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耦合CAMS云方案的WRF中尺度模式对不同云降水过程的数值模拟研究

作　者: 闫非
导　师: 周毓荃
学　校: 南京信息工程大学
专　业: 大气物理学与大气环境
关键词: CAMS云方案 wRF中尺度模式积层混合云层状云暴雨
分类号: P426.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

本研究利用耦合CAMS复杂云微物理方案的WRF中尺度模式结合观测资料,研究了层状云、积层混合云、“7.21”北京特大暴雨中尺度对流系统(MCS)三次不同的云降水过程。在模拟云宏微观结果同实测对比分析的基础上,分别研究了层状云和积层混合云的过冷水分布特征,积层混合云的宏微观结构和人工增雨条件,以及暴雨MCS的微物理过程和降水机制。得到一些认识：CAMS云微物理方案是中国气象研究院不断发展完善的一个准隐式的混合相双参数体积水云方案,有31个云物理过程,12个云物理预报量,与WRF v3.2中尺度数值模式耦合形成了中尺度云分辩模式,通过对层状云降水过程、积层混合云降水过程以及特大暴雨等不同云系降水过程的模拟和实测对比检验,显示该模式对于不同动力过程的云场、降水、雷达回波以及微物理等具有较好的模拟能力,能够反映不同条件的云降水的发生发展过程。积层混合云是我国重要的降水系统和人工影响天气的主要作业对象。对华北地区春季2009年4月18日-19日一次积层混合云降水过程模拟和实测对比研究表明：(1)受高空槽前、中低层低涡、地面锋面的共同作用形成冷锋型积层混合云降水；(2)模拟和实测的雷达回波显示,在大片的层状云回波中镶嵌着团块状的对流云回波,回波强度在50dbz左右,雷达回波剖面图上表现为柱状对流回波。演变特点是：前期积云对流发展较强,不断有对流单体并合加强,后期逐渐层化。(3)积层混合云中各种水成物在水平方向和垂直方向都分布不均匀,积云部分,云水丰富,霰的含量相对较大,降水量也大；层云部分,云水较少,霰的含量相对较小,降水也少；冰晶和雪晶主要分布在高空。雨水的大值中心与霰的大值中心相对应,霰的融化是降水的主要来源。(4)在积层混合云发展前期,积云区上升速度较强的地方过冷水层厚,-10℃左右的过冷水含量丰沛,能够给冰晶提供良好的增长环境,是人工增雨较好的作业部位。积层混合云和层状云过冷水分布规律的研究结果表明：(1)在积层混合云的发展阶段,积云区上升速度较强的地方过冷水层厚,-10℃左右的过冷水含量丰沛；层状云中过冷水层较薄,过冷水主要分布在-5℃以下。(2)雷达回波对于过冷水的分布有着一定的指示作用,在积层混合云的发展阶段,雷达回波与过冷水分布区相互对应；在积层混合云的对流减弱以后和层状云过程中,过冷水主要分布在雷达回波中云系移向的前部。(3)过冷水含量与垂直速度呈正相关；与冰雪晶粒子含量呈负相关。对于2012年7月21日-22日特大暴雨模拟研究结论如下：(1)低涡为对流发展提供动力抬升条件,MCS在低涡切变线东侧发展,并随低涡向东北方向移动,低涡切变线移至北京附近时移速缓慢,导致不断有对流云团在北京附近生成发展,造成了特大暴雨。(2)MCS回波表现出南窄北宽的结构,回波顶伸展很高。(3)云水呈多峰分布,与其它水成物含量反相关,雨水、冰晶、雪、霰的含量呈双峰分布,峰值分别出现在17时和21时,对应两次降水过程。(4)“7.21”北京特大暴雨的降水机制主要是冰晶降水机制,霰的融化是雨水的主要来源。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-9
第一章绪论  9-17
  1.1 研究意义  9-10
  1.2 研究进展  10-15
    1.2.1 积层混合云的观测和模拟研究进展  10-12
    1.2.2 层状云的观测和模拟研究进展  12-14
    1.2.3 暴雨的观测和模拟研究进展  14-15
  1.3 主要研究内容  15-17
第二章 CAMS云方案与WRF模式简介  17-19
  2.1 CAMS云方案简介  17-18
  2.2 WRF模式简介  18-19
第三章一次积层混合云云系结构与人工增雨条件的数值模拟研究  19-53
  3.1 数值模拟方案介绍  19-20
  3.2 天气形势分析  20-22
  3.3 模拟结果和观测资料对比分析  22-30
    3.3.1 水汽场对比分析  22-24
    3.3.2 降水场对比分析  24
    3.3.4 云场对比分析  24-26
    3.3.5 雷达回波对比分析  26-30
  3.4 云系的微物理结构  30-41
    3.4.1 飞机观测过冷水与模拟过冷水的对比分析  30-33
    3.4.2 水成物含量的演变  33-36
    3.4.3 水成物的水平分布特征  36-40
    3.4.4 水成物的垂直分布特征  40-41
  3.5 人工增雨条件分析  41-52
    3.5.1 云系的过冷水分布特征  42-50
    3.5.2 人工增雨作业时机和区域的选择  50-52
  3.6 小结  52-53
第四章一次层状云过冷水分布特征的数值模拟研究  53-65
  4.1 数值模拟方案介绍  53-54
  4.2 模拟结果与实测的对比分析  54-56
    4.2.1 降水场对比分析  54
    4.2.2 云场对比分析  54-56
    4.2.3 雷达回波对比分析  56
  4.3 过冷水分布特征分析  56-64
    4.3.1 飞机观测过冷水与模拟过冷水的对比分析  56-59
    4.3.2 过冷水分布的时空演变  59-61
    4.3.3 雷达回波与过冷水分布的关系  61
    4.3.4 过冷水分布与垂直速度的关系  61-63
    4.3.5 冰雪晶粒子含量与过冷水的关系  63-64
  4.4 小结  64-65
第五章 “7.21”北京特大暴雨MCS的宏微观结构和降水机制数值模拟研究  65-80
  5.1 模拟方案介绍  65-66
  5.2 模拟结果和观测资料对比分析  66-72
    5.2.1 天气形势对比分析  66-68
    5.2.2 水汽场对比  68-70
    5.2.3 降水时空分布  70-71
    5.2.4 云场对比分析  71-72
  5.3 MCS的宏微观结构和降水机制  72-79
    5.3.1 MCS的宏观结构  72-76
    5.3.2 MCS的微物理结构和降水机制  76-79
  5.5 小结  79-80
第六章结论和讨论  80-82
  6.1 主要结论  80-81
  6.2 主要创新点  81
  6.3 存在的问题及讨论  81-82
参考文献  82-86
作者简介  86-87
致谢  87

耦合CAMS云方案的WRF中尺度模式对不同云降水过程的数值模拟研究

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