华南前汛期暖区暴雨云微物理特征机制及层云影响的数值研究

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华南前汛期出现在每年的4-6月份,为华南的主汛期,降水量可达华南地区全年降水量的40%-50%,在此期间极易造成严重的洪涝灾害。暖区暴雨为华南前汛期暴雨最显著的特征,没有明显的天气系统影响但具有较强的突发性和局地性,使得对其的模拟及预报能力十分有限。本文利用中尺度数值模式WRF v4.0及多源观测资料对两次华南前汛期暴雨过程进行数值模拟分析,围绕华南前汛期暖区暴雨的中尺度演变和云微物理特征机制,以及层云对华南前汛期两类暴雨和中尺度对流系统(MCS)演变的影响进行深入研究。针对一次典型的华南前汛期暖区暴雨个例(2017年6月15日),结合数值模拟与多源观测资料对比分析表明,暖区暴雨中的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在着较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在MCS发展、成熟阶段,冷池的出流与西南暖湿气流构成的中尺度辐合线是新生对流的重要触发条件,而地形的动力抬升作用并非主导。云微物理特征方面,由于华南上空存在充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大源项为水汽凝华成雪(7×10-5 g·kg-1·s-1),霰的最大源项为冰晶、雪碰并过冷雨滴冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程(1×10-4g·kg-1·s-1)的2倍,表示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将部分抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。选取包含有暖区暴雨及锋面暴雨两个阶段的一次前汛期暴雨个例(2016年5月9日),针对层云的一系列敏感试验表明,减小层云区的水汽含量(水汽敏感试验)将极大减弱暴雨及MCS的强度及范围,且暖雨过程及冷雨过程均显著减弱。而将层云区的水凝物含量减少至1/10(水凝物敏感试验),虽也会导致降水强度的减弱,但影响程度及时间有限,且层云能够逐渐恢复至原先强度,层云区水汽条件越弱所需恢复时间越长(一般1 h以内)。水凝物敏感试验中,由于水汽平流和水汽向水凝物转化过程的增强及雨水蒸发和沉降过程的减弱,减小的层云区水凝物得以逐渐恢复。层云区的减弱通常会阻碍其内部对流的发展,但水凝物敏感试验中依然存在着较弱层云区内对流反而增强的个例,此时的层云区主要由积云层化而来并处于消散阶段。总体而言,层云中的水汽饱和环境对MCS和暴雨的演变十分重要,而层云中水凝物的影响则有限。本文从中尺度及云微物理角度讨论了华南前汛期暖区暴雨的微物理特征及演变机制,以及层云对暴雨及MCS发展的可能影响。该研究结果可一定程度上提升人们对暖区暴雨的认识,并可为改进暖区暴雨的数值模拟提供参考。
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