层状云微物理过程的数值模拟(一)——微物理模式

本文提出了一个比较完整的层状云参数化微物理方程组。根据理论和实验结果推导了18种层状云中常见的微物理过程中云滴、雨滴、冰晶、雪团和霰的群体比水量和比浓度的转化率，它们包括凝结（蒸发）、凝华、碰并、聚合、凇附、冰晶的核化、繁生以及冰—霰、雪—霰、云—雨的自动转化率等。     

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。     

三维冰雹云数值催化模式改进与个例模拟研究

鉴于播撒冰核形成的冰晶与自然冰晶谱型不同,对三维冰雹云催化模式人工引晶物理过程参数化部分进行了改进,将人工引入的冰晶单独作为预报量处理,导出人工冰晶与其他粒子发生的微物理过程的参数化方程。分析了改进模式的催化功能及人工冰晶的微物理过程及其在催化防雹中的作用。结果表明,在同样催化条件下,改进模式的催化效果优于原模式。水汽在碘化银粒子上核化是产生人工冰晶的主要过程。人工冰晶的空间分布特征表明,它与云水和雨水接触的比例要比自然冰晶高得多,因此人工冰晶收集过冷云水增长是其与自然冰晶最大的差别。与自然冰晶相比,人工冰晶向霰转化的数量多,通过人工冰晶形成的冻滴也多。自动转化是消耗人工冰晶的最重要的物理过程。人工冰晶减雹机制是:对雹云催化后,人工冰晶增加使雪、霰和冻滴增加,转化成冰雹的数量也增加,冰雹的尺度减少,降雹强度和降雹动能通量就减少。     

雷暴起电和放电物理过程在WRF模式中的耦合及初步检验

本文将雷暴云的起电、放电物理过程引入中尺度的WRF (Weather Research and Forecasting)模式,并对超级单体和飑线过程进行了模拟研究.起电过程在Milbrandt双参数微物理方案中写入,包含霰、雹与冰晶、雪之间的非感应起电机制,以及霰、雹与云滴之间的感应起电机制.放电参数化方案只考虑了闪电...     

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。     

关于雹胚的研究

本文在研究冰雹胚胎上,不仅较有分析地提出定义雹胚的建议以及指出由于切片方法和外观观察方法的局限性可能造成的胚胎判断的错误,而且通过七个大冰雹过程所收集的269个雹块和1500张多层连续切片照片,分析了高原雹胚的类型,并研究了粒霰胚的存在。分析表明,高原雹胚主要是霰,并占雹胚的84％(其中粒霰胚占15％);冻滴胚占4％。文章应用冰晶大小和同位素氘的分析方法讨论了霰胚的生长部位,其生长环境温度为-13°—25℃,海拔高度7—9Km,而粒霰生长较一般的层霰在更高的高度,长粒霰生长在较低的高度。     

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”。     

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。     

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.     

基于X波段双线偏振雷达的贵州威宁雹胚演变特征研究

为探究贵州省威宁地区雹暴过程中雹胚粒子的演变特征,本文在对X波段双线偏振雷达数据经过退折叠、滤波、自适应衰减订正后,运用Barnes插值方法对偏振参量进行插值,并结合模糊逻辑算法进行水成物粒子识别,然后对威宁县的两次典型雹暴过程进行了系统的分析,得到以下结论:（1）两次过程中高密度霰的来源均为冰晶聚合物和冻滴,低密度霰粒子的来源均为冰晶粒子;单体雹暴过程中高密度霰粒子对冰雹的产生贡献最大,多单体雹暴过程中低密度霰粒子对冰雹的产生贡献最大。（2）多单体雹暴中,衰减单体的高空辐合以及低空辐散对发展单体的雹胚形成有促进作用。（3）单体雹暴降雹前:低密度霰粒子数量近乎不变;由于冰晶聚合物增多使得消耗过冷水粒子速度加快,导致过冷水粒子减少,而且有部分高密度霰粒子坠落至地面,导致高密度霰粒子数量减少,每分钟减少的距离库数为10;降雹时:高密度霰粒子淞附过冷水粒子增长形成冰雹,导致高密度霰粒子减少,每分钟减少的距离库数为12.1;而在“贝吉龙过程”（即Wegener-Bergeron-Findeisen过程,简称WBF）以及冰晶聚合物的淞附作用下,低密度霰粒子迅速增多,每分钟增加的距离库数为36;降雹后:低密度霰粒子坠落,数量快速减少,每分钟减少的距离库数为36.6;低密度霰粒子在下降过程中淞附过冷水、冰晶聚合物等粒子转化成高密度霰粒子,导致高密度霰粒子总量几乎不变,每分钟增加的距离库数为2。（4）多单体雹暴降雹前与单体雹暴类似,不同的是在消散单体的促进作用下,发展单体的发展速度、雹胚数量、回波强度均高于单体雹暴;降雹时:低密度霰粒子在下落过程中淞附过冷水滴增长形成冰雹,导致数量迅速减少,每分钟减少的距离库数为62.6;高密度霰粒子数量增加,每分钟增的距离库数为16.5;由成熟到降雹的时间比单体雹暴长15分钟左右;降雹后与单体雹暴类似。（5）通过对威宁地区雹暴机制的分析,分别建立了单体雹暴、多单体雹暴的概念模型。本文针对两种典型雹暴的各个过程中雹胚的演变特征研究得到了初步结果,这对于雹暴预警、预报以及人工消雹具有较高的应用价值。     

人工增雨降温机理的数值模拟研究: 对流云个例试验

为减轻夏季用电负荷,2004年我国许多省市实施了碘化银催化增雨降温作业。本文利用数值模拟方法讨论了强对流云(冰雹云)催化降温的机理。模拟结果表明,实施碘化银催化后,地面降雨量增加、降雹量减少、地面温度降低。催化使得云中冰晶、霰和雨水的含量增加,造成云雨蒸发、霰的融化(蒸发)及冰晶升华量增加,从而使空气温度降低。     

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。     

一次华北暴雨的云物理特征及霰雹分类对云和降水影响的数值研究

利用中尺度模式ARPS模拟了2005年7月22日一次典型华北暴雨过程的云物理特征,对比分析了高密度大冰雹下落末速度增大时对云和降水的发展演变、云系宏微观结构、垂直风场以及云系的宏观热力场的影响.结果表明,产生这次暴雨的中尺度对流系统经历了对流云团发展、加强及合并过程,其高层为冰晶、雪,中层为霰/雹、过冷云水,低层主要是雨水;霰/雹形成和融化的冷云过程对雨水的形成起重要作用.高密度大冰雹下落末速度增大时:(1)对暴雨区降水量、云的分布、厚度和含水量有较明显的影响;(2)可以引起云中高含水量区合并,累积含水量减小,含水量中心位置发生变化;(3)云系有提前进入消散阶段的趋势;(4)对云中霰/雹和雨滴的垂直分布范围及其含水量极大值影响显著,霰/雹含水量区向下延伸约1 km,雨滴含水量最大值高度也随之降低.同时霰/雹含水量减小,而雨滴含水量增加;(5)上升气流的发展受到抑制,云顶高度降低,云中含水量减小,伴随微物理过程的相变潜热也随之减小.     

三维冰雹云催化数值模式

为了研究冰雹形成机制、催化防雹机制和通过数值试验获得冰雹云优化催化技术,在以前工作的基础上,发展了一个３维弹性冰雹云催化数值模式。模式考虑了冰雹云中详细的微物理过程,各种粒子采用双变参数谱,将云中水物质分成水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰、冻滴和雹８类,可以预报粒子的比浓度和比含量,尤其可以计算以霰或冻滴为胚胎的雹块的数量,非常适合研究冰雹的形成机制。此外,建立了催化剂ＡｇＩ的守恒方程,考虑了人工冰核的凝华核化及与云、雨滴接触的冻结核化过程,并用地面降雹动能通量检验催化防雹效果,因此,也可以研究催化防雹机制和对雹云的催化技术。     

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。     

云中粒子谱形状因子变化对云及降水影响的数值研究

鉴于目前云数值模式和中尺度数值模式中云和降水过程大多用体积水参数化的方式描述,而不同模式所用的粒子谱不同或粒子谱的参数不同,用这些模式模拟研究云和降水的物理过程、降水形成机制、催化防雹和催化增雨机理以及预报降水等就遇到这样一个问题:粒子谱或谱参数不同对研究结果有何影响?因此利用中国科学院大气物理研究所的三维冰雹云催化数值模式,做雹云中粒子谱参数变化的数值试验,分析了冰雹云中雨滴谱、冰晶谱、霰谱的形状参数对降雨降雹、云中微物理过程的影响。结果表明,雨滴谱形状参数变化,对降雨形成机制基本没有影响,对与雨滴有关的物理过程有直接影响。霰谱对地面降雹量、降雹强度、雨强的影响较大,对降雨量影响较小;对冰晶、霰以及冰雹的质量和数量产生率都有明显的影响,云中的所有微物理过程均受到了不同程度的影响,对有些过程影响最为显著,它不但影响粒子的产生过程,也影响粒子的增长过程。冰晶谱对降水量的影响较小,但对各种粒子的某些形成或增长过程影响较大,有的很大。此外,冰晶谱型的变化,对不同地区云或不同个体云降水的影响程度不同,反映了滴谱谱型对云和降水影响的复杂性。利用这些研究结果,讨论了云模式的使用问题。     

暖底对流云催化的微物理和动力效应的数值模拟

为加深理解暖云底对流云降水形成的微物理机制,调查对这类对流云实施碘化银催化所能产生的微物理和动力效应,本文使用三维对流云模式(包含6种水成物:云滴、雨滴、冰晶、雪花、霰和冰雹),对2004年7月8日发生在我国江淮地区的一例对流云进行模拟,并开展碘化银催化试验。结果表明:(1)模式能够较好地模拟出实测风暴的回波结构。(2)云雨自动转化和霰粒子融化是两个最重要的成雨机制,产生的雨滴占雨滴总数量(质量)的67%(19%)和18%(57%)。(3)对流发展初期在主上升气流区进行的催化试验表明,对本例对流云播撒碘化银能够同时获得增雨和减雹的正效果。(4)催化增加的霰粒子通过竞争机制抑制了前期冰雹的形成,但增强了向雨滴的转化(通过融化机制);催化也促进了二次对流的发展,增加了入云的水汽通量和云水含量,加强了后期的云雨自动转化及碰并增长,导致后期的雨和冰雹增加,并使地面降水分布发生变化。这些结果表明,对暖底对流云进行碘化银催化能够产生微物理和动力效应。     

云内大粒子对闪电活动影响的个例模拟

利用三维云起电放电模式, 通过对2008年9月6日北京地区一次雷暴过程的模拟, 研究了云内雨滴、冰晶、霰和雹4种粒子对云内闪电活动的直接影响。对比几种主要冰相粒子比质量浓度的分布变化与模拟闪电开始发生高度的关系, 并分析几种冰相粒子所带电量变化率的时空变化特征后发现:霰和冰晶是对云内闪电发生作用最为重要的两种粒子; 雹粒子对闪电发生作用有限; 雨滴则对于主电荷区附近闪电发生没有直接影响。模拟结果表明:在实际观测中出现的雷达强回波达到某个高度之上可以预警闪电发生的现象, 主要是由于霰粒子在一定高度之上与冰晶之间发生强烈的电荷分离, 从而使云内电场迅速增强, 并最终引发闪电而导致的。     

贵州威宁雹暴微物理特征的观测及数值模拟研究

利用位于贵州威宁雪山镇的X波段双偏振雷达,在观测资料质量控制的基础上,结合基于模糊逻辑的水凝物粒子识别算法(HID)以及中尺度数值模式WRF,对2018年6月28日贵州威宁羊街镇的一次强雹暴天气过程进行分析。结果表明：此次冰雹过程,观测识别与模式模拟结果具有较好的一致性,主要经历发展、成熟(孕育)、成熟(降雹)、衰减(消亡)四个阶段。(1)发展阶段：低密度霰(LDG)初生于-20℃层附近(5.0～6.8 km),是冰晶(CR)与周围过冷云水的凇附作用所致;高密度霰(HDG)初生于2.6～4.2 km,由聚合物(AG)凇附周围过冷云水所形成。(2)成熟(孕育)阶段：LDG、HDG以AG粒子为主要霰胚源进行凇附增长;雨夹雹(RH)初始形成在-20℃层附近(4.2～6.8 km),由周围少量HDG为雹胚源碰冻过冷云水所致。(3)成熟(降雹)阶段：LDG通过碰并作用大量形成,HDG产生有两种源项,一是由AG粒子(3.4～6.0 km)为高密度霰胚源的凇附作用,二是由上方的LDG粒子(6.8～9.3 km),因重力沉降作用,在下沉中撞冻过冷水所形成,并最终由HDG为主要雹胚源形成RH。(4)衰减...     

高原东部地区一次雹云成雹过程的数值模拟

本文利用一维半时变双参数积云模式，对高原东部地区一次西风槽影响下的冰雹天气过程进行了数值模拟。讨论了该雹云内的动力、热力特点以及过冷云滴、冰晶、霰、雹的产生和转化以及降水粒子碰并增长等物理过程。对高原雹云的成雹机制作了初步探讨