云微物理过程对华南前汛期暴雨发生发展的影响机制研究

The heavy rainfall events during the pre-summer rainy season are the most frequent extreme precipitation in South China, causing the huge losses to country and people due to the induced natural disasters such as floods and debris flows. It’s known that the cloud microphysical processes are closely linked to the mesoscale heavy rainfall events. However, the research of microphysical mechanism on the formation and development of heavy rainfall in South China is still very scarce, and the performance of quantitative precipitation forecast of pre-summer heavy rainfall is also poor. Accordingly, this project is going to employ a variety of new observational data along with the Chinese Academy of Meteorological Sciences (CAMS) two-moment cloud microphysics simulations, calculate the cloud-rain conversion efficiency in the whole evolution process of convective clouds (very important in microphysics scheme), evaluate and optimize a suitable microphysical parameterization scheme to convective clouds in South China. On this basis, we analyze the cloud physical mechanism of larger rainfall amount in warm sector than that in cold frontal zone, attempt to clarify the direct effects of cloud water to rain, snow growth, and latent heat on the development of convective clouds, and investigate the feedback mechanisms of these microphysical processes to the evolution of clouds. The results can provide us a new idea on understanding of the microphysical evolution mechanisms of pre-summer heavy rainfall, and are expected to improve the ability of quantitative precipitation forecast in South China.

华南前汛期暴雨是影响我国华南地区频次最高的强降水系统，每年因此导致的洪涝、泥石流等自然灾害给国家、个人带来了巨大的损失。我们知道，云微物理过程与暴雨中尺度系统密不可分。然而，迄今针对华南暴雨形成发展的云内微物理机制研究仍十分初步和缺乏，前汛期暴雨的定量降水预报还较差。因此，本项目提出联合最新的云降水探测资料及中国气象科学研究院（CAMS）双参数云微物理方案，合理给出华南对流云在发展演变全过程的云雨水转换效率（微物理方案中非常重要）；评估并优化一个较适用于华南地区的对流云微物理参数化方案；在此基础上，提出暖区暴雨比锋面暴雨偏强的主要云物理机制；阐明云雨水转化、雪粒子增长、相变潜热等微物理过程在暴雨对流发展中的直接作用，探究其通过影响水汽、云水、温度而导致其它微物理过程改变的间接反馈作用。该成果有望成为揭示华南暴雨发展演变机理的一种新解释，并期待能推动前汛期暴雨定量降水预报能力的进一步提升。

华南暴雨过程是一个非常复杂的问题，而有关华南前汛期暴雨发生发展的云内微物理机制，迄今尚未有深入研究或阐明。本项目利用云降水综合探测资料（云雷达、偏振雷达、激光雨滴谱仪等）分析华南前汛期对流系统的云微物理特征，讨论不同发展阶段的云雨水转化、雨滴谱变化等。通过敏感试验，探究相变潜热与过饱和度的平衡调整及反馈机制，层状云-对流云之间的相互作用，云微物理过程对华南前汛期暴雨发生发展的影响机制。利用耦合CAMS云微物理方案的WRF模式，改进方案中与雪/霰有关的微物理过程。重要研究结果包括：华南前汛期极端小时强降水有逐年增加的趋势，上午时段的强降水与低层风切变相关，下午时段的强降水与大气的条件不稳定有关；首次定量给出了暖雨微物理过程对总降水的贡献，之前皆为定性结论且高估暖雨作用，当雷达组合反射率在25-35dBZ（层云向对流降水转变阶段），暖雨占比最低（中位数20-30%），在强降水阶段暖雨贡献稳步增加（中位数〜50％）；云系的相互影响在中尺度对流系统发展中起重要作用，减小周围层云区的水汽导致主对流明显减弱，而减小层云区的水凝物会使主对流稍有减弱，但当层云由积云层化而来并处于消散阶段，嵌入其中的对流单体反而可能增强；从小尺度视角来看，水汽凝结潜热导致了强烈的上升运动，即微物理是动力的主因，而非反之；强风速下传、低层垂直风切变的辐合及地面降水之间存在一致的对应关系。此外，项目提供了一个较适用于华南对流云降水的微物理参数化方案，并可应用于更高分辨率（几十米）的大涡模拟，探究更加精细的云微物理演变过程。这些结论对从云物理视角进一步理解MCS有重要的参考意义，并期望为华南前汛期暴雨的模拟能力提升提供依据。