祁连山冬季降雪个例模拟分析(I)： 降雪过程和地形影响

利用部分改进了的中尺度数值模式MM5V3对2006年2月7~8日祁连山一次降雪过程进行了三重双向影响嵌套模拟研究, 模式对雪带分布的模拟与实测基本吻合。重点分析了此次降雪过程中的热力动力特征和云的微物理结构, 并通过地形敏感性试验, 研究了祁连山地形对降雪的作用。结果表明： 降雪过程中有低层西北湿冷气流向祁连山区输送水汽在山前形成大值区, 气流除在祁连山周围绕流外同时沿祁连山北坡爬升, 降雪前期空气饱和层和上升气流区比较深厚, 为祁连山北坡降雪中心的形成提供了有利的动力热力条件, 降雪后期有高空干冷下沉气流侵入使降雪减弱。这次过程为冷性稳定层云降雪过程, 水成物含水量大值区也主要分布于祁连山北坡和山顶附近, 冰晶和雪分布在6 km以下, 在冷云顶存在0.06 g·kg-1的过冷云水。祁连山高大地形对大范围降雪落区无明显影响, 但对祁连山北坡降雪中心形成有直接影响。降低地形高度后, 山顶无法形成上升运动和云粒子, 迎风坡云体发展减弱。地形对降雪增幅中心主要位于祁连山北坡, 24 h最大增幅达3 mm。     

祁连山冬季降雪个例模拟分析(Ⅱ):人工催化试验

利用部分改进了的中尺度模式MM5V3对2006年2月7～8日甘肃北部地区一次冷云降雪过程进行了人工催化的数值试验,研究加入人工冰晶对祁连山北坡地区冷性层云降雪的影响.进行了不同剂量和不同高度的催化试验,详细分析了催化后的微物理过程和动力热力过程的变化.结果表明:累积降雪中心的上风方含有过冷云水的区域为催化潜力区.催化后累积降雪中心雪量增加,增雪区周围出现分散的减雪区.过冷云水最多并且最缺乏冰晶粒子的层次具有很好的催化条件.加人人工冰晶后消耗了水汽和过冷云水,冰晶和雪的量值均有所增加,雪碰并冰晶过程、冰品转化过程、凝华过程是雪增长的主要过程,相态变化引起的潜热增加导致升温和上升运动加强.这种变化同时使周围的垂直运动和水成物含量发生改变,周围的上升运动减弱,雪的含量减少,产生了减雪区.     

HLAFS显式云降水方案及其对暴雨和云的模拟(I)云降水显式方案

将三套显式云降水方案移植、耦合到国家气象中心业务有限区数值预报模式HLAFS中, 显式云降水方案包括双参数暖云方案、简化混合相云方案和双参数混合相云方案,明显地改进了原模式预报系统的湿物理过程,特别是对云降水过程的模拟能力.详细介绍了这三套云降水方案的物理过程,以及与动力框架的耦合.     

黄河上游玛曲地区雨滴谱特征的观测研究

为了解决近年来黄河流域水资源短缺的现象,2000年由青海省气象局组织及多个单位合作,在黄河上游进行了人工增雨试验。通过对玛曲地区雨滴谱的分析,推测玛曲当地的雨滴较大,这对在当地实施人工增雨提供了观测依据。另外,通过分析得到当地积云降水的雷达反射率因子和雨强的相关关系式,该公式可以作为利用雷达定量测量高原地区降水的参考。分析发现,虽然高原地区冷雨过程是主要的降水机制,但是暖雨过程仍然对降水有贡献。通过对雨滴谱资料的分析,可以促进对高原地区云物理特征的了解。     

新疆乌鲁木齐地区冬季层积云研究——数值模拟研究

在分析实测结果的基础上,建立了一个边界层与云物理学的数值模式,模拟了云生成的过程。模式包括了边界层内的湍流混合、大气与地表的长波辐射和太阳短波辐射以及云层的辐射平衡等,同时也包括了水的汽、液、固三相物质在大气中的相互转换即云微物理过程。模拟的云及边界层的主要结构特征和演变趋势与实测情况大致吻合。模拟结果还提供了有关云结构及演变过程的一些详细图象。     

层状云微物理过程的数值模拟(二)—中纬度气旋云系的微物理过程

本文用我们的微物理模式根据P.V.Hobbs在美国获得的中纬度气旋云系和降水的中尺度和微尺度结构的探测资料进行了计算。在计算的六个例子中，微物理垂直剖面同实测结果在很多方面是相符的。模拟得出了同实测比较一致的层状云“播种-供应”机制，高空发生胞的“播种”作用和暖层云中的降雨过程等。分析表明，模式所用的双参数方案、冰晶核化、云雨自动转化、冰晶繁生等方程能较好地反映云中微物理过程，但是冰晶聚合过程的模拟（主要是碰并系数Eii的表达式）需要改进。     

不同云底温度雹云成雹机制及其引晶催化的数值研究

用二维准弹性冰雹云模式模拟了中国不同地区的冰雹云的成雹机制和人工引晶催化的效果,结果表明：强对流云中自然初始降水元的形成主要同云雨自动转化相关;云底温度较低的冰雹云的雹胚形成以云霰转化过程为主,暖云底的雹云则以雨霰转化为主。人工引晶的作用有三：（１）加强云中冰霰转化过程,雹胚过多争食防雹;（２）促进雨霰转化过程,使雹胚浓度增加,并且减少过冷雨滴,抑制冰雹碰冻过冷雨滴的增长;（３）使云的下部霰量增加,降低降水粒子的增长轨迹,阻碍霰雹的增长。多次催化有时比一次大剂量催化的防雹增雨效果好。     

非静力平衡模式的中尺度非均匀初始场试验和锋面模拟

用非静力平衡二维中β－γ尺度大气模式,选取１９８７年欧洲的一次冷锋过程为个例,以法国的静力平衡模式的模拟结果为初始场,选用５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种水平格距进行了水平范围为２０００ｋｍ的模拟,结果表明：（１）中尺度非静力平衡模式应用非均匀初始场,而不加人为的初始扰动是可行的;（２）扰动量的初始场中π′的精度要求很高,应严格符合静力平衡条件,否则就会产生严重误差,甚至在一个时步内改变垂直速度;（３）５ｋｍ,２５ｋｍ,４５ｋｍ３种格距的对比模拟表明,５ｋｍ格距的非静力平衡模式能模拟出锋面上的多个中β尺度对流,且垂直速度场分布与实际最接近,而后两种格距只能模拟出锋面上的大范围上升区,不能细致地描述锋面对流结构。     

卷云数值模式和对流性卷云数值模拟

本文建立了两线面对称、滞弹、非静力平衡,包含有水汽、云水、云冰、雪晶和霰五种水元间各种微物理过程的卷云模式。运用该模式对卷云对流胞的典型环境作无切变和有4×10~(-3)s~(-1)的风切变两种情况模拟表明,风切变环境下的对流较弱,但最大上升气流仍达2.71m/s。无风切变环境下卷云对流易于向两边传播,而当存在强风切变作用时,对流向上风方传播。模拟卷云的宏、微观结构及其演变特点与国外飞机穿云、卫星和地面遥感等观测结果十分一致。模拟表明卷云对流的下沉气流及下落冰粒子的蒸发冷却激发出的新的上升气流是卷云多核心结构和对流卷云向层状卷云演变的重要机制;卷云中过饱和度对冰晶核化的依赖和抑制是卷云冰晶浓度远低于FLETCHER浓度的一个主要原因。     

凝结(华)过程的数值模拟方法研究

在中小尺度数值模拟研究中,经常需要较精确地计算水的凝结和冰的凝华过程。由于从单滴扩散增长理论所推出的方程要求时间步长取得很短(通常小于1秒),因此,除较细致的云微物理模拟外,它很少被直接采用。一般使用“暖云假设”,即假设云内过饱和度在凝结后为零,然后直接计算或采用迭代法处理。但当模式中考虑冰相时,云中过饱和度的绝对值较大,这种方法便不宜使用。本文从云滴扩散增长的参数化处理方法出发,提出了一种既不需要迭代,同时也允许使用较长的时间步长的计算方法。本文还将该种方法与其它通用方法作了比较。