强降水系统对辐射和冰云过程响应的模拟与定量分析研究

The development of torrential rainfall systems is intimately associated with radiative and cloud microphysical processes. The understanding of these physical processes is crucially important for the improvement of rainfall forecast as well as governmental decision making for preparation of floods caused by torrential rainfall. In this proposed study, numerical simulations and quantitative analysis are carried out to examine torrential rainfall responses to radiation and ice clouds. First, new laboratory results are used to improve parameterization scheme of depositional growth of ice crystal in moldeing of torrential rainfall events in China. Improved scheme will be used in this study. The sensitivity numerical experiments of torrential rainfall responses to radiation and ice clouds and quantitative analysis of rainfall intensity and maximum rainfall are then conducted to study the responsible physical processes. Quantitative analysis includes the analysis of surface rainfall, cloud microphysical, water vapor and heat budgets. The proposed study will lay down a solid foundation for the improvement of torrential rainfall forecast.

强降水系统发展和辐射及云微物理过程紧密相关。理解这些物理过程对降水预报的改进有重要意义，对提高政府对强降水可能造成的洪涝灾害应对决策能力有重要影响。本项目采用数值模拟手段和定量分析方法研究我国强降水系统对辐射和冰云的响应。首先，从我国典型强降水系统模拟入手，用最新的实验结果改进现有的冰云冻结增长参数化方案，把冰云改进方案应用于本项目研究的模式中。然后，进行降水对辐射和冰云响应的敏感性数值模拟和雨强及最大降水过程的定量分析,揭示决定辐射和冰云对雨强和最大降水变化影响的物理过程。定量分析包括地面降水、云微物理、水汽和热量分析。本项目研究为提高强降水数值预报能力提供扎实的基础。

每年春夏季我国沿海地区受到季风暴雨和台风暴雨引起的洪涝灾害的严重影响，人员经济倍受损失。如何正确预报暴雨强度和落区是气象业务预报单位的重要任务。暴雨预报依赖于数值模式，而如何深入理解暴雨过程和改进暴雨预报是大气科学的重要课题。本项目基于二维云模式和三维高分辨WRF模式对华南暴雨和登陆台风暴雨进行模拟，用模拟资料定量分析暴雨物理过程及对辐射和冰云的响应过程。进行敏感性试验结合地面降水收支及热量收支分析提出模拟华南前汛期强降水的最佳云微物理参数化方案为Krueger等1995年方案加上Westbrook与Heymsfield在2011年从Takahashi实验室资料中得到的参数。分析敏感性试验资料揭示云辐射与微物理过程对区域平均降水、雨强和降水覆盖率关系的影响。去除水云辐射效应在冰云辐射存在条件下主要通过与增强云凝物增长有关的对流降水覆盖率减少而减少对流降水与区域平均降水，而在没有冰云辐射存在条件下通过与净凝结增强有关的雨强增强而加大对流降水与区域平均降水。去除冰云辐射效应在水云辐射存在条件下主要通过与净凝结减弱有关的层状降水雨强的减小而减弱层状降水与区域平均降水，而在没有水云辐射存在条件下通过与净凝结增强有关的对流降水雨强的增强而造成对流降水与区域平均降水的增大。去除冰云微物理效应通过与云凝物损耗减弱有关的层状降水区域的减小而造成层状降水与区域平均降水的减弱。进行三维WRF模式进行台风“菲特”的敏感性试验，分析发现水云辐射的加入通过平流冷却的减小有关的净凝结的减弱造成降水的减少，冰云辐射的加入在水云辐射不存在条件下通过辐射冷却的减弱有关的净凝结的减少造成降水的减小，而在水云辐射存在条件下通过平流冷却的增强有关的净凝结的增大造成降水的增加。项目执行4年以来，共发表了论文37篇（其中SCI论文25篇）。出版英文专著一部。项目组成员先后4次参加了国际学术会议。培养博士生1人和硕士生3人。本项目研究结果对于深入理解和准确模拟暴雨物理过程及对辐射和冰云的响应过程有很大的帮助。