目前多数资料同化系统中对卫星的观测值都是采用晴空模拟,然而用晴空辐射传输模式模拟云区卫星微波通道的辐射值会造成与观测较大的偏差(董佩明等,2009;王海军等,2009),导致大量云区卫星资料被直接抛弃无法进入同化系统,因而为了提高同化系统中云区资料的利用率,需要改进云区卫星辐射亮温的模拟能力。研究显示中尺度气象模式为辐射传输模式提供的云区水成物廓线的精度是影响辐射传输模式对亮温的模拟能力的重要因素。

研究表明,提高云区辐射率的计算精度,必须在辐射传输模式中输入合理的云特征参数,如云中水凝物的含量、相对湿度等(王雨和傅云飞,2010;白翎等,2014)。一个合理云参数地给出需要在中尺度模式原有的云物理方案的基础上,不断优化完善。当前中尺度模式中的云参数化方案中云过程参数的设定和实际云中的具体数值存在差异,由此造成模式对水凝物含量的预报存在很大的误差(陈倩等,2013),因此中尺度模式中的云参数化关系并不完全适用所有的云过程,而云微物理参数的不确定性会造成水凝物含量预报存在误差(马红云等,2020),进而影响辐射传输模式中云辐射参数的计算精度(van den Heever and Cotton,2004;赵震和雷恒池,2008;沈新勇等,2015)。

云中冰相水凝物含量垂直分布特征影响云区高频微波辐射亮温的高低。何文英和陈洪滨(2016)的研究显示,85GHz亮温对降雨云体的中高层结构较为敏感;王海军等(2009)研究表明冰晶、雪、霰的辐射效应对模拟亮温的影响主要体现为以散射效应为主的降温作用,这种降温作用主要体现在高频通道,并且在高频通道上霰的降温作用最大,对模拟的亮温影响最为显著,均方根误差可以达到15~35K,雪次之,其均方根误差超过了10K,冰的降温作用较不明显,其均方根误差仅为1K。董佩明等(2009)的研究也发现,冰晶、雪晶、霰的辐射效应对模拟亮温的影响以降温作用为主,这种降温作用主要体现在中心频率较高的通道,冰晶、晶、霰的辐射效应占全部水物质辐射效应达到97%以上。因此开展强对流云对高频微波辐射亮温的影响,首先要关注云中冰相水凝物含量的分布特征以及含量的高低。云中冰相水凝物含量的高低受冰相粒子的密度和形状影响,不同冰相水凝物在不同温度、湿度条件下具有的形状不同,密度不同(Milbrandt and Morrison,2013)。不同的密度,直接导致不同的下落速度,改变了霰在云中的分布,使得更多的霰含量集中在对流区域,从而影响到地面降水的分布(Milbrandt and Morrison,2013;刘晓莉和王琼,2018)。楼小凤等(2015)利用三维对流云AgI催化模式,开展了霰粒子密度和落速参数的敏感性试验,以研究高凇附时霰粒子参数的选取对催化模拟结果的影响,敏感性试验中对7个霰微物理过程进行了调整,发现改变霰落速参数和霰密度,可以引起3h模拟的总降水量增加4.9%。在中尺度模式中的Morrison方案对于水凝物的形状和密度利用质量直径指数关系m=cD^d,其中c=ρπ/6,方案中假设霰的形状为球形,则c可以视为霰的密度相关参数,d可以视为霰的形状相关参数。在Morrison方案中,霰密度取定值400kg/m³,形状参数取3。但是一些有关雪、霰的观测数据的统计参数却与数值模式中初始霰密度和形状参数的设定是有差别的(Morrison and Grabowski,2008;Milbrandt and Morrison,2013)。

因此,Morrison方案中冰相水凝物的形状参数和密度参数直接设定为固定的数值会和实际水凝物分布特征存在一定的差异,进而会影响模式的预报能力。本文利用中尺度WRF数值模式和微波辐射传输MWRT数值模式,模拟了一次理想对流单体云降水过程,基于Morrison方案,通过改变霰的密度参数和形状参数进行敏感性实验,研究了霰的谱分布参数的改变对强对流云中冰相水凝物质量浓度的分布以及高频通道微波亮温的影响特征,并确定了两个参数的变化对对流云区高频亮温的影响程度。

1 数值模式与实验设计

1.1 模式介绍

WRF(Weather Research Forecasting)模式是新一代的中尺度数值天气预报系统模式,该模式设计用于大气研究和业务预报的需要。它具有双动力核心、数据同化系统和一个软件架构,以此实现并行计算和系统的可扩展性。该模式具有广泛的气象应用范围,模式的模拟区域可以从几十米到几千米。WRF模式的开发始于20世纪90年代末,主要由美国国家大气研究中心(NCAR)、联合美国国家海洋和大气管理局(NCEP)、预报系统实验室(FSL)、空军气象局(AFWA)、海军研究实验室、俄克拉荷马大学和美国联邦航空管理局(FAA)研究开发出的新一代高分辨率数值模拟模式。

Morrison混合相双参数方案(Morrison et al.,2009;Morrison and Milbrandt,2011)是基于Morrison等人研究设计的一个体积云微物理参数化方案,此方案于2008年被植入WRF模式之中。方案中包含了6种水凝物,包括水汽、云水、雨水、云冰、雪和霰(冰雹),预报变量包括雨滴、冰晶、雪、霰混合比和数浓度,以及云滴和水汽混合比(共10个变量)。方案中除云滴和水汽外,水凝物均釆用了双参数处理方法。方案的设计非常详细及细致,描述物理过程全面而复杂,考虑了核化、自动转化、碰并和繁生、冻结和融化、凝华(升华)和凝结(蒸发)以及沉降等云物理过程。由于方案中分别考虑暖云和冷云过程,因此可以选择性地关闭冰相过程。Morrison方案的特色之一是包含了很多的开关条件,因此能够适应不同条件下的数值模拟。Morrison方案中关于冰相霰过程描述如下:

霰粒子谱采用M-P分布,N(D)=N ₀e^-λD,N₀是截距参数,λ是斜率参数,通过如下公式计算:

其中:N和q是上个时刻的霰质量浓度和数浓度。c和d是来源于质量直径指数关系m=cD^d,其中c=ρπ/6,方案中假设霰的形状为球形,则c可以视为霰的密度相关参数,ρ是霰密度(kg·m^-3),d可以视为霰的形状相关参数。在Morrison方案中,霰密度ρ取定值400kg/m³,形状参数d取3。

MWRT(Microwave Radiative Transfer Model),Liu(1998,2004)开发的用于微波信号对水凝物的响应研究的平面平行微波辐射传输模式。该模式运算速度快精度高,Liu(1998)研究表明在微波频率为19和85Ghz、观测角为53°时,运算结果与极化的32流模式相比误差小于3K。MWRT模式考虑了不同地表类型、发射率、地表温度,以及云冰、云水、雨、雪、霰、雹等多种水凝物,可以根据需要设置降水粒子的谱分布,因而该模式可以很好地用于不同下垫面条件下各种类型云和降水的模拟研究。

1.2 理想对流单体模型与霰参数的实验方案设计

霰参数的敏感性实验选取中尺度WRF数值模式中的理想对流单体模型为基础,模型设置网格42×42,垂直层41层,土壤层5层,顶层气压50hPa,采取地形伴随坐标。模式积分时长60min,积分步长12s,只考虑云微物理过程,选取Morrison方案作为模式的云微物理方案。

在原始Morrison方案中,根据M-D公式,霰密度ρ取定值400kg·m^-3,形状参数d取3。为了分析霰相关参数在理想对流单体发展过程中对整个冰相过程水凝物以及高频通道微波亮温的影响,实验设计方案如表1所示。

注:方案Orig表示模式原始Morrison方案霰参数,其他则表示分别以不同程度修改霰参数后得到的修改方案,并考虑霰密度的实际范围在50~850kg·m^-3.

2 结果分析与讨论

2.1 理想对流单体微物理特征分析

实验选取中尺度WRF数值模式中的理想对流单体模型,模型在整个积分区间内,区域中心由低空一个热泡逐渐发展形成强对流单体,并在积分中后期产生地面降水。整个积分过程模拟对流云发展过程,模式积分时长1h,选取30min时刻为研究时刻,此时对流单体发展旺盛,云中冰相过程达到最强,模型水平区域范围42×42格点,垂直层41层,顶层气压50hPa,作为研究区域进行分析,云微物理方案使用双参Morrison方案。

图1表示使用原始Morrison方案对理想对流单体模型在发展旺盛阶段(30min时刻)模拟的区域平均水凝物垂直廓线,可知,在5km以上的冰云中,存在着冰晶、雪、霰以及部分过冷水,其中霰的平均质量浓度最高,在8km高度的区域平均质量浓度高达1.24g·m^-3,而雪和冰晶的质量浓度则远低于霰的质量浓度,他们最大区域平均质量浓度也不过0.25g·m^-3,而冷云中过冷水随高度递减,区域平均质量浓度在5km处达到0.62g·m^-3。

图2表示使用原始Morrison方案对理想对流单体模型在发展旺盛阶段(30min时刻)模拟的区域水成物经向-垂直分布剖面(横坐标用格点数表示)。可以发现,霰的最大数浓度和雪的最大数浓度都在7×10⁴ kg^-1,且数浓度强中心和质量浓度强中心重合。根据一些学者关于降水云中水凝物对卫星微波辐射的吸收与散射的相关研究(刘奇,2007;王雨和傅云飞,2010)可知,冰相过程的雪和霰对高频通道微波辐射有很大的散射效应,而在理想对流单体发展旺盛时刻,结合图1可知,冰云中霰的含量丰富,而雪晶含量不足,因此,霰的质量浓度成为强对流云降水过程中影响高频通道微波亮温的主要因素。

2.2 霰参数对霰粒子谱及冰相水成物分布的影响

中尺度WRF数值模式中,选用双参Morrison方案模拟的理想对流单体模型,在积分到30min时,冷云中水凝物粒子以霰粒子为主,因此,讨论霰的参数化对冰相过程的影响就势在必行。首先从Morrison方案中霰的两个基本参数霰密度ρ和霰形状相关参数d入手,根据表1霰参数的实验方案设计进行模拟实验,得到7组实验数据。

图3表示双参Morrison方案中霰参数改变后的实验方案设计进行模拟实验得到的霰粒子的谱型分布,可以看出,减小霰密度ρ则霰的谱宽变宽(Expm1),增大霰密度ρ则霰的谱宽变窄(Expm2),减小形状参数d则霰的谱宽变窄(Expm3),增大形参数d则霰的谱宽变宽(Expm4);同时减小参数ρ和d,则霰的谱宽变窄(Expm5),同时增大参数ρ和d,则霰的谱宽变宽(Expm6),说明霰的形状相关参数d对霰的谱宽影响要比霰的密度ρ的影响大,且它们的影响并不是线性叠加的,因为参数ρ减小导致的霰谱宽减小与参数d减小导致的霰谱宽的增大之和并不等于他们分别改变导致谱宽改变的和。

图4表示不同实验设计方案对应的冷云水凝物(霰,雪,冰晶,过冷水)质量浓度模拟结果的区域平均垂直分布对比,Morrison方案中霰参数的改变对对流单体发展过程中的冷云部分影响显著,而对暖云过程基本无影响,可知霰参数的改变,对冷云中水凝物质量浓度的分布有很大影响。对于冰晶、雪晶和过冷水而言,参数ρ增加则其浓度增加,参数d增加则其浓度减少;对于霰而言,参数ρ增加则其浓度减少,参数d增加则其浓度增加。结合之前图3可知,参数ρ减少会导致霰粒子谱的谱宽变宽,而参数d增加则会导致霰粒子谱的谱宽变宽,更宽的霰谱会使得霰碰并吸收冰晶雪晶和过冷水的效率增加,导致霰的空间质量浓度增加,而冰晶、雪晶和过冷水的空间质量浓度减少。

2.3 霰谱参数对云区高频通道微波亮温的影响

考虑到改变双参Morrison方案中霰参数ρ和d所模拟的理想对流单体冰相过程水凝物区域平均空间分布廓线不同,从而间接影响到地表向上发射的微波辐射,导致高频通道的上行微波辐射亮温有所差异。图5显示的是原始双参Morrison方案对理想对流单体过程模拟的区域高频85.5Ghz通道微波亮温图,通过实验改变双参Morrison方案的霰参数对亮温的区域分布并没有影响(横纵坐标用格点数表示),而对亮温低值中心的强度影响比较显著。如表2所示,选用不同霰参数化方案模拟导致高频通道微波辐射亮温在低温区出现明显差异。方案Expm1、Expm4和Expm6对冰相过程的模拟较强,导致亮温低值区模拟值比原始Orig方案偏低;而方案Expm2、Expm3和Expm5对冰相过程的模拟值相对原始Orig方案偏弱,从而导致区域亮温最低值的模拟结果比原方案偏高。综上可以看出,强对流云中,霰的谱型参数通过影响霰的谱分布特征,影响云中水凝物的演变特征和冰相水凝物的垂直分布特征,进而影响高频通道亮温低值中心亮温的强度高低。

从表2还可以知道,霰的谱宽和模拟得到的区域最低亮温之间也有间接的相关性,减小参数ρ,霰的谱宽增大,霰的空间质量浓度增大,最终导致区域最低亮温减小,相反增大参数ρ,则最低亮温增大;减小参数d,霰的谱宽减小,则霰的空间质量浓度减小,最终导致区域最低亮温增大,增大参数d,则最低亮温减小。此外,不同霰参数对模拟区域的亮温最低值有不同的影响,如,增大参数ρ最低亮温才改变2.43%,减小参数d,则模拟的区域最低亮温改变复幅度增大,能达到8.71%;即使是相同霰参数,改变量不同也会导致区域最低亮温的改变幅度不同,如,减小参数d,模拟的区域最低亮温改变复幅度增大,能达到8.71%,而增大参数d,模拟的区域最低亮温改变复幅度减小并不大,仅有2.88%。即模拟得到的区域亮温最低值对于不同霰参数或相同霰参数的不同改变量的敏感程度不同。

3 结论与讨论

利用中尺度WRF数值模式和微波辐射传输MWRT数值模式,借助了中尺度WRF数值模式中的理想对流单体模型,分析了Morrison方案中霰的参数化方案对对流云冷云冰相过程以及高频通道微波辐射亮温的影响,具体结论如下:

Morrison方案中,霰参数化方案的改变会直接影响到霰的粒子谱分布,从而对整个对流云中冰相过程水凝物质量浓度的分布均有影响。其中,霰密度参数ρ会导致霰谱的谱宽呈反相关变化,从而导致霰的碰并效率发生反相关变化,使得霰的最大质量浓度呈反相关变化,而冰晶和雪的最大质量浓度呈正相关变化;霰形状相关参数d会导致霰谱的谱宽呈正相关变化,最终使得霰的最大质量浓度呈正相关变化,而冰晶和雪的最大质量浓度呈反相关变化。

Morrison方案中,霰参数化方案的改变对对流云高频通道微波亮温有很大影响。其中,霰密度相关参数ρ的改变会使得模拟区域最低亮温值呈正相关变化;霰形状相关参数d的改变会使得模拟区域最低亮温值呈反相关变化。并且模拟得到的区域亮温最低值对于不同霰参数或相同霰参数的不同改变量的敏感程度不同。增大ρ最低亮温仅改变2.43%,而减小d模拟的区域最低亮温改变复幅度增大,可以达到8.71%;相同霰参数,改变量不同导致区域最低亮温的改变幅度不同,当减小d,模拟的区域最低亮温增大幅度可以达到8.71%,而增大d,模拟的区域最低亮温减小幅度不大,仅有2.88%。

由于目前中尺度数值模式对对流云冰相过程的模拟尚不完善,并且没有对流云冰相过程的实际观测资料来进行统计分析从而改进中尺度模式对强对流冰相过程的模拟,所以才需要根据有限的卫星亮温资料,不断的探索中尺度模式的模拟能力与实际观测的偏差,达到改善模式使其能反映出更真实的对流云冰相过程的微观物理现象。本文仅仅对中尺度WRF数值模式中的双参Morrison方案的冰相霰参数化方案中的参数做了敏感性实验,得出了一些定性的中尺度WRF模式结合辐射传输MWRT数值模式模拟区域亮温的改变规律。如果想要完善中尺度模式,就需要更多真实的观测资料,通过大量的模拟与观测的对比,统计出有效的中尺度对流云中冰相过程的微物理规律,从而达到改善中尺度模式模拟能力的目的,这仍需要很多学者的不懈努力。

参考文献