自然云中冰晶生成的核化过程及雪晶对过冷云滴的撞冻

鉴于冰晶过程在自然降水形成中的作用十分重要,对冰晶形成的物理过程曾进行过大量研究。由于自然云中冰晶的生成受大气热力、动力学条件及微物理过程等多因子制约,因而在自然云中研究冰晶的形成过程有很大困难,至今有关冰晶生成的核化过程的外场研究仍极少。室内实验可以在控制某些云物理条件下进行,但有些条件(过冷云维持时间、过冷云滴谱等)很难进行逼真的模拟。雪晶对过冷云滴的撞冻是雪粒子的重要增长过程之一;有关雪晶对过冷云滴的撞冻效率,已持续进行多年的室内实验与理论研究。这些研究工作中,都对雪晶形状做了不同程度的简化,对自然云中的雪晶撞冻过程的研究仍极少。     

冰雹云中微物理过程研究

利用三维冰雹云模式通过实例模拟研究了云中冰相物理过程,结果表明,云中粒子产生有一源地,在雹云发展阶段早期,霰、冻滴,雹和雨水的极大产生率都位于6.0 km高度附近,这里是雹胚及冰雹形成的源区,从"利益竞争"概念出发,人工防雹的催化部位应在此高度附近;粒子产生高度与其源项发生高度及主要增长方式有关,粒子产生和增长过程在云的发展不同阶段也是不同的.在冰雹形成过程中,作为雹胚的霰和冻滴主要通过撞冻过冷水增长.撞冻增长占增长量的大部分,云中存在丰富的过冷水对冰雹胚胎和冰雹形成、增长都是十分重要的.在"冰晶-过冷水-雹胚-冰雹"这一链环中,没有过冷水参与很难形成强烈降雹.通过两例雹云的对比研究,发现若雹云云底温度降低和湿度增大,由于霰撞冻过冷水尤其是撞冻过冷云水增长量大幅度提高,霰的尺度加大,提高向冰雹的转化率,使霰胚数量大大增加.     

云中夹卷混合过程的研究进展

夹卷混合过程表征了云和环境空气之间的相互作用,是云物理和动力过程中不确定性最大的过程之一.它影响着暖云降水形成过程,气溶胶间接效应的强度,云-气候之间的反馈等.本文总结了夹卷混合机制的含义和分类,云降水物理和光学性质的重要性,以及夹卷混合过程的定量描述和参数化.在此基础上,指出了夹卷混合过程研究的难点和未来的研究方向.     

贵州夏季自然云中冰雪晶和大粒子观测结果的分析

本文对夏季贵州自然降水性云的冰雪晶、大粒子作了初步分析。主要结果有:(1)冰雪晶平均浓度比北方地区的低,另外云中含水量大的区域冰雪晶平均浓度值也较大。(2)积状云冰雪晶浓度频数分布较集中,大多数集中于平均值附近,不超过一个量级。(3)冰雪晶和大粒子空间分布有明显差异。(4)在浓积云内暖云部分有冰雪晶沉降。(5)贵州夏季自然云降水及其人工催化的研究必须考虑冰相过程。     

云中积冰过程微物理参量演变规律的数值模拟

利用耦合Thompson参数化物理方案的WRF（weather research and forecasting）中尺度数值模式,对发生在2008/2009年和2009/2010年冬季恩施雷达站处三次积冰过程的边界层特征和云雾微物理量进行了模拟,并与实测结果进行了对比分析.模拟结果较好地反映了恩施雷达站上空多逆温影响的温度层结特征;云水质量浓度和云雾滴中值体积直径的模拟值与观测值的平均绝对误差分别为10-2g·m-3和3.8μm;恩施雷达站上空存在一个质量浓度为0.3g ·m-3左右的高值中心,其逐渐下移接地,给积冰过程带来充足水汽,且此时通常也有降雨出现.     

层状云中冰晶繁生过程对降水影响的数值模拟

在层状云雨滴分档模式中加入冰晶繁生过程,研究繁生过程对层状云微物理结构及降水过程的影响。结果表明:模式云发展到190 min时,冰晶繁生过程发生,繁生层内的冰粒子浓度由10-3L-1增加到7.3 L-1,随后迅速减少,250 min后趋近于无繁生的情况;繁生层及其下方的云水含量较繁生前相同时刻减少约0.05-0.2 g.m-3;190 min,2 400-4 800 m高度层内的水汽含量急剧减少0.1-1.0 g.m-3;190-230 min,2 400-5 000 m高度层的冰水含量较考虑繁生过程之前增加0.1-0.6 g.m-3,240-250 min,2 400-4 000 m高度层内的冰水含量较繁生前相同时刻减少了0.1-0.3 g.m-3。加入繁生过程之后,雨强极大值增加1.8 mm.h-1(6.6%)。由此得出结论:(1)繁生过程发生后,云中瞬时冰晶浓度增加,繁生层下方的云水含量减少,冰水含量先增加后减少,水汽含量减少;(2)繁生过程使得雨强极大值增大。     

云中冻结增温

气块垂直上升时气温的改变是由状态变化过程中吸收的热量、释放的潜热、气压的改变以及水汽、水、冰的混合比等因素所决定。如果满足准静态绝热过程,常用的方法是利用热力图解:在抬举凝结高度以下,从干绝热线上读得相对应气压的温度值;在凝结高度以上,则从假绝热线上读得相对应气压的温度值,作为它的近似解。这里忽略一个重要的事实:在气块中过冷态水被扰动后冻结,要释放潜热,使之气块增温。从观测资料的估计,苏联曾用飞机投掷仪从浓积云的中上部发现过500～600微米的大水滴,这里的平均含水量高达25～30     

内蒙古中西部层状云中飞机播撒催化剂扩散过程的数值模拟

文章利用自由大气中扩散方程的解析解，对内蒙古中西部春夏季层状云中飞机播撒催化剂的扩散过程进行了数值模拟。在计算过程中考虑了催化剂质点下落速度和湍流系数不同时对扩散的影响，并对结果进行了比较。     

吉林省自然降水转化因子的初步研究

将自然降水转化因子K定义为地面水汽密度ρ与降水量Q的比值(K=Q/ρ),从气候学和云降水物理学观点,解读了地面水汽系统上升成云致雨,形成降水量的物理过程.K值反映了天气系统和成云致雨的条件,它包含了降水系统热力、动力、水汽、云中微物理诸过程将水汽(ρ)转化为降水(Q)的能力.K值大,则水汽转化成降水的效率高;K值小,预示成雨致雨条件失当,水汽转化成降水的效率低.为使人工增雨作业有最佳效果应选择K的大值区,即顺自然之势.对吉林省1951～1980年的月均值和年均值K进行了计算和时空分布特征分析,可供对适宜作业的地区的选择作参考.结果表明:K值地域差异明显,总体分布趋势是由东南向西北减小,天池站K值最大;K值随时间分布的差异明显,夏季K值最大,春、秋季次之,冬季最小.     

雷暴云中起电活动对动力和微物理过程的影响

本文通过改变三维强风暴动力—电耦合数值模式中电场参量的引入条件，将电场带入积云运动方程及水凝物下落末速中，模拟比较了有无电场影响下模拟云的主要差异。在考虑电场的作用下，由于初期电活动并不剧烈，降水强度与云内风速变化较小；随着云中起电活动的增强，考虑电场影响的模拟云内上升、下沉风速均有所增加，对应时段的降水强度有明显起伏，但累计液态与固态降水量增加微弱；同时，闪电数目增多，闪电发生得更早，持续的时间更长，电场的影响是不可忽视的。模拟发现:雷暴成熟时期，由于电场力的作用，雹粒子瞬时落速变化的极值均超过10 m s-1，霰粒子瞬时落速变化极值也超过了7 m s-1。但强电场的区域较小，粒子下落时经过强电场区域的时间较短，所以落速极值变化不大，相比之下电场力对半径较小粒子的下落末速的瞬时改变更显著。电场通过对粒子下落速度的影响，改变了水凝物粒子主要源项的生成率，增加雨滴、冰晶粒子的生成率，减小霰、雹粒子的生成率，调整了三相水凝物粒子的时空分布，使云中水汽总量增加9%，释放潜热增加7%，为云体的进一步发展提供了内能。     

云中含水量与温度

云中液态含水量资料在降水元的形成、飞机积冰的计算及高山电线强度设计中,都是关键性的数据,得到广泛的应用。 世界各国都很重视本国云层中的液态含水量资料,已经或正在进行各种观测研究。我站在1963—1979年间,观测液态含水量资料七年,共获得363份资料。 我们使用三用滴谱仪,在庐山太乙峰、小天     

强雷暴云中电荷多层分布与形成过程的三维数值模拟研究

通过建立云物理耦合电过程的冰粒子分档模式, 对北京一次强雷暴天气的云中空间电荷结构分布、 形成机制及放电过程进行了模拟分析研究。结果表明: (1) 云水含量主要通过感应起电来影响云水、 霰粒子之间的电荷转移, 然后再影响空间电荷分布。而包含了雨水后的液水含量主要通过非感应起电在不同含水量条件下的起电机制影响霰粒子同雪粒子 (或冰晶) 碰撞后转移电荷的极性与大小, 从而影响空间电荷结构。 (2) 微物理过程的不均匀性将导致水成物含水量源汇项的不均匀性。而这种不均匀性首先会使得水成物在不同垂直剖面上的分布也不均匀, 从而使得感应、 非感应起电变得更复杂。源汇项的不均匀性还会导致水成物之间因质量转移而产生的电荷转移也不均匀。 (3) 强的上升气流将冰相物携带到较高处, 从而使得水成物间发生电荷转移的高度也比较高。雪粒子在强上升气流上部及两侧区域出现多个含量中心, 霰粒子含量分布相对均匀, 而质量中心向背风侧倾斜。因此, 非感应起电过程主要发生在背风侧的辐散区域, 从而导致空间电荷也主要分布在该区域。强上升气流使得冰相水成物在不同区域出现含量中心, 使得同一冰相物在不同区域携带不同电荷 (尤其是在强风暴的成熟期), 从而使得空间电荷易于出现多层结构。 (4) 由于放电会改变空间电荷结构, 放电通道中的感应电荷会重新分配到各个水成物表面, 所以在微物理过程和动力过程等作用下, 在水成物质量转移过程中发生的电荷转移将会更加复杂, 从而使得空间电荷浓度分布更加复杂。但是该作用的重要性还需要进一步的研究。以上因子均是造成空间电荷多层分布的重要原因。     

冰水混合球的微波吸收与散射

研究冰水混合球折射指数的Ｄｅｂｙｅ和ＭａｘｗｅｌｌＧａｒｎｅｔ等几种计算方案的计算值随含水量变化的特征以及微波吸收,散射和后向散射截面的影响。结果表明,虽然折射指数的实部和虚部均随冰水混合物中含冰量的增加而减小,但不同的计算方案,给出不同的具体变化特征。常用的Ｄｅｂｙｅ方案代表这些方案听一个极端。利用Ｍｉｅ理论计算表明,对于半径确定的冰水混合球,其吸收截面可以大于同体积纯水球的吸收同;若其物理参数     

冷云中冰晶浓度的分布特征

本文分析了世界气象组织于1981年在西班牙进行的增雨计划试验中法国飞机取得的云微物理资料。结果表明:(1)积云、层积云、雨层云中冰晶浓度值均可达10~2—10~3/升量级,其数值大小与云型无关,与云有无降水产生无关。(2)无论降水云或非降水云中在-3—-7℃范围内均出现高浓度冰晶,而在降水云中另外还存在二个冰晶高浓度区,处于-9—-12℃及-17—-19℃范围内。(3)发现在-3—-7℃温度范围内同时有大的软雹及大量的小冰针,並有相当数量d≤15μm和d≥24μm的过冷水滴存在,由此可认为-3—-7℃范围内出现高浓度冰晶可能是由于碎裂次生机制作用的结果。(4)产生降水的云,其云底温度与云顶温度之差值都达到或大于15℃     

寿县地区云中液态水含量的微波遥感

该文利用地基双频（22.235GHz（1.35cm）和35.3GHz（8mm））微波辐射计和热带降雨测量卫星微波成像仪（TRMM/TMI）两种被动微波遥感资料分别反演安徽寿县地区云中液态水含量，运用统计回归方法得到该地区云水含量的反演公式，揭示了该地区云中液态水含量存在一个阈值0.4mm，当云中液态水含量超过这一阈值时，该地区一般就会出现降水。在降水发生之前，水汽和云中液态水含量均会出现一个显著增加的过程，而在降水结束之后则会出现一个显著减少的过程。     

“云中水滴”幕后的故事

世界气象馆是由世界气象组织和中国气象局共同设计、建设的场馆,具体工作由中国气象局和上海市气象局负责。从整个上海世博会场馆建设规模来说,世界气象馆的投入资金相当少,虽然说2000万人民币对气象部门来说已经是个很大数目了,但是与整个上海世博会场馆建设资金投入相比乃是小巫见大巫。如日本馆的建设斥资10．9亿元人民币,英国馆为6．8亿元人民币,泰国馆为2亿元人民币,就连世界气象馆隔壁的联合国馆,虽然建设式样较为简单,但资金投入也有3000万美金。     

层状云中垂直线源的扩散问题

下投式飞机和火箭焰弹分散的催化剂一般都形成若干条垂直线源。该文利用湍流扩散的梯度输送理论,提出了层状云中垂直线源催化剂扩散的理论模式,并给出了顺风向和垂直于风向发射的多条线源催化剂浓度叠加效应的计算公式。     

机载微波辐射计云中含水量的探测

通过对2003年4月18日在延安地区用单波长(0.95 cm)机载微波辐射计探测到的层状云云中液态水含量的分析,结果表明,层状云中的过冷水平均含量为0.0171 g.m-3。分析其变化,发现云中垂直向的液态水存在高值区,这一区有助于人工引晶催化增雨(雪)作业,有利于冰晶的增长,可提高人工催化作业的效果。与机载粒子测量系统(PMS)及地面711数字化雷达的探测结果进行比对,机载微波辐射计和PMS粒子测量系统的探测结果有较好的一致性;并且在垂直区域的探测上比PMS粒子测量系统更具有代表性;与711数字化雷达的探测结果也吻合。     

层状云中垂直线源的扩散问题

下投式飞机和火箭焰弹分散的催化剂一般都形成若干条垂直线源。该文利用湍流扩散的梯度输送理论，提出了层状云中垂直线源催化剂扩散的理论模式，并给出了顺风向和垂直于风向发射的多条线源催化剂深度叠加效应的计算公式。     

华北积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程的飞机探测研究

利用中国国家科技支撑计划重点项目环北京地区3架飞机联合云探测试验数据,分析了2009年4月18日和5月1日两次积层混合云中冰晶形状、分布与增长过程。结果表明：飞机在0—-16℃范围的云层内观测到的冰晶形状主要包括板状、针柱状、柱帽状、辐枝状和不规则状。云中低层的冰晶形状受云顶温度影响,云顶温度不同,冰晶形状不同,当云顶温度高于-8℃时,云中低层的冰晶以板状和针柱状为主;当云顶温度低于-13℃时,在云中低层可观测到辐枝状冰晶;当云顶温度低于-18℃时,在云中低层可观测到柱帽状冰晶。同时冰晶形态还受其所处云中位置的影响,在积层混合云中的嵌入对流区含有更多的凇附状冰晶;在融化层以上,冰晶的增长过程主要包括凝华、凇附和聚合过程,在垂直方向上,随着高度降低云中过冷水增多,冰晶的凇附增长也相应增强。积层混合云中的对流区和层云区粒子谱下落拓宽速率有明显差别,在4.8—4.2 km（-11.6—-8℃）高度层,对流区粒子谱拓宽速率为3 mm/km,而层云区为3.67 mm/km,层云中粒子拓宽增长的速率略高于对流区;而在4.2—3.6 km（-8—-5℃）高度层,对流区的粒子谱拓宽速率为6.67 mm/km,层云区为2.33 mm/km,对流区的粒子拓宽增长速率是层云区的近3倍,主要原因是对流区低层的过冷水含量较高。