起伏条件下重力碰并造成的暖性薄云降水

本文中考虑了云中垂直气流的湍流起伏,来計算云滴的碰并增长.发現在这种上升气流有起伏的环境下,同样大小的云滴在云中可以长成不同大小的較大云滴,包括降水胚滴和降水微元(雨滴),从而对暖性薄云如何形成降水給出一个此較合理的解释。     

起伏条件对冰雹增长的影响

观测资料表明,云中的一些物理量如气流、含水量等都是有起伏的。在雷暴和冰雹云中,由于强烈的扰动,这些量的的起伏更为显著。中国科学院大气物理所的云物理工作者曾经在云滴浓度(或含水量)、上升气流、湍流加速度、电量等气象因子有起伏的条件下,研究了暖云降水机制问题。本文在文献[3]和[5]的工作基础上,将生长质点的半径作为多元随机变量(初始粒子半径和诸气象因子)的函数来处理,对雹胚为多谱时在两个主要气象因子—含水量和湍流加速度有起伏的环境中生长的冰雹谱作了具体的推导和计算。另外还推导计算了其它几种较简单的模式,并作了比较。通过上述工作,揭示了那种平均物理量比较弱的对流云中能够在较短时间里形成中等以上大小(或中等强度)的冰雹的物理原因。定量地说明了起伏的气象因子的增减和雹胚的大小和分布对冰雹谱的影响。     

提前调节降水 阻止冰雹形成：论人工防雹新方法

在对称单体雹云中，冰雹形成前对流云进行了长时间的发展，一般为20～40分钟．取决于大气热动力结构。在这一过程中可形成强的上升气流，含水量增大．粒子凝结增长。我们将此过程称作”雹胜生长环境条件的形成阶段”，当雹股形成并开始重力碰冻增长时，出现对流单体的初上台雷达回波，其反射率（15～20dbz）。这时上述阶段将结束。在成熟不对称雹大中，这一阶段在主体引导云中出现，引导云的初始回波与主体云悬挂回波前沿相汇。统计分析表明，在新单体以后的发展过程中产生的液态或固态降水，取决于初要台回波的高度，当初始回波出现在一SC…     

云的基础知识讲座——云的宏观特征

云的宏观特征是把云作为一个整体来看的许多特征,如云的外貌、生命史,云内的温度、湿度、含水量和气流分布等。而云中水滴的大小、分布等特征则属于云的微观特征。在云雾研究中一般将云按形状和形成系统分为积状云(或称对流云,简称积云,包括积云、积雨云、卷积云、卷云)和层状云(包括高层云、层云、雨层云和卷层云,高积云和层积云也归于这一类)两大类;或按云中的相态分成冰云、水云和混合云;或按云中的温度分为暖云(高于0℃)和冷云(低于O℃)。这一讲将对积状云和层状云的一些主要宏观特征作些     

宁夏5—8月降水性层状云的宏观特征

本文以北方降水性层状云系的资源考察为目的,对1978-1982年宁夏地区飞机观测的降水性层状云的垂直尺度及含水量等资料进行了分析。文中主要描述了云的宏观概况;分析了云中含水量的平均分布、不同天气系统下的平均含水量分布差别以及初步讨论了云中自然降水增长的条件。     

液滴催化暖云降水的最佳播撒技术

用液滴催化暖云降水，达到“以小得大”的降水目的，结果指出：液滴催化暖云降水的最佳播撒高度和最佳播撒效率受到云中垂直气流速度（ｗ），云含水量（Ｑ），云滴半径（ｒ）和云层厚度（△Ｈ）的制约。     

基于机载Ka波段云雷达和粒子测量系统同步观测的积层混合云对流泡特征

利用机载Ka波段云雷达（Airborne Ka-Band Precipitation Cloud Radar, KPR）和粒子测量系统（Droplet Measurement Technologies, DMT）,分析了2018年4月22日黄淮气旋背景系统下积层混合云中对流泡的动力和微物理特征。首先,对Ka波段云雷达观测的山东地区春季36个对流泡样本按照回波强度、水平尺度、回波顶高三个参量进行统计,结果表明平均回波强度为20～30 dBZ的对流泡占69%。对流泡水平尺度为15～30 km,占61%。对流泡最大回波顶高集中在6～8 km,比周边层云高2～4 km。之后,对4月22日积层混合云中的对流泡个例微物理参数进行统计,结果表明对流泡内部以上升气流为主,最大上升气流速度达到1.35 m s?1,平均上升气流速度为0.22 m s?1;对流泡内过冷水含量比较高,最大含水量为0.34 g m?3,平均含水量为0.15 g m?3。对流泡内冰晶数浓度是泡外的5.5倍,平均直径是泡外的1.7倍。结合云粒子图像探头,发现对流泡前沿和尾部冰粒子以柱状和辐枝状为主,而对流泡核心区域冰粒子以聚合体形式存在。冰粒子通过凇附过程和碰并过程增长,过冷水含量不足时冰粒子的凇附增长形成柱状粒子,含量充足时可迅速凇附成霰粒子。对流泡内降水形成的微物理机制不完全相同,主要依赖过冷水含量。当云中有充足的过冷水分布时,高层冰晶通过凇附增长形成霰粒子,通过融化层后形成降水;当云中缺少过冷水时,降水的形成主要通过水汽凝华过程形成冰雪晶,然后雪晶通过聚合过程实现增长。     

对梅雨锋降水云微物理结构的摄像探空观测和分析

利用球载摄像空仪对梅雨锋降水云微物理结构进行了观测，得到云中5类型粒子（冰晶、霰、雪片、冻滴、雨滴）直径、数浓度、质量浓度的垂直分布及各高度层上的温、压、湿分布。对观测结果的分析表明：在梅雨锋雨带的对流云团中，冰晶、霰和雪片对降水形成起着重要作用。     

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.     

論云中水滴对气流拖带的动力效果

本文进一步研究了对流云中,降水貭点对气流的拖带作用。把降水貭点和空气作为混合介貭看待,根据泥砂輸运理論,重新推导了問題的基本方程組.在这一基础上,分析了問題的常定和非常定解。得到两点主要的結果:1)按云中实际可能出現的含水量数量,通过拖带作用后,可以产生与观測結果同量級的下沉气流强度;2)云中降水泡(降水集中区),在降落过程中,水量将向泡的前沿区集中,由于水量的这种聚集,降水到达地面时有可能出現陣性,即降水强度一开始就很大。     

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。     

华北太行山东麓一次稳定性积层混合云飞机观测研究:对流云/对流泡和融化层结构特征

对云中微物理过程的研究是研究云降水形成过程和人工影响降水的重要基础,目前对积层混合云的对流区/对流泡中的微物理结构了解甚少。本文利用河北省“十三五”气象重点工程——云水资源开发利用工程的示范项目（2017～2019年）“太行山东麓人工增雨防雹作业技术试验”飞机和地面雷达观测数据,重点分析研究了2017年5月22日一次典型稳定性积层混合云对流泡和融化层的结构特征。研究结果表明,此次积层混合云高层存在高浓度大冰粒子,冰粒子下落过程中的增长在不同区域存在明显差异,在含有高过冷水含量的对流泡中,冰粒子增长主要是聚并和凇附增长,而在过冷水含量较低的云区以聚并增长为主。由于聚并增长形成的大冰粒子密度低,下落速度小,穿过0℃层时间更长,出现大量半融化的冰粒子,使融化现象更为明显。镶嵌在层状云中的对流泡一般处于0℃～-10℃（高度4～6 km）层之间,垂直和水平尺度约2 km,最大上升气流速度可达5 m s-1。对流泡内平均液态水含量是周围云区的2倍左右,小云粒子平均浓度比周围云区高一个量级,大粒子（直径800 μm以上）的浓度也更高。在具有较高过冷水含量的对流泡中降水形成符合“播撒—供给”机制,但在过冷水含量较低的区域并不符合这一机制。     

祁连山一次地形云降水微物理特征飞机观测

祁连山是我国西北地区重要的生态屏障,地形云是祁连山主要降水云系,加强对祁连山云微物理过程的认识,对科学有效开展人工增雨作业、改善生态环境具有重要意义。利用2020年8月29日祁连山一次地形云降水过程的飞机观测数据,研究祁连山地区夏季云降水过程的微物理特征。此次降水过程云系呈明显的分层结构,云底高度为4000 m,整层含水量较丰富,云水大值区出现在4500~5300 m高度,与云滴高浓度区对应,云水含量主要由粒子直径为15~20 μm的云滴粒子贡献。小云粒子和大云粒子平均浓度分别为7.54 cm-3和0.86 cm-3,有效直径平均值分别为11.02 μm和198.11 μm,呈现出浓度小、直径大的特征。云系翻越祁连山过程中南北坡云微物理特征有明显变化,北坡（背风坡）粒子浓度、直径和液态水含量明显大于南坡（迎风坡）。祁连山地区不同高度小云粒子谱呈单峰型分布,Gamma分布可较好拟合直径小于50 μm的云滴谱,直径大于50 μm的云粒子谱更符合幂指数分布。凝华和聚并是冰相层冰雪晶的增长机制,混合层冰晶增长以贝吉龙过程为主,并伴有凇附和聚并生长。     

不同云微物理方案对青藏高原一次强降水的模拟影响分析

利用WRF模式中三种云微物理参数化方案(Lin、Eta和WSM6)对青藏高原一次强降水过程进行模拟试验,将模拟降水结果与实测资料进行对比,以评估不同云微物理参数化方案对该区域降水过程的模拟性能。结果表明:三种方案均能够模拟出此次降水天气过程的发生,但在主要降水区域和降水强度两方面仍与实测资料存在偏差;在水凝物方面,三种方案对冰粒子的模拟较接近,Lin和WSM6方案模拟的雪粒子差异较大,但霰粒子无明显差异。进一步对比分析了Lin和WSM6方案模拟的云微物理转化过程,结果表明:这两种方案都表现出了霰向雨水转化的特点。在Lin方案中,通过水汽向霰粒子凝华、霰碰并水汽凝华生成的雪粒子以及霰碰并云水这三种过程生成的霰粒子最终融化为雨水。而在WSM6方案中,一方面水汽凝结成云水,云水被雪和霰粒子碰并收集转化为霰,之后霰融化为雨水;另一方面水汽凝华为冰粒子,一部分冰转化为雪,雪直接融化为雨水或转化为霰融化为雨水,另一部分冰转化为霰,霰融化为雨水。      

2014年夏季青藏高原云和降水微物理特征的数值模拟研究

为了加强对青藏高原（高原）云和降水微物理特征的深入认识,采用高分辨率中尺度数值预报模式（WRF）,对第三次青藏高原大气科学试验2014年7月3-25日发生的6次不同强度云和降水过程进行了数值模拟分析。研究结果表明:（1）青藏高原夏季云和降水过程具有独特性。高原夏季对流的促发机制主要是午后高原加热造成的,云和降水具有明显的日变化。午夜后,对流性降水一般转化为层状云降水,具有明显的0℃层回波亮带,并且会产生强降水。大部分对流云云顶高度超过15 km（海拔高度）,最大上升气流速度为10-40 m/s。（2）6次云过程中均具有高过冷云水含量,主要分布在0—-20℃层,冰晶含量主要分布在-20℃层以上的区域,强盛的对流云中,可出现在-40℃层以上区域;雨水集中分布在融化层之下,说明其主要依赖降水性冰粒子的融化过程;雪和霰粒子含量高,分布范围广,说明云中冰相过程非常活跃。（3）高原夏季云中水凝物的转化过程和降水的形成机理具有明显特点。霰粒子的融化过程是地面雨水的主要来源,暖雨过程对降水的直接贡献很小,但通过暖雨过程形成的过冷雨滴的异质冻结过程对云中霰胚的形成十分重要。霰粒子的增长主要依靠凇附过程以及聚并雪晶的增长过程。      

起伏条件下云雾的重力碰并生长

云雾中的气象要素和云雾物理量经常有着起伏,因此研究重力碰并在这种起伏条件下如何使云滴生长,从而形成滴谱,是很必要的。本文对云中小水滴浓度(或含水量)有起伏时的云雾滴生长进行了计算,得到了云滴的一种理论分布。由此可以看出,在起伏条件下,云滴生长是比较快的。在比较短的时间和比较薄的云中有可能形成相当大的云滴,即半径50μ乃至100μ以上的云滴。因此在均匀条件下,凝结生长和重力碰并增长中的所谓“生长障碍”区(云滴半径在20—30μ左右)也就不存在。     

强雷暴个例云内闪电与上升气流及液水含量关系的三维数值模拟

利用建立的三维闪电数值模式,模拟研究了北京2001年8月23日一次强雷暴发展过程中的云内闪电通道特征及其与上升气流和液水含量（LWC）之间的关系。结果发现：在强雷暴发展过程中,由于雪晶往往在上升气流相对较弱及LWC较低的地方形成、发展,与霰粒子之间的非感应起电过程首先发生在这些区域,然后发生电荷分离。因此,云内闪电往往在上升气流较弱和LWC相对较低的区域触发。闪电触发后,上行先导延伸区域的LWC较小,而下行先导延伸区的LWC取决于强风暴云发展的阶段。强风暴成熟期发生的闪电,下行先导可以延伸到较大LWC区,而无法延伸到LWC最大区。强雷暴衰退期发生的闪电,下行先导可以延伸到LWC最大区。     

The ice phase and the evolution of cloud droplet spectra

The effect of the introduction of the ice phase in a cloud droplet growth model is examined. The ice particles are introduced by freezing cloud droplets at rates consistent with observations of natural ice nucleus concentrations. In moderate updrafts the production of large particles is retarded owing to the glaciation of the cloud. In stronger updrafts where insufficient time is available for precipitation to form by condensation and coalescence, the production of small precipitation particles is increased.     

GRAPES全球模式次网格对流过程对云预报的影响研究

50 km分辨率下的GRAPES全球模式对赤道及低纬度地区云水、云冰、云量和格点降水的预报较实际观测偏少。为解决这一问题,在模式原有的格点尺度云方案基础上,将次网格对流过程的影响作为源汇项,加入到云水、云冰和总云量的预报方程中。结合云和地球辐射能量系统(CERES)与热带降雨测量(TRMM)等卫星云观测资料,进行了改进后的云方案与原云方案预报结果的对比分析。结果显示,考虑了对流对格点尺度云含水量和云量预报的影响后,GRAPES全球模式预报的云和格点降水在赤道及低纬度地区有明显改善,水凝物含水量和总云量的预报结果与实况较为接近,格点降水在总降水中的比例由原来的5%提高到25%。研究进一步表明,次网格对流过程对格点尺度云和降水的影响取决于上升气流质量通量的分布和强度,上升气流的质量通量在对流活动强烈的低纬度热带地区较强,其最大值出现在650—450 hPa高度,因此,次网格对流的卷出过程对中云的影响最为明显。对高云和低云也有一定程度的影响,使云顶变高,云底变低。