周悅,周月華,牛生杰,呂晶晶

(1.武漢區(qū)域氣候中心,湖北 武漢 430074;2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044)

云中積冰過(guò)程微物理參量演變規(guī)律的數(shù)值模擬

周悅1,2,3,周月華1,牛生杰2,3,呂晶晶2,3

(1.武漢區(qū)域氣候中心,湖北 武漢 430074;2.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院,江蘇 南京 210044;3.氣象災(zāi)害教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(南京信息工程大學(xué)),江蘇 南京 210044)

利用耦合Thompson參數(shù)化物理方案的WRF(weather research and forecasting)中尺度數(shù)值模式,對(duì)發(fā)生在2008/2009年和2009/2010年冬季恩施雷達(dá)站處三次積冰過(guò)程的邊界層特征和云霧微物理量進(jìn)行了模擬,并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。模擬結(jié)果較好地反映了恩施雷達(dá)站上空多逆溫影響的溫度層結(jié)特征;云水質(zhì)量濃度和云霧滴中值體積直徑的模擬值與觀測(cè)值的平均絕對(duì)誤差分別為10-2g·m-3和3.8 μm;恩施雷達(dá)站上空存在一個(gè)質(zhì)量濃度為0.3 g·m-3左右的高值中心,其逐漸下移接地,給積冰過(guò)程帶來(lái)充足水汽,且此時(shí)通常也有降雨出現(xiàn)。

云中積冰;WRF模式;中尺度數(shù)值模擬;液水含量;中值體積直徑

0 引言

云中積冰出現(xiàn)在氣溫低于0 ℃,周?chē)酁檫^(guò)冷云霧覆蓋的環(huán)境中。高海拔山區(qū),云底的高度易低于山頂?shù)暮０胃叨?從而使得山頂處于云霧覆蓋,導(dǎo)致云中積冰的發(fā)生。同時(shí),山區(qū)常伴隨著大風(fēng)天氣,強(qiáng)風(fēng)導(dǎo)致暴露在其中物體表面的積冰量明顯增加,從而給輸電線(xiàn)路(黃強(qiáng)等,2005;Thorkildson et al.,2009;江志紅等,2010;廖玉芳和段麗潔,2010)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)(Frohboese and Anders,2007)、通訊塔(Mulherin,1998)、滑雪纜車(chē)(Makkonen et al.,2001)和盤(pán)山公路(呂晶晶等,2013)等山區(qū)的建筑造成巨大的破壞,進(jìn)而導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。

由于長(zhǎng)時(shí)間序列并且質(zhì)量可靠的云中積冰觀測(cè)數(shù)據(jù)較少,因此無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估積冰發(fā)生過(guò)程的氣候?qū)W特征。然而,對(duì)于電力、能源等部門(mén)而言,該類(lèi)數(shù)據(jù)能夠?yàn)槠湓O(shè)計(jì)桿塔、輸電線(xiàn)路的抗冰能力和調(diào)整風(fēng)力發(fā)電機(jī)的開(kāi)機(jī)時(shí)間等提供依據(jù)。因此,通過(guò)模式模擬的方式來(lái)估算云中積冰的強(qiáng)度、持續(xù)時(shí)間和發(fā)生頻率等信息受到了學(xué)者們的關(guān)注。

許多學(xué)者通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)和理論物理模型來(lái)計(jì)算過(guò)冷水滴如何碰凍到物體表面,進(jìn)一步得到碰撞率、捕獲率和凍結(jié)率的大小(Farzaneh,2008)。Makkonen(1984,2000)基于這些成果進(jìn)一步建立了電線(xiàn)積冰模型,用于估算積冰厚度、積冰密度等的大小,與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,取得了較好的模擬結(jié)果,并應(yīng)用于北歐很多氣象和電力部門(mén)。盡管這些模型能夠較好地模擬積冰的全過(guò)程,但可靠的輸入數(shù)據(jù)是得到準(zhǔn)確結(jié)果的前提條件,由于山區(qū)的地勢(shì)陡峭、觀測(cè)條件惡劣,無(wú)法進(jìn)行大范圍的外場(chǎng)觀測(cè)研究;同時(shí),影響電線(xiàn)積冰的兩個(gè)主要因子:云霧的液水含量(CLW)和中值體積直徑(DMV),需要較昂貴的儀器進(jìn)行觀測(cè),更加無(wú)法在山區(qū)大范圍布點(diǎn),這就對(duì)如何獲得可靠的CLW和DMV提出了要求。云霧的液水含量主要用于計(jì)算對(duì)積冰增長(zhǎng)起直接貢獻(xiàn)的過(guò)冷水質(zhì)量通量的大小,主要通過(guò)云霧滴數(shù)濃度的粒徑分布得到:

(1)

其中:ρw是水的密度;D是云霧滴的直徑;N(D)為云霧滴的粒徑分布。粒徑的分布情況會(huì)直接影響液滴與物體間碰撞率和捕獲率的大小,Finstad et al.(1998)指出通過(guò)計(jì)算中值體積直徑大小的液滴與物體的碰并效率能夠很好的代表整個(gè)滴譜分布的液滴與物體碰并效率的大小。中值體積直徑的計(jì)算方法如下:

(2)

對(duì)云霧微物理量CLW和DMV的直接觀測(cè)研究相對(duì)較少(羅寧等,2008;賈然等,2010),學(xué)者們主要通過(guò)氣象要素來(lái)估算它們的大小(Sundin and Makkonen,1998;Drage and Hauge,2008;Thorkildson et al.,2009;Zhou et al.,2012),然而,僅僅通過(guò)氣象要素和經(jīng)驗(yàn)公式是無(wú)法獲得具有較高時(shí)空分辨率和可靠性的數(shù)據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提高,中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式能夠在考慮地表特征和地形地勢(shì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,結(jié)合更加全面的物理過(guò)程參數(shù)化方案,給出高時(shí)空分辨率的模擬結(jié)果。Drage and Hauge(2008)使用中尺度模式MM5對(duì)挪威的一次積冰過(guò)程進(jìn)行了模擬,積冰量的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值基本一致,但其沒(méi)有對(duì)CLW和DMV進(jìn)行觀測(cè),僅通過(guò)氣象要素計(jì)算得到,無(wú)法準(zhǔn)確地校正模擬結(jié)果。

本文在對(duì)恩施雷達(dá)站(109°16′E、30°17′N(xiāo),海拔1 722 m)積冰過(guò)程中云霧CLW和DMV等微物理量進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)并收集恩施探空站(109°28′E、30°17′N(xiāo),海拔458 m)積冰期間08時(shí)和20時(shí)(北京時(shí)間,下同)探空數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,使用新一代中尺度非靜力預(yù)報(bào)模式WRF(weather research and forecasting)模擬積冰發(fā)生期間云霧微物理量的變化特征,并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析,以期為使用中尺度模式模擬積冰過(guò)程提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)及模式介紹

1.1 數(shù)據(jù)介紹

2008/2009年和2009/2010年冬季在位于湖北省西南部石板嶺山頂?shù)亩魇├走_(dá)站,使用美國(guó)Droplet Measurement Technologies公司生產(chǎn)的FM-100型激光前向散射霧滴譜儀對(duì)過(guò)冷云霧的微物理特征進(jìn)行觀測(cè),其采樣頻率為1 Hz,粒徑范圍2～50 μm。下文的分析中,使用1 h平均的CLW和DMV觀測(cè)值與模式結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。共觀測(cè)到4次積冰過(guò)程,其基本特征見(jiàn)文獻(xiàn)(Niu et al.,2012),其中2009年2月15日開(kāi)始的積冰是以雨凇型積冰為主,氣溫在0 ℃上下波動(dòng);而其他3次積冰過(guò)程都是以雨霧混合凇為主,氣溫維持在0 ℃以下,最低氣溫在-5 ℃左右,雷達(dá)站長(zhǎng)時(shí)間被過(guò)冷霧覆蓋,并伴有間歇性的降水。恩施探空站距雷達(dá)站約19 km,由于距離較近,所以認(rèn)為其08時(shí)和20時(shí)探空數(shù)據(jù)中雷達(dá)站高度(約830 hPa)以上的溫度廓線(xiàn)能代表恩施雷達(dá)站上空的特點(diǎn)。

1.2 模擬方案設(shè)計(jì)與參數(shù)選取

采用WRF v3.2.1模式和NCEP/NCAR時(shí)間分辨率6 h的1°×1°全球分析資料,以(109°16′E,30°17′N(xiāo))為中心,對(duì)3次積冰過(guò)程中各水成物的質(zhì)量濃度和云霧滴的中值體積直徑進(jìn)行模擬。模式采用三重雙向嵌套,網(wǎng)格格距分別為9 km、3 km和1 km,網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)分別是120×100、184×166和250×241,垂直方向?yàn)棣业匦胃S坐標(biāo),分40層,模式頂高度為50 hPa,地形數(shù)據(jù)分別為美國(guó)地質(zhì)勘探局的全球2 m和30 s地形數(shù)據(jù)。模式區(qū)域如圖1所示。三個(gè)區(qū)域采用同樣的方案,RRTM長(zhǎng)波輻射方案,Dudhia短波輻射方案,YSU邊界層方案,Monin-Obukhov近地面層方案,熱量擴(kuò)散陸面過(guò)程方案,最外層采用了Kain-Fritsch積云對(duì)流參數(shù)化方案,第二、三層嵌套沒(méi)有采用積云對(duì)流參數(shù)化方案。

圖1 模擬區(qū)域Fig.1 Simulation domains

云微物理參數(shù)化方案采用Thompson參數(shù)化方案。Thompson參數(shù)化方案中考慮了5種水成物,分別為云水、云冰、雨、雪和霰,方案能預(yù)報(bào)出這5種水成物的質(zhì)量濃度,并給出云冰和雨的數(shù)濃度大小,該方案最初的設(shè)計(jì)意圖是為了提高飛機(jī)積冰預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率,因此其對(duì)云中混合相態(tài)過(guò)程進(jìn)行了更多地描述(Thompson et al.,2008)。相比其他參數(shù)化方案,Thompsom方案能夠更好地應(yīng)用在積冰期間水成物質(zhì)量濃度和云霧滴中值體積直徑的模擬中。

2 溫度廓線(xiàn)特征

采用上述的參數(shù)化方案對(duì)3次積冰過(guò)程的氣象要素和微物理特征量進(jìn)行模擬,模擬結(jié)果的時(shí)間分辨率為1 h。在對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析前,應(yīng)該先判斷模式是否基本抓住了天氣形勢(shì)的特征,尤其是溫度廓線(xiàn)的特點(diǎn),這是微物理特征量模擬結(jié)果可靠的基礎(chǔ)。

由于恩施雷達(dá)站處沒(méi)有探空觀測(cè),所以使用距其約19 km的恩施探空站每日08時(shí)和20時(shí)的探空數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,圖2為3次積冰過(guò)程不同時(shí)刻的溫度廓線(xiàn)。

圖2a給出了2009年2月15日開(kāi)始的積冰過(guò)程中3個(gè)時(shí)刻的溫度廓線(xiàn)特征。此次積冰過(guò)程中高空常出現(xiàn)逆溫,模式結(jié)果較準(zhǔn)確地模擬出了逆溫出現(xiàn)的高度和強(qiáng)度,如:2月16日20時(shí)的溫度廓線(xiàn)明顯給出了雷達(dá)站上空的逆溫層;2月18日08時(shí)的溫度廓線(xiàn)更進(jìn)一步模擬出了“冷—暖—冷”的凍雨層結(jié)特點(diǎn)。2月20日08時(shí),積冰過(guò)程基本結(jié)束,雷達(dá)站受穩(wěn)定的冷氣團(tuán)控制,逆溫層消失。盡管溫度廓線(xiàn)模擬值與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律基本類(lèi)似,但是各層溫度的模擬值要明顯高于實(shí)測(cè)值,尤其是雷達(dá)站高度附近更加明顯。這可能是由于此次積冰過(guò)程較弱,02時(shí)和08時(shí)的氣溫低于0 ℃,積冰生成,14時(shí)和20時(shí)的氣溫高于0 ℃,積冰脫落,氣溫不斷地在0 ℃上下浮動(dòng),天氣特征不穩(wěn)定,從而使得模擬出的氣溫略高。溫度廓線(xiàn)模擬值的平均絕對(duì)誤差為1.8 ℃。

圖2b給出了2009年2月25日開(kāi)始的積冰過(guò)程中4個(gè)時(shí)刻的溫度廓線(xiàn)特征。此次積冰過(guò)程中高空常出現(xiàn)逆溫,并且經(jīng)歷了近地面氣溫高于0 ℃且有逆溫、整層氣溫小于0 ℃且有逆溫、有逆溫但暖層時(shí)有時(shí)無(wú)和無(wú)暖層且無(wú)逆溫4種溫度層結(jié),模式結(jié)果較準(zhǔn)確地模擬出了4種溫度層結(jié)出現(xiàn)的時(shí)間以及逆溫出現(xiàn)的高度和強(qiáng)度,如:2月25日08時(shí)積冰還未發(fā)生,近地面氣溫高于0 ℃,但雷達(dá)站上空已開(kāi)始出現(xiàn)逆溫層;2月27日至3月2日08時(shí)的溫度廓線(xiàn)如圖模擬所示,有逆溫存在,但整層氣溫低于0 ℃,恩施雷達(dá)站處氣溫較低,出現(xiàn)多次降雪過(guò)程,最后一次持續(xù)到2日16:20結(jié)束;3月2日20時(shí)至4日20時(shí),恩施雷達(dá)站處氣溫回升,上空逆溫一直存在,但是暖層的出現(xiàn)沒(méi)有固定規(guī)律,有時(shí)存在有時(shí)消失;3月5日08時(shí),積冰過(guò)程基本結(jié)束,氣溫隨高度基本呈線(xiàn)性遞減規(guī)律,無(wú)暖層出現(xiàn)。此次積冰過(guò)程持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng),天氣形勢(shì)變化較穩(wěn)定且有規(guī)律,這使得溫度廓線(xiàn)的模擬效果較好,與實(shí)測(cè)值的變化規(guī)律基本一致,但溫度的模擬值要略高于實(shí)測(cè)值,尤其是雷達(dá)站高度附近。溫度廓線(xiàn)模擬值的平均絕對(duì)誤差為1.2 ℃。

圖2 積冰過(guò)程不同時(shí)刻溫度廓線(xiàn)的模擬值 a.2009年2月15日開(kāi)始的積冰過(guò)程;b.2009年2月25日開(kāi)始的積冰過(guò)程;c.2010年1月9日開(kāi)始的積冰過(guò)程Fig.2 Simulated temperature profiles at different time in the icing events a.the icing event beginning on 15 February 2009;b.the icing event beginning on 25 February 2009;c.the icing event beginning on 9 January 2010

圖2c給出了2010年1月9日開(kāi)始的積冰過(guò)程中3個(gè)時(shí)刻的溫度廓線(xiàn)特征。此次積冰過(guò)程中溫度廓線(xiàn)基本維持在0 ℃以下,且沒(méi)有出現(xiàn)“冷—暖—冷”的凍雨溫度層結(jié)特征,高空僅有強(qiáng)度較弱的逆溫層存在,盡管模擬的氣溫要高于觀測(cè)值,但能較準(zhǔn)確地給出高空弱的逆溫層和恩施雷達(dá)站所處的溫度區(qū)間,說(shuō)明模擬結(jié)果抓住了當(dāng)時(shí)的天氣特點(diǎn)。1月9日08時(shí)恩施雷達(dá)站處于正溫度區(qū),且位于弱逆溫層的底部,20時(shí)氣溫已經(jīng)降低到0 ℃以下,逆溫層抬升,恩施雷達(dá)站不再受逆溫層的影響;1月11日08時(shí)恩施雷達(dá)站處的氣溫更低,上空的溫度廓線(xiàn)斜率更小,此時(shí)處于積冰的維持期,這與觀測(cè)結(jié)果完全一致。溫度廓線(xiàn)模擬值的平均絕對(duì)誤差為0.7 ℃。

3 微物理量場(chǎng)分析

圖3—5分別給出了3次積冰過(guò)程中模擬出的恩施雷達(dá)站到6 km處云水、雨水、冰雪、霰的質(zhì)量濃度和氣溫隨時(shí)間的演變。圖3給出2009年2月15日20時(shí)—20日20時(shí)的積冰過(guò)程,可以看出,15—18日每天出現(xiàn)少量降雨,19日由于整層邊界層的溫度都低于0 ℃,出現(xiàn)了降雪,模式結(jié)果較好地模擬出了這一觀測(cè)事實(shí),這與孟蕾(2010)的分析一致。模式對(duì)降水情況的較好模擬,將對(duì)積冰量的估算起到重要作用。模式結(jié)果對(duì)云水質(zhì)量濃度的模擬也較好地反映了實(shí)際情況,尤其是在19日04時(shí)左右出現(xiàn)的質(zhì)量濃度峰值,出現(xiàn)的降水主要為凍毛毛雨,其通常是由觀測(cè)點(diǎn)上空的云滴碰并產(chǎn)生的(Huffnan and Noman,1998;Ikeda et al.,2007),當(dāng)降水出現(xiàn)時(shí),雷達(dá)站上空基本都出現(xiàn)了一個(gè)云水質(zhì)量濃度大于0.3 g·m-3的高值中心,為電線(xiàn)積冰的增長(zhǎng)提供了有利條件。

圖3 2009年2月15日20時(shí)—20日20時(shí)恩施雷達(dá)站處各水成物質(zhì)量濃度和氣溫的變化規(guī)律 a.各水成物質(zhì)量濃度和氣溫的高度—時(shí)間剖面(陰影部分代表云水、紅色等值線(xiàn)代表雨水、黃色等值線(xiàn)代表云冰和雪、紫色等值線(xiàn)代表霰,單位:g·m-3;黑色等值線(xiàn)代表氣溫,單位:℃);b.各水成物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化(單位:g·m-3)Fig.3 The variations of all hydrometeor species and air temperature at Enshi radar station from 20:00 BST 15 February to 20:00 BST 20 February 2009 a.height-time cross section of mass concentrations and temperature of all hydrometeor species (shaded areas denote cloud water;red contour lines denote rain;yellow contour lines denote cloud ice and snow;purple contour lines denote graupel(g·m-3);black contour lines denote temperature(℃));b.time variations of all hydrometeor species mass concentration(g·m-3)

圖4 2009年2月25日08時(shí)—3月4日20時(shí)恩施雷達(dá)站處各水成物質(zhì)量濃度和氣溫的變化規(guī)律 a.各水成物質(zhì)量濃度和氣溫的高度—時(shí)間剖面(陰影部分代表云水、紅色等值線(xiàn)代表雨水、黃色等值線(xiàn)代表云冰和雪、紫色等值線(xiàn)代表霰,單位:g·m-3;黑色等值線(xiàn)代表氣溫,單位:℃);b.各水成物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化(單位:g·m-3)Fig.4 The variations of all hydrometeor species and air temperature at Enshi radar station from 08:00 BST 25 February to 20:00 BST 4 March 2009 a.height-time cross section of mass concentrations and temperature of all hydrometeor species (shaded areas denote cloud water;red contour lines denote rain;yellow contour lines denote cloud ice and snow;purple contour lines denote graupel(g·m-3);black contour lines denote temperature(℃));b.time variations of all hydrometeor species mass concentration(g·m-3)

圖5 2010年1月9日08時(shí)—11日08時(shí)恩施雷達(dá)站處各水成物質(zhì)量濃度和氣溫的變化規(guī)律 a.各水成物質(zhì)量濃度和氣溫的高度—時(shí)間剖面(陰影部分代表云水、紅色等值線(xiàn)代表雨水、黃色等值線(xiàn)代表云冰和雪、紫色等值線(xiàn)代表霰,單位:g·m-3;黑色等值線(xiàn)代表氣溫,單位:℃);b.各水成物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化(單位:g·m-3)Fig.5 The variations of all hydrometeor species and air temperature at Enshi radar station from 08:00 BST 9 January to 08:00 BST 11 January 2010 a.height-time cross section of mass concentrations and temperature of all hydrometeor species (shaded areas denote cloud water;red contour lines denote rain;yellow contour lines denote cloud ice and snow;purple contour lines denote graupel(g·m-3);black contour lines denote temperature(℃));b.time variations of all hydrometeor species mass concentration(g·m-3)

圖4給出2009年2月25日08時(shí)—3月4日20時(shí)的積冰過(guò)程,可以看出,模式結(jié)果較好地模擬出了主要的天氣特征：2月25日—3月4日恩施雷達(dá)站主要處于云霧覆蓋,并出現(xiàn)了少量降雨和大量降雪。模式模擬出2月25日22時(shí)—26日02時(shí)出現(xiàn)降雨,并認(rèn)為降雨是由高空下落的冰雪晶在近地面融化而產(chǎn)生的,這主要是由于模式結(jié)果高估了雷達(dá)站處的氣溫,從而缺少了融化形成的雨滴在近地層過(guò)冷卻的這一階段,但是降雨的持續(xù)時(shí)間以及雨水的質(zhì)量濃度與觀測(cè)結(jié)果基本一致,其中雨水的質(zhì)量濃度為10-2數(shù)量級(jí)與Zhou et al.(2013)對(duì)恩施雷達(dá)站處液態(tài)降水質(zhì)量濃度的概況分析一致。26日20—21時(shí)的短時(shí)降水與觀測(cè)日志中的陣性降水出現(xiàn)時(shí)間一致,隨后從觀測(cè)日志和模擬結(jié)果中都可以看到,液態(tài)降水已經(jīng)結(jié)束,開(kāi)始出現(xiàn)多次長(zhǎng)時(shí)間的降雪過(guò)程,如27日02—13時(shí)和27日20時(shí)—28日14時(shí)的降雪,3月1日02時(shí)—2日10時(shí)的間歇性降雪,隨著3月3日08—12時(shí)降雪過(guò)程的結(jié)束,此次積冰過(guò)程中的降水過(guò)程也結(jié)束了。盡管模擬降雪的持續(xù)時(shí)間比實(shí)際觀測(cè)到的要短,但是基本抓住了每次降雪過(guò)程的出現(xiàn)。降雪質(zhì)量濃度的模擬值要小于觀測(cè)值,這一方面是因?yàn)槟Ｊ經(jīng)]有將這段時(shí)間籠罩恩施雷達(dá)站的云霧模擬出來(lái),減少了降雪在下落過(guò)程中能收集到的水成物粒子,從而減小了降雪質(zhì)量濃度的模擬值;另一方面,盡管觀測(cè)人員在該段時(shí)間內(nèi)只觀測(cè)到了降雪,但Parsivel雨滴譜儀卻同時(shí)觀測(cè)到了一些短時(shí)的降雨,這會(huì)增加質(zhì)量濃度的觀測(cè)值。綜上可知,此次積冰過(guò)程中的降水情況得到了較好地模擬,將對(duì)積冰量的估算起到重要作用。

模式?jīng)]有模擬出2月27日19時(shí)—28日15時(shí)和3月1日08時(shí)—3日20時(shí)云水的質(zhì)量濃度,這可能是因?yàn)樵摱螘r(shí)間的質(zhì)量濃度較小,僅有0.03 g·m-3左右。模式對(duì)其他時(shí)間段的模擬效果較好,尤其是對(duì)2月26日03—23時(shí),云水質(zhì)量濃度出現(xiàn)迅速增加,達(dá)到此次過(guò)程中的最大值,然后又減小的變化規(guī)律模擬得很準(zhǔn)確?？梢钥闯鲈撨^(guò)程是恩施雷達(dá)站上空一個(gè)云水質(zhì)量濃度大于0.3 g·m-3的高值中心逐漸降低,最后籠罩恩施雷達(dá)站的過(guò)程,這給出了此時(shí)質(zhì)量濃度出現(xiàn)極大值的原因。

圖5給出2010年1月9日08時(shí)—11日08時(shí)積冰過(guò)程。1月9—11日恩施雷達(dá)站主要處于過(guò)冷云霧的覆蓋,并出現(xiàn)了少量的降雨和降雪,可以看出模擬結(jié)果比較好。1月9日20時(shí)出現(xiàn)降雨,然后出現(xiàn)降雪,模式開(kāi)始出現(xiàn)降雨的時(shí)間與觀測(cè)一致,但持續(xù)的時(shí)間略短,而降雪出現(xiàn)的時(shí)間較觀測(cè)有些提前,但模擬的1月10日03時(shí)雨強(qiáng)極大值與Niu et al.(2012)的分析一致,1月10日22時(shí)模擬出的5 h降雪與觀測(cè)結(jié)果相比,出現(xiàn)時(shí)間接近,但持續(xù)時(shí)間略短。盡管模式?jīng)]有模擬出1月10日19—22時(shí)云霧的消失,并且對(duì)22時(shí)再次出現(xiàn)云霧時(shí)云水質(zhì)量濃度模擬得過(guò)高(可能由于高估了云霧滴粒徑,因?yàn)樵旗F滴的數(shù)濃度觀測(cè)值很大),但模式結(jié)果整體上較好地反映了云水質(zhì)量濃度的實(shí)際情況。1月9日20時(shí)—10日02時(shí)籠罩恩施雷達(dá)站的過(guò)冷云霧發(fā)展的很旺盛,出現(xiàn)了一個(gè)質(zhì)量濃度為0.3 g·m-3的高值中心,且這段時(shí)間恩施雷達(dá)站處的云霧液水含量也出現(xiàn)了極大值,這在模式結(jié)果中有很好的體現(xiàn)。

4 云霧滴中值體積直徑特征

使用Thompson云微物理參數(shù)化方案只能模擬出云霧的CLW,無(wú)法直接得到中值體積直徑(DMV)的大小。只有在假定總數(shù)濃度大小和滴譜分布函數(shù)的基礎(chǔ)上,才能得到各粒徑下云霧滴數(shù)濃度的多少,從而計(jì)算出DMV的大小。通常使用Gamma函數(shù)譜來(lái)對(duì)描述云霧滴譜的分布情況(Thompson et al.,2008):

N(D)=N0Dμe-λD。

(3)

其中:N0、λ、μ分別是粒子譜分布的截距、斜率和譜型參數(shù),它們分別可以表示為:

(4)

(5)

(6)

其中:Nc為粒子總數(shù)濃度,假定為100 cm-3;ρW是液水密度。結(jié)合公式(2)可以得到DMV的計(jì)算方程(Thompson et al.,2009):

(7)

通過(guò)上述公式可以得到DMV的模擬值,圖6給出了3次積冰過(guò)程中云霧滴DMV觀測(cè)值與模擬值的對(duì)比,可以看出DMV的觀測(cè)值基本都大于其模擬值,尤其是各過(guò)程中的最大值。由觀測(cè)值的分布可以看到,雖然最大和最小值之間相差較大,但平均值接近,約17 μm,大部分時(shí)間滴譜的中值體積直徑都小于20 μm;模擬值的分布基本反映出了以上的特點(diǎn),其平均值主要在14 μm左右,大部分時(shí)間滴譜的中值體積直徑都小于18 μm,并且相對(duì)于觀測(cè)值,模擬值最大和最小值之間的變化范圍較小,起伏變化較平緩,相差最大發(fā)生在2009年2月25日的過(guò)程中,也僅為14 μm,小于2010年1月9日觀測(cè)值最大和最小值之差20 μm,平均絕對(duì)誤差為3.8 μm。

圖6 積冰過(guò)程DMV觀測(cè)值和模擬值的箱線(xiàn)圖分布(盒狀方框的上下橫線(xiàn)代表橫線(xiàn)以下范圍包括總數(shù)據(jù)的75%和25%,上下豎線(xiàn)的頂端則分別包括總數(shù)據(jù)的95%和5%,實(shí)心方框和橫線(xiàn)代表了平均值和中值,實(shí)心三角代表了最大值和最小值)Fig.6 Box plots for observational and simulated results of DMVin the icing events(the upper and lower horizontal lines denote 75% and 25% of the total values respectively;the ends of the vertical lines denote 95% and 5% of the total values respectively;the solid box and the horizontal lines inside denote the mean and median values respectively;the solid triangles denote the maximum and minimum values respectively)

5 結(jié)論

采用耦合Thompson云微物理參數(shù)化方案的WRF中尺度數(shù)值模式模擬恩施雷達(dá)站處3次積冰過(guò)程中各水成物質(zhì)量濃度和云霧滴中值體積直徑的變化規(guī)律,并與觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明:

1)積冰期間氣溫的模擬值要大于觀測(cè)值,模擬的溫度廓線(xiàn)較好地反映了恩施雷達(dá)站上空多逆溫影響、時(shí)而出現(xiàn)暖層易于凍雨發(fā)生、時(shí)而整層溫度小于0 ℃的溫度層結(jié)特征;云水質(zhì)量濃度的模擬值大于觀測(cè)值,兩者的最大值、最小值和平均值較接近,平均絕對(duì)誤差為10-2g·m-3。

2)2009年2月15日、2009年2月25日和2010年1月9日開(kāi)始發(fā)生的積冰過(guò)程中云水質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化的模擬反映出了實(shí)際情況下云水的變化規(guī)律,尤其是對(duì)極大值出現(xiàn)時(shí)間的準(zhǔn)確模擬;當(dāng)恩施雷達(dá)站處出現(xiàn)云水的極大值時(shí),其上空存在一個(gè)質(zhì)量濃度為0.3 g·m-3左右的高值中心,并且高值中心會(huì)逐漸下移接地,給積冰過(guò)程帶來(lái)充足水汽;模擬得到的降雨和降雪出現(xiàn)時(shí)間與觀測(cè)結(jié)果基本一致,降雨通常出現(xiàn)在上空存在云水高值中心的時(shí)候,而降雪主要來(lái)自高空冰雪晶的下落。

3)云霧滴中值體積直徑的模擬值小于觀測(cè)值,兩者的最大值和最小值相差較大,但平均值接近,平均絕對(duì)誤差為3.8 μm。

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(責(zé)任編輯：劉菲)

Numericalsimulationsofmicrophysicalpropertiesevolutionofthein-cloudicingprocess

ZHOU Yue1,2,3,ZHOU Yue-hua1,NIU Sheng-jie2,3,Lü Jing-jing2,3

(1.Wuhan Regional Climate Center,Wuhan 430074,China;2.School of Atmospheric Physics,NUIST,Nanjing 210044,China;3.Key Laboratory of Meteorological Disaster(NUIST),Ministry of Education,Nanjing 210044,China)

The microphysical properties and boundary layer characteristics of three icing processes that took place at Enshi radar station in the winter of 2008 and 2009 was simulated by using the Weather Research and Forecasting(WRF) mesoscale model coupled with the Thompson microphysical scheme,and the results were compared with the observational data.The results showed that the simulations could well reflect the appearance of inversion layer over the radar station.The mean absolute errors of mass concentrations of cloud water and median volume diameter of cloud/fog droplets between simulations and observations were 10-2g·m-3and 3.8 μm,respectively.There was a high center whose mass concentration was 0.3 g·m-3over the radar station,and it moved to the ground gradually,bringing sufficient droplets and precipitation to the ice accretion processes.

in-cloud icing;WRF model;mesoscale numerical simulation;liquid water content;median volume diameter

2012-10-10;改回日期2013-02-15

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41375138);國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2013CB430206)；湖北省氣象局年輕科技人員專(zhuān)項(xiàng)(2013Q02)

周悅,博士,研究方向?yàn)樵旗F降水與電線(xiàn)積冰,zhouyue8510@163.com.

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121010005.

1674-7097(2014)04-0441-08

P426.5

A

10.13878/j.cnki.dqkxxb.20121010005

周悅,周月華,牛生杰，等.2014.云中積冰過(guò)程微物理參量演變規(guī)律的數(shù)值模擬[J].大氣科學(xué)學(xué)報(bào),37(4):441-448.

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