【摘要】：熱帶氣旋是嚴(yán)重威脅我國(guó)的災(zāi)害性天氣系統(tǒng)之一。雖然高分辨數(shù)值模式已被廣泛地應(yīng)用于熱帶氣旋的預(yù)報(bào)和模擬研究中,但云物理過(guò)程參數(shù)化方案的不確定性仍會(huì)對(duì)熱帶氣旋的路徑、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)及降水產(chǎn)生較大的影響。目前廣泛使用的中尺度WRF(The Weather Research and Forecasting Model)模式中包含多種云微物理參數(shù)化方案,而各方案中的水成物生成、相態(tài)轉(zhuǎn)變及粒子尺度分布、下落速度等關(guān)鍵云參數(shù)設(shè)定一般是基于中緯度層狀云系、熱帶對(duì)流云或是中尺度對(duì)流系統(tǒng)的外場(chǎng)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,這些方案是否適用于熱帶氣旋的模擬和預(yù)報(bào),是一個(gè)亟待進(jìn)一步深入研究的問(wèn)題。本文首先對(duì)WRF模式中已有的云微物理方案進(jìn)行分類,選出lin、WSM6、WDM6、Thompson以及Morrison作為代表方案,使用考慮渦旋循環(huán)動(dòng)力初始化模塊的WRFV3.5模式對(duì)發(fā)生在2013年-2014年間登陸我國(guó)沿海的4個(gè)熱帶氣旋個(gè)例(1311號(hào)“尤特”、1319號(hào)“天兔”、1323號(hào)“菲特”以及1409號(hào)“威馬遜”)進(jìn)行模擬,對(duì)所選方案在多個(gè)例模擬中進(jìn)行評(píng)估。同時(shí),利用TRMM、MODIS衛(wèi)星數(shù)據(jù),地基雷達(dá)數(shù)據(jù)以及自動(dòng)站降水?dāng)?shù)據(jù),針對(duì)其中的“威馬遜”個(gè)例進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部水成物的時(shí)空分布,發(fā)展演變特征及與地面降水直接相關(guān)的核心微物理過(guò)程的研究,分析在“威馬遜”快速增強(qiáng)階段與相態(tài)演變相關(guān)的非絕熱冷卻效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)強(qiáng)度的可能影響。分析表明:WRF模式中已有的云微物理參數(shù)化方案在路徑模擬上的差異較小,特別在下墊面較為均一的洋面上。模擬的路徑差異多由云微物理過(guò)程對(duì)大尺度環(huán)境場(chǎng)的反饋效應(yīng)造成,短時(shí)間內(nèi)微物理過(guò)程的作用較小。云微物理方案雖不是決定熱帶氣旋移動(dòng)路徑預(yù)報(bào)的關(guān)鍵因素,但對(duì)不同個(gè)例模擬的影響(尤其是登陸點(diǎn)和登陸時(shí)間預(yù)報(bào))仍值得進(jìn)一步研究;不同云微物理方案對(duì)熱帶氣旋強(qiáng)度的模擬差異較大,對(duì)比24小時(shí)累計(jì)降水和不同等級(jí)降水的出現(xiàn)概率,Morrison方案作為完全雙參數(shù)方案在降水強(qiáng)度及分布上表現(xiàn)較好,TS評(píng)分較高,而WDM6方案則顯示出了弱降水出現(xiàn)概率偏低,強(qiáng)降水出現(xiàn)概率偏高的特征;進(jìn)一步對(duì)1409號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“威馬遜”內(nèi)部水成物的時(shí)空分布特征分析發(fā)現(xiàn),WSM6和WDM6方案由于使用了相同的冰相物的參數(shù)化方法,其在云冰、雪、霰的含量的垂向分布上差異較小,Morrison方案的云冰極大值位置偏高,且雪、霰同時(shí)達(dá)到極值,無(wú)法看出粒子間的轉(zhuǎn)換過(guò)程,Thompson的雪含量是其他方案的近2倍,且缺少云冰粒子。故在與MODIS的云頂溫度進(jìn)行對(duì)比時(shí),Morrison的云頂溫度偏低,Thompson的明顯偏高,這主要是由于模擬的云頂溫度是通過(guò)云冰所反演出的云頂高度決定的。與地基雷達(dá)數(shù)據(jù)對(duì)比,融化層以上,WSM6和WDM6方案的模擬結(jié)果近似,Thompson的高低空雷達(dá)回波趨于一致,Morrison則在12km及以上都還存在較大的雷達(dá)反射率,這主要與其中的固相粒子的尺度大小有關(guān);融化層以下,WDM6和lin方案模擬的主體反射率值偏大,WSM6和Morrison方案相似。由于方案中設(shè)定了不同的水成物大小閾值以及轉(zhuǎn)換表達(dá)式,故進(jìn)一步選取其中僅暖云參數(shù)化部分存在差異的WSM6和WDM6方案,來(lái)進(jìn)一步探討雨滴粒子的譜型特征及源匯項(xiàng)對(duì)最終雨水含量及垂直分布的貢獻(xiàn)。研究表明,兩方案使用了不同的雨滴譜型設(shè)置,導(dǎo)致了WDM6中的雨滴尺度大小和數(shù)濃度均高于WSM6方案;固態(tài)粒子融化以及云、雨滴的相互收集碰并和轉(zhuǎn)化是形成雨水的主要源項(xiàng),WDM6方案在該核心微物理參數(shù)化部分進(jìn)行了修改,使得模擬的云水向雨水的自動(dòng)轉(zhuǎn)化率以及雨水碰并云水率均高于WSM6方案,同時(shí)較大的雨滴數(shù)使得粒子總表面積增加,蒸發(fā)增強(qiáng),導(dǎo)致該方案模擬的雨水含量隨著高度的降低快速減小。同時(shí)固、液相粒子的相互轉(zhuǎn)化均伴隨著熱量的消耗,WDM6方案模擬的“威馬遜”外圍雨帶區(qū)域有強(qiáng)的冷卻效應(yīng),所伴隨的下沉運(yùn)動(dòng)是影響熱帶氣旋強(qiáng)度發(fā)展的可能熱動(dòng)力原因。將由胡志晉等發(fā)展起來(lái)的混合相雙參數(shù)云微物理方案CAMS耦合到WRFV3.6版本中,并與代表方案中較優(yōu)的WSM6單參數(shù)和Morrison雙參數(shù)云微物理方案,針對(duì)具有更多海上觀測(cè)資料的“天兔”個(gè)例進(jìn)行模擬,對(duì)CAMS方案的適用性做出評(píng)估。對(duì)比表明:CAMS方案與已有方案在宏觀物理量(路徑、強(qiáng)度、地表降水等)上的差異較小,但強(qiáng)降水出現(xiàn)的概率偏高,弱降水偏低,與WDM6的結(jié)果表現(xiàn)相似。TRMM的13.8GHz降雨雷達(dá)以及19GHz/85GHz微波輻射計(jì)直接觀測(cè)到的“天兔”三維雷達(dá)反射率和云頂亮溫?cái)?shù)據(jù)均指出,CAMS在水成物的時(shí)空分布上的表現(xiàn)優(yōu)于WSM6和Morrison方案,與實(shí)況值最為吻合。需要說(shuō)明的是,在海上資料匱乏的情況下,2A12的水成物廓線有一定的參考價(jià)值,但不可視作為真值�？傮w而言,CAMS雙參數(shù)方案對(duì)熱帶氣旋表現(xiàn)出了一定的模擬能力,但仍有待進(jìn)一步的修正,特別是在以雪、霰粒子為主的固相水成物的轉(zhuǎn)換參數(shù)化方面。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)氣象科學(xué)研究院
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：P444

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