平凉一次雷暴云内的降水粒子分布及其电学特征的探讨

利用X波段多普勒双偏振雷达在甘肃平凉地区获取的一次雷暴过程资料,采用模糊逻辑判断法详细分析了该过程云内降水粒子的时空演变特征,同时结合该地区雷暴的电学特征,探讨了雷暴云电荷结构与云内降水粒子之间的关系。结果表明,在雷暴发展的不同阶段,各种降水粒子的数量存在较大的差异,霰粒子和干雪的演变特征与雷暴的发展、成熟到减弱过程对应比较一致。结合地面电场和雷达推断,冰相粒子特别是霰粒子和冰晶粒子与雷暴云的起电存在密切的关系。从各种粒子的垂直分布特征来看,中国内陆高原雷暴云下部正电荷区的强弱最有可能由霰粒子的多少来决定;同时利用霰粒-冰晶起电机制可以较好地解释雷暴云内三极性电荷结构的形成。     

基于X波段双线偏振天气雷达的雷暴云粒子识别

为了进一步认识雷暴云中影响起电的主要水成物类型,联合714XDP 天气雷达观测到的偏振参量（Z H 、Z DR 、K DP 和ρHV ）,在利用模糊逻辑方法的基础上引入温度（T）,对中国西北地区夏季雷暴云中的水成物类型进行识别,将水成物分为11种。参考 S 和 C 波段及少量的 X 波段偏振雷达的粒子识别研究,得到11种粒子对应的各偏振参量阈值。分析了2007年7月24日的一次观测过程几个时刻的偏振参量、地面电场、放电频数及识别结果,并与利用三维雷暴云动力电耦合数值模式模拟出来的粒子分布结果做了对比。结果表明,选取的偏振参量阈值基本合理,采用的模糊逻辑方法能有效、合理地识别出雷暴云内水成物的相态和分布,而且利用 K DP 可以大致判断云内电荷区。     

耦合气溶胶模块的雷暴云起电模式

利用耦合气溶胶模块的雷暴云起电新模式,结合SEET个例,对比分析了耦合气溶胶模块前后云内各水成物最大比含水量和空间电荷结构的时间演变,并初步探讨了气溶胶浓度和谱分布对雷暴云电荷总量的影响.结果表明,在250 m分辨率下,耦合气溶胶模块后对雷暴云中的动力和微物理过程仍具有较好的模拟能力.当气溶胶浓度增大时,雷暴云内电荷总量也随之增大,其中大核粒子对雷暴云电荷量的生成有相当大的贡献.     

基于云雷达和降水雷达资料的一次典型暖云降水成因及粒子类型演变

针对2020年8月9日南京市一次典型对流性暖云降水过程,结合云雷达和双偏振降水雷达资料,研究了此次短时强降水的雷达回波特征和成因;基于雷达参量和模糊逻辑算法识别了水凝物粒子类型,并分析了降水过程中水凝物粒子的性质和演变.结果 表明:此次降水强度大、效率高,雷达观测的云体回波呈现低质心、强回波的热带型结构.正负速度对的出...     

S波段双偏振多普勒天气雷达对一次局地强雷暴过程的探测分析

为提高双偏振天气雷达雷暴监测预警能力,探究雷暴活动过程雷达偏振信息特征及雷暴内部微物理过程,利用S波段双偏振多普勒天气雷达,结合地面大气电场仪和闪电定位系统资料对2015年8月31日发生在南京地区一次局地强雷暴过程进行了分析。主要利用体扫数据获得雷暴单体内部垂直剖面(Vertical Cross Section,VCS),同时结合模糊逻辑算法进行粒子类型识别,得到多个偏振参量和雷暴云内部粒子类型的垂直分布情况,进一步分析得到各偏振参量和粒子分布随闪电活动的演变规律。结果表明:在-15℃高度层以上冰晶区域出现K_(DP)的负值区与闪电活动具有很好的相关性;雷暴云中霰粒子的分布变化同闪电活动演变同步很好,在一定高度霰粒子的出现可以用来对雷暴进行预警;雷暴云中低层存在强烈的辐合上升区,利于霰和冰晶碰撞非感应起电和闪电的发生。     

青藏高原雷暴云降水与地面电场的观测和数值模拟

在2003年青藏高原那曲地区夏季雷暴云的观测试验中,三次伴有降水的过程中都出现了地面电场(Egnd)随降水的漂移现象,而且固态和液态降水对Egnd的极性改变并不相同。为了模拟再现高原雷暴云降水和Egnd之间的关系,选取了8月13日这次具有高原雷暴代表性特征的过程,模拟了雷暴云移经观测点上空期间,测站固、液态降水与Egnd的变化以及雷暴云下部正电荷区的空间分布。模拟的Egnd及固、液态降水与其的对应关系与观测事实较一致。分析结果表明,固态降水主要携带正电荷,液态降水主要携带负电荷,各类带不同极性和数量电荷的降水粒子常共存在雷暴云中,Egnd主要受携带电荷量占主导地位的降水粒子的影响,地面出现强正电场时正好是云在当顶并且地面出现强固态降水的时间。     

气溶胶对云中水成物粒子荷电情况的影响

利用已有的二维雷暴云起电模式,加入气溶胶模块,建立一个完善的雷暴云起电模式.结合SEET个例,初步探讨了气溶胶浓度对雷暴云内各种水成物粒子荷电情况的影响.发现气溶胶的浓度与雷暴云内云滴、霰粒、冰雹以及雨滴等水成物粒子在空间所携带的最大电荷面密度值以及电荷量有很好的正相关性;同时气溶胶粒子浓度的增加使得雨滴在空间携带电荷量达到峰值的时间有一定提前.     

雷暴云内电场探测仪及初步实验结果

雷暴云内的电场探空是了解雷暴电荷结构的重要手段之一。为了定量了解雷暴云内的电场分布以确定雷暴的电荷结构,本文根据强电场环境中尖端放电原理,制作了尖端放电电流传感器。该电流传感器包括两根长度均为1 m的同轴电缆和一个时间常数为0.1 s、量程±16μА的精密电流放大电路;两根同轴电缆悬空垂直于地面,相对放大电路对称布置,两个尖端的长度为5~6 cm。利用该电流传感器,同时配合温度、相对湿度、GPS等传感器,组成了雷暴云内电场综合探空仪,并于2007年夏天在甘肃平凉地区进行了初步实验。利用雷暴天气条件下的大气平均电场仪与尖端放电电流传感器进行的地面同步观测记录,得出了大气电场—尖端放电电流的拟合关系,发现负电晕放电(尖端为阴极)的阈值电场和正电晕放电阈值电场存在一定差异,且负电晕放电的阈值较低。本文认为这一差异源于正、负电晕放电机制的差异。利用气球携带的电场综合探空仪进行了探空实验,得到了一次空中电场的初步探测结果,在此基础上,对探空路径上可能存在的电荷区域进行了分析。     

X波段双偏振雷达水凝物粒子相态识别应用研究

对云中水凝物粒子分类识别是双偏振雷达的主要应用之一。本文利用IAP-714XDP-A X波段双偏振雷达观测数据,在对其进行质量控制的基础上,利用滑动自适应订正算法对雷达反射率及差分反射率进行衰减订正,进而采用纹理参数SD（Z_H）和SD（?_DP）区分气象回波与非气象回波,最后建立基于X波段双偏振雷达偏振参量（Z_H、Z_DR、K_DP、ρ_HV）、环境温度T和纹理参数（SD（Z_H）、SD（?_DP））的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法。本文通过对2016年8月7日一次低仰角的观测,检验了纹理参数SD（Z_H）和SD（?_DP）对气象回波和非气象回波的识别效果,结果表明:SD（Z_H）与SD（?_DP）两者结合可有效区分气象回波和非气象回波;用2015年8月7日北京一次较大范围的降雹个例,对建立的模糊逻辑水凝物粒子分类识别算法进行效果验证,识别降雹落点与地面观测降雹落点一致,表明各种水凝物粒子对应偏振参量取值范围合理;对2016年9月14日一次处于不同发展阶段的多单体对流云进行水凝物粒子分类识别,结果显示处于发展阶段对流云中存在过冷水柱,其形成的微物理过程是对流云中强烈的上升气流将暖层的水滴抬升到0℃层之上形成过冷云雨水,进而冻结形成雹胚并发展成为冰雹。     

重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。     

Electrization and spatial charge separation at the air bubbles exhalation that occurs during the coagulation growth of hail particles in a cloud. Part 2. Generation of thunderstorm electricity due to the charged bubbles exhalation caused by freezing of overcooled cloud drops on the hail particles surface

It has been found that air bubbles, which exhale during freezing of overcooled cloud drops on the hail or graupel particles surface, carry away a great amount of positive charge to the surrounding space while the compensating negative charge remains on the solid particles of hydrometeors. This conception was used for computation of rates of charge accumulation on the hail particles and generation of thunderstorm electricity in deep convective clouds. It is shown that this conception describes the most powerful mechanism of thunderstorm electricity generation and satisfies all the requirements for the theory of thunderstorm electricity.     

雷暴云中起电活动对动力和微物理过程的影响

本文通过改变三维强风暴动力—电耦合数值模式中电场参量的引入条件，将电场带入积云运动方程及水凝物下落末速中，模拟比较了有无电场影响下模拟云的主要差异。在考虑电场的作用下，由于初期电活动并不剧烈，降水强度与云内风速变化较小；随着云中起电活动的增强，考虑电场影响的模拟云内上升、下沉风速均有所增加，对应时段的降水强度有明显起伏，但累计液态与固态降水量增加微弱；同时，闪电数目增多，闪电发生得更早，持续的时间更长，电场的影响是不可忽视的。模拟发现:雷暴成熟时期，由于电场力的作用，雹粒子瞬时落速变化的极值均超过10 m s-1，霰粒子瞬时落速变化极值也超过了7 m s-1。但强电场的区域较小，粒子下落时经过强电场区域的时间较短，所以落速极值变化不大，相比之下电场力对半径较小粒子的下落末速的瞬时改变更显著。电场通过对粒子下落速度的影响，改变了水凝物粒子主要源项的生成率，增加雨滴、冰晶粒子的生成率，减小霰、雹粒子的生成率，调整了三相水凝物粒子的时空分布，使云中水汽总量增加9%，释放潜热增加7%，为云体的进一步发展提供了内能。     

广东一次飑线过程中一个雷暴单体成熟阶段的电荷结构演变特征的数值模拟

为了进一步印证以往观测反推得到的广东地区雷暴云多偶极性电荷结构的结论,利用加入了起放电参数化方案的WRF模式,模拟了广东在2017年5月8日发生的一次飑线过程,并对这次飑线过程中一个雷暴单体成熟期的电荷结构演变特征进行分析,通过分析动力、云水含量、各水成物粒子混合比及携带电荷情况,讨论了电荷结构的形成及演变机制。结果表明,成熟阶段的单体,电荷结构从三极性逐渐演变为偶极性。这是因为在成熟初期,霰粒子在有效液态水含量适中且温度较高的地方与冰晶/雪花粒子发生了非感应碰撞,因此底部霰粒子携带正电,雷暴云底部形成次正电荷区,电荷结构为三极性。而在成熟后期,由于丰富的云水含量,使冰粒子的凇附过程增强,霰不断增加,冰晶和雪花不断被消耗,温度较暖区域与霰共存的冰晶和雪花急剧减少,使得该区域大小冰粒子的非感应碰撞起电急剧减少,此处霰粒子不能再通过非感应碰撞获得正电荷,底部次正电荷区随之消失,雷暴云的电荷结构转变为偶极性。此结果和以往观测反推得到的结论不同,这表明,对南方雷暴电荷结构还需继续深入认识。      

Impacts of Horizontal and Vertical Resolutions on the Microphysical Structure and Boundary Layer Fluxes of Typhoon Hato(2017)

We set four sets of simulation experiments to explore the impacts of horizontal resolution(HR) and vertical resolution(VR) on the microphysical structure and boundary layer fluxes of tropical cyclone(TC) Hato(2017). The study shows that higher HR tends to strengthen TC. Increasing VR in the upper layers tends to weaken TC, while increasing VR in the lower layers tends to strengthen TC. Simulated amounts of all hydrometeors were larger with higher HR. Increasing VR at the upper level enhanced the mixing ratios of cloud ice and cloud snow,while increasing VR at the lower level elevated the mixing ratios of graupel and rainwater. HR has greater impact on the distributions of hydrometeors. Higher HR has a more complete ring structure of the eyewall and more concentrated hydrometeors along the cloud wall. Increasing VR at the lower level has little impact on the distribution of TC hydrometeors, while increasing VR at the upper level enhances the cloud thickness of the eyewall area.Surface latent heat flux(SLHF) is influenced greatly by resolution. Higher HR leads to larger water vapor fluxes and larger latent heat, which would result in a stronger TC. A large amount of false latent heat was generated when HR was too high, leading to an extremely strong TC, VR has a smaller impact on SLHF than HR. But increasing VR at the upper-level reduces the SLHF and weakens TC, and elevating VR at the lower-level increases the SLHF and strengthens TC. The changes in surface water vapor flux and SLHF were practically identical and the simulation results were improved when HR and VR were more coordinated. The friction velocity was greater with higher VR.Enhancing VR at the lower level increased the friction velocity, while increasing VR at the upper level reduced it.     

Impacts of Horizontal and Vertical Resolutions on the Microphysical Structure and Boundary Layer Fluxes of Typhoon Hato

We set four sets of simulation experiments to explore the impacts of horizontal resolution (HR) and vertical resolution (VR) on the microphysical structure and boundary layer fluxes of tropical cyclone (TC) Hato (2017). The study shows that higher HR tends to strengthen TC. Increasing VR in the upper layers tends to weaken TC, while increasing VR in the lower layers tends to strengthen TC. Simulated amounts of all hydrometeors were larger with higher HR. Increasing VR at the upper level enhanced the mixing ratios of cloud ice and cloud snow, while increasing VR at the lower level elevated the mixing ratios of graupel and rainwater. HR has greater impact on the distributions of hydrometeors. Higher HR has a more complete ring structure of the eyewall and more concentrated hydrometeors along the cloud wall. Increasing VR at the lower level has little impact on the distribution of TC hydrometeors, while increasing VR at the upper level enhances the cloud thickness of the eyewall area. Surface latent heat flux (SLHF) is influenced greatly by resolution. Higher HR leads to larger water vapor fluxes and larger latent heat, which would result in a stronger TC. A large amount of false latent heat was generated when HR was too high, leading to an extremely strong TC, VR has a smaller impact on SLHF than HR. But increasing VR at the upper-level reduces the SLHF and weakens TC, and elevating VR at the lower-level increases the SLHF and strengthens TC. The changes in surface water vapor flux and SLHF were practically identical and the simulation results were improved when HR and VR were more coordinated. The friction velocity was greater with higher VR. Enhancing VR at the lower level increased the friction velocity, while increasing VR at the upper level reduced it.     

云凝结物平流输送对降水云系发展影响的数值模拟研究

大气动力学中"平流输送"是非常重要的宏观动力学过程,云凝结物的平流输送与降水云系的发展演变密切相关,它把宏观动力过程与各种云凝结物粒子的时空演变联系起来,云凝结物的平流输送可以增加或减少局地大气中云凝结物的含量,改变云凝结物的空间分布状况,影响云凝结物的微观物理过程,进而促进或抑制降水云系的发展演变.本文在数值模拟研究中.通过改变云凝结物平流输送的状况来研究宏观动力过程对云微观物理过程的影响,因而利用ARPS模式开展3个分别排除云凝结物水平平流输送、垂直平流输送和三维平流输送的敏感试验,进行关于云凝结物平流输送对降水云系发展演变影响的敏感性数值模拟研究.结果表明,云凝结物的平流输送对水汽比湿的影响很小.云凝结物的三维平流输送有利于增加降水云系中雪和霰的混合比含量,抑制云水、雨水和云冰混合比含量的增长.云凝结物的水平平流输送可以降低降水云系中云水和雨水的混合比含量,增加云冰和雪的混合比含量;云凝结物垂直平流输送的作用是增加降水云系中雨水、雪和霰的混合比含量,减少云与冰混合比含量.云凝结物三维平流输送效应的分析表明,云凝结物的三维平流输送主要通过调整云凝结物的微物理过程源汇项以及降水粒子(雨水、雪和霰)的下落末速项来改变降水云系中云凝结物的垂直结构;另外,雪的三维平流输送对雪本身的分布也有一定影响.     

一次东北冷涡天气过程双偏振雷达降水粒子相态识别

本文利用双偏振天气雷达资料，对2019年6月7-9日辽宁地区一次东北冷涡强对流天气过程进行分析。分析了东北冷涡的演变过程以及双偏振雷达的偏振参量在降水粒子相态识别中的作用，研究了不同判别规则对模糊逻辑算法识别结果的影响。结果表明：双偏振雷达的偏振参量可以对水凝物的种类、空间分布、物理形态进行大致判断，但水凝物相态识别结果仍需细化。模糊逻辑算法在强回波区域的识别结果更准确，采用不同的判别规则得到的水凝物分类结果虽存在一定差异，但在大部分观测区域的分类结果基本一致，符合天气演变规律，能够为气象预报预警提供鉴别参考。具有广泛时间、空间适配性的模糊逻辑算法，仍需大量实测案例数据的验证与仿真。     

Dominant cloud microphysical processes of a torrential rainfall event in Sichuan,China

High-resolution numerical simulation data of a rainstorm triggering debris flow in Sichuan Province of China simulated by the Weather Research and Forecasting (WRF) Model were used to study the dominant cloud microphysical processes of the torrential rainfall. The results showed that: (1) In the strong precipitation period, particle sizes of all hydrometeors increased, and mean-mass diameters of graupel increased the most significantly, as compared with those in the weak precipitation period; (2) The terminal velocity of raindrops was the strongest among all hydrometeors, followed by graupel’s, which was much smaller than that of raindrops. Differences between various hydrometeors’ terminal velocities in the strong precipitation period were larger than those in the weak precipitation period, which favored relative motion, collection interaction and transformation between the particles. Absolute terminal velocity values of raindrops and graupel were significantly greater than those of air upward velocity, and the stronger the precipitation was, the greater the differences between them were; (3) The orders of magnitudes of the various hydrometeors’ sources and sinks in the strong precipitation period were larger than those in the weak precipitation period, causing a difference in the intensity of precipitation. Water vapor, cloud water, raindrops, graupel and their exchange processes played a major role in the production of the torrential rainfall, and there were two main processes via which raindrops were generated: abundant water vapor condensed into cloud water and, on the one hand, accretion of cloud water by rain water formed rain water, while on the other hand, accretion of cloud water by graupel formed graupel, and then the melting of graupel formed rain water.     

对流涡度矢量和湿涡度矢量在暴雨诊断分析中的应用研究

利用对流涡度矢量(CVV, (ζa×θe)/ρ)和湿涡度矢量(MVV, (ζa×θv)/ρ)对华北地区一次大范围的大到暴雨天气过程进行了诊断研究.结果表明,CVV和MVV垂直分量与云和降水密切相关,暴雨区区域平均和垂直积分的CVV和MVV垂直分量与云中水凝物混合比的相关系数分别为0.92和0.95,与降水率的相关系数分别为0.71和0.47.云中水凝物分为液态水凝物和固态水凝物,虽然同态水凝物的含量相对较少,但它在云的变化中起着更重要的作用.滞后相关分析表明,降水率的峰值到来之前4-5 h云中水凝物含晕最少,降水率的峰值到来之后1-2 h,云中水凝物含量最多.云中水凝物与降水率的滞后相关系数主要是由液态水凝物与降水率的滞后相关系数决定的,只有约1/4的滞后相关系数是由固态水凝物与降水率的滞后相关系数贡献的.CVV和MVV的垂直分量与云中水凝物具有非常好的相关性(同时及滞后),与降水率的相关也较好,可以代表云和对流系统的发展.CVV和MVV垂直分量的局地变化超前降水率3 h左右,可以作为降水发生的先兆,对降水的预报有潜在的意义.CVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数大于MVV垂直分量的局地变化与降水率的相关系数,因此在实际预报中可以利用CVV垂直分量的局地变化来估计未来降水的变化.