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《中国科学院研究生院(大气物理研究所)》 2007年
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层状云降水形成的中尺度双参数方案数值研究

赵震  
【摘要】: 在MM5动力框架和其中Reisner 2方案基础上建立了一个新的双参数谱演变方案。该方案增加了云水、雨水、雪和霰的数浓度预报方程;雨滴和冰相粒子的谱分布由原来的指数分布改为更普适的Г分布,同时微物理过程采用了与之相适应的计算公式;云中凝结核(CCN)核化过程采用超几何函数加以参数化;增加和改进了某些微物理过程的计算;为了更方便与雷达观测结果对比分析,模式中更细微地考虑了等效雷达反射率因子的计算。实现了新方案和MM5的完全融合以及并行化运算,节省计算时间和便于业务化实时预报。利用MM5中增加的双参数显式云物理方案模拟了2002年9月西北地区一次层状云降水过程,个例一在区域二分别采用了新方案和Reisner 2方案以作对比。新旧方案降水模拟结果的对比表明新方案在降水范围和强度的预报效果有所改进,新方案给出了层状云的合理微观结构和它的一些特征,增强了MM5研究微观云物理的能力,可以为层状云的宏微观结构特征、降水微物理过程和人工影响天气研究提供一定依据。 在双参数方案中各种粒子采用Г谱分布函数n ( D)= N0 Dαexp(?λD)时截距N0和斜率λ通过预报给出,但谱形参数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中增加的双参数显式云物理方案模拟了个例一中的层状云降水过程,模拟针对雨滴谱的谱形参数αr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αr变化时模拟出的地面降水和云的宏微观特征有差异,但差异较小。 使用MM5中的双参数显式云物理方案模拟了2003年9月西北地区一次层状云降水过程,个例二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。模式输出的雷达反射率与延安站雷达RHI回波相比较,模拟的回波基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带。个例三使用双参数显式云物理方案高分辨率模拟了拥有地面加密雨量计网的东北地区2005年6月一次气旋性层状云降雨,模拟结果和加密雨量计网资料对比发现,模式在中雨范围的预报较成功,一些单站的降水模拟结果总体符合实际,但未能模拟出与积云有关的暴雨。采用三层模型解释模拟的三次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云场的空间结构,单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,地面降水根据各层贡献百分比来看主要受制于第二层和第三层。三层模型可以完整和全面的解释层状云降水形成机制和过程。
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