北京一次大风和强降水天气过程形成机理的数值模拟

利用3维强风暴冰雹分档模式(IPA—HBM)对2001年8月23日北京的一次伴有大风、暴雨和冰雹的强对流天气过程进行模拟和分析，并与部分观测资料进行了比较分析。结果表明，该模式对此次强风暴的生命史、降水分布、降雹的大小等要素做了较好的模拟，并能够模拟出伴随强风暴过程所产生的强下沉气流和及地面强风速切变(下去暴流)。从云微物理学角度分析了此次局地性大风的形成原因，认为由高空冰雹粒子的拖曳产生的负浮力作用是促发强下沉气流产生的主要原因，其次是冰雹的融化和雨水蒸发冷却对下沉气流起加速作用，冰雹的拖曳和融化作用对下沉气流具有决定性作用。强风暴所产生的爆发性强下沉气流最终导致了局地大风的形成。     

青藏高原东北侧冰雹微物理过程模拟研究

以青藏高原东北侧及毗邻地区诱发冰雹灾害的东移短小切变线天气过程为研究背景,采用中国科学院大气物理研究所三维冰雹云分档模式,用MM5V3中尺度气象模式提供冰雹云模拟研究所需的环境大气状况,模拟研究了冰雹形成和增长的微物理过程。结果表明：模式再现了当时冰雹、大风及暴雨的实况;中尺度水分和动力条件是冰雹形成和增长的重要因素,它们决定了冰雹云的强度和冰雹的大小;冰雹形成和增长过程中的微物理过程决定了冰雹云的消亡,冰雹在空中形成的潜热释放延长了降雹的时间;云中冰雹发生、增长的主要区域和云内上升气流配合良好,是防雹消雹的主要范围。     

武汉"6·22"空难下击暴流的三维数值模拟研究

使用武汉实测探空资料,利用三维强风暴冰雹分档模式对2000年6月22日发生在武汉的一次引起坠机事件的下击暴流进行了模拟和分析,并与实际观测进行了比较研究,结果表明:造成此次空难的下击暴流的发生发展与大的天气背景紧密相关;模拟微下击暴流的各种主要结构和生消演变特征与实测结果吻合较好;该下击暴流产生的直接原因是冰雹的重力拖曳作用引起,其次是冰雹的融化和雨水蒸发的冷却作用.空中散度和涡度的分布与变化同下击暴流也存在密切的联系.     

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。     

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。     

Sensitivities of tornadogenesis to drop size distribution in a simulated subtropical supercell over eastern China

ABSTRACT Numerical simulations with the Advanced Regional Prediction System （ARPS） model were performed to investigate the impact of microphysical drop size distribution （DSD） on tornadogenesis in a subtropical supercell thunderstorm over Anhui Province, eastern China. Sensitivity experiments with different intercept parameters of rain, hail and snow DSDs in a Lin-type microphysics scheme were conducted. Results showed that rain and hail DSDs have a significant impact on the simulated storm both microphysically and dynamically. DSDs characterized by larger （smaller） intercepts have a smaller （larger） particle size and a lower （higher） mass-weighted mean fall velocity, and produce relatively stronger （weaker） and wider （narrower） cold pools through enhanced （reduced） rain evaporation and hail melting processes, which are then less favorable （favorable） for tornadogenesis. However, tornadogenesis will also be suppressed by the weakened mid-level mesocyclone when the cold pool is too weak. When compared to a U.S. Great Plain case, the two microphysical processes are more sensitive to DSD variations in the present case with a higher melting level and deeper warm layer. This suggests that DSD-related cloud microphysics has a stronger influence on tornadogenesis in supercells over the subtropics than the U.S. Great Plains.     

Doppler radar observation, CG lightning activity and aerial survey of a multiple downburst in southern Germany on 23 March 2001

Two downburst events from one thunderstorm are investigated, which occurred on 23 March 2001, in Germany's climatologic annual minimum of downburst activity. Observations by two Doppler radars are combined with hail reports, ground lightning detection and an aerial survey conducted after the event. The downburst-producing storm had formed at a synoptic convergence line within the warm sector of a cyclone. It had a remarkably high propagation speed of up to 31 m s^− 1 corresponding to the mid-tropospheric flow. Thus, by superposition with the storm motion, even two weak downbursts were sufficient to cause the observed damage of F1 and F2 intensity, respectively. While in its late stages, the storm was dynamically characterized by lower- and mid-tropospheric divergence; at about the time of the first downburst, a mesocyclonic vortex signature was verified. Aside from mid-tropospheric dry air entrainment, a thermodynamic explanation for the triggering of the two downbursts by melting of small hail according to recent findings by Atlas et al. [Atlas, D., Ulbrich, C.W., Williams, C.R., 2004. Physical origin of a wet microburst: observations and theory. J. Atmos. Sci. 61, 1186–1196] appears probable. Despite the lack of warnings to the public, the storm's potential for hail and strong straight-line winds was detected by the German weather service radar software CONRAD more than a half hour before the downbursts occurred.     

南京"03.7"大暴雨中云物理过程的数值模拟研究

利用三维全弹性、双参数化对流云模式和南京站探空资料,对南京“03．7”特大暴雨过程进行了数值模拟研究,着重分析产生这次大暴雨的云物理机制。模拟结果表明,此次暴雨属于积雨云降水,其中云雨碰并是最主要的成雨过程,贡献率达到74％,其次是霰／雹融化,占22％,说明此次降水以暖雨过程为主。通过暖雨过程对比试验表明,虽然冰相过程对雨水的贡献较小,但加入冰相过程能使模拟结果更接近云的实际情况。     

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。     

超级单体风暴中大冰雹增长机制的模拟研究

为调查超级单体中大冰雹的运行增长机制,使用三维冰雹分档对流云模式结合三维粒子运行增长模式,对一例超级单体风暴进行了数值模拟.实测风暴的结构如中气旋、弱回波区、前悬回波等被很好地模拟再现,显示了模式对超级单体具有良好的模拟能力.雹胚在风暴发展阶段由过冷雨滴冻结产生,主要分布在主上升气流区上部,在主上升气流区西北侧中高层也有相当数量的雹胚粒子,冰雹主要分布在主上升气流区东侧.风暴发展阶段产生的雹胚有7％～8％增长到1 cm以上,1％左右增长到2 cm以上,这些大冰雹绝大多数起源于主上升气流区北侧的高层云区,气旋性进入主上升气流区按照简单的上—下形式增长,少数大冰雹起源于主上升气流区西北侧风暴后部中高层,气旋性地沿着主上升气流区的边缘按照下—上—下形式运动增长,表明了超级单体中大冰雹存在两条增长路径.     

一次系列下击暴流事件的多普勒天气雷达分析

该文首次利用我国新一代天气雷达资料对一次系列下击暴流过程进行了详细分析。2003年6月6日在安徽定远县和肥东县交界处附近发展起来的一个孤立的强烈多单体风暴, 产生了一次伴随强降雹的系列下击暴流事件。此次系列下击暴流事件实际上是由多单体风暴中3个相继发展的对流单体分别产生的3次下击暴流构成的。每轮下击暴流触地前, 都伴随着相应对流单体反射率因子核心的逐渐下降。在首轮下沉气流触地前6 min, 1.5°到4.3°仰角的径向速度图上都出现向着风暴中心的辐合, 其中以2.4°仰角 (地面以上约3~4 km) 的辐合最明显。因此, 反射率因子核心的逐渐降低并伴随云底以上的速度辐合的多普勒雷达回波特征, 可以用来提前数分钟预警下击暴流的发生。     

The Role of Initial Cloud Condensation Nuclei Concentration in Hail Using the WRF NSSL 2-moment Microphysics Scheme

The effects of the initial cloud condensation nuclei(CCN) concentrations(100–3000 mg~(-1)) on hail properties were investigated in an idealized non-severe hail storm experiment using the Weather Research and Forecasting(WRF) model, with the National Severe Storms Laboratory 2-moment microphysics scheme. The initial CCN concentration(CCNC) had obvious non-monotonic effects on the mixing ratio, number concentrations, and radius of hail, both in clouds and at the surface, with a CCNC threshold between 300 and 500 mg~(-1). An increasing CCNC is conducive(suppressive) to the amount of surface hail precipitation below(above) the CCNC threshold. The non-monotonic effects were due to both the thermodynamics and microphysics. Below the CCNC threshold, the mixing ratios of cloud droplets and ice crystals increased dramatically with the increasing CCNC, resulting in more latent heat released from condensation and frozen between 4 and 8 km and intensified updraft volume. The extent of the riming process, which is the primary process for hail production, increased dramatically. Above the CCNC threshold, the mixing ratio of cloud droplets and ice crystals increased continuously, but the maximum updraft volume was weakened because of reduced frozen latent heating at low level. The smaller ice crystals reduced the formation of hail and smaller clouds, with decreased rain water reducing riming efficiency so that graupel and hail also decreased with increasing CCNC, which is unfavorable for hail growth.     

一次大冰雹形成机制的数值模拟

利用可模拟冰雹尺度的三维冰雹分档对流云模式,研究了2014年7月16日北京一次大冰雹的形成过程。此次冰雹天气过程的地面降雹最大尺度为7 cm,对流有效位能为1785.3 J·kg-1,具有上干下湿的大气层结条件。数值模拟的冰雹云顶高度达13 km,与雷达观测比较一致,模拟的最大上升气流达30 m·s-1。由于风切变较大,冰雹云出现明显倾斜垂直结构,使冰雹云持续时间较长。此次大冰雹形成的微物理过程具有明显特点,冰雹云中-35~-10℃层存在含量达12~16 g·kg-1的高过冷雨水累积区,冰雹胚胎主要通过受到冰晶接触扰动的过冷雨滴冻结产生,其产生率量级达10-2 g·kg-1·s-1,冰雹增长过程主要依靠雹胚撞冻过冷云水,其增长率的量级与冰雹胚胎产生率的量级一致。     

2014年南京青奥会开幕式日降水过程数值模拟研究

为评估2014年南京青奥会开幕式日的人工催化消减雨作业效果,利用中尺度数值模式WRF对当日的云降水过程和催化作业开展数值模拟。本文系第一部分工作。首先对常用的八种云微物理方案的降水模拟效果进行评估,进一步选取Thompson和Milbrandt-Yau两个微物理方案对此次降水过程的云系结构和降水形成机制进行对比分析。模拟结果表明,采用Thompson和Milbrandt-Yau两个方案模拟的云系结构和降水形成的微物理机制是一致的。开幕式当天影响奥体场馆的降水由弱的积层混合云系产生,降水过程以冰相微物理过程为主。雪的融化是雨水的主要源项,Thompson方案中雪的融化对雨水的贡献率为72%,Milbrandt-Yau方案为60%,蒸发则是雨水的主要汇项,Thompson方案中蒸发对雨水的消耗率达94%,Milbrandt-Yau方案为95.6%。     

Impact of cloud microphysical processes on hurricane intensity, part 2: Sensitivity experiments

Summary Seven different microphysical sensitivity experiments were designed with an objective to evaluate their respective impacts in modulating hurricane intensity forecasts using mesoscale model MM5. Microphysical processes such as melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors, suppression of evaporation of falling rain, the intercept parameter and fall speed of snow and graupel hydrometeors are modified in the existing NASA Goddard Space Flight Center (GSFC) microphysical parameterization scheme. We studied the impacts of cloud microphysical processes by means of track, intensity, precipitation, propagation speed, kinematic and thermodynamic vertical structural characteristics of hurricane inner core. These results suggest that the set of experiments where (a) melting of snow, graupel and cloud ice were suppressed (b) melting of snow and graupel were suppressed and (c) where the evaporation of rain water was suppressed all produced most intense storms. The major findings of this study are the interconversion processes such as melting and evaporation among hydrometeors and associated feedback mechanism are significantly modulate the intensity of the hurricane. In particular an experiment where the melting of graupel, snow and cloud ice hydrometeors was eliminated from the model parameterization scheme produced the most explosively intensified storm. In the experiment where rain water evaporation was eliminated from the model, it produced a stronger storm as compared to the control run but it was not as strong as the storms produced from absence of melting processes. The impact on intensity due to variations made in intercept parameters of the hydrometeors (i.e., snow and graupel) were not that evident compared to other experiments. The weakest storm was noted in the experiment where the fall speeds of the snow hydrometeors were increased two fold. This study has isolated some of the factors that contributed to a stronger hurricane and concludes with a motivation that the findings from this study will help in further improvement in the design of sophisticated explicit microphysical parameterization for the mesoscale non-hydrostatic model for realistic hurricane intensity forecasts.     

强雷暴云中电荷多层分布与形成过程的三维数值模拟研究

通过建立云物理耦合电过程的冰粒子分档模式, 对北京一次强雷暴天气的云中空间电荷结构分布、 形成机制及放电过程进行了模拟分析研究。结果表明: (1) 云水含量主要通过感应起电来影响云水、 霰粒子之间的电荷转移, 然后再影响空间电荷分布。而包含了雨水后的液水含量主要通过非感应起电在不同含水量条件下的起电机制影响霰粒子同雪粒子 (或冰晶) 碰撞后转移电荷的极性与大小, 从而影响空间电荷结构。 (2) 微物理过程的不均匀性将导致水成物含水量源汇项的不均匀性。而这种不均匀性首先会使得水成物在不同垂直剖面上的分布也不均匀, 从而使得感应、 非感应起电变得更复杂。源汇项的不均匀性还会导致水成物之间因质量转移而产生的电荷转移也不均匀。 (3) 强的上升气流将冰相物携带到较高处, 从而使得水成物间发生电荷转移的高度也比较高。雪粒子在强上升气流上部及两侧区域出现多个含量中心, 霰粒子含量分布相对均匀, 而质量中心向背风侧倾斜。因此, 非感应起电过程主要发生在背风侧的辐散区域, 从而导致空间电荷也主要分布在该区域。强上升气流使得冰相水成物在不同区域出现含量中心, 使得同一冰相物在不同区域携带不同电荷 (尤其是在强风暴的成熟期), 从而使得空间电荷易于出现多层结构。 (4) 由于放电会改变空间电荷结构, 放电通道中的感应电荷会重新分配到各个水成物表面, 所以在微物理过程和动力过程等作用下, 在水成物质量转移过程中发生的电荷转移将会更加复杂, 从而使得空间电荷浓度分布更加复杂。但是该作用的重要性还需要进一步的研究。以上因子均是造成空间电荷多层分布的重要原因。     

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。     

一次飑线过程的云微物理参数化方案数值试验及其成因分析

利用WRF模式6种适合高分辨率且包含多种固态水成物粒子的云微物理参数化方案,分别对2012年5月16日江苏北部一次飑线过程进行数值试验,结果表明:LIN方案模拟的飑线回波反射率、强降水TS评分、结构和强度等均要优于其余5种微物理参数化方案。分析不同参数化试验结果中不同水成物粒子占比随时间的变化特征,并针对LIN方案采取敏感性试验和水成物转化微物理过程分析指出,在此次飑线过程中的各水成物粒子中,霰/雹粒子占比最大,是降水过程中最重要的粒子;地面降水直接来源是雨水,雨水主要来源于中层霰/雹粒子的融化,小部分来源于云水的自动转化;中层霰/雹粒子最主要来源是通过雨霰转化过程中的雨水撞冻冰雹微物理过程,其次是霰撞冻云水的微物理过程,而冰相物质雪晶和云冰的碰并、撞冻和自动转化过程微乎其微。     

一次冰雹云过程及其冰雹形成机制的模拟研究

利用常规气象资料和多普勒天气雷达资料,从天气形势和雷达回波演变特征等方面对2011年6月24日发生在洛阳嵩县的一次冰雹过程进行了分析,并利用三维弹性冰雹云催化模式对该冰雹云进行了模拟研究,分析其冰雹形成的物理机制。结果表明:本次过程在天气形势上属于下滑冷槽型。多普勒天气雷达资料上表现为单个单体的强对流风暴,最大反射率≥65 dBz,回波顶高达到14 km,降雹前垂直积分液态含水量具有明显的跃增;径向速度场上出现了大范围明显的逆风区。三维冰雹云模式对该冰雹云具有较好的模拟能力,模式模拟的最强回波与实况一致,雹云中含水量中心与强上升气流有很好的配置,在云的发展阶段,主含水量中心是强上升气流的指示。冰雹的雹胚主要来自冻滴和霰,在冰雹形成期间,冻结形成的冻滴和转化产生的霰数量上相差不大,但是冻滴向雹的转化比例却是霰的6倍,即在地面强降雹之前,雹云中的雹胚主要来源于冻滴;而冰雹的增长在前期主要靠收集过冷雨水,后期主要靠收集过冷云水;适量的冰晶、雪和丰富的过冷水的存在对雹的形成和增长极为有利。     

A SENSITIVITY SIMULATION ABOUT CLOUD MICROPHYSICAL PROCESSES OF TYPHOON CHANCHU

With the Reisner-2 bulk microphysical parameterization of the fifth-generation Pennsylvania State University–U.S. National Center for Atmospheric Research (PSU–NCAR) Mesoscale Model (MM5), this paper investigates the microphysical sensitivities of Typhoon Chanchu. Four different microphysical sensitivity experiments were designed with an objective to evaluate their respective impacts in modulating intensity forecasts and microphysics budgets of the typhoon. The set of sensitivity experiments were conducted ...