中尺度模式云微物理参数化方案在中国地区的验证和改进

Cloud microphysical scheme plays a significant role in mesoscale model and the applicability of bulk cloud microphysics schemes in WRF model is still unresolved. This research evaluates and improves bulk cloud microphysics schemes in WRF model using aircraft and satellite observation based on the cloud and precipitation cases over China region. A virtual aircraft trajectory technique allowing the reconstruction of any model variable is used to compare model results with aircraft observations in terms of point-by-point. Cloud microphysics over regional area simulated by a bulk cloud microphysics scheme using satellite simulator are evaluated in terms of the joint histogram and contoured frequency by altitude diagrams. To improve the quality of bulk cloud microphysics scheme forecasts in WRF model, huge sensitivity experiments on the modification of the particle size distributions based on observed relationships and specification of selected microphysical relationships of cloud model are studied. It has been able from these results to establish a new bulk cloud microphysics scheme in WRF model over China region.

云微物理参数化方案在中尺度模式中起重要作用，但是中尺度模式WRF云微物理参数化方案在中国地区的适用性仍未解决。本项目以中国地区云和降水实际个例为研究对象，通过飞机和卫星观测结果验证和改进WRF模式云微物理参数化方案的模拟效果。采用虚拟轨迹方法重构模式结果同飞机观测的云和降水结构进行点线上比较，使用卫星模拟器通过联合直方图、等高频率高度图比较模拟的区域面上云和降水特征。基于观测结果，改变粒子谱分布参数和微物理关系式进行大量敏感性试验，从而提高模拟效果和改进模式中原有的云微物理参数化方案，最终在WRF模式中建立一个适合于中国地区的云微物理参数化方案。

中尺度模式中的云微物理参数化方案广泛应用于云和降水系统模拟，已有的验证和改进云微物理参数化方案的工作是基于飞机和地面雷达观测，但是地面雷达和飞机观测有时空限制，卫星观测可以弥补这些缺陷。利用Himawari-8卫星、CloudSat卫星和GPM卫星资料研究了2016年台风“莫兰蒂”在海洋上的降水和台风降水云系三维结构特征。结果表明“莫兰蒂”台风降水呈现非均匀、非对称结构，最强降水集中于台风中心附近。台风云墙和螺旋云带由深厚对流云系统组成，云顶附近是卷云和高层云。台风眼两侧的回波强度和潜热加热率垂直结构呈不对称分布。台风云墙内存在高耸的对流“热塔”，台风眼右侧云墙对流“热塔”内最大回波强度达57 dBZ，最大回波顶高为17 km，最大潜热加热率为88 K h-1，这里暖云降水过程占主导地位。卫星模拟器可以直接比较卫星辐射和模式输出量计算的辐射量，能在模式和卫星模拟器之间建立相同的微物理假设比如粒子谱分布和密度，因而对模式的检验更加符合实际。使用WRF模式中的WDM6方案模拟了2008年台风“凤凰”登陆过程中造成的强降水，通过卫星模拟器利用MTSAT-1R和TRMM卫星观测的云顶亮温TBB、PR雷达反射率资料使用统计方法验证模拟结果，敏感性试验修改了云水向雨水自动转化过程、冰晶核化过程、雪和霰的下落末速度、雪和霰的截距。发现WDM6方案模拟的台风“凤凰”登陆后的降水、强对流云系及对流柱状雷达回波基本符合实况，但模拟结果局部偏强。WDM6方案模拟产生了较多的浅对流云，低估了对流云系的出现频率。不同云类型模拟的雷达回波均偏强，对流云系雷达回波垂直分布接近观测。敏感性试验结果说明修改WDM6方案中云水向雨水自动转化率有效的改善了模拟效果。同时发现云滴初始数浓度影响云水向雨水自动转化率并最终影响云系结构和雷达反射率的模拟结果，过高的云滴初始数浓度会使模拟结果变差。