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。     

先暖后冷 降水量南多北少

本刊于1977年第4期—1978年第3期刊登了1977年1—12月的“每月天气”。1978—1979年中断了两年。根据广大读者的要求,从1980年起,本刊恢复“每月天气”栏。本期刊载了1980年1月的天气概况,以后将按期刊登。——编者     

强风暴电过程对霰粒子含量和谱分布影响的数值模拟研究

利用建立的耦合电过程三维冰粒子分档模式(通过引入电场力来考虑电场对粒子的影响),模拟研究了北京一次强雷暴发展过程中电过程对霰粒子含量、数浓度的影响。结果发现:(1)相对小的霰粒子含量受电过程直接影响较大,这种影响累积后,会对相对较大的霰粒子含量产生间接作用。在冰雹发展的初期和成熟期的部分阶段,电场对霰粒子最大含量所处空间位置基本没有影响。而在冰雹发展的成熟期向衰败期过渡时的部分时刻,电场对其稍有影响。在霰粒子最大含量处,直径相对较大的霰粒子决定着总的霰粒子含量。(2)总体来说,直径较小的霰粒子数浓度受电场影响较大,直径较大的霰粒子数浓度受电场影响较小。由于霰粒子含量中心大直径粒子较多,而其受电场的影响相对较小,并且该处电场也小于电场极值,故其最大含量受电场影响相对较小。所以,在此次个例的模拟过程中,霰粒子最大含量的时变曲线变化很小。(3)考虑电过程情况下,在霰粒子数浓度最大处,小直径霰粒子数浓度要么增加,要么略微减少,而大直径霰粒子要么进档增长受阻,要么数浓度减少。对不同直径的霰粒子来说,电过程既有可能使其数浓度增加,又有可能使其数浓度减少。当电场较大时,电过程对小直径霰粒子的影响比较直接,而对大直径霰粒子的...     

云南一次典型降雹过程的冰雹微物理形成机理数值模拟研究

冰雹形成的微物理机理是人工防雹的重要科学依据,但对我国西南地区冰雹形成的微物理机理研究很少。利用中国科学院大气物理研究所三维冰雹分档云模式对云南2016年7月11日一次冰雹云过程进行了数值模拟研究,揭示了冰雹形成的微物理机理。此次冰雹云生成发展快,强度大,是西南山区典型夏季冰雹云。数值模拟的降水、降雹和回波强度等物理量与对应的观测量基本一致。模拟的冰雹云的最大上升气流速度达到28.7 m s?1。通过对冰雹形成的微物理过程分析研究表明,雹/霰胚的主要生成来源是通过过冷雨滴的概率冻结产生的冻滴,占95%,而冰晶碰冻雨滴产生的雹/霰胚仅占5%,这与国外和我国其他地区雹/霰胚产生的来源和冻滴所占比例有明显差别;形成的雹/霰胚直径多数集中在0.3 mm至3.0 mm范围,雹/霰胚主要通过对过冷云水的碰并过程实现增长,直径小于0.3 mm的雹/霰胚较难增长;大雨滴冻结成较大直径的雹胚,可促成短时间内形成冰雹;在雹云发展过程中存在短时的过冷雨水累积带,但过冷雨水累积带对雹/霰胚的增长贡献不大。     

三维冰雹分档强对流云数值模式研究Ⅱ.冰雹粒子的分布特征

在第一部分研究工作的基础上，为便于分析，将冰雹的21档按照一般关于冰雹分类的定义重新划分为5类:小冰粒子(直径D＜1mm)、霰与雹胚(1mm＜D＜5mm)、小雹(5mm＜D＜10mm)、典型雹(10mm＜D＜25mm)、大雹(D＞25mm)。研究了每一类粒子的分布及演变特征。并给出了悬垂区、云砧，上下气流区等冰雹粒子谱分布及演变情况，提出了多单体雹暴中各尺度的冰粒子通过主次单体之间的运动循环机制对冰雹形成及增长的作用及贡献。最后将冰雹分档谱与Marshall-Palmer谱作了比较分析。     

西昌一次降雹过程的数值模拟研究

利用三维冰雹云模式,对2013年4月29日四川西昌的一次降雹过程进行了数值模拟。模拟结果显示:该例冰雹云存在过冷雨水累积带;霰是冰雹的主要胚胎,雹块主要通过撞冻云水增长,其次是撞冻霰增长;模拟区域内液态降水量和固态降水量分别占地面总降水量的52%和48%,冰雹占固态降水94%;通过对该例雹云中冰晶、雪、霰、冻滴的微物理过程分析发现,在雹云发展的不同阶段,冰雹的形成机制不同。     

顺口溜

我们在大练测报基本功的过程中,对需记和不记起止时间的天气现象,编成顺口溜便于记忆。需记起止时间的天气现象:三雨五雪粒霰雹雨、毛毛雨、阵雨、雪、雨夹雪、阵雪、阵性雨夹雪、米雪、冰粒、霰、冰雹、小冰雹     

冰雹云中微物理过程研究

利用三维冰雹云模式通过实例模拟研究了云中冰相物理过程,结果表明,云中粒子产生有一源地,在雹云发展阶段早期,霰、冻滴,雹和雨水的极大产生率都位于6.0 km高度附近,这里是雹胚及冰雹形成的源区,从"利益竞争"概念出发,人工防雹的催化部位应在此高度附近;粒子产生高度与其源项发生高度及主要增长方式有关,粒子产生和增长过程在云的发展不同阶段也是不同的.在冰雹形成过程中,作为雹胚的霰和冻滴主要通过撞冻过冷水增长.撞冻增长占增长量的大部分,云中存在丰富的过冷水对冰雹胚胎和冰雹形成、增长都是十分重要的.在"冰晶-过冷水-雹胚-冰雹"这一链环中,没有过冷水参与很难形成强烈降雹.通过两例雹云的对比研究,发现若雹云云底温度降低和湿度增大,由于霰撞冻过冷水尤其是撞冻过冷云水增长量大幅度提高,霰的尺度加大,提高向冰雹的转化率,使霰胚数量大大增加.     

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。     

青岛地区冰雹天气的短期预报

本文以“山东冰雹预报研究”一文中所总结出的影响我省降雹天气的环流形势及天气分型为基础,再结合青岛十一年(1978—1988年)冰雹天气资料,对青岛冰雹天气的短期预报问题做了初步探讨,现总结如下。 一、青岛冰雹的短期预报     

宁南冰雹胚胎的研究

本文对宁南山区5个雹暴的395个冰雹做了切片分析,结果表明:霰胚占66.4％,冻滴胚占33.6％。通过10个冰雹的同位素氘和晶体分析发现,绝大多数霰胚的生长温度为-12℃—-23℃,冻滴胚形成的温度为-8℃—-14℃。霰胚的生长高度比冻滴胚形成的高度平均高1km以上。     

一次冰雹天气过程的云系发展演变及云物理特征研究

利用中尺度数值模式WRF(Weather Research and Forecasting)的数值模拟,结合NECP/FNL再分析资料、地面、探空、多普勒雷达基数据和卫星产品等观测资料,综合分析了2014年3月30日发生在贵州省西南部的一次冰雹天气过程。研究了有利于冰雹发生的环流特征和环境条件,分析了冰雹云系的发展演变特征、云微物理结构特征,初步分析了冰雹形成的云物理机制。结果表明:此次冰雹天气是典型的低压辐合线型降雹类型,地面降雹位置位于700 hPa切变线和近地面辐合线附近及南侧;发生此次冰雹过程的对流云系经历了对流云系的初生阶段、合并加强阶段、成熟降雹阶段和东移阶段。贵州地区上空对流云系的微物理结构具有混合相云特征,高层为冰晶、雪,中层为云水、霰,低层为雨水、冰雹。霰和云水是形成雨水和冰雹的主要来源,霰撞冻过冷云水和霰的自动转化是冰雹形成的主要微物理机制。     

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果,结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关;云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主,暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程,雹胚过多争食防雹;（２）促进雨霰转化过程,使雹胚浓度增加,并且减少过冷雨滴,抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长;（３）使云的下部霰量增加,降低降水粒子的增长轨迹,阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。     

答《再论“巨凇”的形成》

读了《气象》1982年第6期《再论“巨淞”的形成》一文后,我们对该文有两个论点答辩如下: 一、关于冰雹融化后夜间冷却成冰的可能性问题 在《对“大雹乎?巨凇也!”的进一步探讨》(见《气象》1982年第4期)一文中,我们在说明“巨凇”不可能产生后,为了留有余地,不全盘否定《淞也!》一文的观点,在最后的结语中,以“除非是……”开     

广州一次强雷雨过程的数值模拟及水成物特征

利用NCEP再分析资料,采用WRF V3.2模式对2014年3月30—31日发生在广州的一次持续性雷雨伴随冰雹天气过程进行模拟,并对基本气象要素进行验证,重点对冰相水成物的时间和空间特征进行分析。结果表明:1)模式模拟的雷达回波、K指数、风场、相对湿度场、探空曲线分布与实况非常吻合,K指数、相对湿度以及探空曲线均显示强对流天气特征明显,在一定程度上指示了冰雹的出现。2)霰粒子产生的时间与冰雹出现的时间非常吻合,云中过冷水对冰雹形成具有重要的作用。通过分析霰粒子和过冷水的时间演变,在一定程度上可以监测冰雹的发生发展。另外,云冰、雪、雨水的混合比在冰雹出现的时刻表现为异常增强,这些变化对冰雹的监测均具有一定的指示意义。3)高度—时间序列图能够直观地显示霰、雨水、云冰、雪、云水等水成物的时间演变情况,方便预报员的使用,为今后数值预报产品的释用提供参考。     

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。     

南京空域一次高空致灾冰粒过程的可预报性分析

利用常规天气分析、雷达资料分析及数值模拟对2011年8月10日南京附近一次引发航空灾害的对流天气过程进行了研究。结果表明,对飞机受损部位检查后推断此次灾害由雹击造成,但是地面未观测到冰雹。当日南京处于副热带高压外围、河套低涡槽前的西南气流中,且位于低层切变线附近,具备发生强对流的潜在条件。垂直方向水汽呈上干下湿分布特征,利于形成冰雹。雷达资料也分析出此次对流系统发展高度较高,核心反射率因子强度较强,垂直累积液态水含量及冰雹指数都较高。从雷达反射率分析得到中气旋、中层径向辐合等特征。此次对流系统的流场结构及动力配置与典型冰雹云一致。此次过程为多单体风暴引发的高空冰雹/霰过程。冰粒子尺寸小,产生高度高,地面温度高,导致冰雹在下降过程中融化。     

通辽强对流云个例数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所建立的完全弹性三维对流云模式,模拟了2008年内蒙古通辽市6月21日的1次强对流性降水过程。结合多普勒雷达探测资料,分析、讨论了这次降水过程的流场结构、雷达回波特征、含水量场等宏微观物理量的分布及其演变。同时,模拟分析冰雹形成的微物理过程:冰雹粒子主要由冻滴(CNfh)和霰(CNgh)转化形成,冻滴对冰雹形成的贡献比霰大很多,冰雹主要是通过撞冻云水(CLch)过程而进一步长大的,而后期碰并霰粒(CLgh)的过程也很重要。     

基于X波段双偏振雷达的贵州威宁一次冰雹过程水成物粒子识别研究

利用贵州威宁雪山X波段双偏振天气雷达一次冰雹过程观测资料,基于MATLAB软件对雷达观测数据进行数据质量控制基础上利用模糊逻辑算法对冰雹云中水成物粒子进行识别分类,主要结论如下：（1）采用综合小波去噪能够有效去除差分传播相位（ФDP）存才的脉动和毛刺,保证ФDP的连续性和平滑度,保留有效ФDP值,其用于雷达反射率因子衰减订正具有较好的效果。（2）冰雹形成与低密度霰（LDG）、高密度霰（HDG）以及过冷水（SCW）的增减演变较为对应,霰粒子是冰雹形成的关键粒子。（3）从霰粒子出现到识别出冰雹时间为26 min,约4个体扫时间,从识别出冰雹到地面观测到降雹32 min,约5个体扫时间。（4）冰雹识别结果与地面观测总体一致,所构建的识别参量阈值基本合理,研究所构建的粒子相态识别方法在贵州威宁具有普适性,可为冰雹早起识别、预警和人工防雹作业提供技术和理论支撑。     

贵州地区冰雹云微物理过程及发展机制数值模拟研究

为了进一步探究贵州地区冰雹云的形成、发展机制和冰雹增长的微物理转化条件,运用三维冰雹云模式对该地区2012—2015年12个冰雹个例进行数值模拟研究,结果发现:各种水成物有利的空间分布是雹粒增长的物质基础,且上升气流与水汽相变之间存在一个正反馈效应,冰雹粒子主要以霰粒子为胚胎进行增长,增长方式以霰自动转化成雹为主。在再生冰雹云发展过程中,雹云首次发展过程结束时,高空仍维持4 km及以下很低的0℃层高度,是再生冰雹云发展的热力环境条件。降雹区地面气流辐散,导致两侧区域形成较强的气流辐合上升,是再生冰雹云发展的动力条件。气流在辐合的同时,又使原降雹区的水汽源源不断地向两侧气流辐合区汇合,是再生冰雹云发展的水汽来源。冰雹云中冰晶和霰粒子含量的迅速增加,为冰雹的再次增长提供了有利的微物理物质转化条件。