对流云中冰相过程的三维数值模拟 Ⅱ：繁生过程作用

在可压缩三维冷云数值模式里对冰晶繁生过程进行了参数化,显式考虑了过冷滴冻结破裂和Hallett-Mossop两个繁生机制,并对冰晶浓度进行了订正。对暖底孤立积云的模拟实例表明繁生作用对对流系统宏观特征没有显著改变,地面总降水略有增加,最大雨强增大且时间提前。繁生过程的主要作用是改变了云的微物理结构特征,使云中冰化时间提早,冰化程度大大加强,引起云上部增暖并抬高云顶。在所考虑的两个繁生机制中,冻结破裂繁生机制是引起微物理结构发生变化的主要过程。还对各冰相微物理过程的相对作用进行了分析。     

对流云中冰相过程的三维数值模拟 I:模式建立及冷云参数化

本文建立了一个完全弹性三维冷云数值模式。采用参数化方法处理冰相微物理,包括冰核化、凝华、结淞、雹干湿增长以及融化等15个主要过程。使用理想初值条件和环境场对模式进行了检验,证明是可靠和稳定的。三维对流云系统的一些主要特征均能够成功模拟出,例如弱云外补偿下沉运动、云中水平涡耦及其分裂、中层障碍流、弱回波结构等。     

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。     

三维对流云催化数值模式人工冰晶参数化方案的改进与个例模拟试验

在中国科学院大气物理研究所的三维全弹性对流风暴云催化数值模式(简称为IAP-CSM3D)的基础上,对模式中催化部分的参数化方案进行了改进,推导出人工冰晶与其它粒子之间相互作用的微物理过程的参数化方程。改进后的模式将催化产生的人工冰晶单独作为预报量进行处理,把人工冰晶与自然冰晶区分开,且考虑的人工冰晶谱型为双参数粒子谱,使模式更符合实际。利用改进后的模式模拟了2005年7月8日发生在辽宁省朝阳市的一次冰雹云天气过程,着重分析了催化云人工冰晶的微物理过程、空间分布和谱型,以及对冰相降水粒子的贡献。数值试验表明,自然雹云模拟结果与观测事实相吻合,说明改进后的模式对冰雹云具有较可靠的模拟能力。模拟分析表明,冻滴是该例自然雹云冰雹胚胎的主要来源,对该冰雹云进行AgI催化可明显地减少降雹量,特别是在云中冰雹形成初期进行催化防雹效果最好,既可产生最大的防雹作业效果又不至于过度减少降雨量。催化减雹的主要原因是催化显著地减少了云中冻滴向冰雹胚胎的转化总量。进一步研究发现,人工冰晶在云的不同阶段对各种冰相降水粒子的贡献是不同的。人工冰晶对雪花总质量的贡献较小,对霰总质量的贡献有所增大,而对冻滴总质量的贡献较大。模拟的冰晶粒子谱可较好地反映出人工冰晶谱型较窄,浓度较大,尺度较小的特征。     

梅雨锋暴雨中云物理过程的观测和数值模拟

Cloud micro-physical structures in a precipitation system associated with the Meiyu front are observedusing the balloon-borne Precipitation Particle Image Sensor at Baoshan observatory station, Shanghaiduring June and July 1999. The vertical distributions of various cloud particle size, number density, andmass density are retrieved from the observations. Analyses of observations show that ice-phase particles(ice crystals, graupel, snowflakes, and frozen drops) often exist in the cloud of torrential rain associatedwith the Meiyu front. Among the various particles, ice crystals and graupel are the most numerous, butgraupel and snow have the highest mass density. Ice-phase particles coexist with liquid water dropletsnear the 0℃ level. The graupel is similarly distributed with height as the ice crystals. Raindrops belowthe 0℃ level are mainly from melted grauple, snowflakes and frozen drops. They may further grow largerby coalescence with smaller ones as they fall from the cloud base. Numerical simulations using the non-hydrostatic meso-scale model MM5 with the Reisner graupel explicit moisture scheme confirm the mainobservational results. Rain water at the lower level is mainly generated from the melting of snow andgraupel falling from the upper level where snow and graupel are generated and grown from collection withcloud and rain water. Thus the mixed-phase cloud process, in which ice phase coexists and interacts withliquid phase (cloud and rain drops), plays the most important role in the formation and development ofheavy convective rainfall in the Meiyu frontal system.     

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。     

强降水云物理过程的三维数值模拟研究

利用改进的三维完全弹性强对流云模式,模拟了1998年7月21日晨发生在武汉附近的特大暴雨个例,结果显示,该模式模拟得到的降雨量与实测接近,计算得到的雷达回波强度最大值也与实际观测相一致,说明该模式对实际对流性强降水具有较好的模拟能力.在此基础上,通过冷云和暖云两种不同情况的比较分析,研究了云微物理过程在强降水形成过程中的作用.模拟结果表明,详细云物理过程的考虑对深入理解武汉这次强降水的形成过程是有意义的.该个例雨水的形成主要是暖雨过程,冰相微物理过程对该对流性强降水过程的发展和演变有重要的促进作用.在形成雨水的冷相过程中,霰的融化及其在0 ℃层下碰并云水形成雨水的过程是主要的.模式云在0 ℃层附近存在明显的雷达回波亮带,亮带中间含有强回波核和及地下挂回波.分析表明,这种强回波核和下挂回波的产生主要是由于冰相粒子在0 ℃层融化形成的,融化的冰相粒子与云滴碰并又加速雨水的产生.在这些融化的冰相粒子中,贡献最大的是霰粒.文中还分析了该强降水暴雨云维持长时间强降水的云物理机制.在低层大气温暖高湿和环境风切变有利条件下,倾斜上升气流和下沉气流之间的准稳态结构可能是暴雨强降水得以长时间维持的重要原因.     

云微物理过程对强对流风暴的影响之数值模拟研究

本文运用三维对流云模式对美国SPACE计划(South Park Area Cumulus Experiment)1977年7月19日South Park地区一例强对流风暴进行了模拟,目的是考察不同云微物理过程对风暴的影响.不同微物理方案模拟对比有助于我们加深对风暴内部微物理过程的了解.结果表明,不同微物理方案模拟的风暴内部动力场、强度有所不同.不考虑冰相过程的暖雨方案,模拟的风暴最弱;冰相过程中仅考虑冻结/融化潜热释放,模拟的风暴强度在后期稍弱.由于降水绝大部分由霰、雹转变而来,以及霰、雹粒子对运动场的影响及其相变潜热作用,冰相过程中如果不考虑霰、雹的模拟方案,模拟风暴的动力场及降水场都发生改变.     

数值模拟积云的发展过程

本文利用胡志晋教授提出的一维时变积云数值模式，输入实际探空资料，地湛江1998年7月15日的一次积云雹过程进行了模拟计算，预报了各种水粒子的比质量和比浓度的变化。     

冰晶核化对雷暴云微物理过程和起电影响的数值模拟研究

本文在已有的二维对流云模式中采用了一种与气溶胶有关的冰晶核化方案替代原有的冰晶核化经验公式, 并选取个例, 分别就两种方案进行了模拟对比试验。模拟结果表明:(1)新方案所得冰晶比含水量主要分布在-0.1~-7.6℃温区之间, 高于原方案所得的-50.1~-24.2℃温区;在整个雷暴云的发展过程中新方案冰晶的分布高度、温度区间以及最大浓度值均大于原方案。(2)在新方案中, 温度相对较高的过冷区产生大量冰晶, 其争食云中水汽抑制了云滴、雨滴的增长。此外, 与原方案相比, 霰增长受雨滴大幅减小的影响进一步得到限制, 导致生成的霰小于原方案, 且空间分布具有较大区别。(3)两方案在雷暴云初期形成的电荷结构不同;在发展旺盛与消散阶段新方案中电荷空间分布区域和电荷量均大于原方案, 此外, 在不同时刻主正电荷区和主负电荷区的中心高度存在差异。本文对云微物理过程及起电的分析为后继探讨气溶胶与雷暴云起放电过程、电荷结构之间的相互关系提供了有利条件。     

大气冰核谱分布对对流风暴云人工催化影响的数值模拟研究

2002年9月在青海省河南县人工增雨综合试验基地开展了人工增雨外场综合观测试验.根据这次实验得到的大气冰核资料,以及文献给出的另外两组常用的冰核资料,利用中国科学院大气物理研究所研制和发展的三维对流云人工催化数值模式,讨论了3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云人工催化增雨效果的影响,模式中还考虑了国内人工影响天气部门常用的RYI-6300型和WR-1B型人工增雨防雹火箭播云弹道的差异.模拟结果表明,3类不同大气冰核谱环境对模拟对流风暴云的宏观和微观参量分布结构有很大影响,在这些对流云中进行火箭播云催化试验得到的播云效果也有很大差异.大气环境中高温冰核浓度低,而低温冰核浓度高时,对流风暴云人工催化将导致云中冰晶过量,不利于对流风暴云降水增加.在大气环境中高温冰核浓度较高,并且低温冰核浓度较低时,对流催化风暴云可获得最高的人工增雨效果.在青海试验区的大气冰核谱环境下,火箭催化对流风暴云增雨有一定效果.对不同地区进行人工增雨作业时,了解清楚当地大气冰核的基本背景状况对于正确地评估播云效果非常重要.文中还给出了导致这些结果差异的物理解释.     

Numerical Simulation of Effects of Cloud Top Temperatures and Generating Cells on Secondary Ice Production in Stratiform Clouds with a Detailed Microphysical Model

This paper outlines a one-dimensional,heightdependent bin model with detailed microphysical processes in which ice splinters are produced by a riming process.The model is then applied to simulate the shift of particle size distribution effected by the secondary ice production process within clouds with different generating cells and cloud top temperatures.The result of model simulations reveals the general effects of cloud updrafts on increasing ice particle concentration by extending the residence time of ice particles in clouds and providing sufficiently large supercooled water droplets.The rimesplintering mechanism is more effective in clouds with lower ice seeding rates than those with higher rates.Evolutions of hydrometeor size distribution triggered by the rime-splintering mechanism indicate that the interaction between large ice particles and supercooled water drops adds a "second maximum" to the primary ice spectra.     

混合云在GCM气候模拟中的重要性

文章提出了一种简单且适用于大气环流模式（GCM）的冰云辐射参数化。利用该参数化和UGAMP大气环流模式研究了混合云在GCM气候模拟中的重要性。结果表明，云的相态变化及其所产生的反馈作用对模拟的气候状态有显著的影响。在高纬地区，云的相态变化可使地气系统净辐射增加。而在热带则使净辐射减少。     

双参数微物理方案的冰相过程模拟及冰核数浓度的影响试验

利用耦合Morrison 2-mon(MOR)双参数微物理方案的中尺度天气研究与预报模式(WRF)中的单气柱模式,对热带暖池国际云试验(TWP-ICE)期间的个例进行数值模拟。通过与观测资料和云分辨率模式的模拟结果进行对比,检验MOR方案对热带对流云系的微物理特征的模拟能力。模拟结果显示:MOR方案能够较好地模拟出热带云系中液相和冰相水凝物的垂直分布以及随时间的演变特征。地表向下长波辐射和大气顶向外长波辐射的量级和时间演变趋势同观测也非常接近。对与冰晶和雪有关的云微物理特征分析之后发现:季风活跃期,冰晶主要的源汇项有凝华增长过程、沉降过程、冰晶向雪的自动转化以及冰晶被雪碰并的过程。由于冰晶主体位于温度低于―20℃的高空,因而它对雨水的形成主要是间接贡献。同时期雪的主要源汇项中,凝华增长和沉降过程占据着主导地位。雪的凝华过程消耗了大量的水汽,可能抑制了冰晶的增长。另外雪的融化过程非常强盛,是产生降水的重要因子。季风抑制期,冰相的微物理过程变得相对简单且整体削弱,以凝华升华和沉降过程为主。凝华凝冻核的数浓度(N_dep)的气溶胶敏感性试验表明:季风抑制期,高空的冰晶云的宏观和微观性质对凝华凝冻核数浓度的响应情况呈现显著的线性特征。冰晶的含量随着N_dep的增加而增加,反之降低。该时期微物理过程主要同冰晶有关,水分的分配较为简单,N_dep增加时,高空冰云中小冰晶粒子数目增多且云顶升高,使得大气顶部向外长波辐射(OLR)值减小,反之冰云主体中冰晶有效半径增加,高空的冰云更加透明,云顶更低,对 OLR值增加起促进作用。而季风活跃期,微物理过程复杂,冰晶云的宏微观特征对N_dep的响应表现出一定的不规律特征。     

祁连山夏季地形云结构和云微物理过程的模拟研究(I):模式云物理方案和地形云结构

对三维非静力中尺度模式ARPS的云降水微物理方案进行了改进,利用改进后的ARPS模式模拟了祁连山地区夏季的两个地形云个例,通过对各自模拟结果的对比分析并结合实况资料研究了夏季祁连山地区地形云的发展状况、动力场特征、降水特征以及云微物理结构特征。研究结果表明,地形云的发展受地形影响很大,地形的抬升促进了云和降水的发展,地形的作用也改变了地面降水特征,使云的宏、微观物理结构发生较大变化。     

大气冰核谱对雷暴云微物理过程及起电影响的数值模拟

利用已有的二维对流云模式,讨论了三种不同的冰核谱对雷暴云微物理、起电及电荷结构的影响。模拟结果表明:(1)不同的冰核谱环境对雷暴云中冰相粒子的含量及分布具有明显作用。冰核谱的垂直温区越大,产生的冰相粒子分布越广。在冰核浓度较大的个例中,冰晶和霰粒子的含量高,更多的小冰相粒子出现在海拔更高的区域;(2)高温区冰核的数量会对上升气流速度产生显著影响。高温区的冰核越多,冰相粒子在微物理发展过程中释放的潜热越多,上升气流强,对流发展越旺盛;(3)在低温区冰晶浓度高的谱环境个例中,雷暴云中的非感应起电率和感应起电率高,导致起电量增加。高温区冰核多的谱环境,大量冰晶和霰获得正电荷形成次正电荷区,电荷结构呈现三极性;而高温区冰核少的谱环境,参与起电的水成物粒子少,易形成偶极性电荷结构。     

北京一次下击暴流的三维数值模拟分析

应用中尺度气象数值模式WRF模拟再现了2001年8月23日北京时间14时至24日00时发生在北京密云县附近的一次典型强对流风暴天气,重点发掘并分析了密云水库附近一次茁中尺度下击暴流的形成与演变过程。研究表明：（1）WRF模拟结果显示该茁中尺度下击暴流的生命期为1 h左右,水平尺度约为20 km,其水平和垂直流场与下击暴流流场的理论结构基本一致,但辐散气流流速在近地面层未能达到下击暴流定义的18 m/s;（2）模拟的下击暴流环境场中扰动位温、各水成物的比含水量与层结不稳定性以及上升气流的联系紧密,并可推断强下沉气流主要由雨水粒子拖曳作用产生,较大的位温扰动则加强了气流上升运动,迫使暖湿气块更大程度抬升,进一步维持和发展下击暴流系统。     

"98.5"华南前汛期暴雨云微物理场数值模拟分析

为了进一步理解暴雨发生过程中云微物理场的演变和云微物理过程与动力、热力过程的相互作用,利用非静力中尺度数值模式MM5对1998年5月23~24日的华南暴雨过程进行了模拟,并详细分析了模拟结果。分析结果表明:利用混合冰相显式物理方案比其它方案模拟的降水更接近实际情况;云微物理场的模拟显示没有雪出现,这可能是华南降水云微物理的特点;每小时降水量有先减弱后又增强的趋势,暴雨过程中云的各微物理量的变化趋势与其一致;云的发展与良好的热力动力条件互相作用、共同加强,由南风带来的充足的水汽和热量为其发展提供前提条件,凝结潜热使上升运动向更高处伸展。