双参数云物理方案中谱形参数作用分析和数值模拟试验

云物理参数化方案中,各种粒子通常采用Г谱分布函数n(D)=N0Dαexp(-λD)。双参数方案中谱参数截距N0和斜率λ通过预报给出,谱形参数α设为固定值。为了讨论谱形参数的作用,理论上分析了谱形参数取值对沉降过程和微物理源汇项的影响。利用MM5模式中增加的双参数显式云物理方案模拟了西北地区一次层状云降水过程,模拟针对雨滴谱的谱形参数rα不同取值分别做了试验。模拟结果基本符合理论分析,谱形参数rα变化时模拟出的地面降水和云的宏微观特征有差异。     

近年来云降水物理和人工影响天气研究进展

回顾和总结了中国科学院大气物理研究所近5年(2003～2007年)的云降水物理和人工影响天气研究,内容涉及云和降水物理研究、云和降水数值模拟研究、人工影响天气研究和云化学研究等诸多领域。随着国家和社会对人工影响天气需求的日益增加,云降水物理仍是重要的研究方向,会随着观测和理论研究的发展而取得突破性进展。     

一次层状云系水分收支和降水机制的数值研究

对2002年10月18—20日河南省层状云系的水分收支和降水机制用MM5模式模拟的结果表明,河南省域以外的水物质主要通过西和南边界输送到区域内,19日降水主要时段总水物质通量在水平方向上为净流入。对河南省域水汽、水凝物和总水物质的水分平衡等式中各项的估算表明该区域水物质基本达到收支平衡。估算的河南省域总水物质降水效率、凝结率、凝华率和水凝物降水效率及水汽降水效率分别约33.1%、27.7%、13.1%、69.7%和31.1%,总水物质降水效率与水汽降水效率接近是由于参与的水物质总量中水汽占绝大部分。约58.2%以上的冰晶转化为雪,超过82.1%的雪融化,不到11.1%的雪转化为霰,霰粒子几乎完全融化。冰晶通过凝华过程增长。雪主要由冰晶转化产生,凝华增长率比撞冻增长率高得多。雨水由暖云和冷云过程产生和增长,雨水碰并云水量和冰粒子融化量对雨水的贡献相近,云雨自动转化量小。可见,在主要降水时段,降水是由冷云和暖云过程共同产生的。冰粒子凝华增长对雨水的贡献最大超过35%,撞冻增长的贡献最高不足12%,可见水汽对降水粒子增长重要。催化层、冰水混合层和液水层对降水的贡献分别约为15%—27%、45%—50%和23%—38%,表明此"催化-供给"云中冰粒子在冰水混合层的增长对降水的贡献相当大。     

两种不同雨滴谱分布的分析

为了拟合实际观测的雨滴谱资料,采用不同阶数矩确定谱分布函数的谱参数。由此确定的M P分布函数和Γ分布函数在计算不同阶数矩对应的物理参量时存在差别,矩的阶数越高,差别越大。当粒子直径满足一定条件时,矩计算的积分截断效应可以忽略。     

从氧、碳同位素组成看蓟县元古宙碳酸盐岩特征

蓟县元古宙碳酸盐岩出露广袤，厚度巨大，产状稳定，化石丰富，沉积形象众多。其内赋含的氧、碳同位素组成及其数值变化对成岩机制及沉积环境仍然蕴含着较清楚的内函关系。依据其数值演化，探讨了蓟县碳酸盐岩的成岩作用、古盐度，进而结合其沉积环境特征，阐释了碳酸盐岩，更主要是白云岩为原生沉积所成。     

一个陆表海的潮坪沉积模式

本文从三个方面探讨了晚前寒武纪陆表海碳酸盐岩潮坪的清水沉积环境,并归纳出了中元古宙雾迷山组于该环境中的沉积模式:(1)岩石类型,基本上是由沉积白云岩组成,厚达三千余米,伴生有硅岩及微量陆源碎屑;(2)显示了浅水及潮坪沉积环境的叠层石组合及其它各种沉积形相;(3)旋(韵)律性组合,在纵向层序中可以见到多级次套叠的旋(韵)律性沉积,每一部段都寓示着若干赋存于各有既定层位的信息,即它的沉积物、古生物及沉积形相大致上是经常固定的组合。通过上述资料分析,综合归纳出了雾迷山组的陆表海潮坪沉积模式,它是在进积的背景上经历了海侵-海退的演化。     

MM5中新显式云物理方案的建立和数值模拟

在MM5动力框架内, 在其中Reisner 2方案基础上采用双变参数方案, 增加了云水、雨水、雪和霰的数浓度预报方程.云中凝结核CCN的数浓度采用超几何函数表示; 云水向雨水的自动转换过程考虑了云滴谱的特征和发展变化对该过程的影响, 而不是采用原方案给定阈值的方法描述该过程; 对连续碰并方程不再将粒子落速差作为常量提出积分号外, 而是直接作为粒子直径函数在积分号内求解, 这样处理可以回避使用粒子群的平均落速带来的误差; 增加了霰和雪、霰和冰晶的碰并微物理过程.粒子引入Г分布谱函数, 对微物理过程采用了与之     

一次层状云系结构和降水机制的观测与数值模拟

利用机载微物理探测仪器获得了2010年4月20～21日我国中东部地区的一次大范围降雨过程的观测资料,详细分析了云系的微物理结构和降水过程,并利用WRF模式对降水过程进行了数值模拟分析,详细探讨了此次降雨形成的微物理机制。分析表明,降水前期,云体在垂直方向上存在分层结构,云粒子探头(Cloud Droplet Probe, CDP)粒子浓度存在较大起伏。降水中期,CDP粒子主要存在于4.27 km以下,其中3.69 km处浓度较大,峰值普遍超过100 cm^-3;降水粒子和尺度较大的云粒子同样在4.27 km以下。4.27 km、3.69 km处粒子形态较丰 富,经历了不同尺度的片状、不规则状、针状及辐枝状的变化,3.69 km处CDP粒子浓度较少时,降水粒子以针状为主,而CDP粒子浓度充足时则转化为尺寸更大的辐枝状粒子。4.27 km、3.69 km高度层存在的主要粒子是雪晶,其次是少许冰晶。降水后期,云体从顶部开始趋于消散,表现为3.9 km高度以上无明显CDP粒子,仅存在部分云粒子和降水粒子,其形态为不规则状。降水主要形成于3.9 km以下的云层,此时冷层仍存在部分针状的冰雪晶。WRF模拟结果表明:雨滴大部分形成于2.9 km以下,0 ℃层下方,2.2～2.9 km雪的融化贡献最大,2.2 km以下重力碰并为主。雪是冷暖层主要的降水粒子,雪在冰雪晶层大部分高度仍以凝华增长为主,混合层以凝华增长和结淞增长为主,而雪的增长程度可能受上升气流强度、过冷水含量影响。     

河南省春季一次层状云降水云系结构和降水机制的数值模拟

利用PSU/NCAR的MM5中的双参数显式云物理方案,模拟了2007年河南省春季一次层状云降水过程,模拟结果显示,降雨主要落区和强度与观测一致.24 h降雨预报的TS评分较高.模式输出的雷达反射率与郑州站雷达RHI回波相比较,模拟的回波结构基本符合层状云回波特征,存在零度层亮带.在成功降水模拟的基础上,分析了云系不同部位结构特征和粒子质量通量分布,发现雨水的形成在不同部位依靠不同的过程.郑州站云的垂直结构和降水微物理过程研究表明,降水机制符合"播种一供给"机制,降水形成主要依靠雪的融化和暖云微物理过程,暖云对整层降水起主要作用,暖云微物理过程是形成降水的更有效方式.