低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟1

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9gm^-3,但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加AgI剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。AgI主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

低过冷雨水含量天气过程冰雹形成机制及催化机理模拟

利用三维全弹性冰雹云模式,对2008年5月24日山东境内一次受高空冷涡影响的大范围冰雹天气过程进行模拟,分析了冰雹的形成机制和催化防雹机理。结果表明:该过程过冷雨水中心位于最大上升气流中心下方,不存在过冷雨累积区,过冷雨水含量最大值仅为4.9 g m~(-3),但雹云中过冷雨水含量仍然丰富,对雹胚的形成及增长起着重要作用。雹胚以冻滴为主,冻滴胚来源于冰雪晶与过冷雨水碰撞冻结以及雨滴核化过程。冻滴形成后主要以碰并过冷雨水、云水增长。冻滴胚自动转化过程是冰雹数量、质量的主要来源;冰雹形成后,前期主要靠碰并冻滴、霰和过冷雨水增长,后期主要靠碰并过冷云水增长。催化试验表明,播撒57.5 g催化剂足以通过"竞争"减雹50%以上,增加Ag I剂量,防雹的同时能够兼顾增雨。催化剂用量为230 g时,催化后液态降水有所增加,固态降水量及占总降水量的比例减少显著,特别是冰雹。Ag I主要以凝华核的作用产生人工冰晶,冰晶凝华增长导致过冷云水、雨水含量降低。催化后雹胚特别是冻滴胚数量增多,对过冷云水、雨水的竞争增强;其平均尺度、质量的减小,降低了向冰雹的转化率。冰雹碰并过冷云水、雨水增长过程被减弱,导致冰雹总质量进一步减少,达到消雹目的。     

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。     

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果,结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关;云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主,暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程,雹胚过多争食防雹;（２）促进雨霰转化过程,使雹胚浓度增加,并且减少过冷雨滴,抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长;（３）使云的下部霰量增加,降低降水粒子的增长轨迹,阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。     

中国半干旱地区成雹机制的数值研究

使用中尺度数值模式(WRFV3.7.1)对发生在宁夏南部山区两次降雹天气过程的背景场特征、云宏微观结构以及云内微物理转化机制进行了数值研究。结果表明:该地区冰雹云形成的大气环境水汽含量较少,冰雹的发生主要依靠"上干下湿"的不稳定层结及午后局地加热效应。两次个例发生的环境水汽含量存在较大差异,导致两次雹云个例微物理结构演变特征不同。对数值模拟结果分析发现,宁南山区冰雹云中雪粒子含量较多,雹胚(霰粒)主要通过雪粒子转化而来。霰粒主要通过水汽凝华及碰并过冷云水增长。模拟云中冰雹形成高度相对较低,冰雹形成后主要通过收集过冷云水增长。除碰冻过冷云水外,对过饱和水汽的凝华也是雪、霰、雹粒子质量增长的一个重要来源。模拟得到该地区冰雹云中云雨自动转化过程较弱,雨水主要是通过雪、霰、雹粒子在下落过程中融化形成。雨水在下落过程中蒸发显著。     

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。     

2010年6月18日苏北一次强降雹过程及其催化数值模拟

结合实况资料,应用三维对流云模式,对2010年6月18日苏北地区一次持续时间长达5h的强降雹过程进行数值模拟研究.结果表明,模式模拟出了雹云的3次涌升、降雹过程及雷达回波特征.冰雹来自霰的转化,主要靠碰冻过冷云水和雨水增长.催化试验表明,地面降雹刚形成或降雹强度刚增强时,在过冷雨水中心区播撒AgI,减雹效果显著,最大减雹量可达21.1％;催化后,霰的数量增加、尺度减小,导致霰向雹的自动转化减少,且大量小尺度霰成为雹胚后,争食云水,增长受阻.     

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。     

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。     

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.     

青海两次多单体降雹过程的雹谱分布特征

利用三维冰雹分档数值模式研究了1979年7月20日和8月5日青海西宁两次多单体降雹发生发展过程中云内微物理结构及雹谱演变特征。结果表明:1)云水、雨水的比含水量随雹云的发展呈先增长后减少的特点,两次个例的冰雹主要通过过冷雨滴冻结而形成,其增长方式是凝华及碰并过冷云水。2)雹谱谱宽与上升气流有关,个例一中倾斜上升气流有利于冰雹循环增长,雹谱较宽;个例二中没有倾斜上升气流,不利于冰雹循环增长,雹谱较窄。     

一次冰雹过程的对流单体识别与防雹效果分析

利用2018年6月12—13日山东鲁西北地区一次冰雹过程的常规气象资料,分析了冰雹形成的天气形势和物理量指标条件以及防雹效果。结果表明：人工防雹作业前后雷达回波指标呈明显的下降趋势,其中VIL值、回波顶高指标变化分别平均下降49.9%、37.4%,冰雹概率由作业前99.3%下降到作业后的28.7%,回波强度、回波顶高、VIL值下降最大值分别为10 dBz、7 km、48 kg·m^-2。通过对比分析两个相似对流单体的发展演变,实施防雹作业的对流单体回波强度下降7 dBz、回波顶高下降3 km、VIL值下降11 kg·m^-2、冰雹概率出现剧烈波动,防雹作业后较作业前回波强度、回波顶高、冰雹概率下降速度明显加快,而没有实施防雹作业的对流单体雷达回波综合指标在编号期间变化幅度小,进一步证实了人工防雹作业有效。     

CINRAD/SA雷达强冰雹识别算法的应用检验

为更好地应用HDA算法产品并为进一步优化冰雹识别算法提供参考,应用2004—2010年武汉雷达和2007—2008年济南、青岛、烟台、宜昌、郑州和重庆共7部雷达监测到的28个直径大于等于19 mm的致灾性强冰雹天气个例,对CINRAD/SA雷达的强冰雹识别及最大冰雹直径（MEHS）预测产品进行了检验分析,同时对我国北方（济南、青岛、烟台、郑州）雷达和南方（武汉、宜昌、重庆）雷达的冰雹识别及大小预测效果进行了对比。结果表明：1）在不订正0℃层和-20℃层高度时,该算法对强冰雹天气的识别效果较好,但对MEHS的预测效果较差。2）每个雷达站对强冰雹识别和MEHS预测的效果差别不大,南方雷达和北方雷达对强冰雹的识别效果相近,但南方雷达对MEHS的预测效果较好。3）强冰雹识别和MEHS预测在5月份效果最好,8月份最差;该算法对大冰雹的识别效果较好,但仅对直径为40～49 mm的冰雹直径预测效果较好。4）冰雹识别产品对强冰雹的识别效果随所识别冰雹概率（POSH）增大而增强,当POSH=100时,临界成功指数CSI为100%,发生冰雹天气的可能性非常大。     

一次防雹作业过程的效果分析

利用2008年5月23—26日山东一次冰雹过程的常规气象资料,分析了此次冰雹形成的天气形势、层结条件及其触发机制等;分析了两个极相似云体在催化和未催化情况下从初生、发展到消亡的演变特征。结果表明,防雹作业加剧了冰雹云的消亡过程,表现为回波强度减弱、回波高度下降、VIL减小、生命史缩短等特征。通过对对流云系的横向和纵向对比分析,收集了18个防雹作业样本,并利用这些样本作业前后的回波强度和回波高度两个物理量进行统计检验,在显著性水平分别为1%和5%的情况下,防雹作业后回波强度减弱、回波高度下降,即防雹作业有效。利用济南防雹作业数据对防雹作业效果进行的模拟定量检验表明,防雹作业可减少降雹约27%。     

桂林初春一次冰雹天气过程分析

利用常规气象资料、FY-2G卫星资料和桂林多普勒雷达资料,对2016年3月19日夜间桂林一次冰雹天气过程的环境条件和雷达回波演变和结构特征进行了详细分析。结果表明:过程发生在地面暖低压和低空急流共同发展,暖切附近的不稳定层结条件下;合适的-20℃和0℃层高度、上干下湿层结以及强的垂直风切变有利于产生冰雹;冰雹发生前反映大气不稳定度的各项参数发生显著变化,对于做出冰雹的潜势预报具有很好的指示意义;强回波中心强度超过60dBz、具有倾斜结构和V型缺口、 VIL值维持在40kg·m^-2以上、回波顶高维持在12km以上的雷达回波特征可用于识别冰雹。     

黑龙江省冰雹的气候及空间分布特征．

利用黑龙江省80个气象台站38a的降雹资料,应用统计方法对黑龙江省的降雹规律进行分析．得到了黑龙江省冰雹的时间和空间分布特征。空间上,黑龙江省冰雹天气分布中北部多,东南、西南部少;时间上,降雹存在明显的日变化,基本都集中于10-20时;冰雹天气年际变化明显,70年代至今,年代平均降雹呈现减少趋势。     

黔南州冰雹天气物理量特征分析

为提高黔南冰雹预报预警能力,利用黔南州1999-2021年12个县市气象站冰雹资料及贵阳探空资料,对115次冰雹天气过程中表征不稳定、水汽、热力、动力条件的19个物理量参数特征进行统计分析,并提取黔南地区发生冰雹的物理量阈值。结果表明：冰雹发生前,贵阳探空站的物理量在合适的范围时,黔南州出现冰雹的可能性较大;不同季节冰雹发生前的各物理量存在差异,秋冬季节动力条件表现明显,而春夏季节水汽、热力、层结稳定度条件更为显著;逆温层的出现对中低层温度、温度垂直递减率、低层水汽条件均有明显的影响,从而影响部分物理量的强弱,故本文按照有无逆温给出2-5月黔南冰雹天气的物理量阈值。     

雷达回波顶高（ET）产品在广西冰雹云识别中的应用研究

利用广西2009至2012年降雹样本资料和新一代天气雷达回波顶高（ET）产品,对广西冰雹云回波顶高变化特征进行统计分析,结果显示广西冰雹云的ET整体呈现明显的阶段性变化特征,降雹时间和ET值达到最大值时间基本一致。冰雹云量化识别指标分别为：2月份回波顶高≥8km且回波顶高与0℃层高度差36.1km;3-4月份回波顶高≥10km且回波顶高与0℃层高度差≥6.1km;5月份回波顶高≥13且回波顶高与0℃层高度差38.1km。降雹直径与冰雹云ET值和特征层高度差值成正相关关系,可作为估计降雹直径的一个重要参考依据。