冰雹形成机制的研究并论人工雹胚与自然雹胚的“利益竞争”防雹假说

在播撒防雹中,如何实现人工雹胚与自然雹胚的增长竞争是决定防雹效果的关键,这实质上也是雹云物理的关键课题。经过对强对流(雹)云的流场特征和相应的过冷水场配置的综合分析和数值模拟研究,发现:(1)由于雹云流场的对流性,其中必然存在着一个主上升气流区和相对于云体的水平风速零的区域,它在垂直剖面上,可呈现出一条零线,可长大成冰雹的水凝物粒子是绕零线循环运行增长的,并逐步进入主上升气流区;(2)在雹云中存在着冰雹“穴道”,它位于主上升气流区边侧及零线下的入流区,其体积约为雹云总体的6％或更小,不论自然雹胚或是人工雹胚,只要进入“穴道”都经历着循环运行增长,其轨迹是相互交叉的,因而可以实现平等“竞争”;(3)“穴道”的存在和位置由流场特征决定,运行轨迹的基本形态也由流场决定,而粒子增长率及运行路径的长短由“穴道”内的过冷水场(过冷度和量)决定。     

雹云机理新见解的观测验证和复现

近期的研究结果认为：雹云中存在着冰雹“穴道”，它是由流场和水凝物粒子场相互作用决定的。“穴道”把雹胚形成区和大雹生长区联结成通道，它对冰雹粒子具有明显的动力吸引作用，可使大粒子向这里集中，在宏观上呈现出冰雹粒子的动态累积效果；涵盖冰雹“穴道”的区域即为播撒人工防雹的“作用区”，它一般位于主上升气流边侧的主人流区和相对水平速度接近于零的零域(线)附近的下侧等。这些理论结果尚需观测验证和重复再现，本文利用Doppler雷达观测事例来作验证，并引用前人的工作在此稍作物理加工后复现这些理论结果。     

两次华北冷涡过程雹云结构特征及AgI催化效果数值研究

用三维完全弹性非静力平衡雹云模式模拟了不同低涡雹云演变特征和人工引晶催化效果,结果表明:冷涡雹云中不存在大量的过冷雨滴,过冷水几乎是由云滴组成的,雹胚形成以云霰转化为主,由冰相过程形成降水粒子。近地面有薄逆温层云体,云底温度高,云中垂直运动强,云中过冷云水含量增长迅速且丰富。在雹云主要上升气流到达的过冷水含量大值区下方和过冷水大值区中心部位分别一次引进×107/kg碘化银粒子进行大剂量催化试验,碘化银主要以凝结-冻结方式核化成冰,雹胚浓度增加,雹胚过多争食抑制冰雹增长,使得冰雹直径明显减小。     

基于WRF模式和CloudSat卫星资料对黄淮下游一次强对流天气过程的诊断分析和数值模拟

利用Cloud Sat卫星资料和WRF中尺度模式,结合NCEP再分析资料及FY2G静止气象卫星资料,研究了发生在黄淮地区的一次深对流天气过程,分析了此次过程的天气特征、动力结构,重点分析了该次强对流过程中各水成物的时空演变特征。结果表明:(1)黄淮下游地区处于副高西北边缘,温度高,湿度大,对流潜势好。在地面冷锋和低层切变线的抬升触发下,气流不断辐合上升,同时高层冷平流与低层暖湿空气为强对流的发展提供了热力不稳定条件;(2)使用静止卫星TBB产品可以很好的定位、追踪深对流系统,但单一的TBB产品无法分辨深对流云和较厚的高云。本文结合Cloud Sat卫星资料和TBB产品把剖面上的云分为3种:非对流云(NDC),一般深对流云(DC),深对流核(DCC);(3)深对流云核(DCC)位于对流系统南部边缘,在3种云中DCC中冰相粒子粒径大、数浓度多、冰水含量大,且其最大值区域都位于12 km高度附近,这一区域可能是对流云内冰晶凝华增长、凇附增长、聚并增长形成大冰相粒子的关键发生区;(4)耦合了NSSL双参方案的WRF模式对于本次过程体现了较好的模拟效果,并通过模拟再现了此次天气过程中水成物的分布特征,发现本次过程深对流云中存在过冷水累积带特征。冰核核化形成的冰晶通过碰并过程形成雪晶,霰又由雪晶碰撞冻结过冷水滴以及过冷雨滴冻结产生,之后不断增长转化形成冰雹,雹增长到足够大后降落,其中雪晶和过冷水累积带对霰(雹胚)及雹的产生及增长至关重要。     

冷涡背景下一次致灾超级单体雹暴过程的数值模拟

利用WRF模式,结合自动站观测资料、多普勒雷达资料和NECP再分析资料,对2018年6月13日山东中部一次冰雹天气过程的环流背景、触发和维持机制、雹云流场结构特征以及冰雹形成机制进行分析。结果表明:本次冰雹天气过程是在华北冷涡背景下,由中尺度地面辐合线触发生成的超级单体雹暴过程。降雨和下沉气流引发的地面冷池进一步增强了地面辐合;雹云顶端强辐散出流的抽吸作用是动力不稳定维持机制。WRF模式模拟的雹云具有有界弱回波、回波悬垂等超级单体特征。模拟雹云的成熟阶段0℃高度位于4km,超过40dBz的回波高度达到12km;在流场上主体为上升运动,且上升运动两侧存在上升→下沉→上升运动的转换,有利于冰雹的碰并增长。雪晶最初由过冷云水和云冰碰并生成,之后通过碰并过冷水转化为霰粒子,为冰雹生成提供了充足的雹胚。霰粒子和雹粒子在上升运动的带动下反复经过雹云中的过冷水累积带有利于自身不断增长并转化形成大冰雹。     

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.     

对华南对流云中过冷云水-飞机积冰的直接气象因子的中尺度数值预报试验

利用“海峡两岸及临近地区暴雨试验”（HUAMEX）加密观测资料和MM5湿物理显式方案模拟研究了1998.5.23-24自粤北移向南海海岸冷锋前对流云团中的云物理过程，给出了造成飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的空间分布和随时间演变及其与水汽、冰相（冰晶、霰、雪）、垂直气流的相互关系。结果显示，当对流较强因而产生冰相后，由于冰粒子与过冷水间的碰并及过冷水滴蒸发，过冷水迅速减少；当对流较弱因而只有液相云水而无冰相加入时，过冷云水维持。模拟试验显示具有完善湿物理显式方案的高分辨非静力平衡中尺度数值模式MM5可用于对飞机积冰的直接气象因子-云中过冷水的数值预报。     

黄河上游对流云降水微物理特征的数值模拟试验

利用二维动力-热力场和水凝物粒子分档数值模式,对黄河上游河曲地区浅对流云降水微物理特征进行了试验性模拟,得出了浅对流云中暖雨增长机制可以单独形成雨,且其成雨速率可以快于冷雨过程等有意义的结果。     

奥运开幕日北京周边云系宏微观结构飞行探测研究

利用2008年8月8日下午机载PMS资料,详细分析了当天北京周边地区云系的宏微观结构。结果表明:北京周边的水汽、热力和动力条件都十分适合局地对流发展;层积云发展初期以小云滴为主,云顶对流泡较多,云水含量较大;高积云中小云滴粒子数浓度、有效直径和过冷水含量在水平方向上分布不均,过冷水含量主要由较大尺度云滴贡献;云内冰雪晶粒子主要对云中较大尺度过冷云滴产生了消耗;云中存在冰雪晶聚合体和较多冰晶粒子、霰粒子以及过冷云滴;云中不同部位其粒子浓度和组成有较大差异。     

青藏高原东部冰雹形成机理的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所发展和改进的三维冰雹云模式,对青藏高原东部甘肃省玛曲县的一例冰雹云过程进行了模拟研究。结果表明:玛曲冰雹云中冰雹胚胎以霰胚为主;在地面降水中,固态降水占降水总量的46%,而霰占固态降水的65%,霰主要靠撞冻雨水和云水增长;雹云中存在较弱的过冷雨水累积带,累积带的维持时间也很短,累积带中的过冷雨水有利于雹块的增长,但不起主要作用;雹块的增长主要是通过雹撞冻云水,其次是撞冻雨水增长。     

DMT机载云粒子图像形状识别及其应用

利用机载云粒子探测设备入云进行观测是目前获取云粒子微物理特征最直接有效的手段。国内已有多家单位引进美国DMT（Droplet Measurement Technologies）公司的云粒子图像探头CIP（cloud imaging probe）。由于其配套软件不能输出逐个粒子的详细信息,在很大程度上限制了对云粒子图像探测数据的深入挖掘和分析。基于解析粒子图像原始数据,对粒子图像数据进行质量控制,并根据粒子形状几何特征将粒子形状分为8类（微小、线状、聚合状、霰状、球状、板状、枝状和不规则状）。利用2018年12月—2019年3月河南省3次冬季航测获取的灰度CIP探测数据,分析云粒子形状及各形状粒子面积的统计特征,并对比基于不同形状粒子的质量-尺度关系与将所有粒子视作球形液滴计算所得的粒子水凝物含量,发现后者超过前者约1个量级。     

一维时变冰雹云模式研究(一)——反映雨和冰雹谱的双参数演变

在一般的冰雹云参数化模式中,水凝结物粒子分布谱的截距取为常数,这样就严重地歪曲了云水和雨水以及雨水和冰雹之间的自然演变。为了改进这个图象,我们取消了这一限制,引入了雨水、冻雨和冰雹浓度连续方程,并重新给定了冻雨,冰雹的谱形式。 根据这些假定,我们导出了每个方程中的发生项表达式,建立了一个新的一维时变参数化模式,这个模式可以较好地描述各种不同类型的水凝物粒子间的相互作用,计算结果表明,云物理图象有了明显地改善。     

双路一维时变对流云数值模拟研究

超级单体风暴出现与一个独特的垂直环流的形成相关联着,其特点是一支强的云内上升气流与一支紧靠着它的湿下沉气流相伴。在条件不稳定大气中,一支强湿上升气流的形成是很容易理解的,但一支湿下沉气流的发生则比较复杂。看来在湿下沉气流发展中有二个因素是最为重要的,一是云体要有一个预发展过程,形成一个足够大的对流云体和产生大量的凝结水;二是在云的移向后侧有突发性的干冷空气的平流突入,而不是经常起阻尼作用的湍流和夹卷混合。为了试验这一设想,设计了一个双路一维时变对流云模式,一支描述云和降水发展过程,并供给水凝结物,另一支描述干冷环境气流的中层突入和下沉气流的发展。试验结果表明,这一设想原理上是合适的,说明云和降水发展过程在中尺度垂直环流形成中起重大作用,而且干冷空气突入量,水凝结物供应量,以及凝结物的微结构等影响着下沉气流的强度。     

EVALUATION OF CONVECTIVE-STRATIFORM RAINFALL SEPARATION SCHEMES BY PRECIPITATION AND CLOUD STATISTICS

In this study,two convective-stratiform rainfall partitioning schemes are evaluated using precipitation and cloud statistics for different rainfall types categorized by applying surface rainfall equation on grid-scale data from a two-dimensional cloud-resolving model simulation.One scheme is based on surface rainfall intensity whereas the other is based on cloud content information.The model is largely forced by the large-scale vertical velocity derived from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean-Atmosphere Response Experiment(TOGA COARE).The results reveal that over 40% of convective rainfall is associated with water vapor divergence,which primarily comes from the rainfall type with local atmospheric drying and water hydrometeor loss/convergence,caused by precipitation and evaporation of rain.More than 40% of stratiform rainfall is related to water vapor convergence,which largely comes from the rainfall type with local atmospheric moistening and hydrometeor loss/convergence attributable to water clouds through precipitation and the evaporation of rain and ice clouds through the conversion from ice hydrometeor to water hydrometeor.This implies that the separation methods based on surface rainfall and cloud content may not clearly separate convective and stratiform rainfall.     

云系模式研究:云场的宏微观结构模拟

用计算物理方法设计构造了一个云系模式，并用一个实例作为初始场进行了模拟，模拟的云场宏观特征与实况观测比较一致，微观结构比较合理，配套的模式输出数据处理和绘图程序包能给出云系的点（粒子谱）、线（垂直廓线）、面（结构剖面）、体（云场，云型，云量，云系形状）的多维宏微观结构的云场图象。     

A STUDY OF CLOUD-SYSTEM MODEL:MACRO AND MICRO STRUCTURE SIMULATION OF CLOUD FIELD*

The macro and micro cloud physics structures and their evolution with time are the core of describing cloud fields in essence.They are necessary atmospheric environment not only in aviation and spaceflight activities but also for atmospheric radiation transfer and acid rain formation research.Unfortunately it is difficult to obtain an entire environmental cloud field by using observation methods directly.Thus,by use of computation physics method to build a cloud-systemmodel may be an indispensable way for this topic.This paper presented a cloud-system model for this goal,and simulated a real case.The results of computation showed that the macro structure of the cloud field was better consistent with real observation,and the micro structure was fairly reasonable.The output of model could provide all the information about the cloud field:(1)size-distribution spectrum of hydrometeor particles(point),(2)vertical profile(line),(3)horizontal or vertical section of macro and micro parameters(surface),and(4)cloud cover,pattern of cloud and configuration of cloud,etc.(body).     

MEASUREMENTS OF PARTICLE NUMBER SIZE DISTRIBUTIONS AND NEW PARTICLE FORMATION EVENTS DURING WINTER IN THE PEARL RIVER DELTA REGION, CHINA

Particle number size distribution(PNSD) between 10 nm and 20 μm were measured in the Pearl River Delta(PRD) region in winter 2011.The average particle number concentration of the nucleation mode(10-20 nm),Aitken mode(20-100 nm),accumulation mode(100 nm-1μm) and coarse mode(1-20 μm) particles were 1 552,7 470,4 012,and 19 cm-3,respectively.The volume concentration of accumulation mode particles with peak at 300 nm accounted for over 70% of the total volume concentration.Diurnal variations and dependencies on meteorological parameters of PNSD were investigated.The diurnal variation of nucleation mode particles was mainly influenced by new particle formation events,while the diurnal variation of Aitken mode particles correlated to the traffic emission and the growth process of nucleation mode particles.When the PRD region was controlled by a cold high pressure,conditions of low relative humidity,high wind speed and strong radiation are favorable for the occurrence of new particle formation(NPF) events.The frequency of occurrence of NPF events was 21.3% during the whole measurement period.Parameters describing NPF events,including growth rate(GR) and source rate of condensable vapor(Q),were slightly larger than those in previous literature.This suggests that intense photochemical and biological activities may be the source of condensable vapor for particle growth,even during winter in the PRD.     

双偏振雷达对一次水凝物相态演变过程的分析

联合利用3 GHz双偏振雷达RHI探测数据和温度廓线数据, 建立了云粒子相态反演的模糊逻辑算法, 算法采用Beta型成员函数, 成员变量包括:水平反射率因子、线性退偏比、差分反射率及温度0℃,-40℃对应高度, 反演出的相态包括毛毛雨、雨、低密度干冰晶、高密度干冰晶、湿冰晶、干霰、湿霰、小冰雹、大冰雹、雨夹雪和液态云滴等11种, 并利用雷达的连续探测数据对一次层状云降水过程中水凝物相态的演变情况进行了分析, 得到如下结果:初始阶段层状云相态呈现分层结构, 从上至下依次为高密度干冰晶、湿冰晶和液态云滴; 初始阶段云体中的回波大值区核心区域为大的冰相粒子, 其余部分为液态粒子; 在初始到成熟阶段演变中, 回波大值区上部液态粒子逐步向冰相转化; 消散阶段云中零度层亮带逐步消失, 零度层以上云粒子结构呈现高密度干冰晶包裹湿冰晶的情况。关键词:双偏振雷达; 模糊逻辑; 水凝物相态反演; 层状云降水过程; 水凝物相态演变     

Comparison of Aerosol Effects on Simulated Spring and Summer Hailstorm Clouds

Numerical simulations are carried out to investigate the effect of cloud condensation nuclei(CCN) concentrations on microphysical processes and precipitation characteristics of hailstorms. Two hailstorm cases are simulated, a spring case and a summer case, in a semiarid region of northern China, with the Regional Atmospheric Modeling System. The results are used to investigate the differences and similarities of the CCN effects between spring and summer hailstorms. The similarities are:(1) The total hydrometeor mixing ratio decreases, while the total ice-phase mixing ratio enhances, with increasing CCN concentration;(2) Enhancement of the CCN concentration results in the production of a greater amount of small-sized hydrometeor particles, but a lessening of large-sized hydrometeor particles;(3) As the CCN concentration increases, the supercooled cloud water and rainwater make a lesser contribution to hail, while the ice-phase hydrometeors take on active roles in the growth of hail;(4) When the CCN concentration increases, the amount of total precipitation lessens,while the role played by liquid-phase rainfall in the amount of total precipitation reduces, relatively, compared to that of icephase precipitation. The differences between the two storms include:(1) An increase in the CCN concentration tends to reduce pristine ice mixing ratios in the spring case but enhance them in the summer case;(2) Ice-phase hydrometeor particles contribute more to hail growth in the spring case, while liquid water contributes more in the summer case;(3) An increase in the CCN concentration has different effects on surface hail precipitation in different seasons.