气溶胶污染对夏季降水精细数值预报的影响研究

doi:10.6038/pg2018AA0663

地球物理学进展 ›› 2018, Vol. 33 ›› Issue (1): 10-18.doi: 10.6038/pg2018AA0663

• 固体地球物理及空间物理学（大气、行星、地球动力学、重磁电及地震学、地热学） • 上一篇下一篇

气溶胶污染对夏季降水精细数值预报的影响研究

陈卫东^1,²(),付丹红³,苗世光^2,^*(),周海⁴,崔方¹

^1. 中国电力科学研究院,南京 210003
^2. 中国气象局北京城市气象研究所,北京 100089
^3. 中国科学院大气物理研究所,北京 100029
^4. 新能源与储能运行控制国家重点实验室(中国电力科学研究院),南京 210003

收稿日期:2017-06-19 修回日期:2017-12-18 出版日期:2018-01-20 发布日期:2018-07-03
通讯作者: 苗世光 E-mail:chenweidong@epri.sgcc.com;sgmiao@ium.cn
作者简介:陈卫东,男,1989年生,江苏兴化人,硕士,主要从事城市气象和新能源气象研究. (E-mail: chenweidong@epri.sgcc.com)
基金资助:
国家国际科技合作专项(2015DFA20870);北京市科技计划课题(Z151100002115045);国家电网公司科技项目(NY71-16-032);国家自然科学基金项目(41605012)

Impacts of aerosols on the fine-scale numerical forecasting of summer precipitation

CHEN Wei-dong^1,²(),FU Dan-hong³,MIAO Shi-guang^2,^*(),ZHOU Hai⁴,CUI Fang¹

^1. China Electric Power Research Institute, Nanjing 210003, China
^2. Institute of Urban Meteorology, China Meteorological Administration, Beijing 100089, China
^3. Institute of Atmospheric Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100029, China
^4. State Key Laboratory of Operation and Control of Renewable Energy and Storage Systems (China Electric Power Research Institute), Nanjing 210003,China

Received:2017-06-19 Revised:2017-12-18 Online:2018-01-20 Published:2018-07-03
Contact: Shi-guang MIAO E-mail:chenweidong@epri.sgcc.com;sgmiao@ium.cn

摘要/Abstract

摘要：

本文基于北京地区快速更新循环同化和预报系统(BJ-RUC),通过对北京2014年汛期的32次降水过程进行数值模拟和敏感性试验,研究了气溶胶污染引起的云滴数增加对北京夏季降水精细数值预报的影响.研究结果表明:BJ-RUC系统中默认的云滴数浓度偏低,采用根据环境模式预测结果计算的云滴数浓度后(BJ-RUC-Nc算例)预报效果更接近实况;气溶胶增多可以增加或减少降水.具体表现在:(1)2014年汛期北京地区降水主要集中在东北区域(平谷、密云、顺义)、城区次之,数值模式能较好的反映出降水的整体分布和趋势;(2)BJ-RUC-Nc对于小雨、中雨、暴雨的预报优于BJ-RUC,更接近观测;(3)气溶胶浓度增加,当水汽供应充足(不足)时,会促进(抑制)降水性粒子形成,降水效率提高(降低),降水增加(减少).

Abstract:

Thirty-two precipitation processes of Beijing in flood season of 2014 were numerical simulated and sensitively tested by using BeiJing Rapid Update Cycle of assimilation and forecast system (BJ-RUC) to study the influence of cloud droplets caused by aerosol pollution on the fine-scale numerical forecasting of summer precipitation in Beijing.The results show that the default concentration of cloud droplets in the BJ-RUC system is lower than the cloud droplet concentration calculated from the environmental model(BJ-RUC-Nc case) whose prediction results is closer to the actual situation; aerosol increasing can increase or decrease precipitation. Specific displays:(1)Precipitation is mainly concentrated in the northeast region (Pinggu, Miyun, Shunyi), followed by the urban area, and the numerical model can better reflect the overall distribution and trend of precipitation in flood season of 2014;(2)BJ-RUC-Nc for light rain, moderate rain and heavy rain forecast is better than that of BJ-RUC, closer to the observations; (3)When the water vapor supply is insufficient (insufficient), it will promote (suppress) the formation of precipitation particles, increase (decrease) the precipitation efficiency, and increase (decrease) the precipitation.

中图分类号:

P401

陈卫东, 付丹红, 苗世光, 周海, 崔方. 2018. 气溶胶污染对夏季降水精细数值预报的影响研究. 地球物理学进展, 33(1): 10-18. doi: 10.6038/pg2018AA0663.

Wei-dong CHEN, Dan-hong FU, Shi-guang MIAO, Hai ZHOU, Fang CUI. 2018. Impacts of aerosols on the fine-scale numerical forecasting of summer precipitation. Progress in Geophysics. 33(1): 10-18. doi: 10.6038/pg2018AA0663.

图/表 11

图1

表1

图2

图3

表2

图4

表3

图5

图6

图7

图8

参考文献

[1]	Benjamin S G, Dévényi D, Weygandt S S , et al. 2004. An hourly assimilation forecast cycle: The RUC[J]. Monthly Weather Review, 132(2):495-518.
[2]	Chen M, Fan S Y, Zheng Z F , et al. 2011. The performance of the proximity sounding based on the BJ-RUC system and its preliminary implementation in the convective potential forecast[J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 69(1):181-194.
[3]	Chen W D, Fu D H, Miao S G , et al. 2015 a. Numerical simulation of urban environment impacts on clouds and precipitation in Beijing[J]. Progress in Geophysics (in Chinese), 30(3):983-995, doi: 10.6038/pg20150301.
[4]	Chen W D, Fu D H, Miao S G , et al. 2015 b. Impacts of aerosols from Beijing and the surrounding areas on urban precipitation[J]. Chinese Science Bulletin (in Chinese), 60(22):2124-2135.
[5]	Duan J, Mao J T . 2009. Influence of aerosol on regional precipitation in North China[J]. Chinese Science Bulletin, 54(3):474-483.
[6]	Fan S Y, Chen M, Zhong J Q , et al. 2009. Performance tests and evaluations of Beijing local high-resolution rapid update cycle system[J]. Torrential Rain and Disasters (in Chinese), 28(2):119-125.
[7]	Fan S Y, Wang H L, Chen M , et al. 2013. Study of the data assimilation of radar reflectivity with the WRF 3D-Var[J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 71(3):527-537.
[8]	Gao W H, Zhao F S, Hu Z J , et al. 2012. Improved CAMS cloud microphysics scheme and numerical experiment coupled with WRF model[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 55(2):396-405, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.02.004.
[9]	Guo X L, Fu D H, Guo X , et al. 2014. A case study of aerosol impacts on summer convective clouds and precipitation over northern China[J]. Atmospheric Research, 142:142-157.
[10]	Khain A, Rosenfeld D, Pokrovsky A . 2005. Aerosol impact on the dynamics and microphysics of deep convective clouds[J]. Quart. J. Roy. Meteor. Soc., 131(611):2639-2663.
[11]	Lei L, Sun J S, Wang G R , et al. 2012. An experimental study of the summer convective weather categorical probability forecast based on the rapid updated cycle system for the Beijing area (BJ-RUC)[J]. Acta Meteorologica Sinica (in Chinese), 70(4):752-765.
[12]	Li F, Shi H R . 2014. Study on wind profile radar observation features of a multi-phase weather process in Beijing[J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 40(8):992-999.
[13]	Li G P . 2011. Research of remote sensing technology of atmospheric water vapor by using ground-based GPS and application system of meteorological operations[J]. Transactions of Atmospheric Sciences (in Chinese), 34(4):385-392.
[14]	Lin J C, Matsui T, Pielke Sr R A , et al. 2006. Effects of biomass-burning-derived aerosols on precipitation and clouds in the Amazon Basin: A satellite-based empirical study[J]. Journal of Geophysical Research: Atmospheres, 111(D19):D19204.
[15]	Liu H Y, Li J, Cao X Y , et al. 2007. Characteristics of the atmosphere remote sensed by the ground-based 12-channel radiometer[J]. Remote Sensing Technology and Application (in Chinese), 22(2):222-229.
[16]	Liu M J, Chen M . 2014. Evaluation of BJ-RUC system for the forecast quality of planetary boundary layer in Beijing Area[J]. Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 25(2):212-221.
[17]	Miao S G, Chen F, Li Q C , et al. 2010. Month-averaged impacts of urbanization on atmospheric boundary layer structure and precipitation in summer in Beijing area[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 53(7):1580-1593, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.07.009.
[18]	Min J J . 2014. Evaluation on surface meteorological element forecast by Beijing rapid update cycle system[J]. Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 25(3):265-273.
[19]	Rosenfeld D . 1999. TRMM observed first direct evidence of smoke from forest fires inhibiting rainfall[J]. Geophys. Res. Lett., 26(20):3105-3108.
[20]	Rosenfeld D . 2000. Suppression of rain and snow by urban and industrial air pollution[J]. Science, 287(5459):1793-1796.
[21]	Shepherd J M, Burian S J . 2003. Detection of urban-induced rainfall anomalies in a major coastal city[J]. Earth Interactions, 7(4):1-17.
[22]	Shi X H, Xu X D . 2012. Progress in the study of regional impact of aerosol and related features of heavy fog in Beijing City[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 55(10):3230-3239, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.005.
[23]	Tang X B, Ping F, Luo Z X . 2016. A modified cumulus parameterization scheme and its applications in simulation of heavy rainfall[J]. Chinese J. Geophys. (in Chinese), 59(1):45-58, doi: 10.6038/cjg20160105.
[24]	Wei D, You F C, Fan S Y , et al. 2010. Assessment and analysis of sounding information obtained from Beijing rapid update cycle forecast system[J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 36(8):72-80.
[25]	Wei D, You F C, Yang B , et al. 2011. Assessment and analysis of meteorological elements forecasted by Beijing rapid update cycle forecast system[J]. Meteorological Monthly (in Chinese), 37(12):1489-1497.
[26]	Xu X D, Shi X H, Zhang S J , et al. 2006. Aerosol influence domain of Beijing and peripheral city agglomeration and its climatic effect[J]. Chinese Science Bulletin, 51(16):2016-2026.
[27]	Yue Z G, Liu X D, Liang G . 2011. Numerical simulation of influence of aerosols on different cloud precipitation types in Beijing area[J]. Plateau Meteorology (in Chinese), 30(5):1356-1367.
[28]	Zhang Q, Quan J N, Tie X X , et al. 2011. Impact of aerosol particles on cloud formation: Aircraft measurements in China[J]. Atmospheric Environment, 45(3):665-672.
[29]	Zhao X J, Xu J, Zhang Z Y , et al. 2016. Beijing regional environmental meteorology prediction system and its performance test of PM2.5 concentration[J]. Journal of Applied Meteorological Science (in Chinese), 27(2):160-172.
[30]	Zheng S Y, Liu S H . 2008. Urbanization effect on climate in Beijing[J]. Climatic and Environmental Research (in Chinese), 13(2):123-133.
[31]	陈敏, 范水勇, 郑祚芳 , 等. 2011. 基于BJ-RUC系统的临近探空及其对强对流发生潜势预报的指示性能初探[J]. 气象学报, 69(1):181-194.
[32]	陈卫东, 付丹红, 苗世光 , 等. 2015 a. 北京地区城市环境对云和降水影响的个例数值模拟研究[J]. 地球物理学进展, 30(3):983-995, doi: 10.6038/pg20150301.
[33]	陈卫东, 付丹红, 苗世光 , 等. 2015 b. 北京及周边城市气溶胶污染对城市降水的影响[J]. 科学通报, 60(22):2124-2135.
[34]	段婧, 毛节泰 . 2008. 华北地区气溶胶对区域降水的影响[J]. 科学通报, 53(23):2947-2955.
[35]	范水勇, 陈敏, 仲跻芹 , 等. 2009. 北京地区高分辨率快速循环同化预报系统性能检验和评估[J]. 暴雨灾害, 28(2):119-125.
[36]	范水勇, 王洪利, 陈敏 , 等. 2013. 雷达反射率资料的三维变分同化研究[J]. 气象学报, 71(3):527-537.
[37]	高文华, 赵凤生, 胡志晋 , 等. 2012. CAMS云微物理方案的改进及与WRF模式耦合的个例研究[J]. 地球物理学报, 55(2):396-405, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.02.004.
[38]	雷蕾, 孙继松, 王国荣 , 等. 2012. 基于中尺度数值模式快速循环系统的强对流天气分类概率预报试验[J]. 气象学报, 70(4):752-765.
[39]	李峰, 施红蓉 . 2014. 一次多相态天气过程的风廓线雷达探测资料特征分析[J]. 气象, 40(8):992-999.
[40]	李国平 . 2011. 地基GPS水汽监测技术及气象业务化应用系统的研究[J]. 大气科学学报, 34(4):385-392.
[41]	刘红燕, 李炬, 曹晓彦 , 等. 2007. 遥感大气结构的地基12通道微波辐射计测量结果分析[J]. 遥感技术与应用, 22(2):222-229.
[42]	刘梦娟, 陈敏 . 2014. BJ-RUC系统对北京夏季边界层的预报性能评估[J]. 应用气象学报, 25(2):212-221.
[43]	苗世光, Chen F, 李青春 , 等. 2010. 北京城市化对夏季大气边界层结构及降水的月平均影响[J]. 地球物理学报, 53(7):1580-1593, doi: 10.3969/j.issn.0001-5733.2010.07.009.
[44]	闵晶晶 . 2014. BJ-RUC系统模式地面气象要素预报效果评估[J]. 应用气象学报, 25(3):265-273.
[45]	施晓晖, 徐祥德 . 2012. 北京及周边气溶胶区域影响与大雾相关特征的研究进展[J]. 地球物理学报, 55(10):3230-3239, doi: 10.6038/j.issn.0001-5733.2012.10.005.
[46]	唐细坝, 平凡, 罗哲贤 . 2016. 中尺度模式积云参数化方案的改进及其在暴雨模拟中的应用[J]. 地球物理学报, 59(1):45-58, doi: 10.6038/cjg20160105.
[47]	魏东, 尤凤春, 范水勇 , 等. 2010. 北京快速更新循环预报系统(BJ-RUC)模式探空质量评估分析[J]. 气象, 36(8):72-80.
[48]	魏东, 尤凤春, 杨波 , 等. 2011. 北京快速更新循环预报系统(BJ-RUC)要素预报质量评估[J]. 气象, 37(12):1489-1497.
[49]	徐祥德, 施晓晖, 张胜军 , 等. 2005. 北京及周边城市群落气溶胶影响域及其相关气候效应[J]. 科学通报, 50(22):2522-2530.
[50]	岳治国, 刘晓东, 梁谷 . 2011. 气溶胶对北京地区不同类型云降水影响的数值模拟[J]. 高原气象, 30(5):1356-1367.
[51]	赵秀娟, 徐敬, 张自银 , 等. 2016. 北京区域环境气象数值预报系统及PM2.5预报检验[J]. 应用气象学报, 27(2):160-172.
[52]	郑思轶, 刘树华 . 2008. 北京城市化发展对温度、相对湿度和降水的影响[J]. 气候与环境研究, 13(2):123-133.

个例	BJ-RUC模拟起始时刻	云滴数 (个·cm^-3)	个例	BJ-RUC模拟起始时刻	云滴数 (个·cm^-3)
case1	5月31日08时	224	case17	7月15日08时	236
case 2	6月01日11时	270	case18	7月19日20时	238
case 3	6月06日02时	209	case19	7月20日08时	252
case 4	6月07日08时	189	case20	7月29日14时	262
case 5	6月9日23时	196	case21	8月03日11时	292
case 6	6月13日08时	189	case22	8月09日02时	240
case 7	6月15日02时	232	case23	8月12日08时	192
case 8	6月16日20时	205	case24	8月21日17时	230
case 9	6月17日02时	251	case25	8月23日11时	207
case 10	6月19日11时	190	case26	8月27日17时	274
case11	6月20日11时	251	case27	8月28日17时	376
case12	6月21日11时	273	case28	8月30日11时	248
case13	6月24日20时	270	case29	8月31日17时	268
case14	7月01日08时	229	case30	9月01日11时	263
case15	7月04日08时	199	case31	9月11日14时	292
case16	7月15日17时	332	case32	10月08日02时	209

名称		降水等级
名称		小雨	中雨	大雨	暴雨	大暴雨
TS	BJ-RUC	0.425	0.200	0.114	0.160	0.070
TS	BJ-RUC-Nc	0.432	0.216	0.109	0.187	0.044
BS	BJ-RUC	1.117	0.906	0.806	1.083	0.848
BS	BJ-RUC-Nc	1.081	0.959	0.788	1.091	1.151

影响系统	低涡类					高空槽及锋面降水类					暖区对流及低层切变类
日期(2014)	case4(6月08日13—21时)					case20(7月29日16时—30日13时)					case23(8月12日13时—13日08时)
	降水量(mm)		站点数(个)			降水量(mm)		站点数(个)			降水量(mm)		站点数(个)
	平均值	最大值	>5 mm	>10 mm	>15 mm	平均值	最大值	>5 mm	>10 mm	>15 mm	平均值	最大值	>5 mm	>10 mm	>15 mm
Obs	2.8	15.5	54	9	1	21.6	86.0	268	224	179	6.1	31.6	133	64	23
BJ_RUC	1.1	4.8	0	0	0	15.8	67.4	155	139	124	16.1	48.8	246	200	147
BJ_RUC-NC	1.4	8.1	11	0	0	16.2	76.5	168	153	132	14.4	45.4	250	144	121

气溶胶污染对夏季降水精细数值预报的影响研究

Impacts of aerosols on the fine-scale numerical forecasting of summer precipitation

RichHTML

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

图/表 11

参考文献

相关文章 5

编辑推荐

多维度评价

本文评价

[1]	邹润莉. 地球电场与地球磁场对大气中带电粒子的作用及其对气候的影响[J]. 地球物理学进展, 2019, 34(3): 992-1009.
[2]	赵静旸,时爽爽. 对流层天顶延迟模型研究进展及其在中国区域的精度分析[J]. 地球物理学进展, 2018, 33(1): 148-155.
[3]	刘全生,宋健,杨联贵. Coriolis力作用下的β效应与层结效应的Rossby孤立波[J]. 地球物理学进展, 2014, 29(1): 57-60.
[4]	阎坤. 60年来大气中二氧化碳浓度数据的趋势方程研究[J]. 地球物理学进展, 2009, 24(5): 1665-1670.
[5]	宫晓艳,胡雄,吴小成,王鑫,肖存英,徐丽,. GPS测量误差对大气掩星反演精度影响分析[J]. 地球物理学进展, 2008, 23(6): 1764-1781.