热带气旋降水不同云微物理方案模拟对比研究

发布时间：2020-06-18 20:18

【摘要】：热带气旋是严重威胁我国的灾害性天气系统之一。虽然高分辨数值模式已被广泛地应用于热带气旋的预报和模拟研究中,但云物理过程参数化方案的不确定性仍会对热带气旋的路径、强度、结构及降水产生较大的影响。目前广泛使用的中尺度WRF(The Weather Research and Forecasting Model)模式中包含多种云微物理参数化方案,而各方案中的水成物生成、相态转变及粒子尺度分布、下落速度等关键云参数设定一般是基于中纬度层状云系、热带对流云或是中尺度对流系统的外场观测实验结果,这些方案是否适用于热带气旋的模拟和预报,是一个亟待进一步深入研究的问题。本文首先对WRF模式中已有的云微物理方案进行分类,选出lin、WSM6、WDM6、Thompson以及Morrison作为代表方案,使用考虑涡旋循环动力初始化模块的WRFV3.5模式对发生在2013年-2014年间登陆我国沿海的4个热带气旋个例(1311号“尤特”、1319号“天兔”、1323号“菲特”以及1409号“威马逊”)进行模拟,对所选方案在多个例模拟中进行评估。同时,利用TRMM、MODIS卫星数据,地基雷达数据以及自动站降水数据,针对其中的“威马逊”个例进行系统内部水成物的时空分布,发展演变特征及与地面降水直接相关的核心微物理过程的研究,分析在“威马逊”快速增强阶段与相态演变相关的非绝热冷却效应对系统强度的可能影响。分析表明:WRF模式中已有的云微物理参数化方案在路径模拟上的差异较小,特别在下垫面较为均一的洋面上。模拟的路径差异多由云微物理过程对大尺度环境场的反馈效应造成,短时间内微物理过程的作用较小。云微物理方案虽不是决定热带气旋移动路径预报的关键因素,但对不同个例模拟的影响(尤其是登陆点和登陆时间预报)仍值得进一步研究;不同云微物理方案对热带气旋强度的模拟差异较大,对比24小时累计降水和不同等级降水的出现概率,Morrison方案作为完全双参数方案在降水强度及分布上表现较好,TS评分较高,而WDM6方案则显示出了弱降水出现概率偏低,强降水出现概率偏高的特征;进一步对1409号超强台风“威马逊”内部水成物的时空分布特征分析发现,WSM6和WDM6方案由于使用了相同的冰相物的参数化方法,其在云冰、雪、霰的含量的垂向分布上差异较小,Morrison方案的云冰极大值位置偏高,且雪、霰同时达到极值,无法看出粒子间的转换过程,Thompson的雪含量是其他方案的近2倍,且缺少云冰粒子。故在与MODIS的云顶温度进行对比时,Morrison的云顶温度偏低,Thompson的明显偏高,这主要是由于模拟的云顶温度是通过云冰所反演出的云顶高度决定的。与地基雷达数据对比,融化层以上,WSM6和WDM6方案的模拟结果近似,Thompson的高低空雷达回波趋于一致,Morrison则在12km及以上都还存在较大的雷达反射率,这主要与其中的固相粒子的尺度大小有关;融化层以下,WDM6和lin方案模拟的主体反射率值偏大,WSM6和Morrison方案相似。由于方案中设定了不同的水成物大小阈值以及转换表达式,故进一步选取其中仅暖云参数化部分存在差异的WSM6和WDM6方案,来进一步探讨雨滴粒子的谱型特征及源汇项对最终雨水含量及垂直分布的贡献。研究表明,两方案使用了不同的雨滴谱型设置,导致了WDM6中的雨滴尺度大小和数浓度均高于WSM6方案;固态粒子融化以及云、雨滴的相互收集碰并和转化是形成雨水的主要源项,WDM6方案在该核心微物理参数化部分进行了修改,使得模拟的云水向雨水的自动转化率以及雨水碰并云水率均高于WSM6方案,同时较大的雨滴数使得粒子总表面积增加,蒸发增强,导致该方案模拟的雨水含量随着高度的降低快速减小。同时固、液相粒子的相互转化均伴随着热量的消耗,WDM6方案模拟的“威马逊”外围雨带区域有强的冷却效应,所伴随的下沉运动是影响热带气旋强度发展的可能热动力原因。将由胡志晋等发展起来的混合相双参数云微物理方案CAMS耦合到WRFV3.6版本中,并与代表方案中较优的WSM6单参数和Morrison双参数云微物理方案,针对具有更多海上观测资料的“天兔”个例进行模拟,对CAMS方案的适用性做出评估。对比表明:CAMS方案与已有方案在宏观物理量(路径、强度、地表降水等)上的差异较小,但强降水出现的概率偏高,弱降水偏低,与WDM6的结果表现相似。TRMM的13.8GHz降雨雷达以及19GHz/85GHz微波辐射计直接观测到的“天兔”三维雷达反射率和云顶亮温数据均指出,CAMS在水成物的时空分布上的表现优于WSM6和Morrison方案,与实况值最为吻合。需要说明的是,在海上资料匮乏的情况下,2A12的水成物廓线有一定的参考价值,但不可视作为真值。总体而言,CAMS双参数方案对热带气旋表现出了一定的模拟能力,但仍有待进一步的修正,特别是在以雪、霰粒子为主的固相水成物的转换参数化方面。
【学位授予单位】：中国气象科学研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：P444

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本文编号：2719780