KÖhler方程的分析与修正

KÖhler方程是云物理学中的一个基础公式,是云滴形成理论的重要组成部分。我们在研究中对KÖhler公式推导和假设提出了一些疑问,如未考虑液滴生长过程中浓度、范德霍夫系数等变化对方程所产生的影响,并给出了解决方式,同时利用另一种推导方式讨论KÖhler公式的应用,加强了KÖhler方程与实际云滴核化过程的结合。     

对熵原理得出的理论云滴谱方程的验证

一、问题的提出云滴谱分析是云物理学和人工降水研究的重要内容之一。过去较多地研究由碰并或破碎过程造成的云滴谱变化,而缺少对没有发生碰并前的云滴初始谱的理论研究。张学文同志首先把熵增加原理应用于碰并前的云滴谱研究中,推导出一个具有     

从熵原理得出的稳定层云的云滴谱方程

通过对层云的云滴大小的分布观测,揭示了其滴谱常里单峰偏态分布。这种谱的经常出现,表明它是一种优势谱。它的稳定性,从统计物理角度看也表示云体处于一种平衡态,而平衡态则对应某种熵达到极大值。 本文指出的熵是云滴表面自由能所对应的熵。文中用熵极大原理导出了稳定层云的云滴谱方程(公式11),並且用资料证实了这一理论与事实相符。     

受污染的云滴内NOx光化通量的计算

依靠云滴的射线光学模型,针对具有吸收的耗散介质,可得到形式完整的电磁波反射系数公式,并且可求得具有几何意义的实际折射角。文中重点讨论了云滴中污染内含物及其不同的内混合方式对光化通量增强因子的影响。结果表明:云滴的存在都能增强光子的光化通量,仅当吸收系数非常大时,云滴内光化通量才会减小;无论哪一种内混合方式,受污染的云滴内光化通量增强基本上稍大于先前的估计值;光化通量增强因子一般都在1.2～1.62之间,即光化通量增加了20%～62%;吸收系数为零时,增强因子与云滴半径无关;增强因子随云滴半径和吸收系数的增大而减小。当云滴半径接近1μm时,吸收系数的影响迅速减小。     

受污染的云滴内N0x光化通量的计算

依靠云滴的射线光学模型，针对具有吸收的耗散介质，可得到形式完整的电磁波反射系数公式，并且可求得具有几何意义的实际折射角。文中重点讨论了云滴中污染内含物及其不同的内混合方式对光化通量增强因子的影响。结果表明：云滴的存在都能增强光子的光化通量，仅当吸收系数非常大时，云滴内光化通量才会减小；无论哪一种内混合方式，受污染的云滴内光化通量增强基本上稍大于先前的估计值；光化通量增强因子一般都在1．2-1．62之间，即光化通量增加了20％-62％；吸收系数为零时，增强因子与云滴半径无关；增强因子随云滴半径和吸收系数的增大而减小。当云滴半径接近lμm时，吸收系数的影响迅速减小。     

闪电冲击波对云滴运动及碰併的影响

在自然闪电时,闪电通道中能量的瞬间释放造成闪电冲击波。本文计算了闪电冲击波的运动、冲击波内气象要素的分布以及闪电冲击波对云滴运动的影响,讨论了受闪电冲击波作用的云滴运动方程,对受冲击波作用的云滴运动作了个例计算。计算表明,闪电冲击波猛烈地“冲击”云滴,使它加速并在短暂的瞬间移动很长距离。体积不同的云滴获得不同的速度。讨论了闪电冲击波对云滴碰并增长的影响。     

海洋层积云中的云滴谱宽度及其影响因子

云滴谱宽度对模式中云的光学厚度的参数化、气溶胶间接效应的评估以及降水形成过程的研究至关重要。本文利用美国POST（Physics of Stratocumulus Top）项目2008年7月19日的飞机观测资料，分析了微物理量和云滴谱的垂直分布及微物理过程。结果表明，该云系云滴谱宽度在云底附近较大，这是由低层核化过程导致的；中层凝结增长过程使得云滴谱宽度随高度增加逐渐减小；云顶附近夹卷混合过程导致云滴谱宽度增大。绝热云中垂直速度的增大会促进云凝结核的活化使云滴数浓度增大，促进凝结增长使云滴尺度增大、云滴谱宽度减小，云滴谱宽度与云滴数浓度、云滴尺度呈现负相关关系；云洞中受夹卷混合过程影响，垂直速度减小，云滴蒸发，云滴数浓度和云滴尺度减小、云滴谱宽度增大，且该效应随绝热程度减小而增强。建议云滴谱宽度的参数化将垂直速度、云滴数浓度、云滴尺度和绝热程度等考虑在内。     

云滴数浓度影响混合型层状云降水的数值模拟

使用耦合了Morrison双参数微物理方案的中尺度WRF模式V2．2,对2008年1月25-29日发生在我国南方的冰雪天气过程进行了数值试验。在模式准确再现了此次天气过程形势演变特点的基础上,对模式微物理方案中云滴数浓度影响累积降水量的情况进行了敏感性试验,发现云滴数浓度对降水量的影响是复杂和非线性的。对此次天气过程中的微物理量进行了详细的分析,并从各种水成物粒子的发展演变上,讨论了云滴数浓度的增加在暖云和冷云两种降水机制上对降水产生的不同影响。结果表明,云滴数浓度越大,云水混合比就越大,云滴的尺度越小。雨滴对不同云滴数浓度的响应与云滴的情况相反,随着云滴数浓度的增加,雨滴数浓度减小,雨水也减少,暖云降水过程受到了抑制;冰晶和雪晶的数浓度的演变过程没有明显变化,而冰晶和雪晶的混合比是相应增加的,冷云降水过程得到了一定程度的增强。从本文模拟的个例来看,设置不同云滴数浓度所得到的总累计降水量的差异在1％以内。总的来说,增加云滴数浓度,降水量会减少。从比例上来看,增加云滴数浓度对暖云降水过程的抑制作用比对冷云降水过程的增强作用更为显著,但是在本文模拟的个例中,冷云降水过程占主导地位,减少的降水和增加的降水的绝对值在同一个量级上并且数值相近,它们相互抵消后得到的结果是降水量变化的绝对值大大减小了,这解释了增加云滴数浓度后模拟的总累积降水量变化不明显的原因。     

雨滴下落过程模型雏形的建立

雨滴下落过程是云降水物理研究中极为重要的一个部分,其研究涉及到蒸发过程和雨滴末速度问题。在静止大气中,对于单个云滴,Maxwell理论给出了粒子在凝结过程中的质量增长公式,而本文研究雨滴的下落过程,是与凝结过程相反的蒸发过程。基于Maxwell理论,将雨滴假定为球形粒子,对原方程进行差分求解,并加入通风效应与表面效应对Maxwell理论就行修正。在雨滴末速度问题上,本文采用2015年昆明站的探空资料,将雨滴直径(1μm)分为三个部分,在忽略了雨滴短暂的加速过程后,考虑拖曳力F_D与重力F_g平衡进行讨论,用最小二乘法拟合得出初始高度的末速度与半径的关系,再结合部分假设和理论推导得到任意高度的末速度与半径的函数关系。最后,利用该模型,针对相对湿度做了敏感性实验,发现雨滴所处环境的相对湿度变小会明显加快小雨滴的蒸发。本文基于Maxwell理论等前人研究,加入部分假设得到了一个较为合理的包含了蒸发过程的雨滴下落模型,对还原真实大气中雨滴的下落过程有一定参考价值。     

华北中部夏季气溶胶垂直分布及其与云凝结核和云滴转化关系的飞机观测研究

气溶胶的时空分布及其核化成云的转化过程是云降水物理研究的重点,也是气候变化中气溶胶间接效应关注的热点问题。利用2013～2014年期间在华北中部山西地区开展的9架次夏季晴天和积云天气情况下的气溶胶、云凝结核（CCN）及云滴数浓度观测资料,分析研究了气溶胶的垂直分布、谱分布、来源特征及其与云凝结核、云滴数浓度的转化关系。研究结果表明,大气边界层逆温层结对气溶胶、CCN垂直分布有重要影响,不同天气条件下气溶胶谱型在低层差异较大而高层基本一致;垂直方向上CCN数浓度与气溶胶数浓度有较好的相关性,过饱和度0.3%条件下CCN比率（云凝结核/凝结核）与气溶胶有效直径呈线性关系;积云云下气溶胶与云滴的线性拟合方程为y=1.3x?616.3,拟合相关系数为0.96,气溶胶转化为云滴的比率可达到47%。在过饱和度0.3%条件下,云下CCN与云滴的线性拟合方程为y=1.6x?473.8,拟合相关系数也为0.96,CCN转化为云滴的比率可达到69%。