北京山区降雪微物理机制及催化影响的数值模拟研究北大核心CSCD

基于观测资料和中尺度数值模式WRF对2019年2月14日发生在北京地区的一次典型低涡低槽型降雪系统进行了观测资料分析和数值模拟,研究了降雪产生的云微物理机制,探讨了雪的形成过程并进行了人工催化降雪的数值模拟分析。结果表明:低涡前部暖湿平流带来的水汽和低涡切变线附近强烈的上升运动造成了此次区域性大雪;雪的凝华增长、雪降落过程中凇附云水继续长大、云冰自动转换为雪、冰晶和雪碰并聚合是此次降雪的主要微物理过程。催化模拟显示,人工播撒碘化银催化剂之后,云中产生大量冰晶,增多的冰晶通过凝华增长、碰并、聚合、凇附等转换成雪的过程增加,进而造成地面降雪的增加。     

昭苏雹块的微结构研究

冰雹云的微结构,对于研究冰雹增长的机制是十分重要的.但是由于直接进入雹云内部进行观测非常困难,所以目前主要通过遥感技术和冰雹样品的切片分析,推断雹云内部的微观结构和成雹机制. 众所周知,冰雹是从冰雹云中降落下来的固态降水物.不同的冰雹云类型,不同的增长过程,具有不同的微观结构.因此研究冰雹样品,有助于我们认识冰雹在云中的形成和增长过程,这对于人工防雹研究和作业设计具有实际意义.     

北京地区一次降雪过程的人工催化数值模拟研究

利用中尺度气象模式WRF的双参数显示云物理方案,开展冬季冷性层状云降水过程的数值模拟和人工增雨催化数值试验。模拟个例为2013年3月19日北京地区的一次典型降水过程,在分析模拟得到的云中水成物和上升速度分布的基础上设计不同催化试验,研究不同催化时刻(云体发展期、云体成熟期)和三种催化剂量对地面降水、云中水成物浓度、动力场和热力场以及微物理转化过程的影响。模拟试验结果表明:模拟的自然降水分布和实测结果较为一致;不同的催化试验都可以使地面雨量增加,在云体发展期以107个·kg-1剂量进行催化的效果最佳;引入人工冰晶后催化区域水汽和过冷云水含量明显减少、冰晶和雪的含量有所增加、催化区域上升气流明显增强,温度提高;催化后40 min时雪的增长主要依靠其凝华增长、冰晶向雪的自动转化、雪和云滴之间的碰冻以及冰晶和雪之间的碰并;催化后200 min,催化云中各种微物理过程对雪的贡献高于自然云,催化前期消耗了过冷云水,此时云中雪和云滴之间的碰冻对雪的贡献非常微弱,雪的增长主要依靠凝华增长以及雪和冰晶的相互作用。     

东北冷涡中尺度云系降水机制研究 II: 数值模拟

在利用卫星、雷达和机载PMS(粒子测量系统)等观测资料对2003年7月8日东北冷涡积层混合云系的降水形成机制分析的基础上,将观测分析与数值模拟研究相结合,用中尺度数值模式对积层混合云系做数值模拟,并结合观测资料进一步分析了积层混合云系的微物理结构、粒子形成过程和降水形成机制,获得如下结果:(1)混合云中对流云具有分层的微物理结构.冰晶含水量最大值出现的高度最高,其次由高到低的排序是雪、云水、霰和雨;雨水主要出现在云的暖区;各种粒子中以雨水含水量最高,其次是霰.对流云体生命期较长,微物理结构基本稳定.(2)粒子形成增长过程有差异.冰晶通过凝华过程增长.雪主要来源于冰晶,产生后主要通过撞冻、收集冰晶和凝华过程增长,其中撞冻过冷云水增长对雪质量贡献最大,其产生率极大值高度与过冷云水相当.丰富的过冷云水,给雪的撞冻增长提供了有利条件.在高、中和低层雪的形成有着不同的机制,高层雪收集冰晶长大后,下落到低层又以雪撞冻过冷云水的结淞增长为主要过程.霰主要由雨滴冻结和雪的转化产生,过冷雨滴与冰晶接触冻结成霰;过冷雨滴收集雪,雪随着雨滴的冻结而转化成霰.因此霰的产生与过冷雨滴关系极大.霰主要撞冻云水、收集雪和冰晶增长,其中撞冻是霰的重要增长过程.雨水主要由霰的融化形成,降水主要是由冷云过程产生的.在过冷层,霰撞冻增长占优势.云上部的冰晶和雪对云的中部具有播撒作用,过冷层中存在丰富的过冷水,对冰相粒子的撞冻增长有利.对云水消耗的分析表明,雨滴对云滴的收集、霰和雪对云水的撞冻增长是消耗云水的主要过程.(3)从各种粒子的形成和增长过程可以看出,大部分雨水由霰融化形成,暖云过程贡献要小得多.可见,降水主要是由冷云过程产生的,这与观测分析的结果一致.     

1995和1996年春季北京地区大气冰核浓度的观测与研究

利用毕格型混合云室于1995和1996-春季在北京西郊观测了4种温度条件下的大气冰核浓度.分析了冰核浓度逐日变化特点,与1963-的观测(方法相同)结果进行了对比分析.发现30 a来,冰核浓度平均约增加了15倍.根据严重污染天气条件下能见度与冰核浓度的相关分析,推测人类活动作为冰核源的权重,冰核浓度增加.分析发现大气中高活性冰核在大气中的滞留时间明显小于低活性冰核.结合冰核活性与粒子尺度的相关,分析推测了大气冰核浓度随高度递减的特点,推测高活性冰核随高度递减更快.分析中参考了世界各地的观测结果,并对不同观测方法观测的结果进行了分析对比,对其中一些地区差异和特点进行了探讨.冰晶浓度与云中气溶胶粒子浓度的相关分析表明,两者有较好的正相关关系.高冰晶浓度常对应有较窄的粒子谱和较小的浓度峰值直径.利用飞机观测的云中雪粒子浓度与冰粒子浓度资料分析结果表明两者有正相关;初步分析表明,大气冰核浓度除对冰云微结构和云中降水过程有重要影响外;还可能对云的辐射特征产生影响,从而影响大气气候过?＃     

春季吉林地区层状冷云中冰晶的形成与雪晶增长特点

1963年春季,利用铝箔取样技术对吉林地区的降水性层状冷云中的冰晶、雪晶进行了飞机观测。本文摘要给出云中冰晶与雪晶浓度的空间分布、雪晶形状和温度与晶体浓度的关系、雪晶直径随高度的变化以及在一次探测中观测到的雪晶谱的变化特点等观测结果。并根据这些资料对云中冰晶的形成、增长和云中固态含水量大小等问题做了初步分析。     

北京地区一次降雪系统大气水凝物输送特征及降雪微物理机制的数值模拟研究

北京冬季降雪云系存在丰富的可开发利用的云水资源。出于人工增雪研究和充分开发云水资源的需要,文中对北京2019年11月29日发生的年度首场降雪进行了观测,对其资料做了分析和中尺度数值模拟,研究了降雪过程的宏观特征、水凝物输送及降雪的微物理机制。结果表明:影响本次北京降雪的是稳定性层状冷云云系,水凝物主要从北京区域的西边界和南边界输送到区域内,而从东边界和北边界流出,具有西向和南向分量的湿气流是降雪云系水物质的输送通道。降雪云中的水凝物基本全为冰晶和雪,有少量的云水,整层云系都含有非常丰富的水汽并且贯穿整个降雪时段。在冰面过饱和环境中,水汽凝华（Prds）是雪的主要增长过程;其次是云冰增长成雪（Prci）和云冰聚合成雪（Prai）的过程。     

2008年初江西中部冰雪风暴过程的数值模拟

利用中国科学院大气物理研究所研制开发的三维对流云模式,对2008年2月1日江西省中部的一次冰雪风暴过程进行了数值模拟。模拟方案分方案A和方案B,方案A云中水物质包括水汽、云水、雨水、冰晶、雪、霰共6类,方案B云中水物质包括水汽、云水、雨水、冰晶、雪共5类。对比分析两种方案的模拟结果表明,模式微物理过程中不包括霰粒项模拟结果更接近实际情况,冰晶在雪产生的初始阶段起着主要作用,但以后时段风暴内的冰晶效应使风暴内过饱和水汽在雪片上的凝华增长过程中起着主要作用。     

北京北部山区两次降雪过程微物理形成机制的观测—模拟研究

降雪是北京冬季的重要降水天气过程,但目前对实例降雪形成的微物理机制的观测-模拟研究较少。本文利用中尺度WRF模式结合外场观测资料,对北京2015年1月24日和11月5~6日两次不同天气条件下的山区降雪云系的微物理结构特征及降雪形成的微物理转化机制进行了分析研究,定量比较了云中水凝物含量的比例和降雪形成机制的差异。研究结果表明:(1)由于两次降雪过程的天气形势和水汽输送有较大差异,导致降雪形成的微物理转化机制也出现较大差异。11月5日降雪第一阶段水汽输送较强,云中过冷水含量较高,降雪形成以凝华增长和凇附增长为主,地面表现为雨夹雪天气,而1月24日和11月5~6日第二阶段水汽输送弱,降雪形成以凝华增长和聚并增长为主,地面表现为纯降雪天气;(2)11月5日的雨夹雪天气过程中,云中不仅有冰晶(9%)、雪晶(72%),还有云水(6%)和雨水(12%)的存在,高层生成的雪胚在下落过程中主要通过凝华(78%)和凇附(20%)过程增长。而1月24日与11月5~6日第二阶段的纯降雪过程中,云中水凝物分布相似,以冰晶和雪晶为主,1月24日冰晶含量占28%,雪晶含量占72%;11月5~6日冰晶含量占11%,雪晶含量占88%,冰粒子主要分布在高层。首先高层6~12 km通过云冰转换生成的雪胚下落到低层水汽充足区,然后通过凝华和聚并过程增长,1月24日凝华增长过程占92%,聚并增长过程仅占5%;11月5~6日凝华占88%,聚并仅占3%。(3)垂直上升气流速度与冰晶、雪晶生成和增长过程呈正相关,上升气流带来充足的水汽,配合垂直运动使得雪胚增加,凝华、凇附凇附和聚并过程增强,导致雪晶含量增加。     

区域冷锋降水微物理机制研究

20世纪利用一维层状云模式对2002年4月4~5日河南省冷锋降水过程进行了模拟。数值模拟结果显示,此次冷锋降水属于冷云降水过程,冷锋前后云中主要以冰相粒子为主,云中水质粒自上而下的空间分布依次为冰晶、雪、云水、霰、雨水。冷锋前后,各种水质粒有着不同的含量及数密度,但形成水质粒的主要微物理过程都表现为:冰晶数密度的增加主要依靠核化、繁生,大部分雪主要靠凝华、撞冻过冷云水和冰晶增长,霰的质量增加主要靠撞冻雪、过冷云水和雪自动转化而来,大部分的雨水是由霰融化而来,因而此次冷锋降水机制表现为“水汽—雪—霰—雨水”。     

THE MICROPHYSICAL STRUCTURE OF SNOW CLOUDS AND THE GROWTH PROCESS OF SNOW PARTICLES IN WINTER IN XINJIANG

The microphysical structure of snow clouds and the growth process of snow crystals were observed by means of instrumented aircraft,weather radar,snow crystal observations etc.in Urumqi region during the winter of 1982.The analysis of three cases show that about 70% of snow mass growth is produced in the lower layer below 2000 m under the cold front,and that the concentration of ice crystals is as high as 60 L^-1 and the supercooled water is absent in lower clouds.We may infer that the deposition of ice crystals and the aggregation of snow crystals are important processes for the snow development.The microphysical structure of the snow band near the front aloft and its characteristics as a seeder cloud are also described in this paper.     

北京一次突发性降雪的云场结构特征分析

本文对利用三重嵌套的高分辨率中尺度模式对北京一次突发性降雪过程进行了数值模拟。重点分析伴随降雪过程的云各微物理含量构成和云场三维图像的演变特征,初步分析表明：此次降雪过程中云中的主要成份是冰晶粒子,雪其它粒子的含量较少,冰晶粒子含量随时间呈由高空向低空增加的趋势,它在降雪过程中起重要作用;云的三维结构图也清楚地反映云顶有不断降低和向下伸展过程,这与冰晶粒子的增长和沉降有关。     

Numerical comparison study of cloud microphysical parameterization schemes for a moderate snowfall event in North China

Summary A moderate snowfall event in North China is simulated using the high-resolution mesoscale model MM5. A fourfold-nest experiment, with a minimum horizontal grid size of 2 km, is run. In order to study the cloud microphysics processes associated with the snowfall, two experiments were conducted in two inner domains, one using the Goddard scheme (Goddard experiment), and the other using the Reisner scheme (Reisner experiment). The analysis focused on the comparison of the cloud microphysics processes which occurred in the experiments. It is shown that there is no implicit precipitation of cumulus parameterization in the domain of grid scale 18 km. The snowfall distribution patterns in the experiments are slightly different, but the microphysical characteristics and processes may have considerable differences between the two experiments: (1) The water substances in the cloud have cloud water, cloud ice and snow, but no rainwater and graupel in the Goddard experiment. However, the water substances in the cloud have cloud ice, snow, and graupel, but no cloud water and rainwater in the Reisner experiment. (2) The cloud ice mixing ratios in the Goddard experiment are larger than those in the Reisner experiment. (3) In the Goddard experiment, the dominant cloud microphysical processes include the growth of cloud water by the condensation of supersaturated vapor, the depositional growth of cloud ice, the initiation of cloud ice, the accretion of cloud ice by snow, the accretion of cloud water by snow, the deposition growth of snow and the Bergeron process of cloud ice. In the Reisner experiment, the dominant cloud microphysical processes include the depositional growth of cloud ice, the conversion of cloud ice to snow, the deposition of snow, and the deposition growth of graupel. (4) There is only snowfall in the Goddard experiment. Meanwhile, there is ice fall, snow fall, and graupel in the Reisner experiment. But the ice fall and graupel in the Reisner experiment is very slight and can be ignored.     

云微物理过程对台风数值模拟的影响

将中国气象科学研究院（CAMS）混合双参数云微物理方案用于中尺度天气模式WRF,开展了对2013年超强台风天兔（1319）的模拟,通过与台风最佳路径、强度及热带降雨测量卫星（TRMM）资料对比,分析CAMS云微物理方案在模拟台风中的适用性及云微物理过程对模拟台风天兔的影响机制。设计了3组敏感性试验:修改雪粒子质量和落速系数（EXP1）,采用海洋性云滴参数（EXP2）,同时修改雪粒子质量和落速系数并采用海洋性云滴参数（EXP3）。结果表明:EXP1和EXP3由于霰碰并雪速率的增加及减小的雪下落通量,导致雪含量显著降低,同时也减少了整体冰相物的含量;EXP2和EXP3模拟的台风眼区对流有效位能快速减小,再现了前期台风的快速增强过程,路径偏差也最小;各试验模拟的小时降水率总体偏强,EXP3的降水空间分布与实况更接近,明显降低雪粒子含量,并一定程度上改善模拟的台风路径、强度及降水分布等。该结果不但可为改进适用于台风的云微物理参数化方案提供思路,也可加深云微物理过程对台风影响的认识。     

积层混合云结构和云微物理的数值模拟

对三维非静力中尺度模式ARPS的云微物理方案进行了改进,利用改进后的模式模拟了华北地区的积层混合云降水个例,通过对模拟结果的分析并结合实况资料研究了积层混合云的降水特征、云物理结构特征和微物理过程。结果表明,积层混合云降水分布不均匀,雨区中存在多个强降水中心,云系中微物理量在水平和垂直方向上分布都不均匀,积云中的垂直液态水积分含量大大高于层云中含量,此次降水冰相过程占主导地位,霰的融化是最主要的雨生成项。     

2008年初南方一次雨雪冰冻天气云微物理过程和逆温层结数值模拟

利用WRF中尺度数值模式对2008年1月26—29日中国南方一次雨雪过程进行数值模拟,并根据模拟结果对云微物理过程、逆温区和地面温度等环境条件进行了分析。结果表明:华南地区冻雨天气对应了两种云微物理结构:一种是由液水形成的降水元在下落过程中经过"暖—冷"层结形成冻雨,另一种是由冰晶、雪晶和液水形成的降水经过"冷—暖—冷"层结造成的。利用模式输出的层结、地面条件以及降水状况可以大致得到冻雨可能发生的范围。     

Tropical convective responses to microphysical and radiative processes: a sensitivity study with a 2-D cloud resolving model

Summary Prognostic cloud schemes are increasingly used in weather and climate models in order to better treat cloud-radiation processes. Simplifications are often made in such schemes for computational efficiency, like the scheme being used in the National Centers for Environment Prediction models that excludes some microphysical processes and precipitation-radiation interaction. In this study, sensitivity tests with a 2-D cloud resolving model are carried out to examine effects of the excluded microphysical processes and precipitation-radiation interaction on tropical thermodynamics and cloud properties. The model is integrated for 10 days with the imposed vertical velocity derived from the Tropical Ocean Global Atmosphere Coupled Ocean–Atmosphere Response Experiment. The experiment excluding the depositional growth of snow from cloud ice shows anomalous growth of cloud ice and more than 20% increase of fractional cloud cover, indicating that the lack of the depositional snow growth causes unrealistically large mixing ratio of cloud ice. The experiment excluding the precipitation-radiation interaction displays a significant cooling and drying bias. The analysis of heat and moisture budgets shows that the simulation without the interaction produces more stable upper troposphere and more unstable mid and lower troposphere than does the simulation with the interaction. Thus, the suppressed growth of ice clouds in upper troposphere and stronger radiative cooling in mid and lower troposphere are responsible for the cooling bias, and less evaporation of rain associated with the large-scale subsidence induces the drying in mid and lower troposphere.     

华南一次暖区暴雨的演变及云微物理机制模拟研究

利用WRF v4.0中尺度模式及0.25 °×0.25 °高分辨率的GDAS分析资料,对2017年6月15日发生在华南的一次典型暖区暴雨过程进行数值研究。多源观测资料对比分析表明,Thompson aerosol aware云微物理方案与YSU边界层方案组合合理再现了此次暴雨的演变过程。观测与模拟的强风速下传、低层风场切变及降水之间存在较好的对应关系,强的雷达反射率与水汽通量散度中心一致。在中尺度对流系统（MCS）发展和成熟阶段,冷池的出流抬升是新生对流的重要触发条件,地形的动力抬升作用并非主导。云微物理分析指出,由于华南上空充沛的水汽及过冷雨水,雪的最大来源项表现为水汽凝华成雪,而霰的最大来源项为过冷雨滴碰并冰晶、雪并冻结成霰。在零度层之下的1.5 km区域,冰相粒子的融化率可达暖雨过程（1×10-4g/(kg·s)的2倍,暗示其在融化层对雨水形成的支配作用,而雪霰的重力沉降扮演了重要角色。此外,相变过程显著影响着大气的温度变化,当对流云底较低时,低层的水汽凝结将抵消雨水蒸发导致的冷却作用,减弱地面冷池的强度。