评估的影响,微观物理学的方案在对流和层状特征美玉降雨结合WRF模拟和现场活动的观察

文摘

粒子物理学参数化变得越来越重要,模型网格间距增加向convection-resolving鳞片。利用现场观测竞选美玉降雨在中国,四大部分云粒子物理学计划在天气的研究和预测(WRF)模型对模拟降水的能力进行评估,结构,和云微物理特性对流和层状的政权。这些是汤普森(THOM),莫里森霰/冰雹(MOR_G / H),石溪大学(SBU_YLIN), WRF double-moment six-class微观物理学霰/冰雹(WDM6_G / H)。所有方案都能够预测雨乐队但低估了总降水量的23% - -35%。这主要归因于层状降水的低估和高估的对流雨。垂直分布的雷达反射率,许多问题仍然存在,比如更低的反射率值在空中对流和层状区域和高反射率值在中间水平。每个散装方案都有其优点和缺点不同的云政权。总的来说,模型输出之间的差异和观察主要存在于中层到高层,这结果模型无法准确地代表了粒度分布,冰过程和风暴动力学。进一步观察主要领域活动和更详细的评价仍然是必要的。

1。介绍

粒子物理学的表示是大量重要的数值天气预报(NWP)模型,因为它控制潜在的加热和冷却的分布和冷凝影响动态加载1,2]。随着计算能力的增加和数值天气预报技术,更准确和详细的描述提出的云微物理过程和趋势已经对影响预后计算水汽凝结体类型和大小明确(3- - - - - -8]。然而,这些微观物理学的方案在不同类型的云有自己的优势和天气系统。广泛和详细的验证现有计划因此需要限制和减少不确定性对不同的云类型和地区。

明显差异模型和观测由先前的研究发现,如较小的层状区域覆盖、弱降水(9,10重,从对流降水区域(11在模拟风暴。最近的趋势在评估NWP模型是使用诸如卫星遥感数据集(12- - - - - -14),雷达(15,16,“(17,18]。这些积极的传感器可以评估云和降水的三维结构(19),特别是,模拟和观测反射率允许一个人更容易看到详细的中间和storm-scale结构预测finer-resolution NWP模型(20.,21]。

参数化微观物理学仍然是具有挑战性的,因为根本不确定性在底层的微物理过程,特别是对冰(15]。因此,更多的水汽凝结体变量需要被评估除了macrophysical数量累积降雨量和云一样覆盖在先前的研究评估。Johnson et al。22]使用偏振雷达观测到的变量来评估微观物理学方案在整体预测,他们发现一个冰雹如rimed-ice类别可能需要复制观察冰雹签名。Remillard et al。23)使用云雷达多普勒光谱评估层积云细雨大小分布在大涡模拟size-resolved粒子物理学。详细观察从现场活动可以反映宏观和微观物理学的特点也使用。Naeger et al。24)评估几大部分微观物理学的参数化结合从冷季降水观测实验的温暖额乐队。Taufour et al。25)使用机载原位测量和双极化雷达变量来评估一个two-moment方案。他们发现改善水汽现象表示,特别关注的描述粒度分布对不同水物种,是一个很好的方法来改善微观物理学的计划。

利用多源数据集从雷达和现场活动评估云微物理方案最近才开始在中国。地方恶劣天气活动的增加,需要更准确的天气信息日益重要特别是长江流域极端降水在美玉季节经常发生的地方。美玉是最重要的事件之一在东亚季风地区水文循环(26),产生大量的洪水灾害和重大的经济损失Yangtze-Huai河谷(27]。在梅雨季节,似稳前,称为美玉,形成和从中国东部延伸到日本南部28]。在任何给定的时间,美玉与前面的一个细长的云带,通常深对流云系的混合物和层状云(10]。不同的云微物理和热力学特性中观察到两个政权。在对流地区,冰是由底盘的增长,而在层状区域,沉积和聚合的主要机制(29日]。结果潜在的加热概要文件为两个地区有很大的不同(30.,31日]。

提供急需的数据源formation-dissipation过程的中尺度对流系统(MCS)在美玉季节,一场竞选资格”调查季风锋面降水实验(IMFRE) 2018”进行了从2018年6月10日到2018年7月10日在长江中游(MRYR)。本研究的目的是调查的影响大部分云粒子物理学方案不同的云模拟的政权(层状和对流云团)沿着美玉面前使用IMFRE观察2018。我们将检查差异进化,水平,垂直结构的MCS和确定不同的粒子物理学方案的优点和缺点美玉降雨。此外,云微物理特性从c波段双极化多普勒天气雷达(C-POL)也进行了评估。本文的其余部分组织如下。部分2。2描述了本研究中使用的数据集。的方法和描述案例研究介绍了部分2。中给出的结果和讨论部分3。最后,总结了本研究的主要发现4。

2。数据和方法

2.1。降水数据和再分析

降水产品(32),基于中国的自动气象站雨量计降水和气候预测中心变形技术(CMORPH)降水33),在这项研究中使用。这种产品有一个0.1°×0.1°每小时空间分辨率和时间分辨率。更重要的是,大规模的气流和热力学条件分析了美玉面前的每小时ERA-5再分析(34在均匀网格0.25°×0.25°,的最新第五代欧洲再分析由欧洲中期天气预报中心(ECMWF)。ERA-5平均值也被用作模型初始和侧边界条件。

2.2。数据集从野外活动

各种数据收集研究机制的MCS美玉季节IMFRE 2018场活动。MCS的三维结构和微观物理学的特性来衡量IMFRE提供关键的观察研究不同批量方案对云粒子物理学和降水的影响。红点(图1(一))代表了咸宁的野外活动,在对流系统可以很容易地启动和发展因为中尺度地形的影响,主要影响Mufu山咸宁的东南部。

在这项研究中使用的主要仪器包括中国新一代天气雷达(新一代)和C-POL。在研究区,有15 s波段操作多普勒雷达(黑圈图1(一))操作在10厘米波长和提供9独特的仰角扫描每6分钟)。反射率数据集进行了关键质量控制(35,36)和垂直网格水平3公里和0.5公里,试图做个比较模型模拟。C-POL位于咸宁站点(图中红点1(一));测量的规范C-POL如表所示1。雷达数据预处理的算法(37)提供水汽凝结体类别。算法包括修正系统偏差的反射率和微分反射率,抑制地杂波和异常回声,过滤微分相移。

2.3。模型设置和实验设计

调查的影响,微观物理学的方案在对流和层状特征美玉风暴面前,几个数值实验进行研究和天气预报(WRF版本3.6.1)模型,nonhydrostatic、可压缩、三维大气模型。模拟域由560年到530年水平分辨率的网格(图3公里1 (b))。从表面到50-hPa有50层。所有模拟开始在UTC时间0600年6月29日和30小时运行。和模型输出12-min间隔得救了。

摘要四大部分微观物理学的方案在WRF测试,调查他们的表现在模拟的结构和演化mcs和云粒子物理学,重点是convective-stratiform降水过程。计划是汤普森(THOM)方案6),莫里森霰/冰雹(MOR_G / H)计划(7),石溪大学微观物理学方案(SBU-YLIN) [38),WRF double-moment six-class微观物理学(WDM6)霰/冰雹(WDM6_G / H)计划(8]。每个方案简要描述表2。其他物理参数化方案包括延世大学(YSU)行星边界层(PBL)方案39),大气环流模型的快速辐射传输模型(RRTMG)方案长波辐射计算(40),戈达德短波方案短波辐射计算(41),和诺亚地表方案42]。

2.4。Convective-Stratiform分区算法

为了分析convective-stratiform降水过程美玉风暴面前,分区算法,基于Steiner et al。43),被用来分离地区的对流和层状区域为每个合成雷达体积。几个输入参数分区方案的调整以适应观测场景,因为热带对流的计划最初开发(44]。划分算法是基于3公里水平雷达反射率梯度,这是一个背景超过技术使用低级的2 d水平反射率字段(45]。该算法有三个步骤。首先,任何网格点反射率大于43 dBZ分为对流,根据Z-R关系在情理之中44]。其次,在每个雷达反射率网格相比,其背景强度,计算使用的线性平均反射率11公里半径以网格为中心。任何网格点超过其背景反射率intensity-dependent值分为对流。最后,为每个网格点分为对流通过两个测试,一个intensity-dependent影响半径是用来分配一个点附近区域的对流。其余的回声,超过10 dBZ被归类为层状。

该算法也适用于WRF-simulated雷达反射率,模型在同一指标的观察结果进行评估。WRF-simulated雷达反射率计算假设史密斯方法后的瑞利散射(45),使用指定的或预测的大小分布和粒子密度参数符合每一个计划。

3所示。结果与讨论

在本节中,模拟降雨的以上四个微观物理学的方案评估不同云之间的政权,MCS的水平和垂直结构,和云微物理特性,确定他们的优点和缺点美玉MRYR降雨。

3.1。例描述

IMFRE场竞选期间2018年,美玉MRYR面前风暴开始,持续了大约19小时从1800 UTC 6月29日到1200年6月30日UTC。大型气象条件源自ERA-5再分析在0000 UTC呈现在图6月30日2。领域的气流在700 - hpa的特点是面向northeast-southwest切变线形成于29 - 30°N(绿线在图2(一个))。南的切变线,有一个温暖和潮湿的西南低空急流(LLJ)扩展从南海到江淮流域。大850 - hpa pseudo-equivalent潜在温度梯度,这通常被称为美玉前面的位置,也是30°N附近。这些大规模的气候条件是美玉暴雨前的典型特征。

图3描述了美玉的生命周期前通过每小时暴雨雷达反射率在3公里从0000年到0800年UTC 6月30日,2018年。在发展阶段(1800 UTC - 0200 UTC 6月30日)6月29日,两个小mcs沿着面向northwest-southeast切变线向东移动时形成和加强。在成熟阶段(0300 - 0600年6月30日UTC),这两个mcs合并成一个对流系统,保持112至114°E。0600 UTC 6月30日之后,mcs减弱并逐渐消散,而层状地区仍很广泛的,直到0800年6月30日UTC。

沿着美玉mcs发生前,导致温和降水在湖北省中部与面向northwest-southeast乐队和雨雨中心超过100毫米毗邻咸宁站点(图4(一))。如图5UTC,降水主要发生在0000 - 1200年6月30日降水和峰值发生在0400 - 0600年6月30日UTC。

3.2。评价Convective-Stratiform降水

尽管次要位置错误的降雨与观察,所有模拟了面向northwest-southeast雨乐队(图的分布4)。汤普森计划(图4 (b)比75毫米)模拟降水中心啤酒有点西北与一个更大的范围,15-50毫米中心是小于观察(图4(一)莫里森(图),所以做4 (c)(图)和SBU-YLIN方案4 (d))。雨范围小于15毫米模拟的前三个方案(汤普森,莫里森和SBU-YLIN计划)靠近观察。相比之下,沉重的降水的位置(超过50毫米)模拟WDM6_G / H的计划(图4 (e))比观察散落着一个更大的范围,而雨范围小于15毫米小于观察。定量评估模拟降水,图5显示表面每小时降雨率的时间序列的观测和WRF模拟4微观物理学方案。如图所示,模拟曲线的趋势接近观察但所有计划低估总平均降水的23% - -35%。总从WDM6_G降水值/ H,托姆,MOR_G / H计划更接近观测SBU-YLIN方案。

为了评估WRF-simulated MCS结构的对流和层状区域,施泰纳等使用的分类算法。43)已经应用于雷达观测和WRF模拟。图6显示平均每小时降雨率对流和层状区域从观测和WRF模拟。与平均观察对流雨率(4.43毫米/小时),前三个模拟(数字6 (b)- - - - - -6 (d))高估了对流降水率从4.57毫米/小时的托姆计划5.43毫米/小时MOR_G / h。我们还发现,前三个方案模拟层状降水低于观察(2.19毫米/小时)。结果,对流和层状降水的比例远远高于观察,尤其是MOR_G / H和SBU-YLIN方案。大部分计划低估了层状降水和高估了对流雨除了WDM6_G / H计划,并产生更多的层状降水。

3.3。水平和垂直结构的美玉暴雨面前

评估的水平分布模拟MCS, 3公里雷达反射率(泽,dBZ)发展(0100 UTC)、成熟(0400 UTC),驱散(0700 UTC)阶段呈现在图7。托姆,MOR_G / H, SBU-YLIN计划捕获两个小mcs在发展中阶段,虽然mcs西北位置有点比观察。在成熟阶段,这两个模拟mcs合并成一个就像雷达观测,但有一个时间延迟的三个方案。模拟中心与大泽(泽> 40 dBZ)也零星WDM6_G / H的计划。在耗散阶段,WDM6_G / H模拟强于其他人的观察和观测。图8显示了泽频率在3公里海拔的比较进一步观察和模拟检查泽的水平分布。观察相比,所有计划大大低估了出现频率较低的泽(0 <泽< 10 dBZ)但高估的发生频率更高的泽(泽> 20 dBZ)。除了WDM6_G / H,其它方案也高估的频率中泽(10 <泽< 20 dBZ)。一般来说,所有计划低估低泽但高估的发生频率的频率更高的泽,特别是对于WDM6_G / H方案。

我们进一步研究了MCS的垂直结构之间的观测和模拟。泽表示的横截面图中黑线7选择研究垂直结构的演变(图9)。它可以发现大的反射率(泽> 40 dBZ)在深对流核从雷达在发展中阶段扩展到约6公里。模拟的深对流核接近观察除了MOR_G / H与反射率大计划扩展到约9公里。在成熟阶段,深对流核的托姆和WDM6_G / H计划扩展到几乎相同的距离约12公里,发生在雷达观测。然而,所有模拟低估雷达反射率在第四层状区域的高度公里mcs的整个生命周期。

波状外形的频率由高度图(CFADs)的反射率图所示10从雷达观测和WRF模拟层状和对流云,是产生于反射率体积12-min间隔从03年到05年UTC时间2018年6月30日。这段时间正好对应MCS的成熟阶段。差异之间的反射率分布特征模拟和观测是显而易见的。层状云的模拟最大频率的下级泽(SBU-YLIN除外)远远小于观测,这是坐落在25 - 30 dBZ和10 dBZ。6公里附近,观察到的最大频率的泽坐落在20 - 30 dBZ高度增大而减小。托姆和MOR_G / H方案的模拟接近这个观察。模拟泽(泽> 10 dBZ)频率从所有计划在上层水平(10 - 14公里)小于观测。对流云,观察到的最大频率泽在中低水平(0 - 6公里)坐落在35 - 40 dBZ,托姆的模拟和SBU-YLIN一样观察。泽的模拟频率约30 - 50 dBZ MOR_G / H方案比其他方案。模拟泽约20 - 35 dBZ 6公里以上的频率远远弱于观察。 This kind of vertical distributions of the simulations may cause the simulated MCS to be lower than the observed.

3.4。微观物理学的水文气象的属性

在这篇文章中,模糊逻辑,C-POL水汽现象分类算法后多兰的方法等。46)是用来执行美玉降水的水汽现象分类。五种水汽现象类型被确定为IC =冰晶,GA =霰,DS =干雪,WS =湿雪和RN =雨。水汽凝结体的垂直截面分类源自C-POL 284.0°方位0925是2018年6月30日和WRF模拟在同一位置如图11。由于C-POL有限数据集在这个领域活动,不同摘要的分布频率在这项研究没有显示。

中间和上部区域(6公里)以上的截面C-POL特点是干雪和地区的冰晶体。霰的地区集中在高度从4到8公里,然后过渡到雨滴。雨粒子的垂直分布,模拟都是靠近观察,尽管SBU-YLIN方案模拟林分高雨比观察。四个模拟垂直分布的雪也类似于观察。然而,有许多差异发现冰霰和垂直分布。托姆计划模拟几乎相同的垂直霰分布观察,但是更少的冰粒子。霰MOR_G / H方案模拟比观察。MOR_G / H和WDM6_G / H方案模拟更多的霰和冰比观察。因为SBU-YLIN方案不区分霰和雪,积雪分布如图11。总的来说,模型输出之间的差异和观察中存在中层到高层(6公里)以上,结果从模型无法准确地代表粒径分布、冰过程和风暴动力学。

类似的方法分析云和降水,水汽凝结体混合比的层状和对流云计算在同一研究领域。图12显示时间和domain-averaged水汽凝结体混合比垂直剖面的层状和对流区域不同微观物理学的计划。我们可以清楚地发现一个共同的特性在不同的方案:少云和雨分布在层状区域比对流区域。与此同时,有更多的雪和冰粒子分布在层状云区域比对流区域,和更少的霰在层状云比对流地区的政权。这些特征表明,convective-stratiform分区算法在本文中是合理的。与其他三个方案相比,WDM6_G / H方案产生更少的云在云区域和层状地区更多的雨。在对流地区,更多的雨粒子还发现2公里以上WDM6_G / H方案。这表明大量autoconversion云水雨WDM6_G / H方案比其他方案。表3显示垂直集成的混合比的云,雨,和液相水文气象冰的总和,在层状和对流区域雪、霰。ice-phased粒子WDM6_G / H方案更比其他方案特别是对雪粒子在云的政权。这就是因为最小的最大垂直气流速度对流WDM6_G / H方案的政权,云,雨粒子不能带到上层空气(图13)。托姆和SBU-YLIN方案模拟冰但更多的雪比其他方案,导致温和的液相粒子的混合比。MOR_G / H方案最液相粒子模拟对流区域,对应于最高的雷达反射率在0 - 6公里,最强的最大垂直速度对流区域,而液相粒子的混合比在层状区域显示了一个温和的水平,这是符合低估了反射率高于6公里。

4所示。结论

基于多源数据集从IMFRE 2018年,四个大部分云粒子物理学计划在WRF模式进行评估的能力模拟对流和层状降水,结构,和云微物理特性的美玉暴雨面前。本研究的结果可以概括如下。

尽管次要位置错误的累积降雨量与观察,所有模拟了面向northwest-southeast雨乐队的分布。然而,四个方案低估总降水量的23% - -35%,这主要是由于层状降水的低估。MOR_G / H,我们还发现,托姆和SBU-YLIN方案低估了层状降水和高估了对流雨,虽然WDM6_G / H方案产生对流降水比观察。

托姆,MOR_G / H, SBU-YLIN计划能够成功捕捉mcs的进化水平在整个生命周期中,但是有一个时间延迟约1 - 2小时。对于雷达反射率的垂直分布,较大的反射率(> 40 dBZ)在深对流核从雷达在发展中阶段扩展到约6公里。模拟的深对流核接近观察除了MOR_G / H与反射率大计划延长约9公里。在成熟阶段,深对流核的托姆和WDM6_G / H计划扩展到几乎相同的距离约12公里,发生在雷达观测。然而,所有模拟低估雷达反射率在第四层状区域的高度公里mcs的整个生命周期。

模拟和观测结果之间的差异在垂直分布特征形成反射率的CFADs很明显。对于层状云,所有模拟雷达反射率值在上层水平(8 - 14公里)小于观测。对流云,观察到的最大概率在中低水平(0 - 6公里)坐落在35 - 40 dBZ,托姆的模拟和SBU-YLIN一样观察。模拟雷达反射率MOR_G / H比其他方案。的模拟反射率高于6公里远弱于观察。

所有方案都能够模拟井雨分布在低水平和雪6公里以上。然而,有许多差异霰和冰垂直分布的模拟和观测。托姆和SBU-YLIN方案模拟冰但更多的雪比其它方案,导致温和的液相粒子的混合比。MOR_G / H方案最液相粒子模拟对流区域,对应于最强的最大垂直速度对流区域,而液相粒子在层状地区显示适度,这是符合低估了反射率高于6公里。WDM6_G ice-phased粒子/ H计划小于其他方案特别是对雪粒子在云的政权。

总之,每个批量计划评估研究中都有其优点和缺点不同的云政权。总的来说,模型输出之间的差异和观察主要存在于中层到高层,这可能是由模型无法准确地代表了粒度分布,冰过程和风暴动力学。因此,更详细的微观物理学方案,如更高的时刻计划或复杂的计划更能描述液相粒子的相互作用,可能需要正确代表这些评估功能。

值得注意的是,由于有限的美玉暴雨情况下IMFRE观察到面前,美玉降雨的微观物理学的特点将继续观察和研究了在以后的阶段。进一步观察主要领域活动和模拟仍然是必要的。同时,造成的错误数值的非线性方法灵敏度测试,首字母的不确定性模型,并模拟模型的能力有限(例如,积云、地表或辐射方案)所有对仿真结果有一定的影响。

数据可用性

ERA-5数据是可用的https://www.ecmwf.int/en/forecasts/datasets/reanalysis-datasets/era5。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

作者要感谢中国气象局提供每小时降水数据。这项研究是由中国国家重点研发项目(2018 yfc1507200)和中国国家自然科学基金资助下41620104009,41830965,41705034。

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