青藏高原东北侧冰雹微物理过程模拟研究

以青藏高原东北侧及毗邻地区诱发冰雹灾害的东移短小切变线天气过程为研究背景,采用中国科学院大气物理研究所三维冰雹云分档模式,用MM5V3中尺度气象模式提供冰雹云模拟研究所需的环境大气状况,模拟研究了冰雹形成和增长的微物理过程。结果表明：模式再现了当时冰雹、大风及暴雨的实况;中尺度水分和动力条件是冰雹形成和增长的重要因素,它们决定了冰雹云的强度和冰雹的大小;冰雹形成和增长过程中的微物理过程决定了冰雹云的消亡,冰雹在空中形成的潜热释放延长了降雹的时间;云中冰雹发生、增长的主要区域和云内上升气流配合良好,是防雹消雹的主要范围。     

超级单体风暴中大冰雹增长机制的模拟研究

为调查超级单体中大冰雹的运行增长机制,使用三维冰雹分档对流云模式结合三维粒子运行增长模式,对一例超级单体风暴进行了数值模拟.实测风暴的结构如中气旋、弱回波区、前悬回波等被很好地模拟再现,显示了模式对超级单体具有良好的模拟能力.雹胚在风暴发展阶段由过冷雨滴冻结产生,主要分布在主上升气流区上部,在主上升气流区西北侧中高层也有相当数量的雹胚粒子,冰雹主要分布在主上升气流区东侧.风暴发展阶段产生的雹胚有7％～8％增长到1 cm以上,1％左右增长到2 cm以上,这些大冰雹绝大多数起源于主上升气流区北侧的高层云区,气旋性进入主上升气流区按照简单的上—下形式增长,少数大冰雹起源于主上升气流区西北侧风暴后部中高层,气旋性地沿着主上升气流区的边缘按照下—上—下形式运动增长,表明了超级单体中大冰雹存在两条增长路径.     

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。     

应用二维冰雹云模式做冰雹预报

应用二维冰雹云模式,模拟分析了渭干河灌区一次冰雹云过程的流场结构和云中含水量等宏微物理量的分布及其演变,并用１９９５年７～８月的探空资料,进行冰雹预报试验。结果表明：本模式可以真实地模拟出适合于冰雹云生长的环境流场、温度场、湿度场的分布及其演变过程,还可模拟出多单体雹云的发生、发展演变过程。根据大气层结稳定度,选择不同的热扰动强度,可使空报次数明显减少,预报准确率提高到６９．３％。     

一次冰雹云过程及其冰雹形成机制的模拟研究

利用常规气象资料和多普勒天气雷达资料,从天气形势和雷达回波演变特征等方面对2011年6月24日发生在洛阳嵩县的一次冰雹过程进行了分析,并利用三维弹性冰雹云催化模式对该冰雹云进行了模拟研究,分析其冰雹形成的物理机制。结果表明:本次过程在天气形势上属于下滑冷槽型。多普勒天气雷达资料上表现为单个单体的强对流风暴,最大反射率≥65 dBz,回波顶高达到14 km,降雹前垂直积分液态含水量具有明显的跃增;径向速度场上出现了大范围明显的逆风区。三维冰雹云模式对该冰雹云具有较好的模拟能力,模式模拟的最强回波与实况一致,雹云中含水量中心与强上升气流有很好的配置,在云的发展阶段,主含水量中心是强上升气流的指示。冰雹的雹胚主要来自冻滴和霰,在冰雹形成期间,冻结形成的冻滴和转化产生的霰数量上相差不大,但是冻滴向雹的转化比例却是霰的6倍,即在地面强降雹之前,雹云中的雹胚主要来源于冻滴;而冰雹的增长在前期主要靠收集过冷雨水,后期主要靠收集过冷云水;适量的冰晶、雪和丰富的过冷水的存在对雹的形成和增长极为有利。     

基于气候变化背景下的人工防雹效果统计检验：以青海省东部农业区为例

采用青海省东部农业区1961--2010年6-9月雷暴日数、降雹日数及雹灾面积资料,利用气候变化趋势分析、历史回归分析及显著性检验等方法,分析了近50a雷暴日数、降雹日数的变化趋势,以雷暴日数变化趋势的最优显著性拟合值为自变量预测了降雹日数的自然变化趋势,并由降雹日数趋势值与自然趋势期望值的差异显著性检验定性说明了气候变化背景下人工防雹效果,通过雷暴日数和雹灾面积的历史回归分析及显著性检验定量估计了人工防雹效果。结果表明：在自然背景也发生同样趋势性变化的情况下,降雹日数在1961--1990年没有显著的减少趋势,未能检验出显著的人工防雹效果;1991--2010年减少趋势显著,通过了0．001信度的显著性检验,人工防雹效果显著。1991-2010年青海省东部农业区平均人工防雹减灾率为52．6％,可信度为95％,但具体年份之间差异较大。     

西北区冰雹分布及与地温场的相关分析

利用1970—2001年历年1～12月中国西北地区冰雹日数资料,研究了它与3．2m深度的地温场及西北区降水场的关系。结果表明：西北区多雹区与少雹区均呈带状分布,并且山区多雹,平川少雹。进一步分析还发现,年雹日距平图与当年夏季3．2m地温场吻合得相当好,多雹带总与高地温带相吻合,少雹带则与低地温带相吻合。因此,一定深度的地温是控制冰雹多少的重要因子。     

A general hydrodynamic theory for mixed-phase microphysics. Part I: drag and fall speed of hydrometeors

A general parameterization for solid and liquid hydrometeors is presented. hydrometeors basically are viewed as porous spheroids with the following variable parameters: diameter, axial ratio, mass, and porosity. Based on this parameterization a functional dependence on the Reynolds number of the drag of hydrometeors is derived, which is based on boundary layer theory. The basic form of this functional dependence is consistent with viscous theory and the inertial drag at low Reynolds numbers is predicted with good accuracy by matching the results from the boundary layer theory with Oseen's theory of creeping motion. Based on this solution a general semi-empirical expression for the Reynolds number and fall speed of particles is found. The results from the present theory are in remarkable agreement with experiments: The errors generally are < 5–10% for a wide variety of hydrometeors in the range of Reynolds numbers 0<N_Re<5×10⁵, including columnar and variously branched planar ice crystals, rimed and unrimed aggregates, lump, conical, and hexagonal graupel, hail, and rain drops. The present parameterisation aims far beyond the limits of the conventional methods since it is suitable for mixed-phase models of the microphysics of precipitation with continuously varying particle mass and shape characteristics and including processes such as depositional growth of ice crystals under varying environmental conditions, collisional growth of particles, and melting.     

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。     

三维冰雹分档强对流云数值模式研究Ⅰ.模式建立及冰雹的循环增长机制

针对现行冰雹云参数化模式中假定冰雹谱服从特定的负指数分布，冰雹增长率依赖其加权平均末速度以及粒子间的数浓度转换不守衡等局限性，作者建立和发展了一个包括云滴、云冰、雨滴、雪团，霰和雹的云中主要水成物场及凝结、撞冻等37种主要微物理过程，可用于预测和研究三维强冰雹云降雹过程的冰雹分档模式，模式能够提供在雹云参数化模式中无法提供的关于冰雹增长与分布的信息。研究共分三部分：模式的建立及冰雹的循环增长机制；冰雹的分档分布特征；冰雹产生与增长的微物理过程。第一部分，通过建立模式及模拟一个多单体风暴个例，对多单体中冰雹的增长机制进行了数值模拟研究。     

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.     

播撒碘化银实施雹云催化的数值试验--个例研究

在三维冰雹云模式基础上,采用湿热泡扰动方式激发对流云,对1998年7月21日发生在河南北部地区的一次冰雹过程进行模拟并做催化试验.结果表明,该例雹云具有含水量累积区,对累积区中心播撒碘化银能够减雹、增雨;而在此中心之下较低的高度作业,或播撒时间选取不当,则有可能增加冰雹.     

干旱对夏玉米根冠及产量影响试验

为揭示干旱对夏玉米根冠生长及产量形成的影响,2013—2015年在山东夏津、山西运城和河北固城开展夏玉米水分胁迫控制试验,研究不同干旱条件下玉米根冠及产量的变化,厘定干旱敏感时段及临界阈值。结果表明:同一干旱程度,影响玉米地上干物重、产量的关键时段为拔节-抽雄期,抽雄期最敏感,影响根系、根冠比的关键时段为出苗-拔节期,拔节期最敏感。不同干旱程度,在快速失墒阶段,不同生育时段的地上干物重、根干重、根冠比均呈下降趋势,分别较对照减少11.7%~67.8%,35.2%~85.8%和15%~62%;干旱维持阶段与快速失墒阶段相比,地上干物重呈持续下降趋势,较对照减少24.3%~89.7%,根干重、根冠比呈上升趋势或无明显差异,分别较对照减少9.7%~80.8%,9.6%~62%。出苗-拔节期,土壤相对湿度60%~62%为玉米地上部生长及形成合理根冠比的临界阈值;出苗-七叶期,土壤相对湿度51%~60%利于根系生长。土壤相对湿度62%为影响玉米产量的临界阈值,土壤相对湿度31%~40%,出现在拔节、抽雄等敏感期,玉米减产七成以上。土壤相对湿度50%~60%持续时间少于8 d,复水后根冠可迅速恢复生长,但对产量仍有一定程度的影响,减产1.4%~6.6%。     

广东省大冰雹事件的层结特征与融化效应

本文主要利用L波段常规探空数据、华南区域加密自动站资料以及ERA-Interim 0.125°×0.125°逐6 h再分析资料,依据我国冰雹等级划分标准（GB/T 27957-2011）筛选了2004～2017年发生在广东的23个大冰雹事件（直径≥20 mm）,重点分析其大气层结状态与结构特征,定量诊断了大冰雹的融化效应,并建立了判别大冰雹的物理参数模型。结果表明:（1）大冰雹事件“上干下湿”比非大冰雹（直径≥5 mm且＜20 mm）事件更加清晰,产生大冰雹所需的对流（位势）不稳定建立更依赖于“上干下湿”而不是“上冷下暖”。（2）H_?/H₊（冷云和暖云厚度比值）对于区分大冰雹与非大冰雹具有较好的指示效果,H_?/H₊高于1.6/1对判别产生大冰雹有参考价值。（3）相比于非大冰雹事件,大冰雹事件最大热浮力高度高于?5℃层,有利于托举雹胚进入有效增长层（?10℃～?30℃）,促使雹胚生长为大冰雹。最大热浮力强度≥4℃可作为判别大冰雹与非大冰雹的关键阀值。（4）热传递与对流交换（）对大冰雹融化起主要作用,其贡献率与DBZ（冻结层高度）、（环境平均温度）呈反比关系;冰雹表层水膜因蒸发或重新凝结消耗潜热（）对大冰雹融化影响表现在DBZ高度上的冰雹直径越小、融化贡献率越大,大冰雹融化程度越大。高空的干层向下延伸到较低高度有利于大冰雹不被或少被融化,也是大冰雹事件WBZ（湿球零度层高度）显著低于DBZ的重要原因。（5）基于全文统计内容与对比分析,构建了一个判别大冰雹的物理参数模型,大气层结满足ΔT_d85（850 hPa与500 hPa的露点差）≥46℃、500 hPa的T?T_d≥15℃、1000～700 hPa最小的T?T_d≤2℃、H_? /H₊≥1.6/1,最大热浮力强度≥4℃、最大热浮力高度高于?5℃层时,有利于产生大冰雹。     

冰雹形成机制和催化防雹机制研究

利用文献［１］发展的三维弹性冰雹云催化模式模拟研究了１９９７年７月８日陕西省旬邑防雹试验区出现的一块冰雹云,分析其冰雹形成的物理机制,对雹云做了高度催化试验,研究了催化防雹机制。结果表明,９７％的雹块是以冻滴为核心增长的,在云中冰雹还未形成前,于强上升气流区的适当高度催化效果较好,而在上升气流极值高度,亦是高含水量区催化效果最好。催化使霰和冻滴的浓度增加,粒子质量减小,向雹的转化比例大为降低,因此雹块的质量和浓度都减小,达到了防雹的目的。     

多普勒天气雷达冰雹探测算法评估及检验改进

利用新一代多普勒天气雷达资料和WSR-88D提供的冰雹指数算法,对2005年1月至2007年8月发生在贵州省黔西南地区的20个冰雹个例进行验证。用此算法对20个风暴日的样本计算了WT（警报阈值）、H（相对雷达的高度）、M（漏报率）、FA（虚警率）、POD／FAR／CSI（探测概率／误报率／临界成功指数）等多个函数,并将这些数据与强冰雹指数（SHI）作对比分析,将SHI作为冰雹尺寸的预报因子进行独立评估,对实际观测到的冰雹尺寸与模式预报尺寸进行比较。在考虑了本地环境、气候特征的前提下对误警率较高的情况进行了算法补尝,并针对误警率较高的现象提出解决办法：①输入当天的正确0℃／-20℃高度,②提高冰雹探测反射率阈值。用改进方法对2007年发生的9次冰雹天气过程进行对比检验。结果表明,误报率有所降低,预报冰雹尺寸更接近实际探测尺寸。     

气溶胶对新疆冰雹形成物理过程影响的数值模拟研究

利用带有分档微物理方案的中尺度模式（WRF-SBM）模拟了一次新疆夏季的冰雹天气过程,并通过敏感性试验研究了气溶胶浓度变化对雹云微物理特征、降水过程及冰雹形成机制的影响。结果表明:初始气溶胶浓度越大,对流云发展越旺盛。雹云发展阶段,云中液水含量随气溶胶浓度增加而增多,冰水含量在中度污染时最多。冰雹的含量随气溶胶浓度的增加呈现先增加后减小的趋势,相较而言中度污染条件下,云滴尺度适当,过冷云水含量相对充足,更有利于液相水成物向冰粒子的转化,也更有利于冰雹的生长。冰雹最初几乎全部由冰晶碰冻过冷水生成,随后该过程迅速减弱,液滴冻结过程短暂地成为主要来源,但冰雹一旦形成,自身就会迅速收集过冷水开始生长,成为冰雹生长的主导过程。重度污染条件导致各种成雹过程推迟发生。气溶胶浓度增大导致地面液相累积降水增加,冰相累积降水先增加减少,并且气溶胶浓度适当增大可使降雹量及冰相降水中冰雹的比重增加,过量则会减小。在此基础上,本文提出最适合冰雹生长的“最优气溶胶浓度”,同时也是人工防雹工作中应重点关注的浓度。     

利用贝叶斯方法改进华南地区冰雹识别效果

使用2019年广东S波段双偏振雷达观测的冰雹和非冰雹数据,统计得到冰雹和非冰雹的雷达反射率Z、差分反射率Z_DR和相关系数CC先验概率密度分布,采用贝叶斯方法,根据雷达参量在冰雹和非冰雹条件下的概率以及冰雹和非冰雹的先验概率来确定某一距离库上所测到的（Z、Z_DR、CC）所代表冰雹和非冰雹的概率,并用两个个例,比较分析了WSR-88D冰雹识别算法和贝叶斯方法对冰雹识别的效果,分析表明,两种方法都能较准确地识别出冰雹云,但是贝叶斯方法识别范围较大,这可能与华南地区多为雨夹雹有关。      

下垫面热源对降水的作用研究

本文通过对北京北部山区夏季、渤海及黄海北部冬、春、秋季,下垫面热源对北京的冰雹、山东半岛（及海岛）的降雪、冰雹天气的影响进行分析,阐明下垫面热源作用,在一定天气形势下可产生对流性降水天气。这种天气形势一般是高空有较强冷空气活动且低层也较冷,下垫面热源才容易起作用。此外,考虑下垫面热源作用的同时,要注意与其配合的水汽来源问题。     

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。