登陆台风强降水微物理机制的观测研究

The landfalling typhoons often bring heavy rainfall and cause severe disasters in the coastal area of China. Owing to the East Asian monsoon environment, the microphysical processes leading to the typhoon heavy rainfall in China is quite different from that in other continents. This proposal is aimed to explore the microphysical mechanisms responsible for the typhoon heavy rainfall during its landfall based on the observation of the newly upgraded polarimetric radars in the Chinese coastal area. The microphysics of the convective and stratiform rainfall in different regions (e.g., eyewall, principal rainband, outer rainband) will be analyzed to develop a conceptual model of typhoon precipitation microphysics in the unique East Asian monsoon environment. The possible microphysical mechanisms accounted for the typhoon heavy rainfall after its landfall will be also investigated. The frequently-used microphysics schemes in the numerical models will be further evaluated to find out their capability in reproducing the primary microphysics of the observed heavy rainfall. These findings will be beneficial for the improvement of the microphysics schemes and thus the typhoon precipitation forecast.

登陆台风带来的强降水过程是影响我国的主要灾害性天气之一。在我国东亚季风环境下登陆的台风，其强降水形成的微物理过程具有独特的地域性特征。本课题主要利用我国沿海双偏振雷达观测数据研究台风登陆后不同性质降水区域发生强降水的主要微物理机制。主要研究内容包括分析登陆前台风不同位置（眼墙、主雨带、外雨带）不同性质的降水区域微物理特征的空间分布，构建东亚季风背景下登陆我国台风降水粒子空间分布的概念模型；理解台风登陆过程中造成地面强降水的主要微物理过程，评估常用微物理参数化方案对台风强降水微物理过程的再现能力，为改进微物理参数化方案、提高台风降水预报能力提供观测依据。

台风降水伴随复杂的微物理过程，而这些微物理过程直接影响了台风降水强度。要提高台风定量降水预报，深入理解造成台风降水的微物理机制是关键。. 本研究率先利用我国华南地基双偏振业务雷达的观测资料，系统深入地分析了台风Nida（2016）在登陆过程中内、外雨带降水的微物理特征和引起强降水的不同微物理机制。研究表明，台风Nida外雨带对流中的降水粒子增长主要是通过融化层以上的聚合和凇化冰相微物理过程所实现。成熟期对流单体的强上升气流，有利于形成活跃的凇化过程和较大尺度的冰相粒子，其下落融化可能是形成地面大粒径强降水的主要原因。而台风Nida内雨带的对流单体发展高度较低、上升气流较弱，降水的平均粒径较小，零度层以下液态含水量快速增加且远大于零度层以上的冰水含量，表明雨滴收集云滴和云滴自动转化为雨滴的暖雨增长是内雨带降水的主要机制。. 在雷达观测分析基础上，本研究进一步对Nida台风进行了WRF数值模拟，评估了三个双参数微物理方案模拟的外雨带微物理特征与观测的差异及其对地面降水强度的影响。研究表明，不同微物理方案均能较好地模拟台风Nida的路径和强度变化，且模拟的外雨带的雷达回波结构与观测接近。不同微物理方案下模式的长时间积分造成的大尺度环境场的差异会影响模拟雨带的形态，但降水的微物理特征主要是受参数化方案本身控制。所有方案均不能准确模拟出与观测雨带一致的粒子大小、分布和相态等微物理特征。Morrison和Thompson方案高估了大粒子的浓度，造成降水整体粒子数浓度低估，从而使得液态含水量和地面降水的低估；而WDM6高估了小粒子的浓度，液态含水量和地面降水却相应高估。三个微物理方案模拟的冰水含量均低于观测值，其中12公里以上的冰晶区低估最显著。同Thompson和Morrison方案相比，WDM6方案在零度层以下更活跃的暖雨过程（碰并、破碎）可能抵消了冰相过程的低估，因此形成了大量粒径偏小的降水粒子。. 本研究促进了对我国登陆台风雨带微物理结构的认识，为进一步改进数值模式降水微物理参数化提供思路。