一次積層混合云降水不同尺度結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

張微,周毓荃

(1.南京信息工程大學,江蘇 南京 210044;2.中國氣象科學研究院,北京 100081)

一次積層混合云降水不同尺度結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬

張微1,周毓荃2

(1.南京信息工程大學,江蘇 南京 210044;2.中國氣象科學研究院,北京 100081)

利用中尺度數(shù)值模式WRF-ARW(V3.2)對2009年4月18—19日發(fā)生在張家口地區(qū)的一次積層混合云降水進行了模擬,并結(jié)合觀測資料從不同尺度對這次降水過程進行了對比分析。結(jié)果表明:700 hPa西風槽、850 hPa低渦是影響這次降水的主要天氣系統(tǒng),來自南方的暖濕空氣和西北內(nèi)蒙古低渦帶來的水汽是這次降水的主要水汽來源,兩股水汽在張家口附近低層出現(xiàn)了大尺度輻合,有利于該地區(qū)云系的發(fā)展、降水的形成;降水云系呈東北—西南向帶狀分布,帶長約1 000 km,帶寬300 km,在大片的云帶中分布著很多個小的高值中心,中心區(qū)域一般在幾十千米;結(jié)合雷達回波可以看到在均勻的回波層中鑲嵌著柱狀對流回波,具有典型的積層混合云降水回波特征;沿著雷達回波做剖面,發(fā)現(xiàn)云中云水含量分布無論是水平方向還是垂直方向都是不均勻的,雨水的大值中心與上層的霰、雪的大值中心相對應,中心水平范圍在10～20 km。

WRF模式;積層混合云;不同尺度結(jié)構(gòu);數(shù)值模擬

0 引言

我國全境年平均降水量約為630 mm,人均水資源占有量不到世界平均水平的四分之一,是世界上13個貧水國家之一。其中華北、西北部分地區(qū)降水量偏少,分布很不均勻。積層混合云是一種重要的降水云型,在梅雨鋒、冷鋒、地形云降水等多種天氣過程中都會出現(xiàn)(許梓秀和王鵬云,1989;Fabry et al.,1993;劉黎平等,2004;Anagnostou,2004;宮福久等,2005;Fuhrer and Schaer,2005)。很多大范圍的降水都是由較為深厚的層狀云和嵌入其中的對流云組成的混合云產(chǎn)生的。因此,研究積層混合云自然降水過程的宏、微觀特征,對進一步開發(fā)利用空中云水資源,提高人工增雨作業(yè)的科學水平都有重要意義。

數(shù)值模擬是研究云降水系統(tǒng)的重要手段。20世紀80年代后中尺度數(shù)值模式得到很大發(fā)展,國內(nèi)外許多學者采用數(shù)值模式對積層混合云降水進行研究。Yuter et al.(2005)利用衛(wèi)星資料等多種資料,結(jié)合數(shù)值模擬結(jié)果,分析了熱帶大洋上的積層混合云系中的層狀云區(qū)與對流云區(qū)的熱力、動力結(jié)構(gòu);結(jié)果表明,熱帶洋面上的積層混合云中,對流泡附近高層輻散、低層輻合。Orville et al.(1987)利用數(shù)值模式,模擬了穩(wěn)定層狀云中催化產(chǎn)生嵌入對流的可能性。Fuhrer and Schaer(2002)在觀測的基礎(chǔ)上,利用云數(shù)值模式,模擬了從均勻的層云降水發(fā)展至嵌有對流單體的層云降水的轉(zhuǎn)變過程,結(jié)果表明,由于對流云的動力作用,雨強、降水量明顯增加,在均勻上升氣流的條件下,嵌入的對流泡表現(xiàn)為多單體形式。洪延超(1996a,1996b)用積云對流速度場疊加輻合場的方法,建立了一個二維平面對稱積層混合云數(shù)值模式,用于模擬研究層狀云和嵌入其內(nèi)的對流云組成的混合云,并用該模式及暴雨云的平均大氣層結(jié)模擬研究了暴雨積層混合云的演變過程、兩種云的相互作用、云體結(jié)構(gòu)及降水特征,分析了暴雨產(chǎn)生的物理原因。王維佳和陶遐齡(2006,2007)建立了一維半地形積層混合云模式,用于對積層混合云降水過程的研究。鄒倩等(2008)對三維非靜力中尺度模式ARPS的云微物理方案進行了改進,利用改進后的模式模擬了華北地區(qū)一次積層混合云降水個例,通過對模擬結(jié)果的分析并結(jié)合實況資料研究了積層混合云的降水特征、云物理結(jié)構(gòu)特征和微物理過程。于翡和姚展予(2009)利用WRF-ARW中尺度數(shù)值模式對發(fā)生在華北地區(qū)一次積層混合云降水過程進行實例模擬,并結(jié)合實測資料,從動力學、熱力學和云微物理的角度研究積層混合云的發(fā)展機制。

本文利用中尺度數(shù)值模式WRF的較新版本W(wǎng)RF-ARW(V3.2),對2009年4月18—19日發(fā)生在張家口地區(qū)的一次積層混合云降水個例進行實例模擬,并結(jié)合觀測資料,從天氣系統(tǒng)、中尺度云雨帶、云中微物理量等不同尺度分析了該次降水過程,有利于加深對積層混合云降水的認識,對播云催化位置選取、人工增雨作業(yè)具有一定的指導意義。

1 資料與模擬方案介紹

觀測資料主要有:地面雨量資料(1、6、24 h);FY-2C衛(wèi)星的觀測資料及其反演的產(chǎn)品;張家口站多普勒雷達(CB)的觀測資料;飛機觀測資料。模式的初始場采用2009年4月17—19日的NCEP再分析資料(FNL from GFS),空間分辨率為1°×1°,時間分辨率為6 h。

圖1 模擬區(qū)域Fig.1 Simulation domains

本文使用WRF的較新版本W(wǎng)RF-ARW(V3.2)進行模擬。模式采用三重雙向嵌套方案(圖1),分辨率分別為27、9、3 km,分別用于天氣系統(tǒng)、局地中尺度系統(tǒng)和對流系統(tǒng)的研究;網(wǎng)格中心位于張家口市(115°E,41°N),垂直方向采用σ坐標,共分27層。對于可分辨尺度降水,云微物理過程均采用Morrison雙參數(shù)方案,該方案包含6種水成物(雨水、云水、冰晶、霰(雹)、水汽、雪)以及多種液態(tài)、固態(tài)和混合態(tài)過程,是WRF中較為復雜的云微物理過程方案,可以很好地反映云、雨過程。對于不可分辨尺度降水,粗、中網(wǎng)格采用Grell-Devenyi積云對流參數(shù)化集合方案,細網(wǎng)格已能分辨一般的對流降水,故本文沒有采用積云參數(shù)化方案。邊界物理過程參數(shù)化使用了Yonsei University(YSU)方案。

模擬時段為2009年4月17日20時—19日20時(北京時間),共48 h。粗網(wǎng)格與中網(wǎng)格每小時輸出一次結(jié)果,細網(wǎng)格每半小時輸出一次,以此來研究這次降水過程中云的結(jié)構(gòu)及其發(fā)展過程。

圖2 NCEP(a,c,e)和模擬(b,d,f)的2009年4月18日08時500 hPa(a,b)、700 hPa(c,d)、850 hPa(e,f)位勢高度(單位:gpm)Fig.2 (a,c,e)NCEP and (b,d,f)simulated geopotential height at (a,b)500 hPa,(c,d)700 hPa,and (e,f)850 hPa at 08:00 BST 18 April 2009(units:gpm)

2 天氣形勢對比分析

2.1 天氣形勢變化情況

圖2為2009年4月18日08時NCEP和模擬的高度場?？梢钥吹?模式較好模擬了500 hPa高度上河北南部至河南東部一帶西北走向的槽,及700 hPa高度上內(nèi)蒙西部的橫槽和內(nèi)蒙中部到山西一帶的豎槽。由于地形原因,850 hPa(約1 500 m)部分地區(qū)出現(xiàn)了斷續(xù),可以看到,模式較好模擬了800 hPa低壓中心數(shù)值及分布,中心值均為1 400 gpm,低壓中心分布在111°E、43°N附近?？偟膩碚f,模式模擬的位勢高度場與NCEP基本一致,模擬效果較好。

對比分析2009年4月18日02時—19日08時各高度場的變化可知,模式對高度場演變的模擬較好,模擬結(jié)果與NCEP基本一致,可以很好地反映這次降水過程中天氣系統(tǒng)的演變情況。分析各高度場的變化(圖略)可知:在這次過程中,500 hPa上張家口附近較平滑,沒有明顯的天氣形勢變化;700 hPa上有西風槽經(jīng)過張家口地區(qū),18日02時槽線位于內(nèi)蒙古—陜西境內(nèi),呈南北向,02—14時槽線東移,14時槽線移至河北正前方,并與蒙古地區(qū)下來的低壓結(jié)合,槽線加深,此時張家口正處于槽前,14—20時槽線繼續(xù)東移并轉(zhuǎn)向成東北—西南走向,20時槽線位于張家口境內(nèi),20時后槽線繼續(xù)東移并減弱,次日08時槽線移出張家口地區(qū);850 hPa上18日02時蒙古地區(qū)有一低渦,02—14時低渦東移,14時低渦移到內(nèi)蒙古—河北地區(qū),14—20時低渦向東偏南移動,影響張家口地區(qū),20時后低渦消散。

結(jié)合18日08時至19日08時張家口地區(qū)的小時加密雨量分布來看,從18日09時起張家口北部地區(qū)開始出現(xiàn)零星小雨,16時雨量開始逐漸增大并持續(xù)向南移動,18日18時至19日02時降雨量最大,19日03時雨量開始逐漸減小并漸止。由此可知,700 hPa西風槽、850 hPa低渦是影響這次張家口地區(qū)降水的主要天氣系統(tǒng)。

2.2 水汽場分析

為了對此次過程的水汽條件進行分析,模式模擬了18日08時—19日08時800 hPa水汽通量和風場(圖略)。通過對比可知,模擬的水汽通量大小、分布及演變與NCEP基本一致,模擬的風場與NCEP也基本一致,模擬效果較好。

分析18日08時—19日08時水汽通量變化可知,張家口地區(qū)的水汽輸送主要有兩個:一個是來自于南方的暖濕空氣,在南風急流的作用下隨著時間推移源源不斷地向北輸送;另一個水汽輸送是來自于西北蒙古地區(qū),08—14時水汽隨著氣旋環(huán)流向東移動,14—20時向南移動,14—16時到達張家口地區(qū),受這兩股水汽輸送的影響,從16時起張家口地區(qū)地面降水明顯增加。配合800 hPa的高度場可知,14—20時張家口地區(qū)有一個低壓中心,即在該時段內(nèi),張家口地區(qū)低層出現(xiàn)了大尺度輻合,有利于云系發(fā)展和降水形成。

針對14—20時張家口地區(qū)水汽輻合輻散情況做進一步分析。圖3為18日16—20時各層水汽通量散度分布?？梢?在800 hPa上,18日16時張家口附近已形成一條明顯的水汽輻合帶,輻合帶呈東北—西南走向的帶狀分布,與衛(wèi)星觀測云帶位置對應較好,輻合帶長約700～800 km,寬約200～300 km,且隨時間向東向張家口地區(qū)移動,20時開始減弱,并隨時間逐漸縮小、消散。在800 hPa的水汽輻合帶位置,500 hPa上對應為輻散,輻散區(qū)域也呈東北—西南走向的帶狀分布。通過分析各層水汽通量散度可知,14—22時張家口附近地區(qū)出現(xiàn)了低層水汽輻合、高層水汽輻散的配置,有利于水汽的垂直輸送、云系的發(fā)展,進而產(chǎn)生降水。

3 中尺度云、降水場對比分析

3.1 云場對比分析

把模式輸出的水成物(云水比含量、冰晶比含量)進行垂直積分得到云帶的分布,與FY-2C數(shù)據(jù)反演的光學厚度進行對比。由于FY-2C的反演受可見光通道限制,反演的產(chǎn)品只有在正午前后效果最佳,因此選取離降水時段較近且光學厚度較好的時刻進行比對。圖4是18日14時FY-2C反演光學厚度和模擬云帶的對比(其中模擬云帶采用了模式輸出的第二層數(shù)據(jù),分辨率為9 km)。比較發(fā)現(xiàn),FY-2C數(shù)據(jù)反演出的光學厚度與模擬云帶的相關(guān)性較好,尤其是大值區(qū)的分布對應較好。對比多個時次的結(jié)果可看到,模式模擬的云帶可以較好地反映此次過程中云帶的移動、變化,模式對中尺度系統(tǒng)的模擬效果較好。

分析云帶變化情況(圖略)可知:10時內(nèi)蒙古中東部與河北北部的光學厚度較厚,且分布著幾個高值中心,中心值為30～36 m,山西南部和河南大部的光學厚度也較厚,最大值超過36 m;同時,在模擬云帶上,內(nèi)蒙古中東部及河北北部的水成物較豐富,且水成物總體分布不均勻,存在多個小的高值中心。14時云帶發(fā)展、東移,此時云帶呈東北—西南向帶狀分布于河北北面,帶長約1 000 km,帶寬約300 km,在大片的云帶中分布著很多個小的高值中心,中心區(qū)域一般為幾十千米,中心數(shù)值為3.0～4.0 g/m2。14—17時云帶向東南方向移動,17時移至河北西北部,且覆蓋了張家口部分地區(qū);17—22時云帶繼續(xù)東移、發(fā)展,22時幾乎覆蓋了整個張家口地區(qū),17—22時云帶中仍分布著很多小的高值中心,22時至次日04時云帶繼續(xù)東移,19日04時云帶高值中心移出張家口地區(qū),08時云帶移出張家口地區(qū),張家口上空幾乎無云帶覆蓋。

圖3 模擬的2009年4月18日16—20時800 hPa(a,c,e)與500 hPa(b,d,f)水汽通量散度分布(單位:g/(s·cm2·hPa)) a,b.16時;c,d.18時;e,f.20時Fig.3 Simulated (a,c,e)800 hPa and (b,d,f)500 hPa moisture flux divergence from 16:00 BST to 20:00 BST 18 April 2009(units:g/(s·cm2·hPa)) a,b.16:00 BST;c,d.18:00 BST;e,f.20:00 BST

圖4 2009年4月18日14時FY-2C反演光學厚度(a;單位:m)和模擬云帶(b;單位:g/m2)Fig.4 (a)Optical thickness(units:m) retrieved from FY-2C and (b)simulated cloud band(units:g/m2) at 14:00 BST 18 April 2009

3.2 地面降水對比分析

圖5為觀測與模擬的24 h降水量分布(其中圖5b為模式第二層的輸出結(jié)果)。通過對比可知:模擬的24 h降水量分布與觀測結(jié)果基本一致,尤其是5 mm以上的降水分布位置、走向與觀測結(jié)果非常接近;降水中心的分布及強度的模擬效果也較好;從雨帶的分布與強降水落區(qū)來看,模式具有較好的模擬能力。

分析各時段降水分布(圖略)可知:18日08—14時6 h降水呈東北—西南向,帶狀分布在河北西北地區(qū),且在較大的雨帶中分布著三個小的高值中心,中心降水量為5～10 mm,張家口地區(qū)降水量較小。14—20時降水量增大,幾乎覆蓋整個河北地區(qū),且降水量中心擴大南移,模式模擬的降水較連續(xù),此時幾個中心區(qū)連成一片,形成帶狀。18日20時—19日08時整個華北地區(qū)普遍降水,降水高值分布在河南南部地區(qū),張家口地區(qū)降水量較14—20時有所減少,其降水中心也移至張家口南部。對比6、12、24 h降水量可知,張家口地區(qū)降水的模擬值比實測值大,且在較大的雨帶中分布著若干個小的高值中心,中心區(qū)域水平范圍在幾十千米,中心降水量一般是大范圍降水量的3～5倍,降水總體分布不均勻。

圖5 觀測(a)和模擬(b)的2009年4月18日08時—19日08時24 h降水量分布(單位:mm)Fig.5 (a)Observed and (b)simulated 24 h rainfall distributions from 08:00 BST 18 to 08:00 BST 19 April 2009(units:mm)

圖6 觀測(a)和模擬(b)的2009年4月18日17時雷達回波反射率(單位:dBz)Fig.6 (a)Observed and (b)simulated radar echo reflectivity at 17:00 BST 18April 2009(units:dBz)

3.3 雷達回波對比分析

圖6為觀測和模擬的18日17時雷達回波反射率。圖6a是張家口站多普勒雷達(CB)的雷達組合反射率因子圖,可以看到雷達回波整體邊緣呈支離破碎狀,強度小于35 dBz的為層狀云降水回波,在較均勻的層狀云回波中鑲嵌著幾個柱狀對流回波(已標出),回波值超過50 dBz,具有典型的積層混合云降水回波特征。圖6b為由模式輸出的第三層數(shù)據(jù)繪制的雷達回波反射率圖,分辨率為3 km,用以研究小尺度系統(tǒng)。為了更直觀地與觀測結(jié)果進行對比,根據(jù)張家口站中心位置及雷達覆蓋范圍,在圖6b中選取大致相同的區(qū)域(紅色虛線內(nèi))。

通過比較可知,模擬與實測的雷達回波反射率分布位置、形狀及最大值較一致,都是在較均勻的回波層中鑲嵌著幾個柱狀的對流回波。對流回波的位置在圖6中已標出,模擬位置與實測位置稍偏一點;對流回波呈柱狀分布,水平范圍一般在10～20 km;回波中心值超過50 dBz?？傮w而言,模式對小尺度系統(tǒng)的模擬效果較好。

4 小尺度微物理分析

4.1 云中水成物分布特征

圖7是模擬的18日17時雷達回波圖及沿剖線AB的各物理量的剖面圖。圖7a給出了模擬的雷達回波平面圖及剖線AB的位置,方向是由A指向B,且穿過兩個對流云區(qū)。圖7b是沿直線AB的雷達回波剖面圖,可以看到沿著剖線的對流回波較強,最大值超過50 dBz,回波頂高在11 km左右。圖7c是云水的垂直分布,可以看到無論是沿著水平方向還是垂直方向都有多個含水量高值中心,中心區(qū)域在10 km左右,最大值達到0.5 g/kg,云水含量總體分布不均勻;同時可以看到云水的大值中心分布在零度層以上,即云中存在較豐沛的過冷云水。圖7d是冰晶的垂直分布,可以看到冰晶水平分布范圍較廣,存在多個高值中心,最大值達到0.1 g/kg,垂直分布較窄,主要位于400～200 hPa。圖7e—g分別是霰、雪和雨水的垂直分布,可以看到霰、雪和下層的雨水分布是相對應的,霰、雪的大值中心對應著下層雨水的大值中心,水平分布上都存在兩個高值中心,水平范圍為10～20 km,其位置與圖7b中雷達回波相對應,可見霰、雪和雨水是主要的降水粒子,是形成雷達回波的主要影響因子。圖7h是總水凝物含量剖面圖,可以看到沿直線AB上總的水凝物分布很廣,水平方向存在兩個大值中心,最大值為5.0 g/kg。

4.2 積層混合云降水討論

為了進一步研究這次降水過程,沿著云帶移動方向做剖面分析。圖8是沿云帶移動方向做的一組剖面圖。圖8a給出了模擬的雷達回波平面圖及剖線的位置,剖線平行于云帶的移動方向;選取剖線穿過的一個對流云區(qū)(圖中虛線所示),可以看到該對流回波呈橢圓狀,水平尺度為10～20 km,內(nèi)嵌在大片的層狀云回波中。圖8b是沿著剖線的垂直速度分布,相應的對流云區(qū)在圖中用虛線標示,可以看到17時在對流云區(qū)內(nèi)以上升氣流為主,最大上升速度超過2.5 m/s,但在對流云區(qū)的前上部和后下方存在與上升速度同量級的下沉氣流,表明此時的對流云正處于成熟階段。圖8c是沿著剖線的云水、冰晶數(shù)濃度分布,可以看到云系前部上層存在大量的冰晶,但沒有云水,推測云系前部主要由高卷云、高層云組成,隨著經(jīng)緯度變化云系開始出現(xiàn)云水、霰和雪,云系開始出現(xiàn)層云,繼續(xù)西移后云中開始出現(xiàn)大量的霰、雪和雨水,此時以積雨云、高積云為主,在云系后部又出現(xiàn)大量冰晶但沒有云水,也是以卷云為主。圖8d是沿剖線的霰、雪和雨水的分布。

結(jié)合圖8b、c、d可以看到,在對流云區(qū)(虛線)內(nèi),霰、雪比含量很大,并與下層的雨水分布相對應,而云水比含量并不大,尤其是在霰、雪比含量的大值區(qū)幾乎沒有云水,存在較典型的冷云降水機制;霰、雪比含量大值區(qū)的上升速度較強,最大值超過2.5 m/s,霰、雪在上升過程中不斷消耗過冷云水,生成較大的降水粒子,大降水粒子下落,落到零度層以下融化成雨水,雨水降落至地面形成降水,因此在對流云區(qū)的后部零度層以下由于降水粒子的拖曳出現(xiàn)了下沉氣流。結(jié)合圖8c、d可知,在層狀云區(qū)內(nèi),選定區(qū)域(點線內(nèi))的下層有雨水分布,而與之對應的上層卻沒有霰、雪存在,只有一些過冷云水分布,該區(qū)域的雨水主要是由過冷云水直接轉(zhuǎn)化而成的,存在著暖云降水過程。

綜合所述,此次降水過程中的積層混合云不僅有積狀云和層狀云形態(tài)的混合,在微物理方面還存在冷云過程和暖云過程相態(tài)的混合,降水機制較復雜。本研究只針對了一次過程,選取多個個例對積層混合云進行深入研究,對播云催化位置選取、人工增雨作業(yè)具有一定的指導意義。

圖7 模擬的17:00雷達回波平面圖及沿剖線AB各物理量的剖面(圖中陰影為雷達回波,單位:dBz;實線為各物理量分布,單位:g/kg;虛線為溫度,單位:℃;箭矢為風場,單位:m/s) a.模擬雷達回波平面圖及剖線AB;b.沿剖線AB的雷達回波剖面圖;c.云水比含量;d.冰晶比含量;e.霰比含水量;f.雨比含量;g.雪比含量;h.總水凝物Fig.7 Horizontal distribution of simulated radar echo and vertical distribution of simulated hydrometeors along line AB at 17:00 BST(shadings are radar echo(units:dBz);solid lines denote distribution of hydrometeors(units:k/kg);dashed lines show temperature(units:℃);arrows are wind field(units:m/s)) a.horizontal distribution of simulated radar echo and position of line AB;b.vertical distribution of simulated radar echo along line AB;c.cloud water mixing ratio;d.ice mixing ratio;e.graupel mixing ratio;f.rain mixing ratio;g.snow mixing ratio;h.total hydrometeors

圖8 模擬的17:00雷達回波平面圖及沿剖線的各物理量剖面 a.模擬的雷達回波(單位:dBz)平面圖及剖線CD;b.垂直速度(陰影,單位:m/s)分布;c.云水比含量(陰影,單位:g/kg)、冰晶數(shù)濃度(黑色實線,單位:kg-1)、溫度(紅色虛線,單位:℃)分布;d.霰、雪和比含量(陰影,單位:g/kg)、雨水比含量(黑色實線,單位:g/kg)、溫度(紅色虛線,單位:℃)分布Fig.8 Horizontal distribution of simulated radar echo and vertical distribution of simulated hydrometeors at 17:00 BST a.horizontal distribution of simulated radar echo(units:dBz) and position of line CD;b.vertical velocity profile(shadings;units:m/s);c.cloud water mixing ratio(shadings;units:g/kg) and ice number concentration(black solid lines;units:kg-1) and temperature(red dashed lines;units:℃);d.the sum of graupel and snow mixing ratio(shadings;units:g/kg),rain mixing ratio(black solid lines;units:g/kg) and temperature(red dashed lines;units:℃)

5 結(jié)論

1)比較分析實測和模擬資料可知:700 hPa西風槽、850 hPa低渦是形成這次降水的主要天氣系統(tǒng),來自南方的暖濕空氣和西北內(nèi)蒙古低渦帶來的水汽是這次降水的主要水汽來源,14—20時兩股水汽在張家口附近出現(xiàn)低層輻合、中高空輻散的配置,有利于水汽的垂直輸送、云系的發(fā)展。

2)比較分析中尺度系統(tǒng)可知:張家口附近云系呈東北—西南向帶狀分布,帶長約1 000 km,帶寬300 km,在大片的云帶中分布著很多個小的高值中心,中心區(qū)域一般在幾十千米;降水也呈東北—西南向帶狀分布,在較大的雨帶中分布著幾個小的雨核,降水總體分布不均勻;結(jié)合雷達回波可見整體回波邊緣呈支離破碎狀,在較均勻的層狀云回波中鑲嵌著柱狀的對流回波,具有典型的積層混合云降水回波特征。

3)比較分析小尺度系統(tǒng)可知:對流云波呈柱狀分布,水平范圍在10～20 km,回波中心值超過50 dBz;沿對流回波做剖面發(fā)現(xiàn),云系中云水含量在水平方向和垂直方向上都分布不均勻,雨水的大值中心與上層的霰、雪的大值中心相對應,其位置與剖線處雷達回波相對應,表明霰、雪和雨水是主要的降水粒子,是形成雷達回波的主要影響因子。此次積層混合云降水不僅有積狀云和層狀云形態(tài)的混合,在微物理方面還存在著冷云過程和暖云過程相態(tài)的混合,降水機制較復雜。

4)WRF模式對此次降水過程的模擬效果較好。對大尺度高度場、水汽場,中尺度云場、降水場,小尺度對流回波及云中各水凝物的分布模擬效果較好。模式對實況的模擬在時間上沒有滯后,落區(qū)也較準確,具有較好的模擬能力。

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(責任編輯：倪東鴻)

Numericalsimulationonaconvective-stratiformmixedcloudprecipitationindifferentscales

ZHANG Wei1,ZHOU Yu-quan2

(1.Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Chinese Academy of Meteorological Sciences,Beijing 100081,China)

The precipitation of a convective-stratiform mixed cloud in Zhangjiakou during 18—19 April 2009 is simulated using the mesoscale numerical model WRF-ARW(V3.2) and comparatively analyzed with the observation data in different scales.Results show that the west wind trough at 700 hPa and the low vortex at 850 hPa are the main weather systems responsible for convective-stratiform mixed cloud.The warm wet air from the southern and the low vortex from northwest Inner Mongolia are main water vapor suppliers,which converge in Zhangjiakou region and thus are conducive to cloud system development and precipitation formation.The cloud system shows a NE-SW banded distribution,which is 1 000 km long and 300 km wide,and has lots of cloud water centers,which are about tens of kilometers.The cloud system has the echo characteristics of typical convective-stratiform mixed cloud precipitation,such as columnar echo of cumulus cloud embedded in uniform echo layer.The cross-section of radar echo shows that the cloud water content is heterogeneous either horizontally or vertically.The centers of rainwater are corresponding with the centers of graupel and snow in the upper layer,with horizontal range of 10—20 km.

WRF model;convective-stratiform mixed cloud;structure in different scales;numerical simulation

2012-03-27;改回日期2014-04-22

公益性行業(yè)(氣象)科研專項(GYHY201206025)

張微，碩士，研究方向為云降水物理和人工影響天氣，zhangwei198633@126.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120327002.

1674-7097(2014)04-0459-10

P426.51;P426.611

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20120327002

張微,周毓荃.2014.一次積層混合云降水不同尺度結(jié)構(gòu)的數(shù)值模擬[J].大氣科學學報,37(4):459-468.

Zhang Wei,Zhou Yu-quan.2014.Numerical simulation on a convective-stratiform mixed cloud precipitation in different scales[J].Trans Atmos Sci,37(4):459-468.(in Chinese)