重庆地区一次雷暴云电过程及其对初始云滴数浓度响应的数值模拟

采用耦合了Saunders和Takahashi两种非感应起电参数化方案的RAMS(Regional Atmospheric Modeling System)模式,对重庆地区一次雷暴过程进行模拟,对比分析了两种起电参数化方案下,电荷开始分离时和雷暴云发展到成熟阶段时的水成物粒子的分布、所带电荷密度以及雷暴云的电荷结构分布。模拟结果表明,在Saunders起电参数化方案下,雷暴云的电荷结构从起电到放电都呈现偶极性特征,而在Takahashi参数化方案下,雷暴云的电荷结构则由反偶极性发展成正偶极性。为研究CCN(cloud condensation nuclei)对雷暴云的影响,本文进行了两组敏感性试验,随着云滴初始数浓度增加,雷暴云的电荷结构没有发生极性翻转,但雷暴云中电荷量增加,电荷分布区域变大,有利于闪电发生。在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,电荷量变小。通过分析微物理量场和微物理过程发现,随着云滴初始数浓度增加,冰相粒子质量混合比增加,在Saunders起电参数化方案下,当云滴初始数浓度大于2 000 cm-3时,霰粒子质量混合比减小。验证了CCN的变化能影响云的微物理过程,从而影响雷暴云的电荷分布以及闪电的发生,尤其是冰相物质的变化显著影响了雷暴云的起电过程。     

冰晶繁生对雷暴云非感应起电影响的数值模拟

为了研究冰晶繁生在雷暴云发展过程中对非感应起电过程的影响,利用三维雷暴云模式在理想层结环境下,对雷暴云内各种水成物粒子、电荷以及电场分布情况进行数值模拟。模拟结果表明:在雷暴云发展和成熟阶段,有繁生过程参与的雷暴云中下部存在一个冰晶聚集区域,从而使得云内冰晶的数量较无繁生过程增大约1 5%～18%,且聚集的区域范围更大;同时,繁生过程的加入也使得霰粒子数量也比无繁生过程时增大约20%;霰冰非感应电荷转移的正区一般位于霰粒子浓度高值区附近,而负区位于冰晶和霰粒子浓度高值区相重合的区域;冰晶繁生过程通过影响雷暴云中冰晶和霰粒子浓度和分布位置,使得雷暴云非感应起电的强度和位置发生改变,导致云内起电过程提前约5～6 min。     

沙尘冰核对积云起电过程影响的初步数值模拟试验

非感应起电是指云中冰相粒子间通过相互碰撞而发生的电荷转移现象,尤其以冰晶与霰粒子的碰撞过程为主,被证实是云中电荷产生的主要方式之一。沙尘作为大气冰核的重要组成成分,为了研究沙尘冰核对云中非感应起电过程的影响,本文将两种不同的非感应起电参数化方案(Takahashi方案,以下简称TAK方案;Saunders and Peck 1998方案,以下简称SP98方案)耦合至一维半云和气溶胶分档云模式中。该模式能够显性地追踪每个水成物粒子中云凝结核和冰核的质量大小,模拟每个冰核的核化过程,以及每个冰粒子的碰撞过程,从而确定霰粒子的数浓度和每个冰相粒子的电荷密度。对不同初始沙尘浓度的非感应起电过程进行了敏感性试验,模式模拟结果表明:随着沙尘粒子数浓度的增多,云中冰晶粒子与霰粒子的数浓度都分别增加,初始起电现象发生的时间提前,空间电荷密度大小增加;SP98方案和TAK方案都能模拟出1981年7月19日的一次积云观测个例的偶极型垂直分布,但SP98方案更接近实况。     

上升运动核心区与霰粒子非感应起电区关系的模拟研究北大核心CSCD

利用一个三维起电放电云分辨率模式,基于北京地区的一次探空数据,进行了孤立雷暴单体的模拟实验,并对模拟雷暴中上升运动较强阶段(最大上升速度W_(max)>5 m·s^(-1)),霰粒子发生非感应起电区域内的上升运动特点,及其与上升运动核心区(上升速度W>5 m·s^(-1))之间的空间关系进行了分析。结果表明,非感应起电区主要分布在上升运动核心区及其临近区域。出现在上升运动核心区内的非感应起电活动的起电效率通常较高(|非感应起电效率E_(n-charging|>0.1 nC·m^(-3))。上升运动中心也能够发生非感应起电。即使是在雷暴最大上升速度达到峰值时,在上升速度中心的霰粒子仍能发生非感应起电。但过强的上升速度不利于非感应起电效率的进一步提高。在该模拟雷暴中,效率较高的非感应起电活动多集中发生在W_(max)>5m·s^(-1)的时段内,区域则主要分布在-4~28m·s^(-1)的垂直速度区间内。对于具有更高效率的非感应起电活动(|E_(n-charging)|>0.5 nC·m^(-3)),尽管W_(max)越大,具有更高效率的非感应起电活动区范围就越大,起电效率中心也更靠近上升速度中心,但起电效率中心与上升速度中心并不重合。大部分具有更高效率的非感应起电活动都发生在W<20 m·s^(-1)的上升运动区内。此外,上升速度中心高度在闪电活动的多数时间里与反转温度高度基本一致,可以用来区分霰粒子非感应起电获得不同极性电荷的区域:在分析时段内(第12~23 min)的大部分时间里,霰粒子获得负电荷的区域都出现在该高度附近或以上高度中,而获得正电荷的区域则基本出现在该高度以下。     

气溶胶对热带气旋强度及电过程影响的数值模拟研究

将详细的气溶胶活化方案和非感应起电参数化方案耦合到WRF模式的Morrison微物理方案中,在此基础上模拟了理想的热带气旋个例,讨论了气溶胶对热带气旋强度及电活动的影响。研究发现气溶胶对热带气旋强度和电活动的影响在不同发展阶段是不同的。在热带气旋发展阶段,气溶胶增加使云内的云滴数浓度增加,云滴尺度降低,抑制了暖雨过程,未降落的小云滴粒子上升到冻结层之上,冻结形成了更多的冰相粒子,冻结过程释放潜热,激发云系对流发展,使热带气旋强度增强,电活动更为剧烈。而在热带气旋成熟阶段,污染个例中的冰相粒子降落,形成更多的降水,降水粒子在下落过程中对上升气流产生拖曳作用,抑制对流强度。降水粒子在海平面蒸发吸收了大量潜热,使该区域温度降低,这也阻碍了外部暖湿能量向内输送,抑制了对流发展,从而使热带气旋强度降低。而由于污染个例中的冰粒子较少,参与起电过程的冰粒子减少,热带气旋的电活动强度降低。     

一次暖云降水主导的暴雨过程中电荷结构特征及其成因的模拟研究

为了认识以暖云强降水为主导的对流单体中的电荷结构特征及其形成原因, 利用加入了起放电参数化方案的WRF模式, 模拟了2017年5月7日广州局地突发的以暖云降水为主导的特大暴雨过程, 分析讨论了此次过程中一个单体成熟发展阶段的电荷结构的特征及其成因。结果表明, 此次以暖云降水为主导的特大暴雨过程中的单体对流强度较弱, 云顶高度低于同地区典型对流过程, 强回波区由大雨滴形成, 范围较小, 顶较低, 对流运动向0℃层以上输送的过冷水较少, 不利于冰相粒子形成, 导致大小冰相粒子含量均较少, 其中含量最多的冰相粒子为雪花, 其次依次为霰、冰晶、冰雹。云内起电较弱, 以非感应起电为主。非感应起电主要以对流区中-15℃层以下正的起电率为主, 感应起电率以对流区中的负极性为主。对流区中空间净电荷呈三极性结构, 其中中部负电荷区和底部正电荷区中心电荷密度及电荷区范围相当, 上部正电荷区相对较弱, 范围较小。对流区外围仅有弱的中部负电荷区和底部正电荷区。中部负电荷区由带负电荷的冰晶和雪花共同主导, 上部正电荷区由带正电荷的雪花主导, 底部正电荷区主要是由带正电荷的霰粒子及带正电荷的雨滴主导。强起电区和放电区重合, 主要集中在回波中心上部35~50 dBZ的对流区。      

对流强度对雷暴云微物理发展和电荷结构影响的数值模拟

为了探讨对流强度大小对雷暴云内微物理发展和起电过程的影响,基于已有的二维积云起、放电模式,改变其扰动温度进行敏感性试验。试验结果表明:对流强度对雷暴云内微物理过程、起电率及后续电荷结构的产生均有一定程度的影响:1）对流强度较小时,冰晶粒子极大值在高温区（高于-13.8℃）出现,对流强度较大时,上升风明显增强,将更多的水汽带入高空,气溶胶活化过程明显增强,使得云滴粒子明显增多,冰晶粒子较早产生,冰晶粒子极大值在低温区（低于-13.8℃）出现,发展过程更为剧烈;同时,较高的对流强度也使得降雨量增多,霰粒子数目也在对流发展旺盛时期显著增多。2）非感应起电率主要和冰晶-霰的碰并分离过程有关,对流强度较大时,非感应起电率较大,电荷结构持续时间较长,过程明显,感应起电率也较强。3）对流强度较大时,电荷结构更为复杂,雷暴云发展初期基本呈现为三极性,发展旺盛时期底部正电荷区域嵌入一个较小的负电荷区,呈现四极性电荷结构,雷暴云发展末期基本呈现偶极性电荷结构;对流强度较小时,发展初期、旺盛时期均呈现三极性电荷结构,发展末期呈现偶极性电荷结构。     

气溶胶对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟

将云滴冻结方案植入已有的二维雷暴云起、放电模式,结合一次山地雷暴个例,探讨了气溶胶浓度对雷暴云微物理过程、起电以及空间电荷结构的影响。结果表明:气溶胶浓度增加,云滴数目增多,尺度降低,雨滴含量减少;云滴冻结导致冰晶在低温区快速生长,冰晶数浓度增加,尺度减小,当气溶胶浓度高于1000 cm-3后小冰晶难以增长成大尺度的霰粒子,因此霰粒子数浓度先增加后急剧减少。此外,气溶胶浓度的大小不会影响雷暴云的电荷结构特征,但会对云内的起电强度产生明显的作用:当气溶胶浓度较低时,增加气溶胶浓度,更多的冰晶和霰粒子发生碰撞使得云内起电过程增强,空间电荷密度增加;当气溶胶浓度高于1000 cm-3后,少量的霰粒子和小冰晶的出现抑制了非感应起电过程,导致电荷密度降低。     

雷暴云起电机制及其数值模拟的回顾与进展

对国内外有关雷暴云起电机制和起/放电模式的研究结果和进展进行了回顾,总结了这两方面研究的主要进展及所涉及的重要问题。详细介绍了离子、粒子及其他起电机制的发展历程,并从非云模式和云模式这两方面综述了国内外起/放电模式的一些结果和进展。目前对雷暴云内电荷的产生已有较为系统地了解,但仍需对雷暴内动力、微物理和起电过程及它们之间的相关性做更深入的研究。进一步完善雷暴云起/放电模式,并应用模拟结果和观测资料来研究动力、微物理过程及电结构的相互作用机制。     

风沙起电的风洞实验研究

利用大型风沙物理风洞实验装置 ,模拟铺沙地面在不同风速条件下对不同粒径的沙样和混合沙的起电电场、电位和荷质比作实验测量。结果表明 :存在风沙起电效应。风洞内电场多为负极性 ,最大电场达到 - 2 9kV·m- 1 ,导线电位可达 12 0mV。沙粒越细 ,起电越强 ,且随风速增加而增大     

滴水起电实验分析及雷暴云起电模型建立

雷暴云内电场的相对变化率与云内粒子(水滴、霰、冰晶)的宏观运动和微观物理过程有关。宏观运动与云内粒子的垂直加速度及粒子体积的乘积密切相关;微观物理过程与云内粒子体积变化率(或混合比对数变化率或数密度对数变化率)及粒子的碰并速度的乘积密切相关。因此,创立了雷暴云起电G模型,首次科学地解释了层云很少产生闪电,而强对流能够产生强闪电的自然现象。     

太白山气温变化及旅游气候舒适度评价

利用太白山和眉县气象站2013—2017年气温、湿度、风速资料,对太白山山上和山下气温进行对比分析;计算两地四季逐时风寒指数和人体舒适度指数,筛选最佳评价指标,对气候舒适度作出评价和对比分析,给出合理旅游建议。结果表明:山上山下气温差异明显。山上年平均气温0.2℃,山下14.6℃;山上常年无夏,春秋季48 d,冬季长达318 d,入春时间比山下晚112 d,入冬时间比山下早76 d;山上各月气温也明显低于山下。山上≤-10℃年均日数为78.4 d,山下为0.6 d;山上≤0℃年均日数为203 d,山下为67.8 d。山上无高温出现,山下年均高温日为24.2 d。山上春季07时开始升温,比山下早1 h,夏、秋、冬三季两地升温时间一致,分别为07、08、09时;山上冬、春季14时开始降温,夏、秋季13时开始降温,冬季比山下早2 h,春季早3 h,夏、秋季早4 h。太白山春、秋季各时次舒适度指数为-3级,冷,大部分人感觉不舒适。夏季全天各时次舒适度指数为-2级,微冷,少部分人感觉不舒适。冬季舒适度指数10—15时为4级,冷;09、16时为5级,很冷;17—08时为7级,有冻伤危险。太白山夏季是最佳旅游季节;春、秋季偏冷,但合理规划旅游时间,做足保暖措施,可领略春秋季独特自然景观;冬季十分严寒,不建议开展旅游活动。     

近五年周至空气污染气象条件分析

利用周至2012年1月1日—2017年9月30日气象观测资料及空气质量监测资料,分析了近五年周至地区污染特征及冬季重污染天气过程中气象条件的影响,结果表明:周至地区冬季空气污染情况最为严重,五年来重度污染等级以上(包括重度污染和严重污染)日数(简称重污染日)共计119d,重污染天气频发。该地区冬季重污染日气象条件:以静稳天气为主,风速较小,主导风向为偏西北风,这使得大量外来污染源在本地堆积;低于冬季平均值的气温使得大气逆温现象更易发生,大气层结稳定;高于平均值的相对湿度使得颗粒物吸湿增长加剧,重污染日前连续无有效降水使得空气中的污染物得不到有效冲刷,不利于污染物扩散,使得重污染天气进一步加重。     

50年一遇最大风速估算

根据榆林气象站1961—2016年逐年及该地区某一风电观测场2007年逐时最大风速资料,在探讨最大风速突变点的基础上,利用极值Ⅰ型分析法及1d、5d设计风速取样法对风电观测场50a一遇最大风速进行估算,同时参考《建筑结构荷载规范》,最终确定风电观测场最大风速的取值。结果表明:榆林气象站历年最大风速有下降趋势,并在1980年发生突变;利用突变点前风电观测场最大风速序列计算的50a一遇风速修正后,得到的结果与建筑结构荷载规范的值相近,可以互相验证,最终确定50a一遇最大风速为25.3m/s,相应风压为0.4kN/m^2。     

基于标准差分析法的X波段双偏振天气雷达资料质量评估

2015年9月,北京市气象局在北京地区架设4部X波段双线偏振天气雷达并开展了观测试验。本文利用其中3部雷达在2016年6月30日的观测数据,用标准差分布统计方法,对雷达的观测参量进行初步质量评估。结果表明:(1)3部雷达反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~77.9%,反射率的数据波动基本符合理论分布;(2)3部雷达差分反射率标准差符合理论值的数据占总观测数据的68.4%~81.4%,其中房山雷达数据波动较大;(3)3部雷达互相关系数标准差符合理论值的数据占总观测数据的45.7%~63.5%,其中房山雷达数据波动最大,其他2部雷达都有同程度的数据波动;(4)3部雷达差分传播相位标准差符合理论值的数据占总观测数据的73.5%~83.9%,其中房山雷达数据波动相对较大,与雷达其他观测参量相比,差分传播相位的波动较小。     

基于人工神经网络算法的渤海海风预报方法研究

基于2015—2017年常规海洋气象观测资料、天津中尺度天气预报模式(TJ-WRF)预报产品、EC数值预报及其集合预报产品,建立了渤海BP神经网络两级海风预报模型,该模型在大量历史样本的拟合训练基础上分别实现小风和大风与相关因子间的非线性映射,其结果有较高的预报准确率。一年的业务试用期间,该模型对各风级、各预报时效的预报能力基本稳定,预报误差较使用该释用技术前数值模式误差有所减小,72 h内风速平均绝对误差为1. 72 m·s^-1;对灾害大风的预报准确率仍能保持较高水平,8级风风速平均绝对误差仅为1. 77 m·s^-1。     

甘肃省霜冻日期时空变化特征及影响因素

在全球变暖背景下,全面掌握甘肃省霜冻日期的变化规律,有利于提高霜冻灾害的预警能力,保护区域环境,促进气候资源合理开发。使用0 cm地面最低温度资料,采用线性倾向估计法得到霜冻日期的气候倾向率,利用Mann-Kendall法和滑动t检验法探测霜冻日期的突变时间,构建霜冻站次比表征霜冻的影响范围,利用标准差方法计算霜冻日期的稳定性,采用Hurst指数法预测霜冻日期的未来趋势,结合相关系数法分析霜冻日期的影响因素。研究表明:(1)初霜冻日期、终霜冻日期、无霜冻日数发生突变的年份分别为2002,1996和1999年。(2)霜冻日期年际变化幅度为无霜冻日数>初霜冻日期>终霜冻日期;河西变化幅度整体高于河东,对全省霜冻日期变化的贡献较大。(3)全省霜冻日期稳定性顺序为初霜冻日期>终霜冻日期>无霜冻日数,河西霜冻日期稳定性好于河东。(4)初霜冻日期、终霜冻日期、无霜冻日数分别遵循"北早南迟,西早东迟"、"北迟南早,西迟东早"、"北短南长,西短东长"的空间分布规律。(5)在未来,初霜冻日期推迟,终霜冻日期提前,无霜冻日数延长,但变化幅度略有差异,无霜冻日数>终霜冻日期>初霜冻日期;河西终霜冻日期提前达到全省平均水平,无霜冻日数或超过河东。可知,霜冻日期的迟早、长短、稳定性,是由初、终霜冻日期、海拔以及经、纬度综合作用的结果,主导因素显著性差异较大。无霜冻日数的延长,是由初、终霜冻日期稳定性变差所致。     

秦皇岛气象因素对儿童下呼吸道疾病就诊人数影响及预测研究

呼吸系统疾病对儿童的身体健康有极大影响,其发生与气象条件有密切关系。为探讨秦皇岛地区气象条件对儿童下呼吸道疾病的影响,预测就诊人数,为医疗气象服务提供新方法,利用秦皇岛地区2015-2016年儿童下呼吸道疾病就诊人数资料和同期气象资料,分别使用逐步回归分析和BP人工神经网络建立儿童下呼吸道疾病就诊人数预测模型,并对预测效果进行评价。结果表明,气象条件对儿童下呼吸道疾病的发生有显著影响,特别是阶段性天气变化与气候异常对就诊人数影响较大。就诊人数与气温及平均相对湿度呈负相关关系,与气压、风速及前72 h气温变幅呈正相关关系,与气温相关性最好,与气压、平均相对湿度相关性次之。逐步回归法与BP人工神经网络模型的预测准确率分别为72.75%、76.30%。2种预测模型中,BP人工神经网络模型的整体表现更为出色。     

天山山区夏季MαCS时空分布特征

利用常规观测、FY-2E卫星及EC-Interim 0.5°×0.5°再分析资料对2010-2014年夏季天山及其两侧地区α中尺度对流系统(MαCS)的时空分布特点进行分析,并对典型个例的云图特征和环境条件进行了深入的探讨。结果表明:(1)6月为MαCS出现的高发期且椭圆形MαCS占多数。MαCS形成和发展期主要集中在午后和后半夜,消亡于前半夜,三个时期最易发生时间依次滞后大约2 h,圆形和椭圆形MαCS日频次分别呈单峰和多峰型变化分布。MαCS生命史主要为3~6 h,其中6月生命史分布较广,7-8月较集中;大部分椭圆形MαCS较圆形MαCS生命史和消亡阶段长,圆形MαCS在形成阶段维持时间较长。(2)MαCS多生成于山边平原或浅山区,并在山区主脉上空形成直至成熟,在河谷和山脉两侧的平原区消亡。MαCS成熟期冷云盖长轴长度集中在500~800 km,云顶面积随MαCS出现频次增加而逐渐减小。圆形MαCS发展期移动缓慢,成熟后移速加快,椭圆形MαCS始终移速较慢。MαCS云团TBBmin呈现单峰型且近似正态分布,圆形较椭圆形MαCS的TBB平均梯度大。(3)天山山区MαCS的形成主要是通过层云中多个独立的β中尺度对流云团合并形成。MαCS易发生在高层急流带的抽吸区以及中层低槽前部的辐合上升区,中低层西南和西北气流携带的充沛水汽在大气不稳定层结、不稳定能量持续聚集的背景下辐合上升,促使MαCS不断发展。     

浅谈人工影响天气作业安全文化

1引言人工影响天气(以下简称人影,但专有名称除外)是指为避免或者减轻气象灾害,合理利用气候资源,在适当条件下通过科技手段对局部大气的物理过程进行人为影响,实现增雨(雪)、防雹、防霜、消雨、消雾等目的的活动[1]。人影工作是气象防灾减灾、服务地方经济建设和社会发展的重要科技手段之一。人影地面作业使用高炮、火箭,从地基对空中云体发射炮弹、火箭弹实施催化影响,如因作业装备质量瑕疵或操作不慎、储运不当等,出现作业安全事故就会危及空中飞行器、地面人员和财产的安全;使用飞机在空中对云体实施催化影响,如稍有疏忽就会发生安全事故。