初始云滴浓度（CCN）对对流性降水作用的数值试验

本文利用一个二维滞弹性非静力平衡云模式[1],选择三个典型个例,就初始云滴浓度（CCN）对对流性暖雨和冷雨过程的效应进行了数值试验。模拟结果表明：初始CCN对对流性降水影响较大。对暖雨过程而言,随着初始CCN的增大,地面累积降水量减弱;对冷雨过程而言,增大初始CCN,可削弱对流强度,减少地面累积降雹量,延缓液态水到达地面的时间,但最终增强了地面累积液态降水量。并且分析了初始CCN导致暖雨和冷雨过程这种差别的原因。     

大气冰核浓度对对流云降水过程影响的数值模拟

在已有的三维对流云模式的基础上新植入了同质冻结和异质核化方案,结合一次山地雷暴个例,通过敏感性试验来探讨大气冰核浓度对对流云微物理过程和降水的影响。模拟结果表明:①冰核浓度的改变会对对流云的动力场及各水成物粒子产生明显作用。增加冰核浓度,冰相粒子的数浓度随之增加;同时,凝华过程中释放大量潜热导致云中上升气流增强。由于水汽含量一定,各水成物粒子"争夺"水汽,使得云滴、冰晶和霰的增长均受到抑制,难以成为较大尺寸的降水粒子。②冰核浓度的增加,"贝吉龙效应"导致云滴的尺度减小,削弱了云-雨转化过程。雨滴、云滴混合比的减小抑制了雨滴对云滴的收集。同时,小尺度的霰粒子削弱了霰融化为雨滴的物理过程,最终导致地面累积降雨量降低。     

大气冰核:研究进展与挑战

大气冰核参与初始冰晶的异质形成,影响冰云的微物理过程和辐射性质。阐明大气冰核浓度、来源、性质及活化成冰的微观机制,是深入认识气溶胶与云相互作用的关键。本文梳理了近年来国内外在冰核测量技术、冰核活化机制、外场观测及其参数化方案等几个方面取得的进展,明晰了冰核研究存在的挑战。此外,本文也指出了我国加强大气冰核研究的必要性和迫切性。     

大气冰核谱分布对对流风暴云人工催化影响的数值模拟研究

2002年9月在青海省河南县人工增雨综合试验基地开展了人工增雨外场综合观测试验.根据这次实验得到的大气冰核资料,以及文献给出的另外两组常用的冰核资料,利用中国科学院大气物理研究所研制和发展的三维对流云人工催化数值模式,讨论了3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云人工催化增雨效果的影响,模式中还考虑了国内人工影响天气部门常用的RYI-6300型和WR-1B型人工增雨防雹火箭播云弹道的差异.模拟结果表明,3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云的宏观和微观参量分布结构有很大影响,在这些对流云中进行火箭播云催化试验得到的播云效果也有很大差异.大气环境中高温冰核浓度低,而低温冰核浓度高时,对流风暴云人工催化将导致云中冰晶过量,不利于对流风暴云降水增加.在大气环境中高温冰核浓度较高,并且低温冰核浓度较低时,对流催化风暴云可获得最高的人工增雨效果.在青海试验区的大气冰核谱环境下,火箭催化对流风暴云增雨有一定效果.对不同地区进行人工增雨作业时,了解清楚当地大气冰核的基本背景状况对于正确地评估播云效果非常重要.文中还给出了导致这些结果差异的物理解释.     

用5L混合云室观测抚顺市大气冰核浓度

利用改进的Bigg型混合云室于2011年5-11月在辽宁省气象局抚顺大气成分站对近地层大气冰核浓度进行了测量。根据测量结果,分析冰核浓度日际变化和季节变化特征,讨论了风、气压、气温和湿度以及天气状况等气象要素对大气冰核浓度的影响。结果表明：观测期间,抚顺市大气冰核浓度平均为30个·L_-1（-20 ℃时）;冰核浓度随活化温度的降低呈指数式增加;气象因子对冰核浓度有一定的影响,不同季节影响的程度不同。     

一种浸润冻结机制冰核测量装置（FINDA）的搭建与应用

为了定量评估降水（雨、雪、雹等）和大气中冰核浓度,搭建了一种新型的离线式冰核测量装置（FINDA）用于检测浸润冻结机制的冰核。对多通道测温元件进行了改装和校准,并利用红外热成像仪动态校准了冷台水平温差,开发了自动化软件实现对测量过程的控制和数据分析。通过超纯水冻结实验、雪水及大气样品中冰核检验评估了FINDA的测量性能。结果表明,FINDA温度测量偏差随温度降低而线性增大,?25℃时误差为±0.75℃;超纯水初始冻结温度平均为?21.27±1.45℃,中值冻结温度（T₅₀）平均为?25.65±0.64℃;对同一降雪融水样品中冰核浓度温度谱检测,FINDA与其他冻滴设备测量结果基本一致,同冰核浓度下温度偏差小于3℃;大气样品中冰核?20℃时比在线连续流量扩散云室测量值略高,与国际上其他学者的结论一致。FINDA能够有效获得0—?25℃每隔0.25℃的冰核浓度谱,超纯水和试验操作引入的冰核对测量结果影响很小。设备的广泛应用可帮助深入了解大气冰核在混合云降水中的作用,为预报和云模式的本地化改进及对云降水理论研究提供重要的实验数据和理论基础。      

云凝结核浓度对南京地区一次冰雹云过程影响的数值研究

采用WRF模式与包含了云凝结核(Cloud Condensation Nuclei,CCN)浓度和霰雹密度预报的NSSL(National Severe Storm Laboratory,国家强风暴实验室)微物理方案,模拟不同CCN初始浓度条件下南京地区的一次冰雹云过程,分析不同CCN初始浓度影响下冰雹云过程的宏微观演变特征,以及对流发展不同阶段的水凝物粒子及流场、温度场的垂直分布特征。研究发现:1)较大的CCN初始浓度虽然抑制了前期对流降水,但对后期对流降水的产生有促进作用;2)CCN初始浓度的增加使得模拟雷达回波的强回波区域(大于40 dBz)缩小,中等强度区域(小于40 dBz)扩张。3)CCN初始浓度增大不利于对流发展初期云雨自动转化过程的发生,但是促进了冰晶与雪的产生,使得冰雹含量峰值出现的时间推迟。4)CCN浓度增大抑制了雨水产生,间接使得霰粒子更倾向于干增长,平均密度更小;5)较大的CCN浓度促使冰雹云单体的发展时间增长。     

2003年秋季青海省河南县地面大气冰核观测分析

利用Bigg型混合云室对2003年10月5—26日青海省河南县的地面大气冰核进行了观测, 并将结果同该地区前两年的结果以及其他高原地区的观测结果进行比较, 发现: ①该地区大气冰核的平均浓度高于往年, 冰核浓度随温度降低而增加、斜率小于该地区前两年的观测, 冰核平均浓度的分布更加趋于集中; ②由于霰和高原夜雨的经常出现, 降水对冰核浓度有不确定的影响; ③冰核平均浓度与气压和湿度分别呈现反相关与正相关趋势; ④风对冰核浓度有影响, 低温核随风向的变化比高温核大; ⑤人类活动对冰核浓度也有影响。     

南京地区冬季大气冰核特征及其与气溶胶关系的研究

2011年11月15日～12月2日期间对南京地区近地面大气气溶胶和冰核进行了同步观测,综合分析了 冰核浓度的特征及其与气溶胶粒子浓度的关系。结果表明:活化温度T_a为-20℃,水面过饱和度为1%时,南京地区冰核浓度N_IN为0.352 L-1,与0.01～10 μm气溶胶数浓度比值仅为4×10-8。冰核活化温度越低,湿度越大,冰核浓度越高。雾和降雨对冰核都有明显的清除作用。对比不同气团对南京地区冰核的影响发现,偏东方向的污染气团中冰核以及气溶胶的浓度最高,但是来自西北地区的气团中冰核占气溶胶的比例最高,这可能是由于冰相核化能力较强的沙尘气溶胶导致的。分析冰核与不同粒径段气溶胶的相关性发现,较大粒径气溶胶的表面积浓度与冰核相关性更高,本文也得到了由活化温度T_a和粒径大于0.5 μm气溶胶数浓度N_{0.5～10 μm}共同计算冰核浓度的经验公式。     

冰核浓度变化对云辐射的模拟试验

文中利用中国气象科学研究院 2 0 0 0年版三维对流云模式 ,假设冰核浓度比现在模式中通常用来计算实际降水量的Fletcher给出的冰核浓度增大了 5倍 ,对北京地区 1996年 6～ 9月 18次降水过程作了模拟的对比分析。结果发现 ,80 %的模拟云在冰核浓度增大后都出现降水减小 ,云顶卷云毡面积扩大 ,云顶升高 ;95%的模拟云出现冰晶尺度变小 ,数量增多的现象。说明冰核浓度增大后 ,云的物理特性会有一些改变 ,并可能通过直接和间接作用改变辐射过程从而产生一定的气候效应     

沙尘气溶胶对云和降水影响的模拟研究

采用二维分档云模式,对比背景大气气溶胶分布,讨论了扬沙和沙尘暴天气条件下矿物气溶胶对云微物理结构、光学特性以及降水形成的影响.结果表明:扬沙和沙尘暴天气增加大气中大核和巨核的浓度,促进云中水汽的活化,使降水提前出现,暖云和冷云降水量均大幅增加,但可忽略巨核增加对云光学厚度和反照率的作用;当矿物沙尘粒子同时作为有效的云凝结核和冰核参与云的发展时,冰核浓度增加使水成物有效半径减小,抑制了暖云和冷云降水,云内存留的大量冰晶增强云的光学厚度和反照率.     

沙尘气溶胶作为冰核对阿克苏地区一次多单体型强对流风暴降水及其微物理过程影响的数值模拟研究

将DeMott冰核浓度参数化方案引入到WRF中尺度数值模式中,模拟了新疆阿克苏地区一次多单体型强对流风暴,并对背景大气条件和沙尘条件下气溶胶作为冰核,对云中微物理结构和降水变化的影响进行了敏感性试验和对比分析,结果显示:在背景大气条件和沙尘条件下增加冰核浓度对降水中心强度影响较小,并且总体上看降水分布变化不大,但是降水局部的变化量较明显;不同背景条件下IN（Ice Nuclei）浓度的增加使得冰晶和雪的质量混合比和数浓度均有较大幅度的增加,其中雪的主要源项为凝华增长过程,而霰增长主要来源于冰相粒子碰并过冷云滴,并且在背景大气和沙尘条件下增加IN都使得霰的数浓度增加,尺度减少。     

气溶胶影响混合相对流云降水的数值模拟研究

利用一种新的异质冰相核化参数化方案,研究了当气溶胶同时作为云凝结核和冰核时,在不同高度输送对混合相对流云和降水的影响。结果发现,对于本文研究的理想混合相对流云,气溶胶在边界层的输送导致液滴数浓度明显增加,有效半径减小,霰粒的生长受到抑制,引起霰粒质量浓度降低;而气溶胶在对流层中层4～6km输送时,导致冰晶和霰粒数浓度明显增加。由于较多的冰晶引起更加快速的贝吉隆过程,使霰粒的质量浓度增加;气溶胶在对流层中层2～4km高度输送时冰相形成作用相对较弱,并引起霰粒的数浓度略微增加,由于霰粒的有效半径减小导致其质量浓度下降。气溶胶在不同高度的输送都导致液态和固态降水率降低,随着背景气溶胶数浓度的增加,气溶胶在0～2km、2～4km以及4～6km的输送分别导致累积降水量减少28％～64％、4％～44％和3％～46％,并且对降水的抑制效应及所在高度不同引起的降水差异随着背景气溶胶数浓度的增加而减小。     

霰谱分布特征对强对流云高频微波亮温影响的模拟研究

利用WRF中尺度模式和MWRT微波辐射传输模式,对一次理想对流单体云降水过程进行模拟,研究了霰谱参数对强对流降水云高频微波辐射亮温的影响.结果表明:霰谱参数的改变对对流单体云中冰相水凝物质量浓度分布和高频微波亮温均有影响.减小(增大)霰密度参数会导致霰谱宽度增大(减小),从而导致霰的碰并效率提高(降低),霰空间最大质量...     

WRF模式云参数化方案对一次深对流系统模拟的验证和改进

使用中尺度数值模式WRF中的双参数云微物理方案WDM6针对2008年台风“凤凰”登陆过程中造成的强降水进行数值模拟,通过卫星模拟器利用MTSAT-1R和TRMM卫星观测的红外云顶黑体亮温TBB、PR雷达反射率资料使用统计方法验证模拟结果。通过修改云水向雨水自动转化过程、冰晶核化过程、雪和霰的下落末速度、雪和霰的截距进行敏感性试验,减小模拟结果和卫星观测结果的差异。研究结果表明:WDM6方案模拟的台风“凤凰”登陆后的降水,强对流云系及对流柱状雷达回波基本符合实况,但模拟结果局部偏强。WDM6方案模拟产生了较多的浅对流云,低估了对流云系的出现频率。不同云类型模拟的雷达回波均偏强,对流云系雷达回波垂直分布接近观测。敏感性试验结果说明修改WDM6方案中云水向雨水自动转化率有效地改善了模拟效果。同时发现云滴初始数浓度影响云水向雨水自动转化率并最终影响云系结构和雷达反射率的模拟结果,过高的云滴初始数浓度会使模拟结果变差。     

Numerical Analysis of Effects of Atmospheric Ice Nuclei Concentrations on Radiant Properties of Cold Clouds

1. IntroductionResearches on the possible effects of CNN (cloudnucleation nuclei) on the radiant properties of cloudsand climate have been conducted by many people, butthe effects of IN (ice nuclei) have not been analyzedwell. In fact, ice nuclei are very important in manyweather events. Some observations have showed thatIN concentrations increased in some places, so we hopeto know the influence of increased IN concentration oncloud properties and climate. For the reason that thesynchronic…     

大气冰核对雷暴云电过程影响的数值模拟

利用已有的二维雷暴云起、放电模式模拟了一次雷暴天气,并通过敏感性试验研究了冰核浓度变化对雷暴云动力、微物理及电过程的影响。结果表明：随着大气冰核浓度的增加,雷暴云发展提前,上升气流速度和下沉气流速度均呈现降低的趋势。大气冰核浓度提升有利于异质核化过程增强,冰晶在高温区大量生成,而同质核化过程被抑制,因此冰晶整体含量降低,引起低温区中霰粒含量降低和高温区中霰粒尺度降低。在非感应起电过程中,正极性非感应起电率逐渐减小,负极性非感应起电率逐渐增大。由于液态水含量随大气冰核浓度的增加逐渐降低,高温度冰晶携带电荷的极性由负转变为正的时间有所提前。在感应起电过程中,由于霰粒尺度减小及云滴的快速消耗,感应起电率极值逐渐降低。冰晶优先在高温区生成而带负电,不同大气冰核浓度下的雷暴云空间电荷结构在雷暴云发展初期均呈现负的偶极性电荷结构。在雷暴云旺盛期,随着冰核浓度增加,空间电荷结构由三极性转变为复杂四极性。在雷暴云消散阶段不同个例均呈现偶极性电荷结构,且随着冰核浓度的增加电荷密度值逐渐减小。     

对流云对大气气溶胶和相对湿度变化响应的数值模拟

利用二维面对称分档云模式研究了气溶胶颗粒物浓度和尺度谱分布对混合相对流云微物理过程和降水的影响, 并重点讨论了气溶胶效应随环境相对湿度的变化。结果表明, 在初始热力和动力条件相同的情况下, 相对清洁的海洋性云在发展和成熟阶段能更有效地产生雨滴、 冰晶和霰粒, 形成更强的雷达反射率。随着气溶胶浓度增加, 比如在本文模拟的污染大陆性云中, 气溶胶粒子数浓度的增加限制云滴增长, 不利于降水粒子的形成。模拟结果也发现, 环境相对湿度对气溶胶效应有显著影响, 即当地面相对湿度从50%增大到70%时, 所模拟的云从浅对流泡发展为深对流云; 气溶胶对云微物理特性和降水的影响在干空气中较小, 但在湿空气中表现非常显著, 这与前人结果一致。随着相对湿度的增加, 冰相粒子出现的时间提前, 增长加快, 云砧范围扩大, 但相对来说, 降水起始时间对相对湿度的变化比气溶胶更敏感。     

对流尺度数值预报中的云物理初始化方法改进及个例试验

通过在云初始化方案中增加由地表感热和潜热通量确定的对流尺度速度作为对流判据,同时增加层云云冰、云水计算方案,改进云分析方法,并基于第2代华东快速更新循环同化模式预报系统,针对2015年4月28日华东强对流个例,进行对比试验,分析了改进的云初始化方案对云分析结果和模式预报效果的影响。试验表明:在云分析中增加对流判据,使得平均40%左右的云分析格点判定为非对流格点,对流格点分布与正的感热通量分布相似,在陆地上有显著日变化。在对流和层云格点判定之后,增加层云云冰、云水计算方案分析层云格点,显著地减小了模式初始场的云冰、云水混合比,有效地减弱了模式积分初始阶段云冰、云水含量的剧烈调整,尤其是在陆地区域。采用改进的云初始化方案进行预报,可以减少模式前1 h和前6 h的降水强度;尤其在个例的循环试验中,强降水中心强度和面积的预报比原方案显著减弱。