降水定量分析規(guī)范體系及應(yīng)用研究

李小凡高守亭翟國(guó)慶

（1 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州 310027；2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029）

降水定量分析規(guī)范體系及應(yīng)用研究

李小凡1高守亭2翟國(guó)慶1

（1 浙江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，杭州 310027；2 中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029）

簡(jiǎn)明介紹降水定量分析規(guī)范體系及其成功應(yīng)用于研究降水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、發(fā)展新的對(duì)流層狀降水分解方案、合理定義最大降水和降水效率、解釋熱帶降水日變化和降水對(duì)輻射及冰云響應(yīng)的物理機(jī)制和分析降水模擬時(shí)空上限。結(jié)果表明，以地面降水方程為核心的降水定量分析規(guī)范體系，為定量降水分析研究提供了動(dòng)力、熱力和云微物理過(guò)程統(tǒng)一的物理框架。

定量降水分析，規(guī)范體系

0　引言

降水可以帶來(lái)豐沛的水，是我國(guó)最重要的水資源獲得方式；同時(shí)，降水可能引起洪澇，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和人民生活造成重大損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)每年因洪澇可損失數(shù)千億元人民幣。暴雨的數(shù)值模擬成為政府應(yīng)對(duì)暴雨洪澇災(zāi)害決策的重要科學(xué)依據(jù)，因此，暴雨預(yù)報(bào)成為大氣科學(xué)研究的重要課題。

自1999年以來(lái)，數(shù)個(gè)“973項(xiàng)目”都是圍繞暴雨的機(jī)理研究和預(yù)報(bào)改進(jìn)，說(shuō)明國(guó)家對(duì)于強(qiáng)降水科學(xué)研究極其重視。降水是氣象學(xué)中最早定量測(cè)量的幾個(gè)要素之一，它和大氣動(dòng)力、熱力和云微物理過(guò)程有復(fù)雜的非線性關(guān)系。從科學(xué)的層面上看，降水具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）降水時(shí)空不連續(xù)；（2）降水是通過(guò)云和大尺度過(guò)程聯(lián)系在一起，云微物理過(guò)程在模式中是用參數(shù)化表述的，而參數(shù)化具有很大的不確定性；（3）降水率在模式物理關(guān)系中僅是一個(gè)診斷量，大尺度環(huán)境和云過(guò)程不是降水的充分條件。降水這些特點(diǎn)給研究分析造成很大的困難，其定量分析需要?jiǎng)恿?、熱力和云微物理有關(guān)的基本框架，才能建立降水定量分析的規(guī)范體系。2011年降水物理空間的概念被提出[1]，該空間有三個(gè)基本分量：溫度、比濕和云混合比。與之伴隨有熱量、水汽和云收支。質(zhì)量積分的熱量、水汽和云收支可寫(xiě)成：

在熱量收支中，熱量局地變化（SHT）由熱量輻合（SHF）、地面感熱（SHS）、潛熱（SLHLF+ QWVS）和輻射（SRAD）決定。在水汽收支中，水汽局地變化（QWVT）由水汽輻合（QWVF）、地面蒸發(fā)（QWVE）和凈凝結(jié)（QWVS）決定。在云收支中，云凝物混合比局地變化和輻合（QCM）與凈凝結(jié)（QWVS）和降水率（PS）之差有關(guān)。這三組收支的鏈接點(diǎn)是凈凝結(jié)（QWVS）。Gao等[2-3]開(kāi)展的一些研究在此基礎(chǔ)上以水汽（式1b）和云（式1c）收支結(jié)合及以熱量（式1a）和云（式1c）收支結(jié)合推導(dǎo)得到地面降水方程組：

注意式2a中的QWVT和式2b中的SHT分別為負(fù)的局地水汽和熱量變化項(xiàng)。在與水汽過(guò)程有關(guān)的地面降水收支（式2a）中，降水率（PS）與大氣增濕（QWVT<0）/減濕（QWVT>0）、水汽輻合（QWVF>0）/輻散（QWVF<0）、地面蒸發(fā)（QWVE）和云凝物減少/輻合（QCM>0）或云凝物增加/輻散（QCM<0）有關(guān)。而在與熱量過(guò)程有關(guān)的地面降水收支中，降水率（PS）與大氣增溫（SHT<0）/降冷（SHT>0）、熱量輻合（SHF>0）/輻散（SHF<0）、地面感熱（SHS）、與冰云有關(guān)潛熱釋放（SLHLF）和云凝物減少/輻合（QCM>0）或云凝物增加/輻散（QCM<0）有關(guān)。這樣，以地面降水方程為核心建立起定量降水分析規(guī)范體系。與降水形成、發(fā)展和消亡密切相關(guān)的動(dòng)力、熱力和云微物理過(guò)程可以在地面降水方程這個(gè)基本框架下進(jìn)行系統(tǒng)性定量分析研究。自從此體系建立以來(lái)，地面降水方程廣泛應(yīng)用于降水過(guò)程的定量研究中。本文研究結(jié)果都是用二維云分辨模式[1]模擬分析得到。云模式是非靜力和滯彈性的，模式具有位溫、比濕、云凝物混合比及擾動(dòng)動(dòng)量方程。模式包括顯式云微物理和輻射參數(shù)化方案。水平區(qū)域長(zhǎng)768km，水平網(wǎng)格距為1.5km，垂直不等距33層，時(shí)間步長(zhǎng)為12s。由于水平區(qū)域小，不能模擬大尺度環(huán)流場(chǎng)，因此，用實(shí)際觀測(cè)到的資料計(jì)算得到的大尺度強(qiáng)迫來(lái)驅(qū)動(dòng)云模式。本文結(jié)果大多是用1992年12月19日—1993年1月9日的云模擬，大尺度強(qiáng)迫通過(guò)1.75°S、156°E的熱帶試驗(yàn)（TOGA COARE）觀測(cè)得到。強(qiáng)迫包括垂直速度、水平風(fēng)和海溫等。

1　降水系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

對(duì)與水汽有關(guān)的地面降水方程分析[4]表明非降水區(qū)地面蒸發(fā)大部分用來(lái)支持水汽從非降水區(qū)到降水區(qū)的輸送，同時(shí)也使非降水區(qū)局地大氣增濕。在降水區(qū)，輸送的水汽為降水所平衡。進(jìn)一步用降水率大小劃分對(duì)流層狀降水方案分析發(fā)現(xiàn)，在對(duì)流降水區(qū)中，降水源主要來(lái)自非降水區(qū)的水汽輸送。水汽輻合除支持降水外，還造成對(duì)流降水區(qū)增濕和云凝物的輻散。在層狀降水區(qū)中，降水過(guò)程都是降水源，其中局地水汽減濕和云凝物輻合是層狀降水的主要來(lái)源。這樣，云凝物從對(duì)流降水區(qū)到層狀降水區(qū)的輸送是兩個(gè)降水區(qū)的主要鏈接。在兩個(gè)降水區(qū)，地面蒸發(fā)基本可忽略。

與熱量有關(guān)的地面降水方程分析[5]表明非降水區(qū)存在明顯的紅外輻射冷卻，輻射冷卻主要由熱量輻合所平衡。熱量從降水區(qū)到非降水區(qū)的輸送在降水區(qū)主要由與降水有關(guān)的潛熱釋放抵消。熱量輻散主要發(fā)生在對(duì)流降水區(qū)。強(qiáng)熱量輻散不足以為潛熱釋放所平衡而在對(duì)流降水區(qū)產(chǎn)生局地降冷。而在層狀降水區(qū)，潛熱釋放足以抵消熱量輻散而產(chǎn)生局地增溫。在降水區(qū)，輻射作用基本可以忽略。

2　劃分對(duì)流層狀降水的新方案：最大降水率的物理定義

對(duì)流降水和層狀降水是降水系統(tǒng)中兩個(gè)重要的降水分量，兩者之間有很大的差別。首先，對(duì)流降水所對(duì)應(yīng)的垂直運(yùn)動(dòng)在整個(gè)對(duì)流層呈上升運(yùn)動(dòng)，其最大上升運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)在對(duì)流層低層。而層狀降水所對(duì)應(yīng)的垂直運(yùn)動(dòng)僅在對(duì)流層中上層呈上升運(yùn)動(dòng)，對(duì)流層低層出現(xiàn)弱的下沉運(yùn)動(dòng)。其次，對(duì)流降水比層狀降水大，而所占面積小。第三，對(duì)流降水源主要是水汽輻合和雨滴收集云滴，而層狀降水源主要是云凝物從對(duì)流降水區(qū)到層狀降水區(qū)的輸送和霰的融化。

由于資料的限制，一般用對(duì)流信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)劃分對(duì)流層狀降水。但是此類降水劃分不能用來(lái)了解對(duì)流層狀降水區(qū)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，如在對(duì)流降水區(qū)，云凝物輻散，而此輻散造成對(duì)流降水的減弱。最大降水出現(xiàn)在對(duì)流降水區(qū)，而云凝物輻散與最大降水相悖。因此，需要更細(xì)致的降水劃分方案才能了解進(jìn)一步了解降水分區(qū)的結(jié)構(gòu)。Li等[6]用與水汽過(guò)程有關(guān)的地面降水方程來(lái)劃分降水。由于大氣增濕/減濕、水汽輻合/輻散和云凝物輻合/輻散，降水可分為八型。進(jìn)一步用垂直速度的垂直分布和云微物理過(guò)程把降水八型又合并為對(duì)流層狀降水二型。和水汽輻合有關(guān)的降水三型合并為對(duì)流降水型，其對(duì)應(yīng)的垂直運(yùn)動(dòng)在整個(gè)對(duì)流層均為上升運(yùn)動(dòng)，最大值在對(duì)流層低層。其主要降水源為雨滴收集云滴。層狀降水以水汽輻散三型為主，其對(duì)應(yīng)的垂直運(yùn)動(dòng)在對(duì)流層低層為弱的下沉運(yùn)動(dòng)，主要降水源為霰的融化。

進(jìn)一步分析屬于對(duì)流降水的三型，了解對(duì)流降水區(qū)的詳細(xì)結(jié)結(jié)構(gòu)。首先，計(jì)算雨強(qiáng)，得到最大降水型為大氣減濕、水汽輻合和云凝物輻合，其雨強(qiáng)比其他降水型的雨強(qiáng)大一個(gè)量級(jí)。此降水型的降水效率為100%。水汽輻合和云凝物輻合均占降水的40%，說(shuō)明云凝物輻合對(duì)最大降水有重要的影響。忽略云凝物輻合將嚴(yán)重低估最大降水雨強(qiáng)。分析表明在對(duì)流降水區(qū)，云凝物輻散是主要的，但有些區(qū)域，云凝物是輻合的，這樣的區(qū)域，正是最大降水發(fā)生的區(qū)域。其次，和最大降水有關(guān)的水汽輻合不是最大的。最大水汽輻合出現(xiàn)在大氣增濕和云凝物輻散的降水型中。這表示最大水汽輻合主要用來(lái)增加局地大氣的濕度和支持云凝物的輻散。僅有一部分水汽輻合用于降水，故此型的雨強(qiáng)不大。從對(duì)流層狀降水劃分出對(duì)流降水區(qū)的分析得到的最大降水物理定義給最大降水強(qiáng)度和落區(qū)定量分析研究提供了一個(gè)規(guī)范性的物理框架。

3　熱帶降水日變化：輻射、凝結(jié)和局地水汽變化

由于白天太陽(yáng)輻射加熱和夜間紅外輻射降冷形成輻射的日變化。這樣的輻射日變化直接造成溫度的日變化。而決定凝結(jié)的飽和比濕僅和氣溫有關(guān)。氣溫降低，飽和比濕也降低。飽和比濕低，容易產(chǎn)生凝結(jié)和降水，這就是熱帶海洋降水夜間達(dá)到最大的可能原因。由于輻射的日變化是可能的主因，必須分析與熱量有關(guān)的地面降水方程。Li等[1]用一個(gè)沒(méi)有大尺度強(qiáng)迫的平衡態(tài)模擬試驗(yàn)進(jìn)行分析，分析與熱量有關(guān)的地面降水方程發(fā)現(xiàn)紅外輻射冷卻的日變化和降水的日變化是反位相的，說(shuō)明熱帶降水凌晨最大值是紅外輻射冷卻造成的。由于在與熱量有關(guān)的地面降水方程推導(dǎo)中，云收支和熱量收支的鏈接是凈凝結(jié)和相關(guān)的潛熱。因此，夜間紅外輻射冷卻通過(guò)減小飽和比濕增加凝結(jié)而使夜間降水達(dá)到最大。同時(shí)，紅外輻射冷卻的日變化和局地?zé)崃康娜兆兓峭幌嗟?，說(shuō)明紅外輻射冷卻一方面增加夜間降水，另一方面減少局地大氣熱量，造成局地氣溫下降。分析與水汽有關(guān)的地面降水方程看到降水日變化和局地水汽日變化同位相的。夜間地面降水最大值和局地大氣減濕有關(guān)。局地大氣減濕是凝結(jié)消耗水汽的結(jié)果。所以，局地水汽變化這一項(xiàng)對(duì)降水來(lái)說(shuō)是個(gè)源，在地面降水收支中定義的降水效率必須包括在降水源中。用地面降水方程來(lái)研究熱帶降水日變化，清楚地看到輻射、降水和局地?zé)崃克g的位相關(guān)系，同時(shí)得到降水日變化的控制方程。

4　降水效率：定義、時(shí)空關(guān)系和與物理過(guò)程的關(guān)系

降水效率是對(duì)流降水系統(tǒng)中一個(gè)重要的物理參數(shù)，已廣泛應(yīng)用于降水業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)來(lái)估算雨強(qiáng)，也是大尺度對(duì)流參數(shù)化方案中一個(gè)重要參數(shù)。我們?cè)?002—2014年這12年中用云分辨模擬作為工具深入細(xì)致地研究了降水效率及其相關(guān)的物理問(wèn)題[7-11]。降水效率研究從1952年定義為地面降水率對(duì)水汽輻合輻散與地面蒸發(fā)和之比開(kāi)始。這樣的定義會(huì)出現(xiàn)以下兩類結(jié)果。降水效率超過(guò)100%，其原因是這樣的計(jì)算沒(méi)有把降水源全部包括進(jìn)去。比如，局地大氣減濕過(guò)程，一般被認(rèn)為是局地水汽變化趨勢(shì)而摒棄在降水源之外，而降水日變化過(guò)程分析研究表明，夜間紅外輻射冷卻減小飽和比濕，容易產(chǎn)生凝結(jié)潛熱，這樣的熱力過(guò)程在水汽過(guò)程中表現(xiàn)為局地大氣減濕。所以，局地減濕是一個(gè)降水源，降水效率可能小于零，這樣的情況在層狀降水區(qū)經(jīng)常發(fā)生。水汽輻散，但有降水。把水汽輻散這樣的降水匯作為降水源是造成降水效率負(fù)值的主要原因。避免這樣不合理降水效率計(jì)算的出現(xiàn)，需要做到以下兩點(diǎn)：降水效率的定義是降水率和所有降水源和之比，且必須定義在包含地面降水率的收支中。

這樣，降水效率定義不是唯一的。在雨滴收支中定義雨微物理降水效率，在云收支中定義云微物理降水效率，在地面降水方程中定義水汽降水效率。理論上可以證明，雨微物理降水效率大于云微物理降水效率，而云微物理降水效率大于水汽降水效率。三種降水效率之間的不等關(guān)系在物理上也很好理解。如水汽降水效率可以等于云微物理降水效率和云收支降水源與地面降水收支降水源之比的乘積。而云收支降水源與地面降水收支降水源之比總小于1。所以，云微物理降水效率大于水汽降水效率。

由于在降水效率計(jì)算中，只包括降水源而剔除降水匯。這樣使得降水效率的計(jì)算非常依賴于降水資料的時(shí)空尺度。一般來(lái)說(shuō)，平均前的資料計(jì)算的降水效率總比平均后的資料計(jì)算的降水效率要小。在我們最新發(fā)展的對(duì)流層狀降水分解方案中得到的最大降水量物理定義中，水汽降水效率為100%的降水率即為最大降水率。在這樣的定義下，云凝物和水汽輻合對(duì)最大降水有同等重要的貢獻(xiàn)。這說(shuō)明，精確模擬云凝物輻合對(duì)估算最大降水非常重要。

降水效率一般來(lái)說(shuō)都是指在云水過(guò)程中的定義。然而，熱量在降水過(guò)程中扮演重要角色。因此，從熱量收支和云收支結(jié)合為熱量收支框架下的地面降水方程可以定義熱量降水效率[12]。由于熱量輻散率一般大于水汽輻合率，熱量收支中得到的降水源一般大于水汽收支中得到的降水源。這樣，熱量降水效率小于水汽降水效率。

降水效率和一些基本物理量與物理過(guò)程可能存在一定的關(guān)系[13]?；疚锢砹堪▽?duì)流有效位能、水汽輻合、垂直風(fēng)切變、云液相路徑與冰相路徑之比、海溫、氣溫和大氣可降水量。結(jié)果發(fā)現(xiàn)降水效率和海溫、氣溫及大氣可降水量關(guān)系不大。降水效率隨水汽輻合增加和垂直風(fēng)切變減弱而增加。當(dāng)對(duì)流有效位能釋放而減少和冰云發(fā)展時(shí)，降水效率會(huì)減小。

5　降水模擬的時(shí)空上限

降水?dāng)?shù)值模擬依賴于初始條件和物理參數(shù)化方案。初始條件來(lái)自于觀測(cè)資料，而觀測(cè)資料存在誤差。如溫度誤差一般小于1K，可降水量誤差可達(dá)1mm。數(shù)值模式所用的物理參數(shù)化方案具有更大的不確定性。問(wèn)題是：1）這些不確定性是否對(duì)降水模擬有影響？2）什么物理過(guò)程會(huì)造成影響？3）影響程度是否和大尺度環(huán)流變化有關(guān)？4）降水模擬的時(shí)空上限是什么？2006—2014年，我們進(jìn)行了一系列降水云模擬試驗(yàn)[14-18]，系統(tǒng)地研究了初始條件和輻射計(jì)算的不確定性對(duì)降水模擬準(zhǔn)確性的影響，得到降水模擬的時(shí)空上限。在研究中，以基準(zhǔn)和敏感性試驗(yàn)物理量均方差和標(biāo)準(zhǔn)差之比（差比）作為判定這些不確定性是否對(duì)降水模擬有影響的依據(jù)。差比大于1，表示不確定性造成的變量模擬誤差比變量本身變化還要大，不確定性對(duì)模擬有大的影響。差比小于1，表示不確定性對(duì)模擬有較小的影響。首先分析了一個(gè)發(fā)生在熱帶赤道地區(qū)弱環(huán)流變化（弱環(huán)流）的例子，最大垂直速度僅0.02m·s-1。初始溫度和可降水量誤差分別為0.5oC和1mm。降水模擬的時(shí)空上限分別為4h和350km，也就是說(shuō)，大于4h和350km的平均降水率才能使差比小于1。而云凝物變化的差比總是大于1，說(shuō)明在弱環(huán)流條件下，云凝物沒(méi)有可預(yù)報(bào)性。從地面降水方程分析看到降水在大于4h和350km的可預(yù)報(bào)性由水汽輻合決定。即使對(duì)于較準(zhǔn)確的水汽輻合模擬，如云模擬中給定的垂直速度廓線的水汽輻合模擬，由于云凝物的不可預(yù)報(bào)性，降水的可預(yù)報(bào)性的時(shí)間尺度也受到限制。通過(guò)分析云收支發(fā)現(xiàn)，降水模擬時(shí)空上限由水汽凝結(jié)決定，而水汽凝結(jié)取決于水汽過(guò)飽和，即實(shí)際比濕和飽和比濕之差。飽和比濕僅是氣溫的函數(shù)。方差分析結(jié)果表明，水汽過(guò)飽和的方差比實(shí)際比濕或飽和比濕方差小5個(gè)量級(jí)。這說(shuō)明，在這樣的物理框架下需要精確的溫度和水汽資料才能獲得精確的水汽凝結(jié)和降水計(jì)算。

最近，我們分析一個(gè)我國(guó)華南地區(qū)強(qiáng)環(huán)流變化（強(qiáng)環(huán)流）的例子，和弱環(huán)流例子進(jìn)行比較。最大垂直速度為0.2m·s-1，是弱環(huán)流的10倍。進(jìn)行有1%的輻射計(jì)算誤差的敏感性試驗(yàn)。比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，降水模擬的時(shí)空上限在強(qiáng)環(huán)流條件下比弱環(huán)流條件下明顯短而小。分析證明，基準(zhǔn)和敏感性試驗(yàn)物理量均方差在強(qiáng)和弱環(huán)流條件下差距不大，而降水標(biāo)準(zhǔn)差在強(qiáng)環(huán)流條件下比弱環(huán)流條件下來(lái)得大。其結(jié)果是差比在強(qiáng)環(huán)流條件下比弱環(huán)流條件下小。另外，在強(qiáng)環(huán)流條件下，云凝物變化的差比在長(zhǎng)時(shí)間和大空間中可以小于1。這說(shuō)明云凝物的可預(yù)報(bào)性也和環(huán)流的強(qiáng)弱有關(guān)。

我們的研究結(jié)果表明，降水?dāng)?shù)值可預(yù)報(bào)性在于大尺度水汽過(guò)程，而可預(yù)報(bào)性在很大程度上受制于云過(guò)程模擬的不確定性。因此，準(zhǔn)確的降水預(yù)報(bào)要求大尺度水汽過(guò)程模擬準(zhǔn)確，而降水預(yù)報(bào)的改進(jìn)依賴于云可預(yù)報(bào)性的改進(jìn)。而對(duì)初始溫度和比濕及參數(shù)化方案精確度要求在強(qiáng)環(huán)流條件下比弱環(huán)流條件下要小得多。

6　降水對(duì)輻射的響應(yīng)

從降水日變化的分析中看到輻射的變化影響熱量平衡，導(dǎo)致潛熱和降水的變化。從沒(méi)有大尺度強(qiáng)迫的平衡態(tài)云模擬敏感性試驗(yàn)比較[1,19]中發(fā)現(xiàn)，去除水云和冰云輻射會(huì)增加降水，去除冰云造成的降水增加比去除水云輻射造成的降水增加明顯要大。在同樣去除水（冰）云輻射條件下，降水的增加在有冰（水）云輻射下比沒(méi)有冰（水）云輻射下要多一些。這是因?yàn)閮裟Y(jié)增加在有冰（水）云輻射下比沒(méi)有冰（水）云輻射下要大。

當(dāng)大尺度背景場(chǎng)存在時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量輻合，影響熱量平衡，從而影響輻射對(duì)潛熱和降水的效應(yīng)。2008年6月的華南暴雨云模擬敏感性試驗(yàn)[20]比較發(fā)現(xiàn)，在降水系統(tǒng)發(fā)展期，去除冰云輻射會(huì)減弱熱量輻射和增強(qiáng)大氣局地降冷，反而造成降水減少。在降水系統(tǒng)成熟和衰弱期，去除冰云輻射會(huì)增強(qiáng)大氣局地變暖而造成降水增加。這說(shuō)明大尺度環(huán)流影響降水輻射效應(yīng)。

7　降水對(duì)冰云的響應(yīng)

冰云是降水系統(tǒng)重要組成部分。從沒(méi)有大尺度強(qiáng)迫的平衡態(tài)云模擬敏感性試驗(yàn)比較中發(fā)現(xiàn)，去除冰云通過(guò)增強(qiáng)云凝物輻散而減弱降水。冰云對(duì)降水系統(tǒng)有兩大作用。冰云輻射效應(yīng)改變降水系統(tǒng)的熱量平衡，而冰云微物理過(guò)程既通過(guò)潛熱改變熱量平衡，又通過(guò)云凝物發(fā)生發(fā)展改變水汽平衡。去除冰云輻射效應(yīng)增加降水，而去除冰云微物理效應(yīng)減弱降水，兩者基本抵消，去除冰云效應(yīng)造成的弱降水減小過(guò)程由去除冰云微物理效應(yīng)引起的。去除冰云效應(yīng)會(huì)明顯加強(qiáng)云滴的增長(zhǎng)。

2008年6月的華南暴雨云模擬敏感性試驗(yàn)比較[20]發(fā)現(xiàn)，在降水系統(tǒng)從發(fā)生到成熟期間去除冰云效應(yīng)減弱降水，而在降水系統(tǒng)衰弱期，去除冰云效應(yīng)加強(qiáng)降水。在降水系統(tǒng)發(fā)生期，去除冰云效應(yīng)減弱降水主要由去除冰云輻射效應(yīng)造成的，而在發(fā)展成熟期，去除冰云效應(yīng)減弱降水主要由去除冰云微物理效應(yīng)造成的。在發(fā)展期，去除冰云微物理效應(yīng)通過(guò)局地水汽從減濕到增濕而減弱降水。在成熟期，去除冰云微物理效應(yīng)通過(guò)局地水汽減濕過(guò)程的變?nèi)鹾驮颇飶臏p少到增加的局地變化而減弱降水。在降水系統(tǒng)衰弱期，去除冰云效應(yīng)加強(qiáng)降水主要由去除冰云輻射效應(yīng)造成的。這說(shuō)明大尺度環(huán)流影響降水冰云效應(yīng)及其物理過(guò)程。

8　結(jié)果討論

本文簡(jiǎn)明介紹以地面降水收支為核心的降水定量分析規(guī)范體系及其應(yīng)用[1]。其應(yīng)用包括降水系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析研究、新對(duì)流層狀降水分解方案開(kāi)發(fā)、最大降水的物理定義和降水效率正確計(jì)算、熱帶降水日變化以及降水對(duì)輻射及冰云響應(yīng)的機(jī)理分析和降水模擬時(shí)空上限確定等。由以上七種降水定量分析規(guī)范體系的應(yīng)用研究結(jié)果表明，這個(gè)體系對(duì)于定量深入了解降水物理過(guò)程有很大的潛力。這是由于這個(gè)體系完全基于物理定律，而且每個(gè)物理過(guò)程和降水呈線性關(guān)系，應(yīng)用結(jié)果分析顯而易見(jiàn)。我們相信隨著這個(gè)體系的進(jìn)一步深入應(yīng)用，降水和大尺度背景場(chǎng)及云的關(guān)系會(huì)被我們所理解。如果想詳細(xì)了解這個(gè)降水定量分析規(guī)范體系和應(yīng)用，請(qǐng)參見(jiàn)參考文獻(xiàn)[1]。

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A Framework for Quantitative Precipitation Analysis and Applications

Li Xiaofan1, Gao Shouting2, Zhai Guoqing1
（1 School of Earth Sciences， Zhejiang University， Hangzhou 310027 2 Institute of Atmospheric Physics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100029）

A system for quantitative precipitation analysis and applications are briefly introduced. A successful application includes the structure analysis of a precipitation system, the development of a new convective-stratiform precipitation separation, the physical definitions of maximum precipitation and precipitation efficiency, the physical mechanisms of diurnal cycle of tropical rainfall and rainfall responses to radiation and ice clouds, and temporal and spatial constraints for accurate precipitation modeling. The system provides an unified physical framework for studying dynamic， thermodynamic and cloud microphysical processes associated with precipitation.

quantitative precipitation analysis, framework

10.3969/j.issn.2095-1973.2016.03.008

2014年9月15日；

2015年4月1日

李小凡（1960—），Email: xiaofanli@zju.edu.cn

資助信息： 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（41475039，41075043，41175047)；國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（2015CB953601，2012CB417201，2013CB430100）