和不稳定的温度层结为本次降水过程提供了有利的天气条件。强降水中心主要出现在台风云系的北部和东部,在模拟时段内6小时累积降水最大值超过100 mm。积分固态水含量与液态水相当,说明冰相粒子在形成降水的过程中起重要作用。从CloudSat卫星探测结果来看,强对流发生在台风眼周围的云墙中。根据模拟结果分析,台风东北部的强降水属于对流云降水,最强上升气流出现在0 ℃等温线之下的暖区;西南部的降水强度比较均匀,强上升气流出现在高层冷云中,有利于冰粒子的形成和生长。      

不同微物理方案对台风“彩虹”(2015)降水影响的比较研究

本文以GFS资料为初始场,利用WRF（v3.6.1）模式对2015年第22号台风“彩虹”进行了数值研究。采用CMA（中国气象局）台风最佳路径、MTSAT卫星、自动站降水为观测资料,对比了4个微物理方案（Lin、WSM6、GCE和Morrison）对“彩虹”台风路径、强度、结构、降水的模拟性能。模拟发现上述4个云微物理方案都能较好地模拟出“彩虹”台风西行登陆过程,但是其模拟的台风强度、结构及降水存在较大差异;就水成物而言,除GCE方案对雨水的模拟偏高以外,其他方案对云水、雨水过程的模拟较为接近,其差异主要存在于云冰、雪、霰粒子的模拟上。本文对比分析了WSM6和Morrison两个方案模拟的云微物理过程,发现WSM6方案模拟的雪和霰粒子融化过程显著强于Morrison方案,但是冰相粒子间转化过程的强度明显弱于Morrison方案。云微物理过程的热量收支分析表明:WSM6方案模拟的眼区潜热更强,暖心结构更为显著,台风中心气压更低。细致的云微物理转化分析表明,此次台风降水的主要云微物理过程是水汽凝结成云水和凝华为云冰;生成的云水一方面被雨水收集碰并直接转化为雨水,另一方面先被雪粒子碰并收集转化为霰,然后霰粒子融化成雨水;而生成的云冰则通过碰并增长转化为雪。小部分雪粒子通过碰并收集过冷水滴并淞附增长为霰粒子,随后融化为雨水,大部分雪粒子则直接融化形成地面降水。     

背景云凝结核对台风“莫拉克”降水微物理过程影响的数值研究

利用WRF模式设计两个数值试验:敏感性试验（背景场云凝结核浓度为2 000 cm-3）和控制试验（背景场云凝结核浓度为300 cm-3）模拟气溶胶对登陆台风“莫拉克”(2009年第8号台风)降水的影响。结果显示大量气溶胶进入外围雨带中起到云凝结核作用,凝结水汽生成水滴,释放潜热有利于对流发展;气溶胶含量增多引起水滴半径减小,雨滴生成的时间加长,降水时间延后;大量液态水上升至冻结高度以上发生相变释放潜热,固态水物质含量增多;台风外围雨带的中小尺度对流云团增强,降水增加。      

改进的物理过程参数化对台风路径数值预报的影响

文章介绍了国家气象中心的台风路径数值预报试验模式和新开发的改进物理过程参数化方案，对1992年的5个台风个例初步试验结果表明:改进物理过程参数化模式对台风路径和台风强度的预报比简单物理过程模式有明显提高，24 h和48 h台风中心位置预报误差分别为188 km和337 km，比原模式减小38 km和190 km；48 h台风中心气压与实况之差平均减小3 hPa。     

“碧利斯”(0604)暴雨过程不同类型降水云微物理特征分析

本文利用"碧利斯"(0604)暴雨增幅过程高分辨率的数值模拟资料, 将降水分成对流降水和层云降水, 对比分析了不同类型降水云微物理特征和过程的差异, 探讨了不同类型降水对暴雨增幅的贡献, 结果指出:(1)暴雨增幅前, 降水基本为层云降水, 对流降水只存在于零星的几个小区域, 暴雨增幅发生时段, 对流降水所占比例较暴雨增幅前有显著增加, 平均降水强度达层云降水强度的3倍多。(2)暴雨增幅时段, 云系发展更加旺盛, 云中各种水凝物含量较增幅前明显增加, 其中, 对流和层云降水区云中水凝物含量均有一定程度增长, 但对流降水区增加更显著;而无论增幅前还是增幅时段, 对流降水区云中水凝物含量均要明显大于层云降水区, 并且两者的这种差异随着地面降水强度的增强而增大。(3)暴雨增幅前后, 对流降水区雨滴的两个主要来源最终均可以追踪到云水, 通过云水与大的液相粒子(雨滴)和大的固相粒子(雪)之间、以及大的固相粒子(雪和霰)之间的相互作用和转化, 造成雨滴增长, 并最终形成地面降水, 而层云降水区中与雨滴形成相关的上述主要云微物理过程明显变弱, 但层云降水区中暴雨增幅时段的上述过程又要强于增幅前, 说明层云降水对暴雨增幅也有一定贡献。     

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。     

一次梅雨锋暴雨过程数值模拟的云微物理参数化敏感性研究

梅雨锋暴雨中的云微物理过程对降水的演变有着重要影响。本文通过WRF模式（3.4.1版本）,针对2018年6月29～30日一次梅雨锋背景下的暴雨过程进行数值模拟,分别采用了Morrison、Thompson和MY云微物理参数化方案进行对比分析,结果发现:（1）三个方案模拟的背景场在天气尺度上,都与ERA5再分析资料一致,能够模拟出有利于强降水发生的环流场。云微物理过程对梅雨期暴雨的局地环流有着显著影响,不同方案存在明显差异,本次过程中,Thompson方案模拟出更强的局地环流系统变率和上升气流。三个方案的模拟降水均有所夸大,小时降水率始终大于观测值。冰相粒子融化或雨滴搜集云滴的高估可能是造成降水模拟值偏强的重要原因之一,总体来看,Morrison方案的模拟效果相对最优。（2）冰相粒子融化、雨滴搜集云滴是雨滴增长的关键源项,蒸发则是其最重要的汇项。总的来说,雨滴对云滴的搜集量大于冰相粒子融化。但上述过程在不同方案中存在空间上的差异,从而使得模拟降水的空间分布存在差异。（3）Thompson方案中,冰相粒子融化量最大,雨滴蒸发项显著大于其它两个方案,在底层表现得最为明显。同时,该方案水汽凝结效应最强,使得雨滴搜集更多云滴。该方案模拟的雨滴最多,降水最强。该方案中凝华的主要产物为雪,且其在与过冷水碰并增长过程中占主导地位,故模拟的雪最多。（4）Morrison方案中,水汽主要凝华为雪和少量霰（冰晶忽略不计）;Thompson方案中水汽基本凝华为雪,其它冰相粒子极少;MY方案中,水汽主要凝华为雪和冰晶,冰晶总量略少于雪,但显著大于其它方案。（5）云滴在凇附过程中的总体贡献大于雨滴。Morrison和MY方案中,霰粒子搜集云滴增长的量均最大。Morrison方案中,其它凇附过程不同程度发挥作用,而MY方案中,其它凇附过程几乎可忽略不计。并且,霰粒子搜集云滴的增长量大于凝华过程产生的雪粒子总量。贝吉龙及凇附效应的差异,是不同方案中冰相粒子分布差异的关键原因之一。     

一次延安层状云微物理结构特征及降水机制研究

利用PMS资料对延安2003年9月17日降水性层状云各高度上的粒子特征量和粒子谱进行了分析研究,结果表明,降水性层状云宏微观垂直结构配置或云粒子主要特性可以分为5个层次。过冷水滴和冰晶共存层存在,冰晶快速增长,此层的存在可能是发生降水的关键;在0℃层以下,存在比较深厚的云滴浓度小、含水量较小的小云滴层,应是导致地面雨强较小的重要因素之一。     

微物理过程参数化方案对辽宁一次暴雪的数值模拟差异分析

利用WRFv3.9.1中尺度数值模式,采用Lin、WSM6、Thompson、WDM6四种微物理过程参数化方案对2007年3月4日辽宁特大暴雪过程进行了数值模拟研究。使用61个国家级气象站降水观测资料,评估了模式对此次降水过程的模拟能力,对比分析了不同微物理过程参数化方案模拟降雪过程中相态变化和水成物空间分布的差异。结果表明:4种微物理过程参数化方案均能模拟出与CloudSat卫星反演反射率分布相接近的结果,其中Thompson方案模拟的回波顶更高,向北伸展的范围也更大,其他3种方案回波顶高均在8 km附近。4种方案对降水落区的模拟略有差异,整体来看WSM6方案对本次降水的极值中心位置,以及不同降水量级的TS评分整体都优于其他3种参数化方案。降水相态模拟与观测的对比分析发现,WSM6、Lin和WDM6三种方案均能够模拟出雨雪分界线不断南压的过程且雨雪分界线位置准确,而Thompson方案对辽宁南部地区雨转雪时间模拟偏晚。从云微物理特征上看,4种方案均能模拟出大气低层存在的雨水粒子,其中WDM6方案模拟的雨水含量明显较其他3种方案更多,Thompson方案模拟出更多的雪粒子和最少的霰粒子,Lin方案霰粒子南北范围广、伸展高度高,WSM6和WDM6两种方案模拟出较少的霰粒子,这两种方案模拟的云冰高度也更低,正是各种水成物空间分布的差异决定了不同微物理过程参数化方案对降水量和降水相态模拟的差异。      

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

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。