"催化-供给"云降水形成机理的数值模拟研究

利用含有详细微物理过程的一维层状云模式模拟,研究了2002年4月5日冷锋降水性层状云云系中"催化-供给"云的微物理结构、降水粒子形成的环节和微物理过程,并从降水形成的环节和云的结构分析人工增雨的条件.结果说明,"催化-供给"云具有显著的分层结构:云内高层是冰晶,下层是雪,接下来是霰和过冷云水组成的冰水混合层,最下方是云中暖区的液水层.作为催化云层的冰水层对降水的贡献约25.5%,冰水混合层为31.3%,液水层为43.1%,亦即供给云对降水的贡献约74.4%.具有"催化-供给"云结构的层状云降水形成的主要环节是:冰晶通过凝华增长转化成雪,雪撞冻过冷云水、收集冰晶和凝华增长转化形成霰,霰靠撞冻过程、收集雪过程长大,从而形成可以降落到云的暖区融化形成雨水的粒子,它对降水的贡献较大.凝华和撞冻增长过程是冰粒子增长的主要物理过程,也是雨水产生的重要过程."催化-供给"云体系是重要的人工增雨条件,云中水汽对雨水形成的贡献与过冷云水几乎相当,与过冷云水一样,水汽也是人工增雨的重要条件.     

华北层状云系人工增雨个例数值研究

利用耦合了CAMS详尽云方案和非静力中尺度数值模式MM5V3的CAMS中尺度云分辨模式对2008年3月20—21日环北京地区的一次层状云系降水进行模拟和人工催化数值试验。模拟自然降水分布与实测结果一致,分析微物理特征并在所得分析的基础上进行催化试验。研究在不同催化剂量、高度进行试验对降水的影响。结果表明：在过冷水含量高且冰晶含量低的区域引入人工冰晶可使地面降水增加。引入人工冰晶后催化区域水汽明显减少,云水也有减少,冰晶粒子和雪粒子增加,而且水汽减少的量明显大于过冷云水的减少量。同时催化后550 hPa附近的下沉气流中心变为上升气流,动力、热力效应明显。雪碰并冰晶增长、冰晶转化成雪增长是催化高度附近雪晶增加的主要过程,而催化高度以下,雪碰并过冷云滴增长是雪晶增加的主要过程;雪晶碰并过冷雨滴增长是霰粒子增加的主要过程;雨滴碰并云滴增长是雨滴增长的主要过程。     

区域冷锋降水微物理机制研究

20世纪利用一维层状云模式对2002年4月4~5日河南省冷锋降水过程进行了模拟。数值模拟结果显示,此次冷锋降水属于冷云降水过程,冷锋前后云中主要以冰相粒子为主,云中水质粒自上而下的空间分布依次为冰晶、雪、云水、霰、雨水。冷锋前后,各种水质粒有着不同的含量及数密度,但形成水质粒的主要微物理过程都表现为:冰晶数密度的增加主要依靠核化、繁生,大部分雪主要靠凝华、撞冻过冷云水和冰晶增长,霰的质量增加主要靠撞冻雪、过冷云水和雪自动转化而来,大部分的雨水是由霰融化而来,因而此次冷锋降水机制表现为“水汽—雪—霰—雨水”。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其催化效果的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式，对美国对流降水协作试验（CCOPE）期间观测的1981年8月1日雹云进行模拟，讨论在过冷雨水低含量条件下冰雹形成和增长机制及其碘化银催化效果。结果表明:(1) 自然云的模拟与观测事实一致，如最大上升气流速度、云顶高度、流场结构以及雹胚组成等。(2) 雹胚以霰为主，霰主要来自冰雪晶与过冷小水滴的碰冻，其次来自雪的积聚转化；霰、冻滴和冰雹在形成后主要靠碰并过冷云水增长。(3)人工催化试验表明，碘化银主要以凝华核（包括凝结－冻结）的作用产生大量的人工冰晶，加速了过冷水向冰晶的转化，过冷云水因而大量减少；催化后霰和冻滴的数浓度增大，对过冷云水的竞争增强，其平均尺度减小导致转化成雹的数量减少；冰雹碰冻过冷云水的增长在催化后也被削弱，导致冰雹总质量进一步减少。此外，催化后降雨量也显著减少。     

自然云中冰晶生成的核化过程及雪晶对过冷云滴的撞冻

鉴于冰晶过程在自然降水形成中的作用十分重要,对冰晶形成的物理过程曾进行过大量研究。由于自然云中冰晶的生成受大气热力、动力学条件及微物理过程等多因子制约,因而在自然云中研究冰晶的形成过程有很大困难,至今有关冰晶生成的核化过程的外场研究仍极少。室内实验可以在控制某些云物理条件下进行,但有些条件(过冷云维持时间、过冷云滴谱等)很难进行逼真的模拟。雪晶对过冷云滴的撞冻是雪粒子的重要增长过程之一;有关雪晶对过冷云滴的撞冻效率,已持续进行多年的室内实验与理论研究。这些研究工作中,都对雪晶形状做了不同程度的简化,对自然云中的雪晶撞冻过程的研究仍极少。     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟1

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9gm^-3,但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加AgI剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9 g m~(-3),但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5 g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加Ag I剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230 g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。Ag I主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

中国半干旱地区成雹机制的数值研究

使用中尺度数值模式(WRFV3.7.1)对发生在宁夏南部山区两次降雹天气过程的背景场特征、云宏微观结构以及云内微物理转化机制进行了数值研究。结果表明:该地区冰雹云形成的大气环境水汽含量较少,冰雹的发生主要依靠"上干下湿"的不稳定层结及午后局地加热效应。两次个例发生的环境水汽含量存在较大差异,导致两次雹云个例微物理结构演变特征不同。对数值模拟结果分析发现,宁南山区冰雹云中雪粒子含量较多,雹胚(霰粒)主要通过雪粒子转化而来。霰粒主要通过水汽凝华及碰并过冷云水增长。模拟云中冰雹形成高度相对较低,冰雹形成后主要通过收集过冷云水增长。除碰冻过冷云水外,对过饱和水汽的凝华也是雪、霰、雹粒子质量增长的一个重要来源。模拟得到该地区冰雹云中云雨自动转化过程较弱,雨水主要是通过雪、霰、雹粒子在下落过程中融化形成。雨水在下落过程中蒸发显著。     

北京山区降雪微物理机制及催化影响的数值模拟研究北大核心CSCD

基于观测资料和中尺度数值模式WRF对2019年2月14日发生在北京地区的一次典型低涡低槽型降雪系统进行了观测资料分析和数值模拟,研究了降雪产生的云微物理机制,探讨了雪的形成过程并进行了人工催化降雪的数值模拟分析。结果表明:低涡前部暖湿平流带来的水汽和低涡切变线附近强烈的上升运动造成了此次区域性大雪;雪的凝华增长、雪降落过程中凇附云水继续长大、云冰自动转换为雪、冰晶和雪碰并聚合是此次降雪的主要微物理过程。催化模拟显示,人工播撒碘化银催化剂之后,云中产生大量冰晶,增多的冰晶通过凝华增长、碰并、聚合、凇附等转换成雪的过程增加,进而造成地面降雪的增加。     

对流云盐粉催化的数值模拟研究

利用三维对流云盐粉催化模式对一次对流云降水进行了盐粉催化模拟试验。模式中考虑了盐粉与云雨滴和冰相粒子间的相互作用。模拟结果显示,当采用20μm粒径的盐粉进行单次催化时,催化效果较好,地面总雨量可增加20%,催化次数的增多会导致降水的减少。霰融化成雨是雨滴增长的主要机制,霰碰并过冷云水是霰增长的主要机制,催化后霰融化成雨和霰碰并过冷云水的速率均有提高。催化会引起水成物云滴、冰晶、霰和雨滴的比质量变化。霰和云滴的粒径也在催化后出现了明显的增大。催化后短时间内动力过程出现了变化。     

台风眼壁的云结构与降水形成机制分析

使用带有详细微物理过程的ARPS模式,对台风韦帕（Wipha）进行三重嵌套细网格模拟,利用模式结果,对台风眼壁强降水中心的云结构和降水形成机制进行分析,结果表明：冰相微物理过程是启动和形成台风眼壁暴雨的主要降水形成机制。在9000～14000 m高空,云水在很低的温度下经均质核化产生冰晶,或经非均质核化形成云冰;冰晶通过凝华增长（psfi,贝吉龙过程）、雨水收集云冰产生雪（praci）和冰晶粘附雨水成雪（piacr）过程生长为雪;霰产生主要包括4个过程：冰晶接触雨水使其成霰（piacr）、雪撞冻云水使其成霰（psacr）、雨水收集云冰转化成霰（praci）或雨水冻结为霰（pgfr）;霰粒子通过收集云冰干增长（dgaci）,霰撞冻云滴增长（dgacw）等过程生长;霰融化（pgmlt）和雪融化（psmlt）成雨水后再通过碰并云水等暖云生长过程,最后形成雨水。霰过程的强弱在雨水形成机制中很重要。（29.5°N、121.8°E）和（28.3°N、120.4°E）强降水中心冰晶转化率没有太大差别,但是（29.5°N、121.8°E）强降水中心上空冰晶通过贝吉龙过程快速成长为雪和霰,霰粒子增长过程远远强于（28.3°N、120.4°E）强降水中心,低空又有较高的云水转化率,使降水粒子在暖云中继续快速生长,冷暖云过程的有利配置使（29.5°N、121.8°E）出现较强雨水转化率。     

山东冰雹形成机制及雹云催化技术模拟——个例研究

利用中国科学院大气物理研究所开发的三维全弹性冰雹云模式,对2006年7月5日山东境内一次以冰雹、雷雨大风为主的强对流过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制。结果表明:79%左右的冰雹胚胎是霰,雹胚以霰为主,霰主要来自于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雪的自动转换过程,霰形成后主要靠碰并过冷云水、雨水增长,而冰雹主要质量来源是霰的自动转化以及碰并过冷云水增长。人工催化试验表明:在强对流云中冰雹含量达到0.1 g·m^-3前1～4 min进行催化,能有效抑制冰雹粒子的增长,在过冷水含量中心(5.5 km)上方1.0～1.5 km催化防雹效果较好,在其下方催化防雹效果较差;剂量越大防雹效果越好。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水含量降低。催化后雹胚特别是霰胚的数量增多,对过冷云水的竞争增强,其平均尺度、质量均减小,降低了雹胚向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水增长也被减弱,导致冰雹总质量进一步减少。     

一次梅雨锋上MCS云微物理过程及降水形成机制

选取2004年6月23日一次梅雨锋MCS暴雨过程,在天气分析的基础上,利用非静力中尺度模式MM5(V3.6)进行了数值模拟.对于可分辨尺度的降水,采用Reisner霰显式方案,对云内微物理过程特别是对各种水成物的源项进行了详细分析.结果表明:冷云过程是此次降水的主要云物理过程.云中以霰和雪为主要的降水元,尤其霰的作用最大.在强降水时段,雨水的主要源项都与霰有关,霰的生长过程中冰相粒子与过冷水的碰并以及霰的凝华过程最为重要.零度层上方存在着丰富的过冷水,最大的云水含量中心也在过冷层中.在过冷层中冰相粒子主要通过凝华过程和碰并过程增长,MCS发展强盛期冰晶与过冷水的碰并增长要大于液水的蒸凝过程的增长.最后给出了本次梅雨锋上MCS降水云系的三层云结构及微物理过程模型.     

华南冷锋云系的人工引晶催化数值试验

在对华南2004年3月31日~4月1日的冷锋降水天气过程进行正确模拟的基础上, 通过向云中引入人工冰晶研究了催化效应, 结果表明: 催化使地面雨量在催化后30 min开始增加, 80 min时达到峰值, 120 min时减小到最小值。被催化的云团随着自然雨带逐渐向东南方向移动, 并且催化云影响其周围的云团, 造成了催化的下风方域外效应, 使催化效果可以延长到催化后10个小时, 随着自然云的消散而结束。人工冰晶的引入, 使得大量过冷雨滴快速转变为霰粒, 霰粒通过淞附云水和碰并雨滴过程增长, 使降水提前发展, 之后霰粒的融化使地面雨量增加。大量冻结潜热的释放, 使云中温度增加, 上升速度增强, 说明 “静力催化作用” 和 “动力催化作用” 是相互关联不可割裂的。在云体发展早期冷云降水过程还没有启动之前引入人工冰晶的催化效果优于云体发展接近成熟时的催化效果, 而只由催化剂量的不同造成的增雨差异较小。     

降水性层状云系结构和降水过程的观测个例与模拟研究

2004年7月4～6日, 在我国东北地区有一次大范围的降雨过程。作者分析了此次层状云降雨的观测资料, 包括机载PMS资料、雷达资料以及地面雨强计资料等, 并用包含详细微物理过程的一维层状云模式进行了数值模拟, 用顾震潮的三层概念模型（把层状云垂直结构分为三层:第一层为冰晶层, 第二层为过冷水层, 第三层为暖水层）分析了云的结构及降水形成过程。结果表明, 这个模型基本反映了降水性层状云的结构和降水产生的物理过程。在第一层中, 冰晶的凝华增长很重要, 也存在冰晶的碰并过程。在第二层中, 冰晶和雪的增长主要是通过凝华过程, Bergeron过程作用很大, 但不同时刻Bergeron过程的作用程度不同。第三层中主要有云滴、雨滴和从第二层降落下来以后融化的雪和霰。云的第一层对第二层有播种作用, 冰晶层对降水的贡献为7%, 过冷水层对降水的贡献为54%, 暖水层对降水的贡献为39%, 降水的产生中冷云过程作用稍大, 但暖云过程也起重要作用。     

青藏高原那曲地区夏季一次对流云降水过程的云微物理及区域水分收支特征

第三次青藏高原科学试验针对高原夏季云和降水物理过程开展了大量观测研究,为进一步揭示高原云微物理结构、云中水分转化和区域水分收支特征,本文采用中尺度数值预报模式（WRF）并结合高原试验期间的各种观测资料,对那曲观测试验区2014年7月5~6日的一次较为典型的夏季对流云降水过程进行了数值模拟研究。结果表明WRF模式能够基本再现高原夏季对流云的发展演变过程以及降水的日变化特征。模拟结果显示高原夏季对流云中具有较高的过冷云水和霰粒子含量,冰相过程在高原云和降水的形成和发展中具有十分重要的作用,地面降水主要由霰粒子融化产生。暖雨过程对降水的直接贡献很小,但在霰胚形成中具有十分重要的作用。霰粒子胚胎的形成主要来源于冰晶与过冷雨滴的撞冻过程,雪粒子和过冷雨水的碰冻转化及过冷雨滴的均质冻结贡献相对较小。霰粒子的增长过程在12 km（-40℃）以上层主要依靠对冰晶、雪粒子的聚并收集过程,而在其下层的增长过程主要依赖对过冷云水的凇附增长,对雪粒子的聚并收集和凝华增长过程较小。高原那曲地区净水汽收支为正,日平均降水转化率可达20.75%,接近长江下游地区,高于华北、西北地区。该地区日降水再循环率为10.92%,说明局地蒸发的水汽对高原降水的水汽来源具有一定的贡献,但高原降水的90%仍然由外界输入的水汽转化形成。     

两次华北冷涡过程雹云结构特征及AgI催化效果数值研究

用三维完全弹性非静力平衡雹云模式模拟了不同低涡雹云演变特征和人工引晶催化效果,结果表明:冷涡雹云中不存在大量的过冷雨滴,过冷水几乎是由云滴组成的,雹胚形成以云霰转化为主,由冰相过程形成降水粒子。近地面有薄逆温层云体,云底温度高,云中垂直运动强,云中过冷云水含量增长迅速且丰富。在雹云主要上升气流到达的过冷水含量大值区下方和过冷水大值区中心部位分别一次引进×107/kg碘化银粒子进行大剂量催化试验,碘化银主要以凝结-冻结方式核化成冰,雹胚浓度增加,雹胚过多争食抑制冰雹增长,使得冰雹直径明显减小。     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(II)： 人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7~8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验, 研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响。进行了不同剂量和不同高度的催化试验, 详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化。结果表明： 累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区, 催化后累积降雪中心雪量增加, 增雪区周围出现分散的减雪区。过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件。加入人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水, 冰晶和雪的量值均有所增加, 雪碰并冰晶过程、 冰晶转化过程、 凝华过程是雪增长的主要过程, 相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强。这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变, 周围的上升运动减弱, 雪的含量减少, 产生了减雪区。     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(Ⅱ):人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7～8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验,研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响.进行了不同剂量和不同高度的催化试验,详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化.结果表明:累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区.催化后累积降雪中心雪量增加,增雪区周围出现分散的减雪区.过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件.加人人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水,冰晶和雪的量值均有所增加,雪碰并冰晶过程、冰品转化过程、凝华过程是雪增长的主要过程,相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强.这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变,周围的上升运动减弱,雪的含量减少,产生了减雪区.